太阳能(高速)公路综述

太阳能（高速）公路综述

沈恂达

一、问题的提出

在2014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，参考国外已有的经验和做法，充分利用国内存量高速网，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、安全行驶、道路养护、耕地保护六者的高效整合与最佳统一的方案[1]。刘委员提出的建议就是建设所谓的“太阳能高速公路”。

在此前，广东工贸职业技术学院的欧英雷先生在2012年也提出了“利用高速公路实现太阳能光伏发电的构想”[2]。

其实，世界上第一个提出“太阳能（高速）公路”概念的是美国爱荷达州的一对夫妇——电子工程师斯科特·布鲁索（Scott Brushaw）和心理治疗师朱莉（Julie）。

2006年，布鲁索夫妇首先提出“太阳能公路”的概念和梦想，并进行了一系列的研究、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研究、探索和试验。2011年，世界上第一条太阳能高速公路（A18公路）在意大利建成，并向公众开放。

“太阳能高速公路”是一个全新的概念，是太阳能应用创新的大胆设想。研究和试验表明，这种太阳能高速公路的优点很多，节能、环保、智能、安全、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逐渐让人们不再那么依赖煤和石油等矿物燃料。

虽然目前太阳能高速公路的建设刚刚起步，并且还存在不少问题和困难，尤其是路面材料和造价。但毕竟这是一个伟大的创意和梦想！任何一位开拓者都认为：历史上没有一蹴而就的发明，发明首先需要想象。

二、太阳能高速公路的含义

1、含义

所谓太阳能高速公路是指：利用高速公路的路面、沿线设施以及周边的环境实现太阳能光伏发电，并为公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：利用高速公路路面作为载体实现光伏发电的系统，通常称为“太阳能高速公路公路”或“太阳能公路”，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，避免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：为透明的保护层，保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，即要满足作为路面的所有一切条件，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明陶瓷、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：利用高速公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

太阳能高速公路的理论构想是将太阳能电池阵列埋入高速公路的路面内，并寻找新型的光学材料来铺设高速公路的路面。这种新型的路面材料（如透明陶瓷和聚光透镜等），它既要符合高速公路的行车要求，又要满足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公路的设计标准，从而确保高速公路的行车安全。

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 公路边坡太阳能光伏发电系统

三、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。我国陆地表面每年接收的太阳能就相当于1700亿吨标准煤。

我国的太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上地区，年日照时数在2000小时以上。但由于太阳能十分分散，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情况及分类如表1所示：

由表1可见，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7～9小时，特别适宜于光伏发电；而四川和贵州较差，每天的平均日照时数只有3小时左右，不太适宜于太阳能规范发电的应用。

四、太阳能高速公路发电量的理论估算

1、路面太阳能高速公路

假设：高速公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η，每平方米的辐射功率为P，充电效率为γ1逆变器的转换效率为γ2，则得：

每日每平方米太阳能电池板的发电量为W1（瓦时数/米2），

W1==η×P×T （1）负载每日每平方米获得的电能（瓦时数/米2）为W2，

W2==γ1×γ2 ×W1==η×γ1×γ2×P×T （2）面积为S的太阳能电池板每日为负载提供的发电量为W（瓦时数），

W==S×W2==S×η×γ1×γ2×P×T （3）若平均日照时数T==4h，P=1000W，η==18%，γ1==70%，γ2==90%，

则W==0.4536×S（千瓦小时）/日（4）

设：可以安装光伏组件的四车道高速公路的有效宽度为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）。

2014年底，全国高速公路的通车里程约为110000km，如果都用来发电的话，每年的发电量约为3613亿度电，约占2014年全国总发电量55459亿（度）的6.5%左右；是2014年火力发电量的8.7%。

当然，这仅仅是个理论值，因为，不可能全国的高速公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，也可以利用高速公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）×2米（高）。按照上述条件计算可得：每块2米2的组件，每天可以发电0.5度电（η取10%）。如果光伏组件安装在两侧的防撞护栏上，则每公里高速公路最多可以安装2000块（竖装）这样的光伏组件，故每天至少可以提供1000（度）的电量。

根据目前的高速公路机电工程设计标准和设备配置要求，改扩建后的京港澳高速公路石安段每公里的外场设备（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公里的高速公路外场设备供电。此外，光伏发电组件提供的这些电量，除了给沿线的所有机电设备全天供电外，还可以为沿线附近的部分居民提供足够的用电量。当然，这需要与现有的电网并网工作。

五、国外发展动态

1、美国

美国是最早研究太阳能高速公路的国家。

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（Julie）首先提出，用太阳能板代替传统的沥青来建造所谓的“太阳能公路”的梦想，并得到了美国联邦公路管理局的研发资金支持。

2009年，他们收到了第一笔用于建造太阳能电池板公路原型的政府拨款。2013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附近的企业供电。为此，当地政府奖励了他们75万美元。

多次试验后，他们终于成功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。太阳能公路由嵌入超韧玻璃的六边形太阳能板建造而成（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。这种半透明、高强度、防水的公路表面层，能够提供足够大的坚硬度、粗糙度和摩擦力，并且可以让阳光照射在太阳能电池板上。

第二层是一个带有微控制器的电子元件层，可以激活LED灯，具有控制照明、通信和监测功能。上面的电路可感知荷载、控制加热单元，让汽车在冰雪天气也能正常行驶。