太阳能公路综述.docx

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1、太阳能（高速）大路综述沈恂达一、问题的提出在2022年3月的全国两会上，全国政协委员、通威集团董事局主席刘汉元先生提出了结合国内现有高速路网资源状况，参考国外已有的阅历和做法，充分采用国内存量高速网，将其作为太阳能光伏发电的新型、有效载体，实现光伏发电、交通运输、节能减排、平安行驶、道路养护、耕地爱护六者的高效整合与最佳统一的方案。刘委员提出的建议就是建设所谓的“太阳能高速大路”。在此前，广东工贸职业技术学院的欧英雷先生在2022年也提出了 “采用高速大路实现太阳能光伏发电的构想”。其实，世界上第一个提出“太阳能（高速）大路”概念的是美国爱荷达州的一对夫妇一一电子工程师斯科特布鲁索（Scott

2、 Brushaw）和心理治疗师朱莉（Julie） 02006年，布鲁索夫妇首先提出“太阳能大路”的概念和幻想，并进行了一系列的讨论、试验工作，取得了卓有成效的阶段性成果。此后，美国、荷兰、意大利、英国、德国以及比利时等国也先后就此进行了讨论、探究和试验。2022年，世界上第一条太阳能高速大路（A18大路）在意大利建成，并向公众开放。“太阳能高速大路”是一个全新的概念，是太阳能应用创新的大胆设想。讨论和试验表明，这种太阳能高速大路的优点很多，节能、环保、智能、平安、分散，也可以节省大量的土地，其最终的、最直接的结果就是可以渐渐让人们不再那么依靠煤和石油等矿物燃料。虽然目前太阳能高速大路的建设刚刚

3、起步，并且还存在不少问题和困难，尤其是路面材料和造价。但究竟这是一个宏大的创意和幻想！任何一位开拓者都认为：历史上没有一蹴而就的创造，创造首先需要想象。二、太阳能高速大路的含义1、含义所谓太阳能高速大路是指：采用高速大路的路面、沿线设施以及周边的环境实现太阳能光伏发电，并为大路设施本身和沿线居民供电。它大致可以分为：路面光伏发电系统和沿线设施光伏发电系统两大类。1）路面光伏发电系统（见图1 ）路面光伏发电系统顾名思义是指：采用高速大路路面作为载体实现光伏发电的系统，通常称为“太阳能高速大路大路”或“太阳能大路”，它的基本结构由三层组成（见图2）：最下层：为基础层或承载层，用来隔绝土壤的湿气，避

4、开其影响到上层太阳能光伏组件的正常工作；中间层：为太阳能光伏电池层，用来产生电能；最上层：为透亮的爱护层，爱护内部的太阳能光伏组件，同时也让太阳光透过；也要承载路面上各种载荷的正常通过，即要满意作为路面的全部一切条件，如坚硬度、粗糙度和摩擦力等。这种特殊的新型路面光学材料可以是透亮陶瓷、聚光透镜或特殊的玻璃钢。本文主要介绍的是路面光伏发电系统。2）沿线设施光伏发电系统沿线设施光伏发电系统是指：采用高速大路沿线的一些设施安装光伏板来发电，如服务区建筑物屋顶和侧墙、停车场、路侧防撞护栏、防噪声隔离带（声屏障）、路侧边坡等（图3）。2、理论构想太阳能高速大路的理论构想是将太阳能电池阵列埋入高速大路的

5、路面内，并查找新型的光学材料来铺设高速大路的路面。这种新型的路面材料（如透亮陶瓷和聚光透镜等），它既要符合高速大路的行车要求，又要满意对太阳光的透射和聚焦作用，使得铺设在其下面的太阳能光伏阵列能接收到太阳光的辐射。也就是说中间层和最上面层两者的共同作用应达到高速大路的设计标准，从而确保高速大路的行车平安。图1路面光伏发电发电系统图2路面光伏发电系统构成图3大路边坡太阳能光伏发电系统三、我们我国的太阳能资源简述众所周知，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色资源。据计算，每秒钟太阳辐射抵达地球表面的能量高达8.0 1013kW,相当于550万吨的标煤燃烧产生的能量。我们我国陆地表面每年接收的太阳能

6、就相当于1700亿吨标准煤。我们我国的太阳能资源特别丰富，全国有2/3以上地区，年口照时数在2000小时以上。但由于太阳能特别分散，能流密度较低，因此，到达地面的太阳能每平方米只有1000W左右。全国各地区太阳能资源状况及分类如表1所示：表1类型地区年日照时数（时）日辐射量（千瓦小时/米2）1西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘肃西部2800-33005.1-6. 42西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙占、山西北部、河北西北部300032004.55. 13新疆北部、甘肃东南部、山西南部、山西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽

7、北部220030003.84. 54湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、山西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江1400-22003.23.85四川、贵州1000-14002.53.2由表1可见，我们我国的西藏、新疆、青海和甘肃地区的太阳能资源很丰富，平均每天的日照时数都在79小时，特殊相宜于光伏发电；而四川和贵州较差，每天的平均日照时数只有3小时左右，不太相宜于太阳能法律规范发电的应用。四、太阳能高速大路发电量的理论估算1、路面太阳能高速大路假设：高速大路所在地的有效日照时间为T,太阳能电池的能量转换效率为中每平方米的辐射功率为P,充电效率为l逆变器的转换效率为2,则得：每日每平方

8、米太阳能电池板的发电量为Wl （瓦时数/米2）,Wl=PT（1）负载每口每平方米获得的电能（瓦时数/米2）为W2,W2=l2 X Wl=l 2PT（2）面积为S的太阳能电池板每日为负载供应的发电量为W （瓦时数），W=s W2=S l2PT（3）若平均日照时数 T=4h, P=1000W, =18%, l=70%, 2=90%,则W=0.4536S （千瓦小时）/日（4）设：可以安装光伏组件的四车道高速大路的有效宽度为20m （路面宽度+硬路肩宽度），则每公里的路面面积为20000m2,日发电量约为9000 （千瓦小时）/公里，那么年发电量就是328.50万（千瓦小时）/km）。2022年底，

9、全国高速大路的通车里程约为110000km,假如都用来发电的话，每年的发电量约为3613亿度电，约占2022年全国总发电量55459亿（度）的6.5%左右；是2022年火力发电量的8.7%。当然，这仅仅是个理论值，由于，不行能全国的高速大路都用来太阳能发电。2、声屏障和防撞护栏太阳能光伏发电同样，也可以采用高速大路上的声屏障或两侧的防撞护栏上安装光伏发电组件来发电。假设，每块光伏组的面积是1米（宽）X2米（高）。依据上述条件计算可得：每块2米2的组件，每天可以发电0.5度电5取10%）。假如光伏组件安装在两侧的防撞护栏上，则每公里高速大路最多可以安装2000块（竖装）这样的光伏组件，故每天至少

10、可以供应1000 （度）的电量。依据目前的高速大路机电工程设计标准和设施配置要求，改扩建后的京港澳高速大路石安段每公里的外场设施（高清摄像机+微波检测器+LED可变信息标志+号角喇叭等）的总耗电量为每天10度电，也就是说，每公里的防撞护栏太阳能光伏组件发出的电量可以为100公里的高速大路外场设施供电。此外，光伏发电组件供应的这些电量，除了给沿线的全部机电设施全天供电外，还可以为沿线四周的部分居民供应足够的用电量。当然，这需要与现有的电网并网工作。五、国外进展动态1、美国美国是最早讨论太阳能高速大路的我国。2006年，美国爱达荷州的一对科学家夫妇斯科特布鲁索（Scott Brushaw）和朱莉（

11、Julie）首先提出，用太阳能板代替传统的沥青来建筑所谓的“太阳能大路”的幻想，并得到了美国联邦大路管理局的研发资金支持。2022年，他们收到了第一笔用于建筑太阳能电池板大路原型的政府拨款。2022年春天，布鲁索夫妇启动了试点项目，在爱达荷州桑德波因特市用太阳能电池板建成了一个露天停车场。斯科特认为停车场是进行LED光源和发电系统试验的绝佳试验场。可以重新配置方向箭头和停车线，来应对停车高峰，而且所产生的电能可以为四周的企业供电。为此，当地政府嘉奖了他们75万美元。多次试验后，他们最终胜利研发出一种高硬度又具有浮凸结构的玻璃做太阳能电池板的路面。太阳能大路由嵌入超韧玻璃的六边形太阳能板建筑而成

12、（见图4）。除了基座，太阳能电池面板由三层组成。第一层是含有太阳能电池板、LED灯和供暖系统的硬玻璃层。这种半透亮、高强度、防水的大路表面层，能够供应足够大的坚硬度、粗糙度和摩擦力，并且可以让阳光照耀在太阳能电池板上。其次层是一个带有微掌握器的电子元件层，可以激活LED灯，具有掌握照明、通信和监测功能。上面的电路可感知荷载、掌握加热单元，让汽车在冰雪天气也能正常行驶。第三层是防水的底盘层，除了爱护上层电子元件干燥，还负责安排收集到的能量及数据信号。多块太阳能大路面板相互连接变成一条智能太阳能大路，形成一个智能的分布式电网。图4超韧玻璃的六边形太阳能板目前，布鲁索夫妇已经在自家的车道上应用了太阳

13、能路面。在冬天它的化雪功能能够正常使用，道路每年也可以正常工作，除了正常磨损，一切都好。现在夫妇俩想要把这样的道路推广到公共停车场和人行道上，先从小规模做起，使道路能够供电，也让人们在冬天不用费劲去铲雪了。布鲁索夫妇已经着手开头进行原型阶段的其次阶段，包括建筑一个停车场，用来测试太阳能道路电池板对气候，重负荷及能量收集和LED有效性的耐久程度。此外，美国的绿色能源公司开发的像地砖一样的太阳能电池板，面积为3.7mX3.7m,每天的发电量为7.6X10-3度电，每片的成本为6900美元。这种太阳能电池板可以铺设在城市大路和人行道中，也可以铺设在高速大路中。太阳能板上面铺设高强度的高分子透亮塑料板

14、。这种塑料板透亮度很高，可以让阳光充分照耀太阳能电池板。塑料板也特别坚固，而且不特别光滑，可以保证汽车在上面快速行驶而不打滑。遇到下雨天，特殊的构造可以让雨水快速流走，而不会由于积水而影响汽车的行驶。独具慧眼的公共太阳能高速大路公司已经和凯斯内斯能源(Caithness Energy)达成合作合同，从加州开头在全美各州开展太阳能发电项目。事实上，该项目已经取得了加州交通部的支持。他们方案在美国101国道沿线建立七座太阳能高架，从圣何塞始终延长到吉尔蕾。公共太阳能高速大路公司表示，七座高架的光伏系统最高可以产生15兆瓦的电量。形象地说，它能够满意3000家庭的电力需求。经过测算，一段1000米长的四车道高速大路的发电量可供300个家庭使用。假如美国的大路都能变成太阳能大路，即使太阳能电池的效率只有10%,那么这些高速大路采用太阳能所发的电能相当于美国年耗电量的3倍，此外还能节省2倍的石油用量。这样做的结果，美国的能源有望摆脱石油的束缚。太阳能高速大路同时还能解决其它的一些问题，如大路内装的传感器用来监控交通流量；加热器（电热丝）可防止寒冬季节冰雪滞留在大路上，能有效地防止路面结冰或积雪。下雨天通过路边的落水管将雨水收集起来，经过滤后可用于农作物浇灌。某家公司研发的12英寸见方的太阳能道路板内嵌了一些LED灯，可以在阴天或夜晚点亮变换成新车路