光伏發(fā)電對光伏路面現(xiàn)況發(fā)展研究

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[摘要]為了研究光伏材料在我國各行業(yè)領域中的實體應用，通過制作透光混凝土的方法分析以及光伏發(fā)電技術在光伏路面的應用，研究了光纖扦插法（先植法、后植法）、光伏發(fā)電結構、光伏路面結構。結合新能源汽車近年市場發(fā)展狀況及電力來源的研究，充分將光伏發(fā)電技術融入高速公路的建設中。同時，探究針對依靠光伏技術建立的光伏路面的基礎結構，延伸光伏發(fā)電技術所產(chǎn)生的能量、信息等實體領域的交互作用及應用，開拓光伏電池市場的發(fā)展前景。

[關鍵詞]光伏發(fā)電；光纖扦插法；光伏路面結構

在節(jié)能減排的大背景下，光伏發(fā)電成為未來發(fā)展產(chǎn)業(yè)的必然趨勢。光伏產(chǎn)品產(chǎn)量逐年增加，據(jù)我國光伏行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016年以來，我國光伏主要產(chǎn)品（硅片、電池片、光伏組件）出口總額持續(xù)回升。2019年，全國光伏產(chǎn)品出口額為207.8億美元，再次突破200億美元。利用光伏發(fā)電技術特性組建光伏路面。光伏路面是一種跨界技術，涉及道路工程、光電新能源、智能汽車等領域。它不僅可進行太陽能光伏發(fā)電，滿足電動汽車的需求，還兼具智能化，迎合未來“智慧交通”的發(fā)展。光伏路面利用現(xiàn)有的道路結構，不占用額外土地、無污染排放，對于節(jié)能減排、綠色發(fā)展、改善能源利用具有深遠意義。光伏路面的發(fā)電利用的是清潔、高效的可再生能源——太陽能，它不僅節(jié)能、對環(huán)境無污染，其安裝簡便，無需電線且經(jīng)濟性良好，一次性投資終生受益。此為光伏路面的優(yōu)勢所在，將光伏發(fā)電優(yōu)勢得到進一步利用及釋放。通過結合光伏發(fā)電技術特性分析，建立光伏路面模型，進行光能轉(zhuǎn)電、光能儲電，做到綠色能源最大化[1]。

1.光伏材料行業(yè)發(fā)展趨勢分析

光伏發(fā)電是一種利用半導體材料所產(chǎn)生的光伏效應進行發(fā)電，以太陽光輻射為能量來源，將其轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)不同半導體材料的不同，主要將材料分為晶體硅太陽能發(fā)電、聚光太陽能發(fā)電和薄膜太陽能發(fā)電[2]。在單晶電池片方面，2019年，全球電池片頭部企業(yè)的優(yōu)勢尤為明顯，產(chǎn)能、技術以及成本等方面都得到了相對控制。據(jù)PVInfolink的數(shù)據(jù)顯示，全球電池片前十企業(yè)產(chǎn)量合計達到73.35GW.新一代的晶硅工藝技術的研究，無疑將晶硅材料利用最大化，將其滲入至能源發(fā)展、交通運輸?shù)榷鄠€領域[3]。

2.光伏發(fā)電在新能源汽車領域的應用

2017年12月28日，世界首條高速公路光伏路面試驗段在山東濟南正式通車，試驗段全長1120米，成為我國首個與新能源汽車相結合的“充電寶”式光伏道路。此道路的建設，就是為了解決新能源汽車里程式充電技術。新能源汽車在一次飽和充電（大約10小時左右）后，僅能行駛100-200公里。我國充電樁的數(shù)量稀缺致使新能源汽車充電成為一大難題。技術的突破，讓我們看到了光伏發(fā)電技術在新能源汽車充電上的作用與發(fā)展前景。隨著我國對新能源汽車研發(fā)的大力支持，越來越多的企業(yè)深入地研究新能源汽車的電力里程問題。汽車的電力里程最主要是受到電池的影響，新能源汽車的電控、電機、自身質(zhì)量及風阻等因素對電力里程也存在影響[4]。

3.光伏路面

3.1光伏路面光電轉(zhuǎn)換原理

光伏路面太陽能光伏發(fā)電路面是采用太陽能光伏發(fā)電層替代傳統(tǒng)的瀝青或水泥混凝土面層，或者將太陽能光伏發(fā)電層直接鋪設于現(xiàn)有的瀝青或水泥混凝土路面表面[5]，作為面層的一種全新的多功能路面，這與傳統(tǒng)的瀝青和水泥混凝土路面有著本質(zhì)的不同，其面層不僅需要滿足高速安全行車的交通功能要求，而且還需要具有高效利用太陽能發(fā)電的綠色交通和智慧交通的功能。

3.2光伏路面設計

光伏路面是一項極具挑戰(zhàn)性且發(fā)展前景極強的道路交通技術，利用光電能量信息交互，將光伏發(fā)電工程與道路工程相結合，實現(xiàn)路面承載與發(fā)電的功能融合，進而以此為平臺實現(xiàn)車路之間能量與信息的交互。為保證光伏發(fā)電工程正常且高效率地進行，將光伏路面鋪置于寬3.00米的高速公路應急車道中，充分考慮路面結構（發(fā)電層、保護層、絕緣層）[6]。一是透光抗滑保護層——透光混凝土。2001年，匈牙利建筑阿隆•羅索尼奇將混凝土與光學纖維結合在一起，通過研究透光材料貫穿混凝土進行光線傳導，進而研制出了一種半透明的混凝土材料——一種全新的透光性材料[7]。透光混凝土是將定量的光導纖維等導光材料在一定排列組合下植入混凝土基體中，使得光學纖維等導光材料能夠傳導光線并在人眼背光處對光線進行接收，這就是透光混凝土完整的制作過程。此類透光混凝土是以光學纖維作為導光材料，但其制作過程繁瑣及與混凝土黏結性能較差，所以在光伏路面的應用中。本文主要利用先植法對透光混凝土進行運用，通過以混凝土為骨架、以光導纖維為主體材料，共同組成高速公路光伏路面應急車道[8]。表面的打磨讓路面變得較普通路面更為粗糙，且不易發(fā)生反光現(xiàn)象。使行駛中的車輛與路面表層產(chǎn)生更大的摩擦力，有效防止車輛在惡劣行駛情況下突發(fā)打滑、緊急制動側翻等突發(fā)情況。同時，還擁有優(yōu)異的抗壓能力，能夠承載各類重量級車輛行駛通過時所產(chǎn)生的動力荷載。為駕駛員提供了較為舒適、安全的駕駛環(huán)境，大大降低我國高速路事故發(fā)生率。二是光伏發(fā)電控制層——光伏玻璃。光伏發(fā)電層位于透光抗滑保護層之下，以確保光伏發(fā)電結構不受車輛動力荷載的破壞，保證路面發(fā)電工作持續(xù)進行。它主要結構包括：光伏發(fā)電板、控制器、蓄電池及各種輔助材料。太陽能電池組件（也叫太陽能電池板）是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分。透過透光混凝土在陽光下的作業(yè)，利用光電效應原理將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在電路的傳送下通過蓄電池控制器作用傳送至蓄電池、附近基站進行儲電，或是推動負載工作，這就是光伏發(fā)電板的發(fā)電結構[9]。三是隔水連接層——絕緣層。利用有鋼化玻璃、混凝土板、聚合物板等復合材料將水和發(fā)電層進行隔離，防止電流外露，并將發(fā)電層所產(chǎn)生的電能集中收集并且分配。綜上，光伏電池板對太陽光的轉(zhuǎn)換率較高，且反射率低。在極具破壞性的惡劣天氣影響下具有極高的機械度，保持結構穩(wěn)定，不發(fā)生變形。目前，在光伏電池板的市場中，其主要組成材料：超白壓延玻璃在市場份額占約80%左右，是光伏電路的最佳應用材料之一[10]。

4.光伏發(fā)電用電應用

4.1能量交互

光伏路面在發(fā)電過程中存在能量轉(zhuǎn)化，是由太陽能轉(zhuǎn)化為電能。其能量轉(zhuǎn)換利用基本裝置——太陽能電池，通過光電效應將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能。光電之間的轉(zhuǎn)換，讓我們充分利用自然資源獲取有益于我們的能量。于北方地區(qū)而言，正是此能量發(fā)揮作用的時刻。北方地區(qū)，冬季時節(jié)常常冰雪覆地，車輛在路面行駛中極易發(fā)生輪胎打滑、側翻等交通事故。利用光伏路面的原理，吸收光能、轉(zhuǎn)化為電能的瞬間，并不能達到百分之百的光電轉(zhuǎn)換，只能以百分之八十五的效率進行轉(zhuǎn)換。此外百分之十五的能量則轉(zhuǎn)化為熱能存在于路面結構間。融化路面表層冰雪、保護內(nèi)部結構不被極低溫度的侵蝕。光伏路面三種能量的互換無疑將能量最大化利用，且保護了路面結構、保護了車輛行駛安全。

4.2信息交互

在互聯(lián)網(wǎng)的時代，信息交互無處不在。不論是人與人之間的信息交互還是動物與動物的信息交互，都在兩個本體之間進行著。在光伏能量轉(zhuǎn)換中，也同樣存在著這樣的信息交互。信息交互是指發(fā)出和接收信息的過程。由光、太陽能光伏路面發(fā)電和路面存在著這一關系。信息源的傳遞，電、熱接受者進行接收和交流，在轉(zhuǎn)遞中保持平衡。同時，光伏路面依靠與互聯(lián)網(wǎng)之間建立信息交互，通過光伏路面定位系統(tǒng)能準確獲得定位、通過互聯(lián)網(wǎng)能及時反饋道路行駛車輛行駛情況、車流數(shù)據(jù)。實現(xiàn)信息透明化，在轉(zhuǎn)遞中相互制衡、在網(wǎng)絡上無線傳遞。

5.結語

隨著政府接連出臺多項相關配套政策，光伏行業(yè)逐漸興起，新能源汽車的普及，使得綠色能源得到最大化利用，大大降低了汽車尾氣對我國環(huán)境的污染。光伏技術逐漸走向成熟化，緊跟未來光伏產(chǎn)業(yè)的進一步良性、持續(xù)發(fā)展，并逐步向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展。光伏產(chǎn)品技術水平的不斷提高、成本的不斷下降將愈發(fā)成為企業(yè)的追求之一。但技術的進步仍是我國未來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要目標。鞏固、發(fā)展光伏技術在我國發(fā)電行業(yè)的領先，以優(yōu)質(zhì)的光伏技術打開新能源發(fā)展的大門，迎接新一輪全新的復興與發(fā)展。

【參考文獻】

[1]王宇，朱敏濤，，等.預制透光混凝土構件的制作工藝研究[Z].上海：上海建工材料工程有限公司，2020.

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[6]劉經(jīng)強，劉乾宇，劉崗，等.綠色建筑節(jié)能工程技術叢書：綠色建筑節(jié)能工程設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2018.

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[8]楊洪興，呂琳，馬濤.太陽能-風能互補發(fā)電技術及應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

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[10]王長貴.太陽能光伏發(fā)電實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

作者：李曉橋 陳晨 孫遠義 馮曉新 單位：西南科技大學城市學院建筑工程學院