路面太陽能利用技術(shù)相關(guān)研究現(xiàn)狀分析

楊倪坤 蘭景婷 李高陽

摘要：隨著人類社會的發(fā)展，化石能源短缺與環(huán)境污染加重等問題成為制約經(jīng)濟發(fā)展的首要因素，清潔的太陽能成為社會關(guān)注的焦點，太陽能路面應運而生。該文綜述了目前路面太陽能利用技術(shù)的相關(guān)形式，闡述各形式的優(yōu)缺點及可行性，并著重介紹了太陽能路面板塊的相關(guān)內(nèi)容，以期為我國太陽能路面的研究工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：路面；太陽能；利用；導光混凝土；空心板

隨著化石能源的逐漸短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴重，關(guān)于清潔能源的開發(fā)利用引起社會的廣泛關(guān)注，又由于太陽能具有無害性、普遍性、長久性，且其能量龐大成為關(guān)注的核心。同時，據(jù)統(tǒng)計我國道路總里程已高達450萬公里，且占其大部分空間的路面僅供人們出行和車輛行駛之用，具有占地面積大且功能單一的特點，而路面處于開放空間全年都在太陽光的照射下，其中必然存在巨量的太陽能可以利用。因此，如何在低成本下規(guī)?；M行路面太陽能的開發(fā)利用，并擴展路面功能價值值得深入研究。

1 路面太陽能利用技術(shù)

目前國外開發(fā)利用路面太陽能主要是采用光熱轉(zhuǎn)換的集熱法，并利用收集的能量用以發(fā)電、供暖和融雪化冰等。世界上第一個在瀝青路面收集太陽能的公司是荷蘭的Ooms Avenhorn Holding公司，其開發(fā)了一種道路能量系統(tǒng)（Road Energy System），該系統(tǒng)在夏季能快速冷卻高溫路面，并預防路面冬季結(jié)冰[1]。1998年，針對在日本早期鋪筑的19項地面集熱蓄能融雪化冰試驗工程，日本北海道大學研究者們進行了綜合對比分析。研究表明，平均地面集熱率可達36%，北海道區(qū)域的季候變化可以實現(xiàn)用能與蓄能的基本均衡。還有英國的跨季熱量傳遞技術(shù)、美國的地源熱泵技術(shù)以及我國的太陽能土壤蓄熱系統(tǒng)和瀝青路面融冰雪系統(tǒng)等。但是，此種集熱技術(shù)的熱能轉(zhuǎn)換效率較低，施工維護困難，難以大規(guī)模推廣。

光伏發(fā)電系統(tǒng)目前在道路工程中雖然得到應用，但主要是將光伏太陽能電池板安裝在路面以外的附屬設(shè)施中。在英國及其他國家已經(jīng)研究并開發(fā)了一種LED路釘，在2010年，美國華盛頓州交通運輸部進一步研究了一種太陽能LED燈，其結(jié)構(gòu)由LED燈與太陽能電池板組成，釘在車道邊緣，起到警示作用。此種利用能源的方式僅能獲取非常有限的能量，且并未達到擴展路面功能的目的。

由于集熱法的局限性，科學家們基于光伏發(fā)電系統(tǒng)原理將光電轉(zhuǎn)換技術(shù)與路面本身結(jié)合，提出太能能路面板塊等相關(guān)概念。2009 年，美國愛達荷州塞格爾市的電氣工程師Scott Brusaw提出采納光伏太陽能電池板替代傳統(tǒng)路面的創(chuàng)新構(gòu)想，稱之為“太陽能路面”（Solar Roadways），并得到了美國聯(lián)邦公路局（FHWA）的資助。其原型太陽能路面由三層結(jié)構(gòu)組成，即底層隔水板、中層光伏太陽能電池板和表層透明或半透明透光保護板，見圖1所示。2014年，該公司成功鋪筑了一段汽車道，其表層玻璃板為特別材料制得，強度、抗滑性、耐磨性可滿足路用性能要求，但造價不菲。2014年，荷蘭鋪筑并開放了一段太陽能自行車道，見圖2。這條自行車道路號稱世界第一條由太陽能結(jié)構(gòu)單元組成的公共道路，其結(jié)構(gòu)特點為表面為玻璃板，中層為太陽能電池板，混凝土將電池板包裹在內(nèi)中起到保護的作用，其行駛舒適度與普通道路無異，但僅能承載自行車及行人的荷載。盡管太陽能路面板塊尚具有很多局限性，但由于其可預制、施工維護簡易快捷、且具有綠色交通和智慧交通的特性，已悄然成為道路、能源、材料和電子等多個交叉學科領(lǐng)域關(guān)注的熱點。

2 導光混凝土

導光混凝土，又稱透光混凝土、透明混凝土，是在混凝土原有組分基礎(chǔ)上復合導光組分，比方把光纖、透光樹脂等導光質(zhì)料植入混凝土中，使混凝土成為具有導光功能的先進建筑材料，見圖3。匈牙利的àron Losonczi于2003年發(fā)明了一種新型建筑材料——透光水泥（LightTransimitting Concrete，簡稱LiTraCon），也叫透光混凝土，是采取在水泥砂漿中植入光纖的方式[2]。2008年，意大利水泥集團采用特殊樹脂作導光材料制備出了一種導光混凝土i.light，主要是由具有優(yōu)良光學性能的特殊樹脂構(gòu)成，其透明度可達10%～20%之間，迄今為止，僅中國上海世博會的意大利館使用了這種導光混凝土。

國內(nèi)的研究員們也緊跟國際潮流，進行了諸多研究。2010年，哈爾濱工業(yè)大學的周智、吳源華將智能混凝土與導光混凝土相結(jié)合，這種智能透明混凝土利用光彈智能特性，可以隨時監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力場，為結(jié)構(gòu)的安全評定提供了強有力的依據(jù)[3]。2012年，南昌大學的王信剛、陳方斌將透光材料與發(fā)光材料相結(jié)合，制得了發(fā)光透光水泥基材料，使其既能在白天透光，也能在夜晚發(fā)光[4]。2013年，大連理工大學的周智等提出一種透明混凝土的工程化施工技術(shù)，利用一種光纖布置設(shè)備來制作光纖布置單元，將其按照所需要的形式疊放固定安裝在一起，然后一起澆注混凝土，見圖4[5]。2014年，南昌大學的王信剛、葉栩娜將樹脂作為導光材料，制得樹脂導光混凝土，并與光纖導光混凝土的透光效果和力學性能進行了對比分析。結(jié)果表明，樹脂導光混凝土與光纖導光混凝土相比，透光率大，制備成本低，且制備工藝較簡單，但是透光效果受樹脂的透明度的影響比較大，混凝土的強度受樹脂與混凝土基體的界面粘結(jié)性影響比較大[6]。

導光混凝土的基體一般為自密實水泥砂漿，密實混凝土這一概念最早由日本學者Okamura于1986年提出[7]，屬于一種高性能混凝土。自密實混凝土拌合物的自密實過程為：粗骨料懸浮在具有足夠粘度和變形能力的砂漿中，在自重的作用下，砂漿包裹粗骨料一起沿模板向前流動，通過鋼筋間隙、進而形成均勻密實的結(jié)構(gòu)[8]。自密實混凝土相比于普通混凝土具有以下優(yōu)點[9]：（1）具有卓越的流動性和自填充性能，不需人工額外振搗密實，依靠自重充模、密實。（2）填充密實，避免了原始缺陷的產(chǎn)生，具有足夠的耐久性。（3）澆注速度快，簡化了施工工藝，提高了施工效率，降低了人工成本。

現(xiàn)階段研制出來的自密實混凝土具有許多優(yōu)點，但配合比設(shè)計也比普通混凝土要復雜一些，國內(nèi)外對自密實混凝土的設(shè)計理念也不盡相同。日本東京大學最早開展了自密實混凝土配合比設(shè)計方法研究，提出了所謂的自密實混凝土原型模型方法（prototype method），后來日本、泰國、荷蘭、法國、加拿大、中國等國的學者進一步進行了自密實混凝土的設(shè)計方法研究[10]，中國土木工程學會編制的《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》中，推薦的是一種固定砂石體積含量法，是對日本學者Okamura的原型模型方法的改進，即先設(shè)定砂石體積，再求得漿體體積，再根據(jù)強度要求的水膠比，求得用水量和摻和料用量[11]，我國吳中偉院士也曾對這種方法做過介紹[12]。龍廣成、謝友均等研究了一種基于骨料間距模型的配合比設(shè)計方法，即將混凝土視為粗骨料和砂漿組成的兩相混合體系，則保證流動性的條件是相鄰粗骨料之間應存在足夠的間距，即漿體層[13]。我國住建部在2012年發(fā)布了《自密實混凝土應用技術(shù)規(guī)程》，推薦自密實混凝土配合比設(shè)計采用絕對體積法[14]。

3 太陽能水泥混凝土空心板

水泥混凝土空心板結(jié)構(gòu)常用于建筑或者橋梁，制作成的空心樓板或者空心橋面板，具有節(jié)約材料、減輕結(jié)構(gòu)自重等優(yōu)點。研究人員通過有限元分析軟件進行力學性能數(shù)值模擬對于空心樓板結(jié)構(gòu)，湖南科技大學的譚磊和劉錫采用ANSYS分析了現(xiàn)澆混凝土空心樓板的變形特征、內(nèi)力分布規(guī)律等，得出了空心板塊的空腔會使得空心板在局部出現(xiàn)應力、應變較大的現(xiàn)象。簡政和趙良華等人研究空心樓板的計算方法，提出了一種將混凝土空心板轉(zhuǎn)化為等效實心板的合理可行的計算方法。

水泥混凝土空心板應用于路面結(jié)構(gòu)時，尹德清選用有限棱柱法對空心路面結(jié)構(gòu)進行理論上的應力應變分析， 同時對試驗路通車后的使用情況進行了觀測，分析了空心路面的經(jīng)濟效益和社會效益，表明了空心路面結(jié)構(gòu)在工程實踐中應用是可行的。重慶建筑大學的洪桔、周志祥等人針對傳統(tǒng)道路修筑方式的缺陷， 提出了一種有效節(jié)省路面造價的新型的道路結(jié)構(gòu)體系——連續(xù)砼空心板式道路。[15]

2013年，長沙理工大學的查旭東、曾軍設(shè)計了一種路面空心板塊結(jié)構(gòu)，由表層透光保護板、中層光伏太陽能電池板和底座預制混凝土空心板三層組成，即將太陽能電池板放置在中間鏤空的空心板塊面層結(jié)構(gòu)中，既保證太陽能電池板的壽命，又具有一定的承載能力[16]。2014年，長沙理工大學的查旭東、蔡良等進一步優(yōu)化了太陽能路面空心板塊結(jié)構(gòu)，并制作相應的實體模型，見圖5。對該模型的力學性能和發(fā)電效能進行了測試，為研究太陽能空心板塊路面結(jié)構(gòu)提供理論和實體參考[17，18]。

4 結(jié)語與展望

國內(nèi)外已經(jīng)有許多對于路面太陽能利用技術(shù)的研究，包括光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩大類，但是其轉(zhuǎn)換技術(shù)在路面的實際運用方面存在很大局限性。同時現(xiàn)有太陽能路面板塊的表層多選用特制的玻璃，優(yōu)點是透光性能強，缺點是抗滑性不足，承載力有限，且造價高昂。因此研究一種經(jīng)濟節(jié)約，結(jié)構(gòu)承載力，抗滑性，發(fā)電效能均滿足使用要求的太陽能路面板塊是具有理論及實際意義的。筆者在基于對已有太陽能路面方向的應用，主要選取了導光混凝土和太陽能水泥混凝土空心板進行原理介紹，以期能對我國太陽能路面板塊的研究工作提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1]Loomans M，Oversloot H，Debondt A H，et al.Design tool for the thermal energy potential of asphalt pavements[A].Proceedings of the 8th International IBPSA Conference[C].2003：745752.

[2]陳瑤.透明混凝土材料在建筑設(shè)計中的應用研究[D].南京：南京大學，2011.

[3]吳源華.智能透明混凝土制品及其性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[4]陳方斌.發(fā)光透光水泥基材料的制備與性能研究[D].南昌：南昌大學，2012.

[5]周智，申娟，何建平，等.透明混凝土工程化施工方法及施工設(shè)備[P].申請公布號：CN 103603458 A，申請公布日：2014，02.26.

[6]葉栩娜.樹脂導光混凝土的制備方法與力學性能研究[D].南昌：南昌大學，2014.

[7]OKAMURA Hajime，OUCHI Masahiro.Selfcompacting concrete：development，present use and future [A].Proceedings of 1st International RILEM Symposium on SelfCompacting Concrete [C].1999：314.

[8]劉運華，謝友均，龍廣成.自密實混凝土研究進展[J].硅酸鹽學報，2007，35（05）：671678.

[9]嚴琳.自密實混凝土的配制及其性能研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[10]吳紅娟.自密實混凝土配合比設(shè)計方法研究[D].天津：天津大學，2005.

[11]中國土木工程學會標準.自密實混凝土設(shè)計與施工指南（CCES 022004）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[12]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[13]龍廣成，謝友均.自密實混凝土[M].北京：科學出版社，2013.

[14]中華人民共和國行業(yè)標準.自密實混凝土應用技術(shù)規(guī)程（JGJT2832012）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[15]洪桔，周志祥.一種連續(xù)混凝土空心板式道路[J].重慶建筑大學學報，1997，19（6）：98100.

[16]曾軍.空心板塊路面結(jié)構(gòu)力學分析[D].長沙：長沙理工大學，2013.

[17]蔡良.太陽能路面空心板塊結(jié)構(gòu)模型試驗研究[D].長沙：長沙理工大學，2014.

[18]查旭東，張鋮堅，伍智吉，等.太陽能路面空心板塊單元力學分析與模型制備[J].太陽能學報，2016，37（1）：136141.

作者簡介：楊倪坤（1995），男，湖南株洲人，本科，主要從事道路工程研究；蘭景婷（1996），女，漢族，湖南岳陽人，本科，主要從事道路工程研究；李高陽（1996），男，漢族，福建莆田人，長沙理工大學本科生在讀，主要從事道路工程研究。