光伏路面高分子透光層材料性能分析與評價

■胡昌斌 張培旭 何肖斌 胡序久

（1.福州大學土木工程學院，福州 350108；2.福州市公路事業發展中心，福州 350005）

目前光伏發電作為太陽能利用率最高的方法而成為研究熱門，將光伏發電組件與路面集成形成“光伏路面”，在不改變道路行車功能的同時使道路可以產生電能， 不僅完美利用了公路面積廣的優點，還能緩解我國能源緊張局面。

光伏路面底層一般為水泥混凝土、樹脂混凝土，其強度高、重量大，能夠保證光伏路面結構整體穩定性，光伏組件一般為晶硅太陽能電池板，透光層材料組成較多。 實際工程應用顯示，光伏路面的透光面層兼有力學性能、 透光性能和耐久性能的要求，其材料性能和結構性能是保證光伏路面成功實施的關鍵。 在實際工程中，光伏路面的失效多是由透光層損壞造成的，透光面層材料的性能直接影響著光伏路面的使用壽命，選用合適的透光面層材料是光伏路面設計的首要任務。

常見的透明無機材料有透明玻璃和透明陶瓷等。 玻璃、陶瓷類無機材料韌性差，作為路面材料難以抵抗車輛的沖擊作用。 常見的高透明度有機材料有聚乙烯醇縮丁醛酯、不飽和聚酯、環氧樹脂、聚氨酯、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯等，高分子材料具有較好的沖擊韌性，是具有應用前景的光伏路面表面材料類別。

鑒于以上， 本研究結合近年來國內外光伏路面的技術探討和應用，重點對聚氨酯、環氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、 聚碳酸脂4 類透光面層材料的性能現狀進行了分析比較， 闡述光伏路面透光面層材料性能研究技術進展現狀、 適用性和關鍵性能技術要求。

1 光伏路面結構與材料介紹

1.1 光伏路面典型結構

目前光伏路面分為空心結構和實心結構，如圖1 所示，其結構組成主要有：（1）透光層。 透光層材料需要有較好的透光效果，同時還需具備較好的承載能力和抗滑性能。（2）發電功能層。一般由一個或若干光伏組件組成，將透過頂層的太陽光轉化為電能，再匯集到儲電裝置或直接利用。 （3）底層基座。 底座主要傳遞車輛荷載、保護光伏路面結構，同時還需要在底層預留孔槽使太陽能電池板的線路連接，并且做好防水、排水的設計。

圖1 光伏路面單元結構示意圖

在空心光伏路面結構中，可以根據不同地區光照條件，調整光伏組件相對太陽位置的角度以提升發電效率，同時光伏組件也不會受到荷載作用而被破壞，其結構還能有足夠的空間嵌入發光、加熱、通信或監控等電器元件，提高光伏路面功能性，但是空心結構透光層傳載面少，因此透光層將承受大部分荷載， 這對透光層材料的力學性能是一個挑戰，并且空心結構內部還容易回潮產生水霧，鋪筑之后難以去除，影響透光率。

實心光伏路面結構整體性較好，其透光層能傳遞大部分荷載，相對于空心結構的透光層更容易滿足力學要求，但是中間發電層的光伏組件會承受部分荷載，且無法調整角度。

1.2 光伏路面組成材料

光伏路面光伏組件一般為晶硅太陽能電池板，透光層材料組成較多，根據透光層材料不同[1]，可分為以下主要3 種類型，見表1。

表1 不同光伏路面透光層材料組成

三類透光層材料中，鋼化玻璃是無機材料，樹脂和塑料是有機材料，但均屬于非晶態材料。非晶態材料分子鏈是不規則堆砌的，分子結構無序排列，凝聚態是均相的，因此可透過光線。對比這三類材料可以看到相關材料的技術特點。 （1）1 類中鋼化玻璃透光率較高、強度高，但鋼化玻璃韌性較差，難以承受重載車輛長期的沖擊振動作用， 且玻璃經過鋼化處理后存在預應力，不易二次加工，使光伏路面施工維護難度較大。（2）2 類中透明樹脂材料可以常溫固化，其固化后與水泥混凝土有較好的粘接力， 且樹脂固化物有較好的力學性能和透光性， 因此大部分光伏路面理論研究選擇樹脂材料。 但是光伏路面實際一直暴露在自然環境中，太陽光會破壞樹脂材料分子鏈，同時材料吸收光波長的能量引起光氧反應， 加速氧化老化；溫度變高會使材料分子鏈劇烈運動，引起材料降解或交聯； 水會使樹脂的酯基和酰胺基等發生水解[2]。 因此，樹脂固化物在自然環境中會急劇老化變黃，力學性能和透光率下降，導致光伏路面結構過早破壞。（3）3 類中塑料是由樹脂高溫高壓聚合而成，有著更好的耐候性，且透光率最高，但是作為熱塑性樹脂材料，過大的高低溫會使材料性能變差。

以下結合近年來國內外光伏路面的技術探討和應用，重點對光伏路面聚氨酯、環氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂4 類透光面層材料的性能現狀進行了分析比較，闡述光伏路面透光面層料性能研究技術進展和關鍵性能技術要求。

2 光伏路面透明高分子材料性能分析

2.1 聚氨酯材料

聚氨酯全稱為聚氨基甲酸酯，是一種有機高分子化合物，主要原料有異氰酸酯、聚酯多元醇、固化劑和填料等非反應性物質，異氰酸酯和多元醇樣式眾多，可以制備出各種各樣性能的聚氨酯，應用領域廣泛。 1937 年，Bayer 制備出聚氨酯，隨后聚氨酯被工業化大規模生產[3]。1958 年，我國進入聚氨酯的研究階段，隨后進行二異氰酸酯原料的自產。

聚氨酯合成時， 異氰酸酯和固化劑作為硬段，聚酯多元醇作為軟段，軟硬鏈段不同對聚氨酯性能影響較大。 聚氨酯材料在高低溫下發生性能變化，一方面是受到硬鏈段的控制，另一方面則受到軟鏈段控制；加入不同固化劑主要影響聚氨酯的拉伸性能、壓縮性能、剪切性能等物理性能，同時分子量大小同樣會改變聚氨酯的表面硬度和柔軟程度。 聚氨酯性能的多樣化，可作為包裝、橡膠、隔音、隔熱、粘結膠、涂料等材料，普遍應用于家居、房屋建筑、交通土木、儀表設備和航空潛水等領域，其中最常用于制作填充劑和涂層。

由于聚氨酯材料性能變化范圍過于廣闊，如果對其成分不了解，也難以推測其性能，可根據應用類型選擇合適的聚氨酯原材料進行研究。 使用聚氨酯作為光伏路面透光層材料需要保證聚氨酯具有良好的透明度，通常聚氨酯采用的異氰酸酯原料均是透明的，但芳香族多異氰酸酯毒性大且易老化發黃， 而脂肪族多異氰酸酯分子結構中沒有苯環，耐老化黃變性能好， 因此選擇聚氨酯作為透光層時，優先考慮脂肪族多異氰酸酯作為原料。

2.2 環氧樹脂高分子材料

環氧樹脂是一種有機高分子聚合物，分子中含有2 個及其以上環氧基團統稱為環氧樹脂。20 世紀30 年代，德國制備出環氧樹脂，隨后在全球大規模被使用。目前雙酚A 型環氧氯丙烷型環氧樹脂被大量生產， 其他各種新型環氧樹脂也被相繼研發，以滿足各領域的應用需求[4]。

環氧樹脂分子結構內具有穩定的羥基和醚鏈，因此擁有極好的粘結力，尤其是對金屬。 環氧樹脂分子之間縫隙較小，極少小分子量物質揮發，因此固化時收縮體積小，可加入不同的固化劑改變環氧樹脂的流動性、固化時間和使用壽命以滿足不同應用場所的需求；致密的交聯三維結構，使固化后的環氧樹脂具有較好的電絕緣性、物理性能和耐化學介質性能，可以在嚴苛的環境下使用。 由于環氧樹脂有各種優異性能，因此被廣泛應用于不同場景[4]，見表2。

表2 環氧樹脂不同的應用場景

雖然環氧樹脂已應用于許多領域，但是其存在易燃、脆性和耐候性差等缺點，因此國內外學者對環氧樹脂的研究重點是對其改性。 目前對環氧樹脂的改性研究重點在于使其不易燃燒、加強柔韌性和環保無污染， 對于高透明度的相關改性研究較少，環氧樹脂雖然通常是無色透明的，但分子中含有大量苯環， 在自然環境中不可避免地會老化黃變，若使用環氧樹脂作為光伏路面透光層材料，則需要考慮在環氧樹脂配方中摻入紫外線穩定劑，以延緩老化黃變速率。

福州大學在福州永泰公路荷溪服務區開展了環氧樹脂作為裝配式光伏路面的表面面板材料的應用試驗研究。 試驗表明，環氧樹脂的韌性和粘結性能較好，但在應用過程中也出現了面板澆筑放熱翹曲和服役過程中黃變、吸熱的情況，在一年的時間內透光率急劇下降，需要進一步改性提升[5]。

2.3 聚甲基丙烯酸甲酯

聚甲基丙烯酸甲酯簡稱PMMA， 俗稱有機玻璃，由單體（MMA）通過化學聚合制備成典型的熱塑性材料。 1902 年，德國化學家O.R?hm 制作黏合劑時意外合成了PMMA，隨后德國Rohm Haas 公司大量生產并應用于飛機舷窗和坦克觀察鏡。 1953 年，我國中國科學院化學研究所開始了PMMA 的研究，1966 年后開始定向研究[6]。

PMMA 是非晶態高分子透明材料，透光率高達92%，可透過太陽光中大量紫外線和一些紅外線，紫外線透過率高達73%，普通玻璃只有10%[7]。 PMMA具有高透明和較好機械性能的優點， 在房屋建筑、車輛工程、表盤設備、醫用器材和航天航空等領域充分使用。 在房屋建筑業，通常用作透明采光部分、樓梯和墻壁防護板等方面。 在制造業方面，主要用作汽車擋風玻璃、坦克潛艇觀察窗及各種儀表的保護外殼，還可以用作人造骨骼、牙齒、浴缸和洗漱臺等PMMA 產品。 在航天航空方面，由于PMMA 具有一定韌性和較好的耐候性， 因此用作飛機的舷窗、擋風窗及機艙透明件。

由于PMMA 內部大分子不平整地纏繞在一起，所以PMMA 抵抗沖擊破壞的性能較差。 將PMMA板升溫至玻璃態后壓縮，使材料內部的大分子規則整齊， 機械性能增強。 一般情況下， 壓縮度越大，PMMA 力學性能越強， 而壓縮度達到一定數值后，只有抗沖擊性能會增強，其他性能不再增強，所以壓縮度一般控制在60%，同時需要控制好壓縮溫度、壓縮速度等[8]。

除了對PMMA 材料力學性能的研究，PMMA 材料改性制備研究也是目前研究的熱點，PMMA 的改性有交聯改性和納米復合改性。

2.3.1 交聯改性

交聯改性是指通過共價鍵將分散的高分子鏈組成密集高分子網的方法。一些學者對PMMA 交聯改性的研究見表3。

表3 PMMA 交聯改性的研究情況

從上述研究可以看出，MMA 單體與其他單體聚合成的PMMA 各項性能都有不同的提升，如采用碳鏈或環結構聚合可以提升PMMA 的強度與耐熱性；使苯環或其他基團引入分子主鏈來提升PMMA的耐磨性等。

2.3.2 納米復合改性

在MMA 單體中混合納米粒子聚合， 是PMMA改性的常用方法之一。一些學者對PMMA 納米復合改性的研究如表4 所示。

表4 納米復合改性PMMA 研究

由上述研究可以看出納米復合改性的PMMA韌性有較大提升，但是透光率會有略微下降。 納米粒子的大小、分布、彈性和剛性都會影響改性效果，只有控制好各種因素的作用，才能研究出高透明度高韌性的PMMA。

綜合調研可以發現，學者們對PMMA 力學性能做了大量細致研究，PMMA 力學性能較強，可應用于潛艇、飛機觀察窗等高負荷場所，PMMA 作為路面材料承受車輛荷載也是完全可能的。早在1993 年，郭黎明[24]就提出PMMA 在水泥混凝土路面中應用的可行性，同時PMMA 作為航空領域應用最多的透明材料，表明其耐老化性能也是其他透明材料不能比擬的。 PMMA 具有高強度、高透明度和耐老化特性，比較符合光伏路面透光層性能要求。

2.4 聚碳酸脂

聚碳酸酯簡稱PC， 是一種韌性較好的熱塑性高分子材料，同時也是非晶態聚合物，具備良好透光性能，不具有固定熔點，在220℃～230℃時呈現熔融態，可以長期在-70℃～120℃下使用。

聚碳酸酯的應用十分廣泛， 由于PC 具備良好的力學性能和功能性，在建筑行業其可作為建筑透光頂、透明家具、隔熱層等；由于PC 的電絕緣性、阻燃性好，其可作為電子器械的插接件、開關盒、機器外殼和功能部件；PC 還具有較好的抗沖擊性、透明性，在汽車工業作為儀表盤、車燈罩等使用。 近年來PC 的產量迅速提升， 其力學性能是國內外學者的熱門研究對象。

3 光伏路面面層材料性能要求與對比

目前光伏路面的實際工程路面板過早損壞或發電性能衰減的現象普遍。 由于路面受到的車輛荷載是相對復雜的，同時還受到自然環境帶來的不利因素，光伏路面實際工程案例的調研顯示，實際工程存在幾種典型光伏路面的病害：（1）表面透光層開裂。 光伏路面表面透光層使用的材料造價相對于普通路面材料較高，通常鋪筑厚度較薄，從而沒有達到路面結構設計要求， 導致表面透光層受壓碎裂。（2）層間界面分離。 目前光伏路面透光層一般由樹脂粘接而成，且單元結構尺寸較小，因此粘接力不強，同時樹脂材料經過自然老化后，粘接力大幅度下降，當車輛加速或剎車時產生水平摩擦力，造成粘接面損傷， 如此往復受載最終易導致透光層剝落。（3）透光層邊緣損傷。光伏路面實質上是由小路面板塊裝配而成， 板塊尺寸小導致接縫數量多，整體平整度相對較差，放大了車輛行駛時造成的沖擊效果，因此造成路面板邊緣過早破壞。

綜合對比實際工程應用效果顯示，作為光伏路面透光層材料需滿足以下幾點要求：（1）材料強度滿足路面承載能力設計要求；（2）材料透光率高，保證光伏路面發電效率高；（3）耐候性好，延長光伏路面使用壽命，提高經濟效益。

光伏路面透光材料的抗沖擊性能、 耐磨性能、耐候性能以及高溫穩定性能是其路用性能的關鍵。對比前述4 種透明高分子材料的力學性能和功能性能， 分析其作為光伏路面透光層的適用性如下：（1）聚碳酸酯（PC）常溫下拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度最高，且斷裂伸長率高，材料韌性好，受到外力時變形大， 破壞前有較明顯的塑性變形階段，同時PC 力學性能受溫度影響最小， 適合在高溫環境下使用。 從光伏路面透光層功能性角度來看，PC 透光性能較好， 僅次于PMMA， 但是PC 表面硬度較低， 材料的表面硬度反映了材料抵抗刮痕的能力，刮痕會導致材料的透光率下降，而光伏路面透光層表面需要保持光亮透明以保證下層光伏組件能接收足夠多的光線。 （2）常溫下PMMA 與PC 同樣具備較高強度，壓縮強度可高達100 MPa 以上，受到外力時變形小。同時其功能性優異，高達94%以上透光率，且表面硬度最高，若在滿足路面設計力學性能要求時，其無疑是作為光伏路面透光層最優的選擇。但PMMA 耐高溫性能差，使用時需考慮環境溫度對其性能的影響。（3）環氧樹脂（EP）由于其強度高，且可常溫固化、制備方便，EP 常被用作路面修補材料，同時也是目前國內外光伏路面透光層使用較多的材料。但EP 試件放置一段時間后容易老化黃變，耐老化性能較差。 （4）聚氨酯不同于其他三種材料，其強度較低，呈柔軟的橡膠態，雖不能直接作為光伏路面透光層，但由于可常溫固化，且固化前流動性好，可作為透光層的填縫封裝材料。 同樣考慮其老化會發生輕微黃變，若作為透光層填充材料時，填充厚度不宜過大，否則將影響光伏路面的美觀及透光層的透光率。

未來光伏路面透光層高分子材料需要從抗沖擊性能、耐磨性能，耐候性能以及高溫穩定性能等方面進行性能提升和開展深入研究。

4 結語

對光伏路面聚氨酯、環氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂4 類透光面層材料進行了分析與評價。 對比顯示，PMMA 具有一定韌性和較好的耐候性，聚碳酸酯具有較好的力學性能。 綜合對比實際工程應用效果顯示， 光伏路面透光層材料需從材料強度、材料透光率、耐候性3 個方面進行性能提升和研發。 光伏路面透光材料的抗沖擊性能、耐磨性能、耐候性能以及高溫穩定性能是其路用性能的關鍵。