楊鵬浩，陳詩(shī)璇，肖建偉

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004）

近年來(lái)，太陽(yáng)能作為一種清潔、無(wú)污染的可再生能源，并且是能源結(jié)構(gòu)中重要的一環(huán)，成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。同時(shí)，高速公路作為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的交通途徑，其里程持續(xù)增長(zhǎng)，展現(xiàn)了極大的發(fā)展空間。太陽(yáng)能在公路上的應(yīng)用，有望成為減少石油、煤炭等不可再生能源大量消耗的重要途徑。目前太陽(yáng)能在公路的應(yīng)用集中在太陽(yáng)能路面，但光伏路面受到地理位置、季節(jié)、天氣、交通、電池板朝向和傾角、建筑物與灰塵等因素的影響。而公路邊坡作為高速公路的一部分，通常在建筑密度較低的郊區(qū)、鄉(xiāng)村，甚至未開(kāi)發(fā)地區(qū)，其周圍環(huán)境較為空曠，很少存在建筑或樹(shù)木遮擋的現(xiàn)象，擁有較大的表面（立面和頂面）和開(kāi)放空間，便于鋪設(shè)太陽(yáng)能板，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的利用。建設(shè)過(guò)程無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、無(wú)污染且周期短。相較于直接鋪設(shè)在路面上，太陽(yáng)能板本身的強(qiáng)度要求可以降低，后期維修較為方便，還有潛在的美觀、美化道路的功能。同時(shí)，所產(chǎn)電能并入電網(wǎng)后還能降低現(xiàn)有電力系統(tǒng)的壓力[1]，對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)性發(fā)展具有重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外關(guān)于太陽(yáng)能路面的研究主要分為路面太陽(yáng)能熱利用和太陽(yáng)能發(fā)電，其目的是利用收集的太陽(yáng)能用來(lái)發(fā)電、供暖和融雪化冰等。荷蘭擁有世界上第一個(gè)利用收集瀝青路面太陽(yáng)能的公司Ooms Avenhorn Holding，其開(kāi)發(fā)了一種能在夏天快速冷卻高溫路面，并在冬季預(yù)防路面結(jié)冰的道路能量系統(tǒng)。隨后，美英日等國(guó)陸續(xù)研究了地源熱泵、跨季熱量傳遞、地面集熱蓄能融雪化冰等技術(shù)。但是，此種集熱技術(shù)的瓶頸在于熱能轉(zhuǎn)換為其他形式能的效率偏低，并且在施工維修過(guò)程中存在困難，所以難以大規(guī)模推廣[2]。

由于集熱法具有局限性，研究者們?cè)诠夥l(fā)電系統(tǒng)原理上把光電轉(zhuǎn)換技術(shù)與路面本身結(jié)合，提出太陽(yáng)能路面板等相關(guān)概念。2006年，美國(guó)愛(ài)達(dá)荷州的Scott和Julie夫婦最早提出“太陽(yáng)能公路”的概念。2013年，Scott和Julie在愛(ài)達(dá)荷州建成了一個(gè)露天太陽(yáng)能停車場(chǎng)，其產(chǎn)生的電能可供附近的企業(yè)使用[3]。目前，Scott夫婦在自家的車道上應(yīng)用了太陽(yáng)能路面，并且已相繼開(kāi)發(fā)出4代產(chǎn)品。2008-12，美國(guó)第一個(gè)太陽(yáng)能公路項(xiàng)目在俄勒岡州啟動(dòng)，太陽(yáng)能電池板沿著5號(hào)州際公路和205號(hào)州際公路之間的立交橋建造，產(chǎn)生的太陽(yáng)能白天進(jìn)入國(guó)家電網(wǎng)，晚上用于立交橋的照明[4]。2013年，美國(guó)喬治華盛頓大學(xué)安裝了世界上第一條太陽(yáng)能板人行道，所產(chǎn)生的電能供面板下450個(gè)LED照明夜路[5]。2016年，美國(guó)的密蘇里州交通局宣布將與Solar Roadways公司合作在66號(hào)公路的部分公路和人行道鋪設(shè)太陽(yáng)能板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該項(xiàng)目超過(guò)一半的資金（200多萬(wàn)美元）來(lái)自群眾的籌資。2011-01，意大利Pizzarotti公司建造的百分之百由太陽(yáng)能供能的卡塔尼亞—錫拉庫(kù)薩高速公路正式通車，該高速公路是世界上第一條太陽(yáng)能高速公路，總造價(jià)超過(guò)了6 000萬(wàn)歐元。2014-11，由荷蘭政府、企業(yè)與學(xué)術(shù)界共同打造的SolaRoad項(xiàng)目在離荷蘭阿姆斯特丹不遠(yuǎn)的Krommenie展示了其成果——世界上第一條太陽(yáng)能自行車道，其產(chǎn)生的電能可供一般家庭使用。但當(dāng)時(shí)人們對(duì)這條太陽(yáng)能自行車道卻有一些擔(dān)憂，比如不是光滑的玻璃面板容易積塵和堆雪、太陽(yáng)并非直射面板導(dǎo)致發(fā)電效率降低、70 m道路需150萬(wàn)歐元的成本過(guò)高[6]。2016年，法國(guó)諾曼底小鎮(zhèn)Tourouvre建造了世界上第一條太陽(yáng)能公路“Wattway”，其產(chǎn)生的電能供給當(dāng)?shù)氐穆窡羰褂??！癢attway”全長(zhǎng)為1 km，政府共投資了500萬(wàn)歐元，其中不包括后期維護(hù)費(fèi)用。然而，在2019年建筑集團(tuán)Colas承認(rèn)該項(xiàng)目已經(jīng)破產(chǎn)。“Wattway”失敗的主要原因有以下3點(diǎn)：產(chǎn)生大片無(wú)法挽救的損傷（如圖1所示）、實(shí)際每年最高發(fā)電總量?jī)H為預(yù)期的一半、所在地區(qū)一年僅有44 d的強(qiáng)烈陽(yáng)光照射。

圖1法國(guó)Wattway路面損傷情況

由此可見(jiàn)，推廣太陽(yáng)能公路的最大問(wèn)題是建設(shè)成本、維修費(fèi)用太高，其次受到所處位置、季節(jié)、天氣、交通、電池板面朝方位、建筑物遮擋與灰塵污染等多方面因素的影響，致使其發(fā)電效率和使用壽命皆不能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，甚至在建成后的較短時(shí)間內(nèi)便出現(xiàn)大面積損壞的問(wèn)題。

在太陽(yáng)能路面研究工作正如火如荼進(jìn)行的同時(shí)，有些地方政府把目光移向了太陽(yáng)能邊坡上面。2013年，日本佐賀縣打算允許太陽(yáng)能電池板運(yùn)營(yíng)商免費(fèi)使用其長(zhǎng)約2 km的道路路基的南側(cè)邊坡架設(shè)設(shè)備用來(lái)發(fā)電，建設(shè)面積約為10 000 m2。2015年，在美國(guó)44號(hào)公路上99 kW項(xiàng)目已修建完畢，該項(xiàng)目利用公路的東西方向，在發(fā)電效率接近理想的位置安裝一組朝南的太陽(yáng)能電池板，如圖2所示。當(dāng)太陽(yáng)能電池組產(chǎn)生的能量超過(guò)水處理廠所需的能量時(shí)，剩余的能量將被出售給電網(wǎng)。當(dāng)工廠需要的多于生產(chǎn)的面板時(shí)，公用事業(yè)公司將提供。上述日本、美國(guó)均利用公路邊坡架設(shè)太陽(yáng)能電池板用來(lái)發(fā)電，證明國(guó)外已經(jīng)注意到公路邊坡在太陽(yáng)能應(yīng)用中的可行性和重要性，但僅限于將太陽(yáng)能電池板放于較為理想的朝南方向，且邊坡高度小，坡度也較緩，未涉及高陡邊坡的太陽(yáng)能電池板架設(shè)。

圖2美國(guó)99 kW項(xiàng)目邊坡太陽(yáng)能板陣列

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2013年，長(zhǎng)沙理工大學(xué)查旭東團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能路面空心板結(jié)構(gòu)[7]，并于2017年在室外建造了約3 m2的太陽(yáng)能路面空心板塊模型。2016年，漢能集團(tuán)分別在荷蘭、比利時(shí)建造了2條太陽(yáng)能自行車道。2017-06，浙江當(dāng)?shù)氐墓竞脱芯克认嚓P(guān)單位合作，建造的“太陽(yáng)一號(hào)”光伏路面經(jīng)受住了重載車輛的檢驗(yàn)。2017-09，山東當(dāng)?shù)氐募瘓F(tuán)、公司和同濟(jì)大學(xué)等合作，在濟(jì)南銀豐財(cái)富廣場(chǎng)完成了660 m2的太陽(yáng)能路面鋪設(shè)。2017-12，齊魯交通發(fā)展集團(tuán)在濟(jì)南南繞城高速公路投資建設(shè)的1 080 m光伏路面試驗(yàn)段通車，造價(jià)約7 000元/m2。該工程預(yù)期年發(fā)電量約1 000 000 kW時(shí)，然而實(shí)際年發(fā)電量卻遠(yuǎn)小于預(yù)期年發(fā)電量，同時(shí)由于車輛運(yùn)行和環(huán)境變化等因素影響，該光伏高速公路在通車不到1年內(nèi)，出現(xiàn)了嚴(yán)重?fù)p壞的現(xiàn)象，當(dāng)前已撤除大部分光伏路面，如圖3、圖4所示。漢能集團(tuán)在2018年、2019年先后在北京奧林匹克中心的太陽(yáng)能展廳外以及國(guó)家電網(wǎng)電科學(xué)研究院內(nèi)建造了太陽(yáng)能路面和GSE光伏路面[8]。

圖3濟(jì)南光伏高速公路 初期損壞情況

國(guó)內(nèi)的一些高速公路也在太陽(yáng)能電源與攝像機(jī)、微波檢測(cè)器等監(jiān)控系統(tǒng)的外場(chǎng)設(shè)備相結(jié)合上展開(kāi)嘗試。2005-10，在連霍高速公路鄭州至洛陽(yáng)段道路建成太陽(yáng)能全程監(jiān)視系統(tǒng)示范工程，該路段全程220 km的范圍內(nèi)共設(shè)置100個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，運(yùn)行5年來(lái)節(jié)能減排效果明顯。但是，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在溫度較低、持續(xù)陰雨等環(huán)境條件下經(jīng)常使系統(tǒng)中斷，而且太陽(yáng)能電池板面的潔凈度也會(huì)影響其發(fā)電效率，維護(hù)保養(yǎng)相對(duì)困難，最主要的是供電對(duì)象僅限于小功耗設(shè)備。除此之外，國(guó)內(nèi)也有些高速公路在服務(wù)區(qū)、隧道、中央分隔帶、收費(fèi)站、隔離墻、聲屏障等處建造太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行嘗試，如圖5、圖6所示。但是，受限于建造地點(diǎn)，其建造面積都相對(duì)較小，發(fā)電效率不高。

圖5濟(jì)陽(yáng)高速公路服務(wù)區(qū)太陽(yáng)能停車場(chǎng)

圖6湖北某高速公路中央分隔帶太陽(yáng)能板

2017年，中國(guó)能建廣東火電PC總承包的華潤(rùn)海豐電廠3.8 MW屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目完工，該項(xiàng)目建設(shè)中面臨在寬約500 m、高約110 m，整體坡度超過(guò)60°的高邊坡上安裝光伏發(fā)電組件的挑戰(zhàn)，屬于國(guó)內(nèi)第一個(gè)在相當(dāng)陡峭地形條件下完成安裝光伏發(fā)電組件的工程項(xiàng)目[9]。2018年，湖北交投新致公司在其投資的湖北某高速公路分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目中，于寺坪高速公路收費(fèi)站一側(cè)的路堤邊坡上建造了兩排太陽(yáng)能板用以發(fā)電，如圖7所示?？傮w來(lái)說(shuō)，中國(guó)目前對(duì)于高速公路邊坡的太陽(yáng)能資源利用開(kāi)發(fā)極少。

圖7寺坪高速公路收費(fèi)站邊坡太陽(yáng)能板

2 高速公路邊坡太陽(yáng)能的發(fā)展展望

伴隨中國(guó)城市化及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高速公路建設(shè)用地的面積不斷增加，土地資源有限和建設(shè)用地的矛盾日益突顯。從高速公路建設(shè)占地及對(duì)土地價(jià)值開(kāi)發(fā)利用統(tǒng)籌方面考慮，應(yīng)充分利用閑置或利用率低下的土地，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地的占用到利用的轉(zhuǎn)變。在“十三五”期間，中國(guó)將再建46 000 km的高速公路。據(jù)估算，總占用土地面積約920 000 hm2[10]。雖然太陽(yáng)能路面是一種具有應(yīng)用前景的道路能源生產(chǎn)模式，但目前并不適用于所有的道路，仍有許多挑戰(zhàn)有待克服：工程投入過(guò)大，成本、維護(hù)費(fèi)用太高，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中因受到交通狀況、自然環(huán)境、材料性能退化、運(yùn)營(yíng)條件變化等因素的影響，其發(fā)電效能和使用壽命并不能達(dá)到預(yù)期效果，特別是如何解決高速安全行車、高效清潔發(fā)電與合理性價(jià)比之間的矛盾。但是，采用邊坡布設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)則可以避免大部分的難題。邊坡上布設(shè)太陽(yáng)能板不受當(dāng)前材料水平限制，采用普通太陽(yáng)能板即可，發(fā)電效率基本不受交通狀況得影響，裝機(jī)技術(shù)要求相對(duì)較低，維修也相對(duì)簡(jiǎn)便，并且在除去“十三五”期間高速公路車道建設(shè)占地外，邊坡總面積仍有約110 000 hm2，利用面積可觀。同時(shí)，邊坡全年都在太陽(yáng)光的照射下，其中必然存在巨量的太陽(yáng)能可以利用。由此可見(jiàn)，結(jié)合邊坡防護(hù)技術(shù)和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新，高速公路裸露邊坡又可成為再開(kāi)發(fā)利用的資源，蘊(yùn)含著巨大的開(kāi)發(fā)潛力。

今后幾年仍將是中國(guó)推進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、能源轉(zhuǎn)型、技術(shù)開(kāi)放的重要時(shí)期，分布式光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展將有更加廣闊的空間。高速公路邊坡太陽(yáng)能作為分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，其發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力資源可就近使用或儲(chǔ)存，分配至高速公路沿途村莊、服務(wù)區(qū)及高速公路監(jiān)控、信號(hào)燈等用電設(shè)施，減少遠(yuǎn)距離輸電造成的損耗。在中國(guó)追求節(jié)能減排、構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系的背景下，高速公路邊坡太陽(yáng)能前景良好。

然而，在看到高速公路邊坡太陽(yáng)能發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也應(yīng)注意到其存在的不足。太陽(yáng)能光伏組件的價(jià)格仍較為昂貴，尤其是面對(duì)大面積的邊坡時(shí)，花費(fèi)大，在現(xiàn)階段難以實(shí)現(xiàn)有效的推廣；光伏發(fā)電的效率仍然不高，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)困擾人們多年，大量學(xué)者對(duì)此研究也有一定的突破，但還有較大的努力空間；如何保證邊坡上架設(shè)太陽(yáng)能板等設(shè)備后的穩(wěn)定性和安全性，如何確定合理的能量轉(zhuǎn)化以及儲(chǔ)備設(shè)備的架設(shè)位置，如何保證并網(wǎng)后能量波動(dòng)不對(duì)日常用電產(chǎn)生大的影響等，這些都是需要研究的問(wèn)題。

為推進(jìn)太陽(yáng)能在高速公路邊坡的發(fā)展，在此建議：明確有關(guān)規(guī)定、制訂相關(guān)規(guī)劃；研發(fā)新材料及新面板，提高發(fā)電效率，進(jìn)一步減輕自重，降低建造成本，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行研究；聚集太陽(yáng)能光伏發(fā)電、道路、材料以及電力領(lǐng)域的優(yōu)秀人才合作創(chuàng)新；加強(qiáng)國(guó)際合作，在專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行交流學(xué)習(xí)。希望在不久的將來(lái)，高速公路邊坡太陽(yáng)能可以發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值，為全世界的低碳環(huán)保貢獻(xiàn)一份力量。