“太陽能光伏”和“高速公路”是我們在社會生活中經(jīng)常接觸到的。前者直接把太陽光轉(zhuǎn)化為電力，為人們提供了新型綠色能源；后者則極大地變革人們的出行方式、提高了出行效率。如果把兩者結(jié)合起來會起什么樣的“化學(xué)反應(yīng)”呢？近日，在山東濟(jì)南問世的“中國首條光伏高速”吸引了人們的目光，這段全長僅約1.12公里的試驗路段向人們展示，現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)正在悄然發(fā)生前所未有的大變革，其在繼續(xù)完成車輛通行的傳統(tǒng)使命的基礎(chǔ)上，將演進(jìn)為現(xiàn)代清潔能源中心和現(xiàn)代智能交通的核心載體。
發(fā)電量可觀 路面經(jīng)得起考驗
對“光伏公路”，發(fā)電量無疑是人們首先想了解的指標(biāo)。該光伏高速試驗路段位于濟(jì)南市繞城高速南線，太陽能光伏路面鋪設(shè)長度1.08公里，總面積近5900平方米，分布式并網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)容量峰值功率超過800千瓦，采用全額上網(wǎng)模式并網(wǎng)發(fā)電，年發(fā)電量約為100萬度。按照這樣的發(fā)電效率，此段試驗路段的效益無疑是很可觀的。
發(fā)電效益很重要，但是“光伏公路”作為一種道路基礎(chǔ)設(shè)施，其通行能力和安全性無疑更為重要。
“光伏公路”應(yīng)用的核心技術(shù)被稱為“承載式光伏路面技術(shù)”，由上海同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院張宏超教授團(tuán)隊研發(fā)，其核心是解決太陽能光伏組件路面承載問題，也就是使路面不僅有很好的透光性，保障光電轉(zhuǎn)化效率保持在較高水平，而且摩擦系數(shù)還必須符合道路交通安全性的要求，并經(jīng)得起各種車輛長期碾壓磨損。按照上述目標(biāo)要求，張宏超團(tuán)隊研發(fā)出的承載式光伏路面共分為三層：最表層為透光混凝土路面層，該層具有強(qiáng)度大、透光率高兩大特點；中間層為光伏面板，也就是光電轉(zhuǎn)化的功能層，利用路面空閑時間吸收陽光發(fā)電；第三層為絕緣層，既有對光伏面板的物理保護(hù)作用，又有防水防潮等性能。
經(jīng)山東省公路檢測中心的檢測，張宏超團(tuán)隊研發(fā)的承載式光伏路面的技術(shù)指標(biāo)和通行安全系數(shù)均超過當(dāng)前普遍使用的瀝青混凝土路面，強(qiáng)度和使用性能均符合國家相關(guān)規(guī)定，完全滿足車輛行駛正常使用要求。參與測試的一名中巴車司機(jī)對該路面表示滿意。他說，駕車行駛在該種路面上，感覺和其他類型路面一樣。
變身能源中心 邁向智能交通
“光伏公路”意味著道路交通可以成為新的能源中心，意味著路通到哪里，哪里就會有豐富的清潔電力資源，不僅可以為與高速公路有關(guān)的道路基礎(chǔ)設(shè)施比如道路標(biāo)識系統(tǒng)等提供電力支持，而且可以為方興未艾的電動汽車提供動力來源。實際上，濟(jì)南市繞城高速南線這段“光伏公路”試驗路段目前已實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，并實現(xiàn)了與充電樁相連，可以隨時為電動汽車提供充電服務(wù)。不僅如此，這段光伏路面下還預(yù)留了電磁感應(yīng)線圈，隨著電動汽車無線充電技術(shù)的成熟，將來電動汽車在此路段行駛過程中，可實現(xiàn)邊行駛邊充電。由此可見，“光伏公路”正在從根本上解決當(dāng)下電動汽車面臨的“行駛里程焦慮”，既可以提供電能，廣建充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施，又可以干脆通過無線充電技術(shù)，使電動車獲得如影隨形的充電服務(wù)。
由于清潔電能唾手可得，“光伏公路”使交通智能化有了更現(xiàn)實的條件。據(jù)報道，試驗路段預(yù)留了信息化端口，未來還可接入各種信息采集設(shè)備。車輛信息、擁堵狀況等信息將匯聚成交通大數(shù)據(jù)，并與其他方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，為智能交通、智慧城市的建設(shè)提供支持。在張宏超看來，從高速公路光伏路面到未來的智能交通，需要完成三步跨越。第一步是實現(xiàn)公路的電氣化，即公路要滿足未來智能設(shè)備隨時隨地用電需求，“光伏公路”的發(fā)展為此奠定了基礎(chǔ)。第二步是實現(xiàn)車路協(xié)同，即實現(xiàn)能源、信息、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的融合，讓人流與物流實現(xiàn)綠色、安全與高效通行。第三步是進(jìn)入智慧交通階段，即智慧公路和城市道路共同構(gòu)成智慧交通體系，催生新的技術(shù)創(chuàng)新和模式創(chuàng)新。
由于自身可以產(chǎn)生足夠電能，“光伏公路”可以通過裝配電能轉(zhuǎn)換熱能的設(shè)備，智能感知路面結(jié)冰情況，開啟電力加熱系統(tǒng)，消融路面上的冰雪，大大提升行車安全系數(shù)，尤其是在北方冬季，行駛起來更安全。
降低建設(shè)成本 因地制宜推廣
就國際范圍而言，較早把太陽能光伏與道路交通結(jié)合在一起并付諸實踐的是一對美國科學(xué)家夫婦。2006年，他們提出了用太陽能板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的瀝青來建造所謂“太陽能公路”的設(shè)想，并研發(fā)了一種名為“太陽公路”的太陽能電池板。其表面的材質(zhì)是超耐磨的特殊玻璃，最高承重可達(dá)125噸。該太陽能道路系統(tǒng)項目后來在美國66號公路密蘇里路段開啟了小規(guī)模試點建設(shè)工程，但是囿于建設(shè)成本等因素，沒有得到推廣。
2016年12月，一條長約1000米、寬2米、單向行駛的“太陽能公路”在法國諾曼底的圖魯夫爾歐佩爾什鎮(zhèn)投入使用。這段公路年發(fā)電量約28萬度，可支撐一個5000人口的小鎮(zhèn)居民日常公共照明用電。
中國科學(xué)家研發(fā)的“太陽能公路”見諸報端始于2017年9月。在張宏超教授團(tuán)隊的支持下，山東齊魯交通發(fā)展集團(tuán)投資建設(shè)的660平方米光伏路面示范區(qū)在濟(jì)南鋪設(shè)完成，并實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。該光伏路面示范區(qū)同時配備了電動汽車充電樁、智能引導(dǎo)標(biāo)線等衍生應(yīng)用設(shè)施。這是張宏超率領(lǐng)同濟(jì)大學(xué)科研團(tuán)隊8年磨一劍，在光伏智能道路關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得的重要成果。
2007年10月，浙江省紹興市建成了一段世界上承重最大的太陽能試驗道路，并經(jīng)受了一輛重200噸的大型自卸車行駛，路面完好無損。這標(biāo)志著浙江蘭亭太陽能科技有限公司、中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所和清華大學(xué)智慧城市與智慧交通研究中心等多家單位歷經(jīng)10年完成的“太陽一號”光伏路面道路成為當(dāng)時世界上承重最大的太陽能試驗道路。
中國“光伏公路”的研發(fā)突破和試驗路段的建設(shè)讓人們感受到其光明的發(fā)展應(yīng)用前景。在中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員曲勝春看來，“光伏公路”大規(guī)模推廣在很大程度上取決于建設(shè)和養(yǎng)護(hù)成本。實際上，正是受制于居高不下的成本，美國和法國的光伏公路項目仍然處于試驗應(yīng)用階段，沒能拓展開來。曲勝春認(rèn)為，綜合考慮其通行和發(fā)電效益，建設(shè)成本只要控制在普通公路的1.5倍之內(nèi)，就有可行性。
據(jù)參與濟(jì)南市繞城高速試驗路段項目的業(yè)內(nèi)人士介紹，光伏高速路面建設(shè)成本比普通高速公路高出不少，而就養(yǎng)護(hù)而言，從實驗數(shù)據(jù)來看，光伏路面比普通高速公路的成本要低，同時，其模塊化設(shè)計為快速修復(fù)提供了便利。而降低“光伏公路”建設(shè)的成本則在很大程度上要依靠太陽能光伏技術(shù)的進(jìn)步。隨著新型光伏材料比如鈣鈦礦光伏發(fā)電電池的開發(fā)利用，有望進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換率同時降低價格，這將為“光伏公路”的建設(shè)和普及創(chuàng)造條件。
即使建設(shè)成本降下來，“光伏公路”的建設(shè)也要因地制宜。曲勝春指出，光伏發(fā)電的必要條件是日照充足，這顯然對于青海、甘肅、西藏、新疆等陽光照射充足的地區(qū)來說非常適宜，但是對于日照條件較弱、雨雪天氣較多的地區(qū)來說，建設(shè)“光伏公路”發(fā)電效率很低，因而得不償失。