路面太阳能利用技术相关研究现状分析

摘要：随着人类社会的发展，化石能源短缺与环境污染加重等问题成为制约经济发展的首要因素，清洁的太阳能成为社会关注的焦点，太阳能路面应运而生。该文综述了目前路面太阳能利用技术的相关形式，阐述各形式的优缺点及可行性，并着重介绍了太阳能路面板块的相关内容，以期为我国太阳能路面的研究工作提供参考和借鉴。

关键词：路面；太阳能；利用；导光混凝土；空心板

随着化石能源的逐渐短缺和环境污染问题的日益严重，关于清洁能源的开发利用引起社会的广泛关注，又由于太阳能具有无害性、普遍性、长久性，且其能量庞大成为关注的核心。同时，据统计我国道路总里程已高达450万公里，且占其大部分空间的路面仅供人们出行和车辆行驶之用，具有占地面积大且功能单一的特点，而路面处于开放空间全年都在太阳光的照射下，其中必然存在巨量的太阳能可以利用。因此，如何在低成本下规模化进行路面太阳能的开发利用，并扩展路面功能价值值得深入研究。

1 路面太阳能利用技术

目前国外开发利用路面太阳能主要是采用光热转换的集热法，并利用收集的能量用以发电、供暖和融雪化冰等。世界上第一个在沥青路面收集太阳能的公司是荷兰的Ooms Avenhorn Holding公司，其开发了一种道路能量系统（Road Energy System），该系统在夏季能快速冷却高温路面，并预防路面冬季结冰[1]。1998年，针对在日本早期铺筑的19项地面集热蓄能融雪化冰试验工程，日本北海道大学研究者们进行了综合对比分析。研究表明，平均地面集热率可达36%，北海道区域的季候变化可以实现用能与蓄能的基本均衡。还有英国的跨季热量传递技术、美国的地源热泵技术以及我国的太阳能土壤蓄热系统和沥青路面融冰雪系统等。但是，此种集热技术的热能转换效率较低，施工维护困难，难以大规模推广。

光伏发电系统目前在道路工程中虽然得到应用，但主要是将光伏太阳能电池板安装在路面以外的附属设施中。在英国及其他国家已经研究并开发了一种LED路钉，在2010年，美国华盛顿州交通运输部进一步研究了一种太阳能LED灯，其结构由LED灯与太阳能电池板组成，钉在车道边缘，起到警示作用。此种利用能源的方式仅能获取非常有限的能量，且并未达到扩展路面功能的目的。

由于集热法的局限性，科学家们基于光伏发电系统原理将光电转换技術与路面本身结合，提出太能能路面板块等相关概念。2009 年，美国爱达荷州塞格尔市的电气工程师Scott Brusaw提出采纳光伏太阳能电池板替代传统路面的创新构想，称之为“太阳能路面”（Solar Roadways），并得到了美国联邦公路局（FHWA）的资助。其原型太阳能路面由三层结构组成，即底层隔水板、中层光伏太阳能电池板和表层透明或半透明透光保护板，见图1所示。2014年，该公司成功铺筑了一段汽车道，其表层玻璃板为特别材料制得，强度、抗滑性、耐磨性可满足路用性能要求，但造价不菲。2014年，荷兰铺筑并开放了一段太阳能自行车道，见图2。这条自行车道路号称世界第一条由太阳能结构单元组成的公共道路，其结构特点为表面为玻璃板，中层为太阳能电池板，混凝土将电池板包裹在内中起到保护的作用，其行驶舒适度与普通道路无异，但仅能承载自行车及行人的荷载。尽管太阳能路面板块尚具有很多局限性，但由于其可预制、施工维护简易快捷、且具有绿色交通和智慧交通的特性，已悄然成为道路、能源、材料和电子等多个交叉学科领域关注的热点。

2 导光混凝土

导光混凝土，又称透光混凝土、透明混凝土，是在混凝土原有组分基础上复合导光组分，比方把光纤、透光树脂等导光质料植入混凝土中，使混凝土成为具有导光功能的先进建筑材料，见图3。匈牙利的àron Losonczi于2003年发明了一种新型建筑材料——透光水泥（LightTransimitting Concrete，简称LiTraCon），也叫透光混凝土，是采取在水泥砂浆中植入光纤的方式[2]。2008年，意大利水泥集团采用特殊树脂作导光材料制备出了一种导光混凝土i.light，主要是由具有优良光学性能的特殊树脂构成，其透明度可达10%～20%之间，迄今为止，仅中国上海世博会的意大利馆使用了这种导光混凝土。

国内的研究员们也紧跟国际潮流，进行了诸多研究。2010年，哈尔滨工业大学的周智、吴源华将智能混凝土与导光混凝土相结合，这种智能透明混凝土利用光弹智能特性，可以随时监测结构内部应力场，为结构的安全评定提供了强有力的依据[3]。2012年，南昌大学的王信刚、陈方斌将透光材料与发光材料相结合，制得了发光透光水泥基材料，使其既能在白天透光，也能在夜晚发光[4]。2013年，大连理工大学的周智等提出一种透明混凝土的工程化施工技术，利用一种光纤布置设备来制作光纤布置单元，将其按照所需要的形式叠放固定安装在一起，然后一起浇注混凝土，见图4[5]。2014年，南昌大学的王信刚、叶栩娜将树脂作为导光材料，制得树脂导光混凝土，并与光纤导光混凝土的透光效果和力学性能进行了对比分析。结果表明，树脂导光混凝土与光纤导光混凝土相比，透光率大，制备成本低，且制备工艺较简单，但是透光效果受树脂的透明度的影响比较大，混凝土的强度受树脂与混凝土基体的界面粘结性影响比较大[6]。

导光混凝土的基体一般为自密实水泥砂浆，密实混凝土这一概念最早由日本学者Okamura于1986年提出[7]，属于一种高性能混凝土。自密实混凝土拌合物的自密实过程为：粗骨料悬浮在具有足够粘度和变形能力的砂浆中，在自重的作用下，砂浆包裹粗骨料一起沿模板向前流动，通过钢筋间隙、进而形成均匀密实的结构[8]。自密实混凝土相比于普通混凝土具有以下优点[9]：（1）具有卓越的流动性和自填充性能，不需人工额外振捣密实，依靠自重充模、密实。（2）填充密实，避免了原始缺陷的产生，具有足够的耐久性。（3）浇注速度快，简化了施工工艺，提高了施工效率，降低了人工成本。

现阶段研制出来的自密实混凝土具有许多优点，但配合比设计也比普通混凝土要复杂一些，国内外对自密实混凝土的设计理念也不尽相同。日本东京大学最早开展了自密实混凝土配合比设计方法研究，提出了所谓的自密实混凝土原型模型方法（prototype method），后来日本、泰国、荷兰、法国、加拿大、中国等国的学者进一步进行了自密实混凝土的设计方法研究[10]，中国土木工程学会编制的《自密实混凝土设计与施工指南》中，推荐的是一种固定砂石体积含量法，是对日本学者Okamura的原型模型方法的改进，即先设定砂石体积，再求得浆体体积，再根据强度要求的水胶比，求得用水量和掺和料用量[11]，我国吴中伟院士也曾对这种方法做过介绍[12]。龙广成、谢友均等研究了一种基于骨料间距模型的配合比设计方法，即将混凝土视为粗骨料和砂浆组成的两相混合体系，则保证流动性的条件是相邻粗骨料之间应存在足够的间距，即浆体层[13]。我国住建部在2012年发布了《自密实混凝土应用技术规程》，推荐自密实混凝土配合比设计采用绝对体积法[14]。

3 太阳能水泥混凝土空心板

水泥混凝土空心板结构常用于建筑或者桥梁，制作成的空心楼板或者空心桥面板，具有节约材料、减轻结构自重等优点。研究人员通过有限元分析软件进行力学性能数值模拟对于空心楼板结构，湖南科技大学的谭磊和刘锡采用ANSYS分析了现浇混凝土空心楼板的变形特征、内力分布规律等，得出了空心板块的空腔会使得空心板在局部出现应力、应变较大的现象。简政和赵良华等人研究空心楼板的计算方法，提出了一种将混凝土空心板转化为等效实心板的合理可行的计算方法。

水泥混凝土空心板应用于路面结构时，尹德清选用有限棱柱法对空心路面结构进行理论上的应力应变分析， 同时对试验路通车后的使用情况进行了观测，分析了空心路面的经济效益和社会效益，表明了空心路面结构在工程实践中应用是可行的。重庆建筑大学的洪桔、周志祥等人针对传统道路修筑方式的缺陷， 提出了一种有效节省路面造价的新型的道路结构体系——连续砼空心板式道路。[15]

2013年，长沙理工大学的查旭东、曾军设计了一种路面空心板块结构，由表层透光保护板、中层光伏太阳能电池板和底座预制混凝土空心板三层组成，即将太阳能电池板放置在中间镂空的空心板块面层结构中，既保证太阳能电池板的寿命，又具有一定的承载能力[16]。2014年，长沙理工大学的查旭东、蔡良等进一步优化了太阳能路面空心板块结构，并制作相应的实体模型，见图5。对该模型的力学性能和发电效能进行了测试，为研究太阳能空心板块路面结构提供理论和实体参考[17，18]。

4 结语与展望

国内外已经有许多对于路面太阳能利用技术的研究，包括光热转换和光电转换两大类，但是其转换技术在路面的实际运用方面存在很大局限性。同时现有太阳能路面板块的表层多选用特制的玻璃，优点是透光性能强，缺点是抗滑性不足，承载力有限，且造价高昂。因此研究一种经济节约，结构承载力，抗滑性，发电效能均满足使用要求的太阳能路面板块是具有理论及实际意义的。笔者在基于对已有太阳能路面方向的应用，主要选取了导光混凝土和太阳能水泥混凝土空心板进行原理介绍，以期能对我国太阳能路面板块的研究工作提供参考和借鉴。

参考文献：

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[18]查旭东，张铖坚，伍智吉，等.太阳能路面空心板块单元力学分析与模型制备[J].太阳能学报，2016，37（1）：136141.

作者简介：杨倪坤（1995），男，湖南株洲人，本科，主要从事道路工程研究；兰景婷（1996），女，汉族，湖南岳阳人，本科，主要从事道路工程研究；李高阳（1996），男，汉族，福建莆田人，长沙理工大学本科生在读，主要从事道路工程研究。