高速公路邊坡太陽能研究現狀及發展展望綜述＊

楊鵬浩，陳詩璇，肖建偉

（中南林業科技大學 土木工程學院，湖南 長沙410004）

近年來，太陽能作為一種清潔、無污染的可再生能源，并且是能源結構中重要的一環，成為一個重要的發展方向。同時，高速公路作為現代社會不可或缺的交通途徑，其里程持續增長，展現了極大的發展空間。太陽能在公路上的應用，有望成為減少石油、煤炭等不可再生能源大量消耗的重要途徑。目前太陽能在公路的應用集中在太陽能路面，但光伏路面受到地理位置、季節、天氣、交通、電池板朝向和傾角、建筑物與灰塵等因素的影響。而公路邊坡作為高速公路的一部分，通常在建筑密度較低的郊區、鄉村，甚至未開發地區，其周圍環境較為空曠，很少存在建筑或樹木遮擋的現象，擁有較大的表面（立面和頂面）和開放空間，便于鋪設太陽能板，以實現對太陽能的利用。建設過程無噪聲、無振動、無污染且周期短。相較于直接鋪設在路面上，太陽能板本身的強度要求可以降低，后期維修較為方便，還有潛在的美觀、美化道路的功能。同時，所產電能并入電網后還能降低現有電力系統的壓力[1]，對于實現節能減排和可持續性發展具有重要的意義。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

目前，國外關于太陽能路面的研究主要分為路面太陽能熱利用和太陽能發電，其目的是利用收集的太陽能用來發電、供暖和融雪化冰等。荷蘭擁有世界上第一個利用收集瀝青路面太陽能的公司Ooms Avenhorn Holding，其開發了一種能在夏天快速冷卻高溫路面，并在冬季預防路面結冰的道路能量系統。隨后，美英日等國陸續研究了地源熱泵、跨季熱量傳遞、地面集熱蓄能融雪化冰等技術。但是，此種集熱技術的瓶頸在于熱能轉換為其他形式能的效率偏低，并且在施工維修過程中存在困難，所以難以大規模推廣[2]。

由于集熱法具有局限性，研究者們在光伏發電系統原理上把光電轉換技術與路面本身結合，提出太陽能路面板等相關概念。2006年，美國愛達荷州的Scott和Julie夫婦最早提出“太陽能公路”的概念。2013年，Scott和Julie在愛達荷州建成了一個露天太陽能停車場，其產生的電能可供附近的企業使用[3]。目前，Scott夫婦在自家的車道上應用了太陽能路面，并且已相繼開發出4代產品。2008-12，美國第一個太陽能公路項目在俄勒岡州啟動，太陽能電池板沿著5號州際公路和205號州際公路之間的立交橋建造，產生的太陽能白天進入國家電網，晚上用于立交橋的照明[4]。2013年，美國喬治華盛頓大學安裝了世界上第一條太陽能板人行道，所產生的電能供面板下450個LED照明夜路[5]。2016年，美國的密蘇里州交通局宣布將與Solar Roadways公司合作在66號公路的部分公路和人行道鋪設太陽能板進行實驗，該項目超過一半的資金（200多萬美元）來自群眾的籌資。2011-01，意大利Pizzarotti公司建造的百分之百由太陽能供能的卡塔尼亞—錫拉庫薩高速公路正式通車，該高速公路是世界上第一條太陽能高速公路，總造價超過了6 000萬歐元。2014-11，由荷蘭政府、企業與學術界共同打造的SolaRoad項目在離荷蘭阿姆斯特丹不遠的Krommenie展示了其成果——世界上第一條太陽能自行車道，其產生的電能可供一般家庭使用。但當時人們對這條太陽能自行車道卻有一些擔憂，比如不是光滑的玻璃面板容易積塵和堆雪、太陽并非直射面板導致發電效率降低、70 m道路需150萬歐元的成本過高[6]。2016年，法國諾曼底小鎮Tourouvre建造了世界上第一條太陽能公路“Wattway”，其產生的電能供給當地的路燈使用。“Wattway”全長為1 km，政府共投資了500萬歐元，其中不包括后期維護費用。然而，在2019年建筑集團Colas承認該項目已經破產。“Wattway”失敗的主要原因有以下3點：產生大片無法挽救的損傷（如圖1所示）、實際每年最高發電總量僅為預期的一半、所在地區一年僅有44 d的強烈陽光照射。

圖1法國Wattway路面損傷情況

由此可見，推廣太陽能公路的最大問題是建設成本、維修費用太高，其次受到所處位置、季節、天氣、交通、電池板面朝方位、建筑物遮擋與灰塵污染等多方面因素的影響，致使其發電效率和使用壽命皆不能達到預期設計效果，甚至在建成后的較短時間內便出現大面積損壞的問題。

在太陽能路面研究工作正如火如荼進行的同時，有些地方政府把目光移向了太陽能邊坡上面。2013年，日本佐賀縣打算允許太陽能電池板運營商免費使用其長約2 km的道路路基的南側邊坡架設設備用來發電，建設面積約為10 000 m2。2015年，在美國44號公路上99 kW項目已修建完畢，該項目利用公路的東西方向，在發電效率接近理想的位置安裝一組朝南的太陽能電池板，如圖2所示。當太陽能電池組產生的能量超過水處理廠所需的能量時，剩余的能量將被出售給電網。當工廠需要的多于生產的面板時，公用事業公司將提供。上述日本、美國均利用公路邊坡架設太陽能電池板用來發電，證明國外已經注意到公路邊坡在太陽能應用中的可行性和重要性，但僅限于將太陽能電池板放于較為理想的朝南方向，且邊坡高度小，坡度也較緩，未涉及高陡邊坡的太陽能電池板架設。

圖2美國99 kW項目邊坡太陽能板陣列

1.2 國內研究現狀

2013年，長沙理工大學查旭東團隊設計了一種太陽能路面空心板結構[7]，并于2017年在室外建造了約3 m2的太陽能路面空心板塊模型。2016年，漢能集團分別在荷蘭、比利時建造了2條太陽能自行車道。2017-06，浙江當地的公司和研究所等相關單位合作，建造的“太陽一號”光伏路面經受住了重載車輛的檢驗。2017-09，山東當地的集團、公司和同濟大學等合作，在濟南銀豐財富廣場完成了660 m2的太陽能路面鋪設。2017-12，齊魯交通發展集團在濟南南繞城高速公路投資建設的1 080 m光伏路面試驗段通車，造價約7 000元/m2。該工程預期年發電量約1 000 000 kW時，然而實際年發電量卻遠小于預期年發電量，同時由于車輛運行和環境變化等因素影響，該光伏高速公路在通車不到1年內，出現了嚴重損壞的現象，當前已撤除大部分光伏路面，如圖3、圖4所示。漢能集團在2018年、2019年先后在北京奧林匹克中心的太陽能展廳外以及國家電網電科學研究院內建造了太陽能路面和GSE光伏路面[8]。

圖3濟南光伏高速公路 初期損壞情況

國內的一些高速公路也在太陽能電源與攝像機、微波檢測器等監控系統的外場設備相結合上展開嘗試。2005-10，在連霍高速公路鄭州至洛陽段道路建成太陽能全程監視系統示范工程，該路段全程220 km的范圍內共設置100個監控點，運行5年來節能減排效果明顯。但是，太陽能供電系統在溫度較低、持續陰雨等環境條件下經常使系統中斷，而且太陽能電池板面的潔凈度也會影響其發電效率，維護保養相對困難，最主要的是供電對象僅限于小功耗設備。除此之外，國內也有些高速公路在服務區、隧道、中央分隔帶、收費站、隔離墻、聲屏障等處建造太陽能光伏發電系統進行嘗試，如圖5、圖6所示。但是，受限于建造地點，其建造面積都相對較小，發電效率不高。

圖5濟陽高速公路服務區太陽能停車場

圖6湖北某高速公路中央分隔帶太陽能板

2017年，中國能建廣東火電PC總承包的華潤海豐電廠3.8 MW屋頂分布式光伏發電項目完工，該項目建設中面臨在寬約500 m、高約110 m，整體坡度超過60°的高邊坡上安裝光伏發電組件的挑戰，屬于國內第一個在相當陡峭地形條件下完成安裝光伏發電組件的工程項目[9]。2018年，湖北交投新致公司在其投資的湖北某高速公路分布式光伏發電項目中，于寺坪高速公路收費站一側的路堤邊坡上建造了兩排太陽能板用以發電，如圖7所示。總體來說，中國目前對于高速公路邊坡的太陽能資源利用開發極少。

圖7寺坪高速公路收費站邊坡太陽能板

2 高速公路邊坡太陽能的發展展望

伴隨中國城市化及社會經濟發展，高速公路建設用地的面積不斷增加，土地資源有限和建設用地的矛盾日益突顯。從高速公路建設占地及對土地價值開發利用統籌方面考慮，應充分利用閑置或利用率低下的土地，實現對土地的占用到利用的轉變。在“十三五”期間，中國將再建46 000 km的高速公路。據估算，總占用土地面積約920 000 hm2[10]。雖然太陽能路面是一種具有應用前景的道路能源生產模式，但目前并不適用于所有的道路，仍有許多挑戰有待克服：工程投入過大，成本、維護費用太高，在實際運營過程中因受到交通狀況、自然環境、材料性能退化、運營條件變化等因素的影響，其發電效能和使用壽命并不能達到預期效果，特別是如何解決高速安全行車、高效清潔發電與合理性價比之間的矛盾。但是，采用邊坡布設光伏發電系統則可以避免大部分的難題。邊坡上布設太陽能板不受當前材料水平限制，采用普通太陽能板即可，發電效率基本不受交通狀況得影響，裝機技術要求相對較低，維修也相對簡便，并且在除去“十三五”期間高速公路車道建設占地外，邊坡總面積仍有約110 000 hm2，利用面積可觀。同時，邊坡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。由此可見，結合邊坡防護技術和分布式光伏發電系統開發創新，高速公路裸露邊坡又可成為再開發利用的資源，蘊含著巨大的開發潛力。

今后幾年仍將是中國推進經濟轉型、能源轉型、技術開放的重要時期，分布式光伏產業發展將有更加廣闊的空間。高速公路邊坡太陽能作為分布式光伏發電項目，其發電系統產生的電力資源可就近使用或儲存，分配至高速公路沿途村莊、服務區及高速公路監控、信號燈等用電設施，減少遠距離輸電造成的損耗。在中國追求節能減排、構建清潔低碳、安全高效的能源體系的背景下，高速公路邊坡太陽能前景良好。

然而，在看到高速公路邊坡太陽能發展機遇的同時，也應注意到其存在的不足。太陽能光伏組件的價格仍較為昂貴，尤其是面對大面積的邊坡時，花費大，在現階段難以實現有效的推廣；光伏發電的效率仍然不高，這個問題已經困擾人們多年，大量學者對此研究也有一定的突破，但還有較大的努力空間；如何保證邊坡上架設太陽能板等設備后的穩定性和安全性，如何確定合理的能量轉化以及儲備設備的架設位置，如何保證并網后能量波動不對日常用電產生大的影響等，這些都是需要研究的問題。

為推進太陽能在高速公路邊坡的發展，在此建議：明確有關規定、制訂相關規劃；研發新材料及新面板，提高發電效率，進一步減輕自重，降低建造成本，并在此基礎上結合儲能設備進行研究；聚集太陽能光伏發電、道路、材料以及電力領域的優秀人才合作創新；加強國際合作，在專業領域進行交流學習。希望在不久的將來，高速公路邊坡太陽能可以發揮其應有的價值，為全世界的低碳環保貢獻一份力量。