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向阳光要“能” 路面变身“充电宝”

来源:中国科学报 作者:韩扬眉 人气: 发布时间:2020-05-20 09:17:20

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把太阳能应用于公路建设显现出诸多优势。

日前,有消息传出,我国首条“超级高速公路”杭绍甬智慧高速公路即将开建。与普通高速公路不同的是,该公路将采用光伏路面,同时将设置自动驾驶专用车道,支持全线自动驾驶车辆自由行驶。

不仅如此,该光伏路面下还预留了电磁感应磁圈。未来,随着电动车无线技术的配套,有望实现电动车边跑边充电的功能需求。

科幻般“黑科技”展现的场景令人期待。然而,由于过去全球在光伏公路实践中有着并不完全成功的“前车之鉴”,也有人对光伏公路的建设与前景表示质疑。

光伏公路究竟是未来智慧交通之创举,还是昙花一现的“天方夜谭”?

瞄准智慧交通的探索

随着电动汽车的迅速发展以及智慧交通系统的建设,把太阳能应用于公路建设显现出诸多优势。

“光伏公路是一种瞄准未来交通工具的路面形式。”同济大学道路与机场工程系教授张宏超告诉《中国科学报》。2017年,由他带领团队主持设计,在山东济南南绕城高速公路G2001建成了世界首条光伏路面高速公路试验段(以下简称济南试验段)。

事实上,世界部分国家早已纷纷开展光伏公路的研究和尝试。2014年,荷兰建造了一条社区太阳能公路,由安装太阳能电池的混凝土模块和一层薄薄的钢化玻璃组成,但只允许自行车和行人上路,不对机动车开放。2016年,法国在诺曼底地区建成了该国首条太阳能公路。该公路既可支撑5000人口小镇的日常公共照明用电,又能承受车辆行驶和极端天气。

我国虽起步较晚,但在部分基础材料探索、结构设计、实践经验等方面处在国际前列。例如,济南试验段的建设意味着我国在光伏路面承载结构和透光磨耗层材料方面获得重大技术突破。该路段被认为是全世界承载能力最高和交通量最大的光伏路面。

在结构设计上,济南试验段和即将开建的杭绍甬智慧高速公路均采用了三层设计,最表层为透光混凝土路面层,中间夹层为光伏面板,以及既对光伏面板起物理保护作用又防水防潮的绝缘层。

“光伏路面是一种跨界技术,涉及道路工程、光电新能源、智能汽车等领域。”张宏超表示,它不仅可进行太阳能光伏发电,满足电动汽车的需求,还兼具智能化,迎合未来“智慧交通”的发展。例如,提供车路信息交互、自动引导等服务。

他坦承,作为一项具有超前性、前瞻性的科学研究,光伏路面概念距离实践落地还有很长一段路要走,需要多学科共同努力。“这是一项探索性工程,作为高校科研工作者,我们的职责和期待是先在基础研究上取得突破。”

不突破传统,难有大创新

古往今来,所有的技术探索、新事物的诞生都并非一蹴而就,光伏公路亦是如此。

光伏路面让普通路面既承担原有承载车辆运行的功能,又兼具“移动充电宝”和“智能交警”,甚至对周边社区提供电力服务等多样化的服务功能。这给光伏路面的铺面材料、工程建设以及光电转化效率等关键技术增加了难度和挑战。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员鲁越晖告诉《中国科学报》,据了解,目前主要有钢化玻璃、透明陶瓷、复合树脂3类铺面材料,在车辆载重较大、行驶速度较快的路面上,对材料的机械强度、耐候性、平整度及摩擦系数等要求非常高。

“由于传统光伏组件中通常由电池片通过EVA胶与保护材料及反射背板构成封装,一旦需要替换保护材料则需要重新进行封装,因此也需考虑其破损替换及日常清洁问题;此外,相对于倾斜安装的传统光伏组件,污染物在平铺的光伏路面上更不易滑落以及清洗,这需要铺面材料具有更好的耐污特性。”鲁越晖说。

鲁越晖所在团队目前正利用“表面功能化减反技术”探寻研发适合的材料。“减反技术的原理是通过薄膜的相消干涉,减少光伏玻璃与空气界面间的光反射,使得更多的太阳光可以进入到组件中参与光电转换,以提高电力输出功率。”

鲁越晖认为,以光伏路面的形式铺设,无疑会对减反膜的硬度和耐磨性方面提出相当高的要求。此外,关注减反膜表面功能化,如自清洁、防尘等的研究,对于降低光伏公路实际运维成本,减少空气中的尘埃、鸟粪等在路面的附着,保证发电功率的稳定输出均具有较大意义。

张宏超表示,目前他们团队正在探索光学混凝土材料。“混凝土材料是不能透光的,如果能让传统的混凝土材料具有透光性,将会是一大进步,它可直接作为光伏路面表面层,起到保护支撑、加固强度等作用。此外,这种材料不只是用于光伏路面,探索不同透光率的混凝土材料,可适应于不同的应用场景。”

另外,在新的光伏发电材料和光伏路面结构方面,张宏超也正在进行改进研究。

基于济南试验段的探索,张宏超总结到,首先,室外环境对光伏路面的侵蚀来源复杂广泛,尤其是电化学腐蚀比较严重。再者,光伏路面的快速养护和维修是很大的挑战。此外,还存在着整个产业的协调与配套问题。

“这是新事物,技术复杂度、集成度高,在探索过程中问题层出不穷也是正常的,遇到问题我们便研究解决问题。但是,如果不突破传统思维,就不可能有很大的创新。”张宏超说,“这次,是我们在前面探路,让别人学习我们。”

无线充电加持

光伏路面技术是朝着智慧交通的目标进行的一次技术创新。在张宏超看来,绿色环保、安全智能,是智慧交通必然的发展方向。

鲁越晖充满期待:“光伏公路或类似技术与其它技术的交叉融合,必将会给人们未来的交通出行带来更大的便利和更好的体验,实现诸如自动融冰化雪、路面交通信息动态智能显示等。”

重庆大学自动化学院教授、无线电能传输技术团队学术带头人孙跃告诉《中国科学报》,智慧交通的目标是实现交通运行(包括车辆)的自动化、智能化和无人化。“智慧交通既有路的事,更有车的事。光伏路面的建设可以与电动车无线充电技术相结合,为真正的无人化智能交通提供完整的解决方案。”

那么,如何将两者相结合?需配套怎样的电动车无线充电技术?

孙跃指出,将“光伏+无线充电+智能管理”作为智能交通的支撑平台,一定要把车辆技术纳入考虑,形成一种“车中有路—路中有车”的协同思维模式。

同时,道路(包括光伏路面)的规划与建设,必须充分考虑未来电气化交通工具(电动车辆)的电能实时补给解决方案。而电能补给方案有两种方式:定点驻车无线充电和定线路行驶过程中的无线供电,用来解决电能及时动态补给问题。“车辆电能的无线补给是制约‘智慧交通’真正无人化的关键要素之一。”孙跃说。

他表示,集光伏发电、动态无线充电、无人驾驶于一体是未来智慧交通的一项前瞻性和引领性的技术和解决方案。2018年,由江苏方天电力技术有限公司联合国内有关高校在江苏同里小镇建设了一条“三合一”电子公路,实现了电动车全路段动态无线充电。

孙跃介绍,该系统包括几百米地面充电线圈(铺设在光伏路面下面)、原级电能变换与供电线圈驱动装置、车载电能变换与控制器等。设计最高车速120公里/小时,动态充电效率85%以上。“基本实现车辆边跑边充全过程的无人化和智能化。”

不过,在走向产业化过程中还存在一些需要解决和改善的问题,比如车载装置轻量化和小型化、全系统低成本建设与运行,以及充电效率进一步提升等。

“跨行业合作是一种行之有效的模式,可由政府和企业(行业)投入,行业带动,政产学结合进行开发和推广。”孙跃建议。

专家们表示,目前在相关技术领域,国内与国外发达国家基本处在同一起跑线,积累了较为深厚的基础和优势。面对新一轮的产业格局变化,还需要基础研究和技术研发持续跟进、国家和各行业的支持。

(编辑:逍遥客)

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