電氣化公路應(yīng)用前景

潘露揚(yáng) 高瑞麒 于得淼

電氣化公路是立足當(dāng)下著眼于未來的研究項(xiàng)目，它對(duì)解決能源問題和環(huán)境污染問題都有著積極地促進(jìn)作用，并且它也關(guān)系到來來我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)戰(zhàn)略不屈居人后。因此，本研究具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益，并具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

據(jù)有關(guān)資料顯示：我國(guó)目前年消耗石油約5.56億噸，到2030年將超過美國(guó)，成為全球最大石油消耗國(guó)；并且中國(guó)早已是全球第一大石油進(jìn)口國(guó)。因此未來中國(guó)的發(fā)展，能源的問題將是首要的問題。我們還需要清醒的認(rèn)識(shí)到，我國(guó)所面臨的問題中不僅僅只有能源問題需要我們特別的注意，環(huán)境污染問題也同樣嚴(yán)峻。環(huán)境污染問題關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，是阻礙我國(guó)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的攔路虎。交通運(yùn)輸行業(yè)是能源消耗大戶，同時(shí)也是污染物排放大戶，可以說若想解決能源和環(huán)境兩大問題，對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)的改造將不可回避。參考電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)模式，由于它能源不需自帶，能源利用率高，以電力為能源，實(shí)現(xiàn)零排放。那么我們可以設(shè)想，公路電氣化改造后也會(huì)帶來同樣的效果，從而解決能源和環(huán)境兩大困局。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家正緊鑼密鼓地進(jìn)行電氣化公路的各項(xiàng)基礎(chǔ)理論研究與實(shí)際測(cè)試，促進(jìn)研究成果向?qū)嶋H生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。例如，英國(guó)政府就將電氣化公路納入到“戰(zhàn)略公路網(wǎng)絡(luò)（strategic road network）”項(xiàng)目中，作為未來國(guó)家交通運(yùn)輸戰(zhàn)略的發(fā)展方向之一。有關(guān)項(xiàng)目已經(jīng)在英格蘭公路局地推動(dòng)下逐步落地，并且未來五年將有7.8億美元經(jīng)費(fèi)用于開展這些項(xiàng)目。西門子公司在瑞士斯德哥爾摩北部全長(zhǎng)兩公里的E16公路上實(shí)現(xiàn)電氣化，該項(xiàng)目旨在形成可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗(yàn)。在美國(guó)最大海運(yùn)樞紐洛杉磯港的運(yùn)輸線上，西門子公司與汽車制造商沃爾沃進(jìn)行了以電氣化公路為全電力貨運(yùn)卡車提供電能的試驗(yàn)項(xiàng)目，并從商業(yè)角度驗(yàn)證了其可行性。在電氣化公路的發(fā)展過程中，歐美等國(guó)家無疑又一次走在了前列，目前來看電氣化公路還處在先期探和理論驗(yàn)證階段，距離大規(guī)模推廣還有很長(zhǎng)一段路要走。我國(guó)在電氣化公路方面的研究還只停留在理論層面，相關(guān)項(xiàng)目還只是鳳毛麟角。這種情況的成因與我國(guó)較重時(shí)鐵路運(yùn)輸有一定關(guān)系，但是可以預(yù)見到在不久的將來，電氣化公路將成為交通運(yùn)輸領(lǐng)域新的“核心技術(shù)”，那么在參與國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的時(shí)候，我們又將受制于人。

電氣化公路相較傳統(tǒng)公路的優(yōu)勢(shì)

充分滿足電動(dòng)汽車的行駛要求。隨著電動(dòng)汽車保有率的不斷增長(zhǎng)，采用靜態(tài)供電方式提供能源的方式大大制約了電動(dòng)汽車的實(shí)用性，汽車必須停靠一段時(shí)間才能完成充電過程，并且續(xù)航里程較短的弊端也被進(jìn)一步放大。電氣化公路從根本上解決了汽車連續(xù)行駛的問題，從理論上來講，在電氣化公路上行駛的汽車擁有著無限的行駛里程。伴隨著電動(dòng)汽車的進(jìn)一步推廣和對(duì)續(xù)航充電要求的進(jìn)一步提升，電氣化公路極有可能成為未來城市建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

實(shí)現(xiàn)道路運(yùn)輸“零排放”。一直以來，交通運(yùn)輸行業(yè)都是節(jié)能減排呼聲最高的領(lǐng)域，如今政府致力于提升技術(shù)水平，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尋求減少交通運(yùn)輸對(duì)化石燃料的依賴。由于采用電力為道路運(yùn)輸提供動(dòng)力，能夠顯著降低化石燃料的使用量，從而減少排放甚至實(shí)現(xiàn)“零排放”。在國(guó)外學(xué)術(shù)界形成了這樣的共識(shí)：電氣化公路可以從根本上使道路運(yùn)輸擺脫對(duì)石油的依賴，是降低碳排放的有力方式。我國(guó)交通運(yùn)輸體量龐大，每年消耗的化石燃料和產(chǎn)生碳排放量都相當(dāng)可觀。并且我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅鳛椤笆澜绻S”對(duì)效率的要求永遠(yuǎn)無止境，現(xiàn)今的道路運(yùn)輸模式想要大幅度的提高效率在技術(shù)上已經(jīng)觸及天花板，想要進(jìn)一步進(jìn)步電氣化公路將是最優(yōu)選擇。

電氣化公路無線供電系統(tǒng)的施工

溝槽施工（Trench-based construction）

溝槽施工方式是面向在公路上架設(shè)供電架線桿的電氣化改造方式，類似于電氣化鐵路或有軌電車的形式。這種改造方式對(duì)原有路面幾乎沒有破壞，而且適應(yīng)性強(qiáng)對(duì)路面條件和地質(zhì)條件要求較低。溝槽施工是目前已有的改造方案中最為經(jīng)濟(jì)快捷的，只需要開挖溝槽、埋設(shè)供電架線桿。我國(guó)是高鐵大國(guó)，這種電氣化公路改造方式和電氣化鐵路有技術(shù)共通性，很多電氣化鐵路上的技術(shù)都可以做技術(shù)轉(zhuǎn)移，這樣就大大節(jié)省了科研時(shí)間與成本。在建設(shè)施工和裝備制造方面也可以順利過渡，人才培養(yǎng)也是一樣。可以說，在目前的技術(shù)資源條件下，以架設(shè)供電架線桿的電氣化公路改造方式輔以溝槽施工的建設(shè)方式是最為合理的。

全車道施工（Full lane construction）

相比于溝槽施工方式，全車道施工維護(hù)需求較少；但是成本和時(shí)間消耗均高于溝槽施工方式。全車道施工主要面向新建公路，在新建公路路基施工過程中直接將輸電設(shè)備埋設(shè)其中，在公路面層下鋪設(shè)無線輸電線圈。該方案面臨兩個(gè)技術(shù)上的剛性制約：第一，無線輸電的距離問題。在滿足能量轉(zhuǎn)化率的前提下，電能發(fā)射裝置和接收裝置需要在一定的距離內(nèi)才能工作。目前，在一米的距離內(nèi)可以達(dá)到90%的轉(zhuǎn)化率，將來的技術(shù)突破也是可預(yù)期的。第二，移動(dòng)中無線輸電問題。目前所見的無線輸電設(shè)備都固定接發(fā)，要滿足在公路上為汽車提供能源移動(dòng)性必須要解決。斯坦福大學(xué)的研究小組利用量子力學(xué)中的宇稱一時(shí)間對(duì)稱性（PT-對(duì)稱）原理已經(jīng)解決了無線輸電移動(dòng)性的問題，技術(shù)的從實(shí)驗(yàn)室向工廠的轉(zhuǎn)化也一樣可預(yù)期。

電氣化公路無疑是一種面向未來的交通運(yùn)輸方式，在緩解環(huán)境壓力，節(jié)約能源等方面都十分優(yōu)于現(xiàn)有方式。我國(guó)正處在由交通大國(guó)向交通強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的路上，將來我們將引領(lǐng)新的發(fā)展潮流，貯備新技術(shù)是必須做的準(zhǔn)備。隨著更多新技術(shù)的出現(xiàn)，電氣化公路離我們也將越來越近，如今的未雨綢繆將是未來的先發(fā)主動(dòng)權(quán)。