路面太陽能利用技術相關研究現狀分析

楊倪坤 蘭景婷 李高陽

摘要：隨著人類社會的發展，化石能源短缺與環境污染加重等問題成為制約經濟發展的首要因素，清潔的太陽能成為社會關注的焦點，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的相關形式，闡述各形式的優缺點及可行性，并著重介紹了太陽能路面板塊的相關內容，以期為我國太陽能路面的研究工作提供參考和借鑒。

關鍵詞：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境污染問題的日益嚴重，關于清潔能源的開發利用引起社會的廣泛關注，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注的核心。同時，據統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，如何在低成本下規模化進行路面太陽能的開發利用，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

目前國外開發利用路面太陽能主要是采用光熱轉換的集熱法，并利用收集的能量用以發電、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，其開發了一種道路能量系統（Road Energy System），該系統在夏季能快速冷卻高溫路面，并預防路面冬季結冰[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%，北海道區域的季候變化可以實現用能與蓄能的基本均衡。還有英國的跨季熱量傳遞技術、美國的地源熱泵技術以及我國的太陽能土壤蓄熱系統和瀝青路面融冰雪系統等。但是，此種集熱技術的熱能轉換效率較低，施工維護困難，難以大規模推廣。

光伏發電系統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施中。在英國及其他國家已經研究并開發了一種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，其結構由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電系統原理將光電轉換技術與路面本身結合，提出太能能路面板塊等相關概念。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路面的創新構想，稱之為“太陽能路面”（Solar Roadways），并得到了美國聯邦公路局（FHWA）的資助。其原型太陽能路面由三層結構組成，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構單元組成的公共道路，其結構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域關注的熱點。

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上復合導光組分，比方把光纖、透光樹脂等導光質料植入混凝土中，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，主要是由具有優良光學性能的特殊樹脂構成，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，哈爾濱工業大學的周智、吳源華將智能混凝土與導光混凝土相結合，這種智能透明混凝土利用光彈智能特性，可以隨時監測結構內部應力場，為結構的安全評定提供了強有力的依據[3]。2012年，南昌大學的王信剛、陳方斌將透光材料與發光材料相結合，制得了發光透光水泥基材料，使其既能在白天透光，也能在夜晚發光[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，利用一種光纖布置設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構[8]。自密實混凝土相比于普通混凝土具有以下優點[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。

現階段研制出來的自密實混凝土具有許多優點，但配合比設計也比普通混凝土要復雜一些，國內外對自密實混凝土的設計理念也不盡相同。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計方法研究[10]，中國土木工程學會編制的《自密實混凝土設計與施工指南》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，即先設定砂石體積，再求得漿體體積，再根據強度要求的水膠比，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年發布了《自密實混凝土應用技術規程》，推薦自密實混凝土配合比設計采用絕對體積法[14]。

3 太陽能水泥混凝土空心板

水泥混凝土空心板結構常用于建筑或者橋梁，制作成的空心樓板或者空心橋面板，具有節約材料、減輕結構自重等優點。研究人員通過有限元分析軟件進行力學性能數值模擬對于空心樓板結構，湖南科技大學的譚磊和劉錫采用ANSYS分析了現澆混凝土空心樓板的變形特征、內力分布規律等，得出了空心板塊的空腔會使得空心板在局部出現應力、應變較大的現象。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構時，尹德清選用有限棱柱法對空心路面結構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濟效益和社會效益，表明了空心路面結構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道路修筑方式的缺陷， 提出了一種有效節省路面造價的新型的道路結構體系——連續砼空心板式道路。[15]

2013年，長沙理工大學的查旭東、曾軍設計了一種路面空心板塊結構，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構中，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、蔡良等進一步優化了太陽能路面空心板塊結構，并制作相應的實體模型，見圖5。對該模型的力學性能和發電效能進行了測試，為研究太陽能空心板塊路面結構提供理論和實體參考[17，18]。

4 結語與展望

國內外已經有許多對于路面太陽能利用技術的研究，包括光熱轉換和光電轉換兩大類，但是其轉換技術在路面的實際運用方面存在很大局限性。同時現有太陽能路面板塊的表層多選用特制的玻璃，優點是透光性能強，缺點是抗滑性不足，承載力有限，且造價高昂。因此研究一種經濟節約，結構承載力，抗滑性，發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：哈爾濱工業大學，2010.

[4]陳方斌.發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.自密實混凝土設計與施工指南（CCES 022004）[S].北京：中國建筑工業出版社，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標準.自密實混凝土應用技術規程（JGJT2832012）[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[15]洪桔，周志祥.一種連續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.空心板塊路面結構力學分析[D].長沙：長沙理工大學，2013.

[17]蔡良.太陽能路面空心板塊結構模型試驗研究[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。