太阳能公路技术发展现状与趋势

　　李志鹏1，金茂菁2，黄玲2

　　(1.山东交通学院;2.科技部高技术研究发展中心)

　　随着低碳环保理念日益深入人心和交通基础设施建设规模的不断扩大，太阳能作为一种清洁无害、来源广泛、安全可靠的新型能源开始应用到公路建设中来。太阳能公路将道路基础建设与光伏发电技术结合，在承载交通运输任务的同时，还能为周边设施提供电力，为电动汽车充电，成为了一种新型的能源获取方式。目前美国、荷兰、法国、中国等众多国家纷纷开展了对太阳能公路相关技术的研究。未来，太阳能公路发展前景不可估量。

　　一、关于太阳能公路

　　(一)太阳能公路的基本原理

　　太阳能公路是一种新型公路，最早是由美国“太阳能之路”公司(Solar Roadways)提出的。不同于传统的沥青或水泥混凝土铺设的道路，太阳能公路采用新型的透光性材料为面层材料。因此，太阳能公路既要具有足够的强度，符合公路行车要求，又要满足对太阳光的透射和聚焦作用，使得铺设在路面下的太阳能电池板能接收到太阳光的辐射，完成能量转换，同时可在道路中嵌入电热丝，利用光伏发电储备的电能进行加热，有效防止路面积雪、结冰。

　　太阳能公路结构分为三层，其中最上层为半透明的保护层，保护内部元件的同时也可以让太阳光透过;中间层为太阳能电池，用来产生电力;最底下一层用来隔绝土壤的湿气，避免其影响到内部的线路。

　　(二)作用与意义

　　太阳能公路的应用，有望使人类摆脱对传统化石类资源的依赖，减少石油、煤炭资源的大量消耗。太阳能公路采用光伏发电，不但减少火力发电对环境的污染，而且可实现对周围城市电力的供应，降低城市电力系统的压力，实现节能减排。据美国太阳能之路公司(Solar Roadways)统计，每块3.7m×3.7m的太阳能板，每天可产出7.6瓦小时的电量，如果将全美国的洲际高速公路全部“翻新”为这种智能且环保的智能高速公路，所产出的电量将是全美国能源需求的3倍。太阳能公路可将所产生的能源导入国家电网，也可供给路边充电的电动车。

　　在未来综合交通体系中，太阳能公路将会改变传统的交通系统，成为新型综合交通体系中一种节约性、安全性和环保性齐备的道路模式，可显著提高综合交通体系的服务质量和效率。目前全球极端天气增多，雨雪天气的发生，极大地影响了道路系统的正常运行，增加出行的风险性。而未来的太阳能公路将不会受到这种极端恶劣天气的影响，在交通安全性方面具有极大的竞争优势，适应未来社会经济快速发展对交通运输的需求。

　　二、国内外发展现状与趋势

　　太阳能公路是国家新能源发展和创新能力的一种体现，目前美国、荷兰、法国、中国等国家已经开展了关于太阳能公路的研究。

　　(一)美国

　　美国太阳能公路研究始于2006年，最终于2014年由爱达荷州的Brusaw夫妇修建完成。美国交通运输部为此投资了10万美元，将太阳能公路的原理在社区公路上实施。其太阳能面板采用了多层六边形设计，顶层选用了耐磨的强化玻璃，在保证透光性的同时，也能为汽车提供强大的抓地力。进一步通过改进玻璃面板，预埋设加热丝，实现了自动加热功能，确保路面在恶劣的天气条件下不会结冰。在此研究基础上，美国太阳能之路公司(Solar Roadways)与密苏里州交通运输部合作，计划将太阳能公路技术应用于美国66号公路。

　　(二)荷兰

　　2014年，荷兰在北部城市克罗默尼，成功建造了一条70米长、2米宽的太阳能公路。这条太阳能公路由安装了太阳能电池的混凝土模块组成，其上覆盖了一层薄薄的钢化玻璃(1cm)，可以为街道、交通信号灯和路边的居民家庭提供能量，只是这条道路只允许行人和自行车上路，未能对车辆开放。

　　(三)法国

　　2016年法国在诺曼底地区奥恩省图鲁伏尔村建成了法国首条太阳能公路，该条公路全长约1公里，宽2米，由2800平方米太阳能电池板铺成。公路边的电子指示牌会实时显示当日发电量、发电总量等数据，耗资500万欧元。这段公路平均每天发电近800度，年发电量约28万度，可支撑一个5000人口小镇的日常公共照明用电。经初步测试，该道路可承受各类车辆的碾压和极端天气，法国计划在未来5年在全法境内建造总长1000公里的太阳能公路。

　　(四)中国

　　2017年我国首条太阳能公路在山东省济南市建造完成(约1.1公里)。该公路采用承载式光伏路面技术，将符合车辆通行条件的光伏发电组件直接铺设在道路路面上，通过将收集到的太阳能转化为电能，实现太阳能发电。

　　该太阳能公路所采用的路面表层被称为“透明混凝土”，是类似毛玻璃的半透明新型材料，比沥青路面更加粗糙，具备更高的摩擦系数，防滑效果更好，表层硬度比普通沥青路面高10倍，即便是货车也可在路面上行驶。路面表层拥有较好透光率，阳光穿过时，路面下的太阳能电池板可将光能转换成电能。新型太阳能公路的技术指标和通行安全系数均超过当前普遍使用的沥青混凝土路面。

　　太阳能路面下预留了电磁感应线圈，未来随着电动汽车无线技术的配套使用，可实现电动汽车在行驶过程中充电。通过路面结冰检测系统，太阳能公路能够实时感知道路结冰情况，自动开启电力加热系统，实现电热转换，同步融化路面积雪，彻底告别公路因雪封闭的困扰。目前，该段公路已进入试运行阶段，在太阳能公路技术应用方面迈出了国内第一步。

　　纵观国内外太阳能公路技术研究的历史和现状，可以看出太阳能公路技术呈以下发展趋势：

　　一是采用光伏发电技术。目前研究和建设的太阳能公路，无一例外，都采用光伏发电技术。阳光穿过公路表面透明的特种材料，照射到太阳能光电板进行光伏发电。其不但可以为公路周边进行电力供应，而且随着电动汽车的普及和无线充电技术的发展，未来能够解决电动汽车连续充电行驶的难题。

　　二是注重清洁环保性能。太阳能公路技术充分利用了公路路面空间资源，可直接在原有道路上铺装实施，不必额外占用土地;太阳能公路发电可直接满足公路照明、安全标示、监控设施等用电需求，实现公路电气化，降低输电成本，也能为沿线城市和居民提供优质的清洁能源，极大地改善自然环境。

　　三是降低雨雪天气对路面影响。太阳能公路未来将考虑到雨雪天气对传统道路的影响，可在太阳能公路中加入电热丝，利用光伏发电储备的电能进行加热，有效防止路面积雪、结冰对交通运输系统的危害。

　　四是采用模块化组装。太阳能公路由每个单独的太阳能板拼接而成，这将改变未来道路建设方式，可以利用模块化的拼装，实现道路的快速便捷修建，提高道路的建设效率。

　　五是新材料的研发与应用。太阳能公路未来将对路面采用的透明材料进一步研发，不但使其拥有极高的强度，同时还需要具有良好的防滑性能，避免车轮打滑导致的安全事故发生。新材料的投入应用，必将促进太阳能公路技术新的飞跃，同时也将为这些新材料的发展提供广阔的应用空间。

　　三、我国进一步发展重点与对策建议

　　目前太阳能公路的研究普遍处于试验与试运行阶段，建设成本较高，据统计，一块3.7m×3.7m的太阳能板需4万元人民币左右，已建成的荷兰克罗默尼太阳能公路花费高达350万欧元，法国诺曼底太阳能公路花费达500万欧元，如此高额的造价，难以实现有效推广。传统倾斜布置的太阳能面板发电效率可达20%，而由于太阳能面板沿公路平坦铺设，光照时间和光电转换效果大大降低，发电效率在10%至15%之间，提高太阳能公路的发电效率也是未来亟待解决的难题。

　　为全面推进我国太阳能公路技术发展与应用，降低对传统能源的依赖性，逐步建立以清洁能源为供应的交通系统，建议：

　　一是制定太阳能公路技术发展规划。我国“十三五”《纲要》提出绿色发展，推进资源节约集约利用，发展绿色环保产业。太阳能公路符合国家发展需求，因此我国未来需要着力推进太阳能公路建设项目的可行性研究和规划，实现自主化与产业化。在技术发展规划引导方面，可通过国家重点研发计划、地方政府重点科技项目、产学研合作项目等，实现太阳能公路技术的有关基础研究、关键技术攻关，以及应用示范性项目。

　　二是不断提升太阳能公路技术水平。加大我国对太阳能公路技术研发与创新的支持力度，在充分考虑性能与成本的基础上，研发新型路面材料及新型太阳能面板，提高太阳能面板发电效率，降低太阳能公路建设的成本，使太阳能公路更具有应用推广性和经济适用性。

　　三是完善我国太阳能公路创新体系建设。太阳能公路体现国家的创新能力，符合新时代节能环保的需求。在整合太阳能光伏、道路及材料领域的优秀单位和人才队伍的基础上，组建国家太阳能公路发展研究机构，负责未来的太阳能公路规划、设计、建设、运营。

　　四是加强国际合作。加强太阳能公路研究的国际多边合作，支持我国以及新兴工业国家和发展中国家对太阳能公路技术的研发。通过国际多边机制参与并主导太阳能公路建设标准，联合攻关，积极参与为未来各国太阳能公路项目投资与建设和国际市场竞争。

　　本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号：ZLY2015072)后续研究成果之一。

　　本文特约编辑：姜念云