向陽(yáng)光要“能” 路面變身“充電寶”

把太陽(yáng)能應(yīng)用于公路建設(shè)顯現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)。

日前，有消息傳出，我國(guó)首條“超級(jí)高速公路”杭紹甬智慧高速公路即將開(kāi)建。與普通高速公路不同的是，該公路將采用光伏路面，同時(shí)將設(shè)置自動(dòng)駕駛專用車道，支持全線自動(dòng)駕駛車輛自由行駛。

不僅如此，該光伏路面下還預(yù)留了電磁感應(yīng)磁圈。未來(lái)，隨著電動(dòng)車無(wú)線技術(shù)的配套，有望實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車邊跑邊充電的功能需求。

科幻般“黑科技”展現(xiàn)的場(chǎng)景令人期待。然而，由于過(guò)去全球在光伏公路實(shí)踐中有著并不完全成功的“前車之鑒”，也有人對(duì)光伏公路的建設(shè)與前景表示質(zhì)疑。

光伏公路究竟是未來(lái)智慧交通之創(chuàng)舉，還是曇花一現(xiàn)的“天方夜譚”?

瞄準(zhǔn)智慧交通的探索

隨著電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展以及智慧交通系統(tǒng)的建設(shè)，把太陽(yáng)能應(yīng)用于公路建設(shè)顯現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)。

“光伏公路是一種瞄準(zhǔn)未來(lái)交通工具的路面形式。”同濟(jì)大學(xué)道路與機(jī)場(chǎng)工程系教授張宏超告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。2017年，由他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)主持設(shè)計(jì)，在山東濟(jì)南南繞城高速公路G2001建成了世界首條光伏路面高速公路試驗(yàn)段(以下簡(jiǎn)稱濟(jì)南試驗(yàn)段)。

事實(shí)上，世界部分國(guó)家早已紛紛開(kāi)展光伏公路的研究和嘗試。2014年，荷蘭建造了一條社區(qū)太陽(yáng)能公路，由安裝太陽(yáng)能電池的混凝土模塊和一層薄薄的鋼化玻璃組成，但只允許自行車和行人上路，不對(duì)機(jī)動(dòng)車開(kāi)放。2016年，法國(guó)在諾曼底地區(qū)建成了該國(guó)首條太陽(yáng)能公路。該公路既可支撐5000人口小鎮(zhèn)的日常公共照明用電，又能承受車輛行駛和極端天氣。

我國(guó)雖起步較晚，但在部分基礎(chǔ)材料探索、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方面處在國(guó)際前列。例如，濟(jì)南試驗(yàn)段的建設(shè)意味著我國(guó)在光伏路面承載結(jié)構(gòu)和透光磨耗層材料方面獲得重大技術(shù)突破。該路段被認(rèn)為是全世界承載能力最高和交通量最大的光伏路面。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，濟(jì)南試驗(yàn)段和即將開(kāi)建的杭紹甬智慧高速公路均采用了三層設(shè)計(jì)，最表層為透光混凝土路面層，中間夾層為光伏面板，以及既對(duì)光伏面板起物理保護(hù)作用又防水防潮的絕緣層。

“光伏路面是一種跨界技術(shù)，涉及道路工程、光電新能源、智能汽車等領(lǐng)域。”張宏超表示，它不僅可進(jìn)行太陽(yáng)能光伏發(fā)電，滿足電動(dòng)汽車的需求，還兼具智能化，迎合未來(lái)“智慧交通”的發(fā)展。例如，提供車路信息交互、自動(dòng)引導(dǎo)等服務(wù)。

他坦承，作為一項(xiàng)具有超前性、前瞻性的科學(xué)研究，光伏路面概念距離實(shí)踐落地還有很長(zhǎng)一段路要走，需要多學(xué)科共同努力。“這是一項(xiàng)探索性工程，作為高?？蒲泄ぷ髡?，我們的職責(zé)和期待是先在基礎(chǔ)研究上取得突破。”

不突破傳統(tǒng)，難有大創(chuàng)新

古往今來(lái)，所有的技術(shù)探索、新事物的誕生都并非一蹴而就，光伏公路亦是如此。

光伏路面讓普通路面既承擔(dān)原有承載車輛運(yùn)行的功能，又兼具“移動(dòng)充電寶”和“智能交警”，甚至對(duì)周邊社區(qū)提供電力服務(wù)等多樣化的服務(wù)功能。這給光伏路面的鋪面材料、工程建設(shè)以及光電轉(zhuǎn)化效率等關(guān)鍵技術(shù)增加了難度和挑戰(zhàn)。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員魯越暉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，據(jù)了解，目前主要有鋼化玻璃、透明陶瓷、復(fù)合樹(shù)脂3類鋪面材料，在車輛載重較大、行駛速度較快的路面上，對(duì)材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐候性、平整度及摩擦系數(shù)等要求非常高。

“由于傳統(tǒng)光伏組件中通常由電池片通過(guò)EVA膠與保護(hù)材料及反射背板構(gòu)成封裝，一旦需要替換保護(hù)材料則需要重新進(jìn)行封裝，因此也需考慮其破損替換及日常清潔問(wèn)題;此外，相對(duì)于傾斜安裝的傳統(tǒng)光伏組件，污染物在平鋪的光伏路面上更不易滑落以及清洗，這需要鋪面材料具有更好的耐污特性。”魯越暉說(shuō)。

魯越暉所在團(tuán)隊(duì)目前正利用“表面功能化減反技術(shù)”探尋研發(fā)適合的材料。“減反技術(shù)的原理是通過(guò)薄膜的相消干涉，減少光伏玻璃與空氣界面間的光反射，使得更多的太陽(yáng)光可以進(jìn)入到組件中參與光電轉(zhuǎn)換，以提高電力輸出功率。”

魯越暉認(rèn)為，以光伏路面的形式鋪設(shè)，無(wú)疑會(huì)對(duì)減反膜的硬度和耐磨性方面提出相當(dāng)高的要求。此外，關(guān)注減反膜表面功能化，如自清潔、防塵等的研究，對(duì)于降低光伏公路實(shí)際運(yùn)維成本，減少空氣中的塵埃、鳥(niǎo)糞等在路面的附著，保證發(fā)電功率的穩(wěn)定輸出均具有較大意義。

張宏超表示，目前他們團(tuán)隊(duì)正在探索光學(xué)混凝土材料。“混凝土材料是不能透光的，如果能讓傳統(tǒng)的混凝土材料具有透光性，將會(huì)是一大進(jìn)步，它可直接作為光伏路面表面層，起到保護(hù)支撐、加固強(qiáng)度等作用。此外，這種材料不只是用于光伏路面，探索不同透光率的混凝土材料，可適應(yīng)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。”

另外，在新的光伏發(fā)電材料和光伏路面結(jié)構(gòu)方面，張宏超也正在進(jìn)行改進(jìn)研究。

基于濟(jì)南試驗(yàn)段的探索，張宏超總結(jié)到，首先，室外環(huán)境對(duì)光伏路面的侵蝕來(lái)源復(fù)雜廣泛，尤其是電化學(xué)腐蝕比較嚴(yán)重。再者，光伏路面的快速養(yǎng)護(hù)和維修是很大的挑戰(zhàn)。此外，還存在著整個(gè)產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)與配套問(wèn)題。

“這是新事物，技術(shù)復(fù)雜度、集成度高，在探索過(guò)程中問(wèn)題層出不窮也是正常的，遇到問(wèn)題我們便研究解決問(wèn)題。但是，如果不突破傳統(tǒng)思維，就不可能有很大的創(chuàng)新。”張宏超說(shuō)，“這次，是我們?cè)谇懊嫣铰?，讓別人學(xué)習(xí)我們。”

無(wú)線充電加持

光伏路面技術(shù)是朝著智慧交通的目標(biāo)進(jìn)行的一次技術(shù)創(chuàng)新。在張宏超看來(lái)，綠色環(huán)保、安全智能，是智慧交通必然的發(fā)展方向。

魯越暉充滿期待：“光伏公路或類似技術(shù)與其它技術(shù)的交叉融合，必將會(huì)給人們未來(lái)的交通出行帶來(lái)更大的便利和更好的體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)諸如自動(dòng)融冰化雪、路面交通信息動(dòng)態(tài)智能顯示等。”

重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院教授、無(wú)線電能傳輸技術(shù)團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人孫躍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，智慧交通的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)行(包括車輛)的自動(dòng)化、智能化和無(wú)人化。“智慧交通既有路的事，更有車的事。光伏路面的建設(shè)可以與電動(dòng)車無(wú)線充電技術(shù)相結(jié)合，為真正的無(wú)人化智能交通提供完整的解決方案。”

那么，如何將兩者相結(jié)合?需配套怎樣的電動(dòng)車無(wú)線充電技術(shù)?

孫躍指出，將“光伏+無(wú)線充電+智能管理”作為智能交通的支撐平臺(tái)，一定要把車輛技術(shù)納入考慮，形成一種“車中有路—路中有車”的協(xié)同思維模式。

同時(shí)，道路(包括光伏路面)的規(guī)劃與建設(shè)，必須充分考慮未來(lái)電氣化交通工具(電動(dòng)車輛)的電能實(shí)時(shí)補(bǔ)給解決方案。而電能補(bǔ)給方案有兩種方式：定點(diǎn)駐車無(wú)線充電和定線路行駛過(guò)程中的無(wú)線供電，用來(lái)解決電能及時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給問(wèn)題。“車輛電能的無(wú)線補(bǔ)給是制約‘智慧交通’真正無(wú)人化的關(guān)鍵要素之一。”孫躍說(shuō)。

他表示，集光伏發(fā)電、動(dòng)態(tài)無(wú)線充電、無(wú)人駕駛于一體是未來(lái)智慧交通的一項(xiàng)前瞻性和引領(lǐng)性的技術(shù)和解決方案。2018年，由江蘇方天電力技術(shù)有限公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)有關(guān)高校在江蘇同里小鎮(zhèn)建設(shè)了一條“三合一”電子公路，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車全路段動(dòng)態(tài)無(wú)線充電。

孫躍介紹，該系統(tǒng)包括幾百米地面充電線圈(鋪設(shè)在光伏路面下面)、原級(jí)電能變換與供電線圈驅(qū)動(dòng)裝置、車載電能變換與控制器等。設(shè)計(jì)最高車速120公里/小時(shí)，動(dòng)態(tài)充電效率85%以上。“基本實(shí)現(xiàn)車輛邊跑邊充全過(guò)程的無(wú)人化和智能化。”

不過(guò)，在走向產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中還存在一些需要解決和改善的問(wèn)題，比如車載裝置輕量化和小型化、全系統(tǒng)低成本建設(shè)與運(yùn)行，以及充電效率進(jìn)一步提升等。

“跨行業(yè)合作是一種行之有效的模式，可由政府和企業(yè)(行業(yè))投入，行業(yè)帶動(dòng)，政產(chǎn)學(xué)結(jié)合進(jìn)行開(kāi)發(fā)和推廣。”孫躍建議。

專家們表示，目前在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家基本處在同一起跑線，積累了較為深厚的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)。面對(duì)新一輪的產(chǎn)業(yè)格局變化，還需要基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)持續(xù)跟進(jìn)、國(guó)家和各行業(yè)的支持。