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向陽光要“能” 路面變身“充電寶”
發布日期:2020/5/22 8:43:54  來源:中國科學報  

日前,有消息傳出,我國首條“超級高速公路”杭紹甬智慧高速公路即將開建。與普通高速公路不同的是,該公路將采用光伏路面,同時將設置自動駕駛專用車道,支持全線自動駕駛車輛自由行駛。

不僅如此,該光伏路面下還預留了電磁感應磁圈。未來,隨著電動車無線技術的配套,有望實現電動車邊跑邊充電的功能需求。

科幻般“黑科技”展現的場景令人期待。然而,由于過去全球在光伏公路實踐中有著并不完全成功的“前車之鑒”,也有人對光伏公路的建設與前景表示質疑。

光伏公路究竟是未來智慧交通之創舉,還是曇花一現的“天方夜譚”?

瞄準智慧交通的探索

隨著電動汽車的迅速發展以及智慧交通系統的建設,把太陽能應用于公路建設顯現出諸多優勢。

“光伏公路是一種瞄準未來交通工具的路面形式!蓖瑵髮W道路與機場工程系教授張宏超告訴《中國科學報》。2017年,由他帶領團隊主持設計,在山東濟南南繞城高速公路G2001建成了世界首條光伏路面高速公路試驗段(以下簡稱濟南試驗段)。

事實上,世界部分國家早已紛紛開展光伏公路的研究和嘗試。2014年,荷蘭建造了一條社區太陽能公路,由安裝太陽能電池的混凝土模塊和一層薄薄的鋼化玻璃組成,但只允許自行車和行人上路,不對機動車開放。2016年,法國在諾曼底地區建成了該國首條太陽能公路。該公路既可支撐5000人口小鎮的日常公共照明用電,又能承受車輛行駛和極端天氣。

我國雖起步較晚,但在部分基礎材料探索、結構設計、實踐經驗等方面處在國際前列。例如,濟南試驗段的建設意味著我國在光伏路面承載結構和透光磨耗層材料方面獲得重大技術突破。該路段被認為是全世界承載能力最高和交通量最大的光伏路面。

在結構設計上,濟南試驗段和即將開建的杭紹甬智慧高速公路均采用了三層設計,最表層為透光混凝土路面層,中間夾層為光伏面板,以及既對光伏面板起物理保護作用又防水防潮的絕緣層。

“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!睆埡瓿硎,它不僅可進行太陽能光伏發電,滿足電動汽車的需求,還兼具智能化,迎合未來“智慧交通”的發展。例如,提供車路信息交互、自動引導等服務。

他坦承,作為一項具有超前性、前瞻性的科學研究,光伏路面概念距離實踐落地還有很長一段路要走,需要多學科共同努力!斑@是一項探索性工程,作為高?蒲泄ぷ髡,我們的職責和期待是先在基礎研究上取得突破!

不突破傳統,難有大創新

古往今來,所有的技術探索、新事物的誕生都并非一蹴而就,光伏公路亦是如此。

光伏路面讓普通路面既承擔原有承載車輛運行的功能,又兼具“移動充電寶”和“智能交警”,甚至對周邊社區提供電力服務等多樣化的服務功能。這給光伏路面的鋪面材料、工程建設以及光電轉化效率等關鍵技術增加了難度和挑戰。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員魯越暉告訴《中國科學報》,據了解,目前主要有鋼化玻璃、透明陶瓷、復合樹脂3類鋪面材料,在車輛載重較大、行駛速度較快的路面上,對材料的機械強度、耐候性、平整度及摩擦系數等要求非常高。

“由于傳統光伏組件中通常由電池片通過EVA膠與保護材料及反射背板構成封裝,一旦需要替換保護材料則需要重新進行封裝,因此也需考慮其破損替換及日常清潔問題;此外,相對于傾斜安裝的傳統光伏組件,污染物在平鋪的光伏路面上更不易滑落以及清洗,這需要鋪面材料具有更好的耐污特性!濒斣綍熣f。

魯越暉所在團隊目前正利用“表面功能化減反技術”探尋研發適合的材料!皽p反技術的原理是通過薄膜的相消干涉,減少光伏玻璃與空氣界面間的光反射,使得更多的太陽光可以進入到組件中參與光電轉換,以提高電力輸出功率!

魯越暉認為,以光伏路面的形式鋪設,無疑會對減反膜的硬度和耐磨性方面提出相當高的要求。此外,關注減反膜表面功能化,如自清潔、防塵等的研究,對于降低光伏公路實際運維成本,減少空氣中的塵埃、鳥糞等在路面的附著,保證發電功率的穩定輸出均具有較大意義。

張宏超表示,目前他們團隊正在探索光學混凝土材料!盎炷敛牧鲜遣荒芡腹獾,如果能讓傳統的混凝土材料具有透光性,將會是一大進步,它可直接作為光伏路面表面層,起到保護支撐、加固強度等作用。此外,這種材料不只是用于光伏路面,探索不同透光率的混凝土材料,可適應于不同的應用場景!

另外,在新的光伏發電材料和光伏路面結構方面,張宏超也正在進行改進研究。

基于濟南試驗段的探索,張宏超總結到,首先,室外環境對光伏路面的侵蝕來源復雜廣泛,尤其是電化學腐蝕比較嚴重。再者,光伏路面的快速養護和維修是很大的挑戰。此外,還存在著整個產業的協調與配套問題。

“這是新事物,技術復雜度、集成度高,在探索過程中問題層出不窮也是正常的,遇到問題我們便研究解決問題。但是,如果不突破傳統思維,就不可能有很大的創新!睆埡瓿f,“這次,是我們在前面探路,讓別人學習我們!

無線充電加持

光伏路面技術是朝著智慧交通的目標進行的一次技術創新。在張宏超看來,綠色環保、安全智能,是智慧交通必然的發展方向。

魯越暉充滿期待:“光伏公路或類似技術與其它技術的交叉融合,必將會給人們未來的交通出行帶來更大的便利和更好的體驗,實現諸如自動融冰化雪、路面交通信息動態智能顯示等!

重慶大學自動化學院教授、無線電能傳輸技術團隊學術帶頭人孫躍告訴《中國科學報》,智慧交通的目標是實現交通運行(包括車輛)的自動化、智能化和無人化!爸腔劢煌扔新返氖,更有車的事。光伏路面的建設可以與電動車無線充電技術相結合,為真正的無人化智能交通提供完整的解決方案!

那么,如何將兩者相結合?需配套怎樣的電動車無線充電技術?

孫躍指出,將“光伏+無線充電+智能管理”作為智能交通的支撐平臺,一定要把車輛技術納入考慮,形成一種“車中有路—路中有車”的協同思維模式。

同時,道路(包括光伏路面)的規劃與建設,必須充分考慮未來電氣化交通工具(電動車輛)的電能實時補給解決方案。而電能補給方案有兩種方式:定點駐車無線充電和定線路行駛過程中的無線供電,用來解決電能及時動態補給問題!败囕v電能的無線補給是制約‘智慧交通’真正無人化的關鍵要素之一!睂O躍說。

他表示,集光伏發電、動態無線充電、無人駕駛于一體是未來智慧交通的一項前瞻性和引領性的技術和解決方案。2018年,由江蘇方天電力技術有限公司聯合國內有關高校在江蘇同里小鎮建設了一條“三合一”電子公路,實現了電動車全路段動態無線充電。

孫躍介紹,該系統包括幾百米地面充電線圈(鋪設在光伏路面下面)、原級電能變換與供電線圈驅動裝置、車載電能變換與控制器等。設計最高車速120公里/小時,動態充電效率85%以上!盎緦崿F車輛邊跑邊充全過程的無人化和智能化!

不過,在走向產業化過程中還存在一些需要解決和改善的問題,比如車載裝置輕量化和小型化、全系統低成本建設與運行,以及充電效率進一步提升等。

“跨行業合作是一種行之有效的模式,可由政府和企業(行業)投入,行業帶動,政產學結合進行開發和推廣!睂O躍建議。

專家們表示,目前在相關技術領域,國內與國外發達國家基本處在同一起跑線,積累了較為深厚的基礎和優勢。面對新一輪的產業格局變化,還需要基礎研究和技術研發持續跟進、國家和各行業的支持。(韓揚眉)


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