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(lǐng)域中的實體應(yīng)用，通過制作透光混凝土的方法分析以及光伏發(fā)電技術(shù)在光伏路面的應(yīng)用，研究了光纖扦插法（先植法、后植法）、光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)、光伏路面結(jié)構(gòu)。結(jié)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(shù)融入高速公路的建設(shè)中。同時，探究針對依靠光伏技術(shù)建立的光伏路面的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，延伸光伏發(fā)電技術(shù)所產(chǎn)生的能量、信息等實體領(lǐng)域的交互作用及應(yīng)用，開拓光伏電池市場的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]光伏發(fā)電；光纖扦插法；光伏路面結(jié)構(gòu)

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(shù)特性組建光伏路面。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。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(jié)構(gòu)，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(jié)合光伏發(fā)電技術(shù)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(dǎo)體材料所產(chǎn)生的光伏效應(yīng)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(dǎo)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(shù)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(shù)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(lǐng)域[3]。

2.光伏發(fā)電在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)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(jié)合的“充電寶”式光伏道路。此道路的建設(shè)，就是為了解決新能源汽車里程式充電技術(shù)。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(shù)的突破，讓我們看到了光伏發(fā)電技術(shù)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(shè)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(shè)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(shù)，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(jié)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(yīng)急車道中，充分考慮路面結(jié)構(gòu)（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(jié)合在一起，通過研究透光材料貫穿混凝土進行光線傳導(dǎo)，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(dǎo)纖維等導(dǎo)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(dǎo)光材料能夠傳導(dǎo)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(dǎo)光材料，但其制作過程繁瑣及與混凝土黏結(jié)性能較差，所以在光伏路面的應(yīng)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(dǎo)纖維為主體材料，共同組成高速公路光伏路面應(yīng)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(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)[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(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)用材料之一[10]。

4.光伏發(fā)電用電應(yīng)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(yīng)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(cè)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(jié)構(gòu)間。融化路面表層冰雪、保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(guān)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(luò)上無線傳遞。

5.結(jié)語

隨著政府接連出臺多項相關(guān)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)在我國發(fā)電行業(yè)的領(lǐng)先，以優(yōu)質(zhì)的光伏技術(shù)打開新能源發(fā)展的大門，迎接新一輪全新的復(fù)興與發(fā)展。

【參考文獻】

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[10]王長貴.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)[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