裝配式光伏路面系統設計及工程應用

■何肖斌 胡昌斌 張培旭 胡序久

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

智慧公路離不開電能源，將光伏路面與智能路面相結合，通過電能自產自用，將更加完善智能公路功能[1-5]。 開展光伏路面應用研究，可為今后的智慧公路提供理論和技術基礎[6-10]。光伏路面目前一般采用裝配式型式， 可以廣泛應用于光照充足的地區，可用于山區海島道路、服務區停車區道路、廣場園區道路、停機坪與臨時跑道等。 可根據不同應用場景的供電與荷載要求，對不同類別的道路進行針對性設計。 裝配式光伏路面的發電效率是由其光伏陣列攝入的太陽輻射決定，因此首先應考慮在陽光充足并且少遮蔽物的平坦開闊地區應用，其發電效能最為顯著，并且在理想的光照條件下，裝配式光伏路面具有很強的適應性；用于園區道路時，可以設計為較薄的板塊，降低板塊強度，并調整形狀和色彩，既提升園區景觀，又應用了綠色環保的理念；用于山區海島等重載交通區域時，由于重載車與重交通量的雙重作用， 應著重設計其的承載能力；用于車速較快的高速公路等場景時， 應增大板塊尺寸，減少板塊接縫數量，減少接縫導致的車輛振動沖擊，同時確保行車舒適性和安全性。 工程應用實踐顯示，水汽、紫外老化和路面高溫是較為不利的環境老化因素，因此需要進一步提升改善光伏路面板的預制拼裝粘接集成工藝。 綜上所述，本文依托福建省交通科技發展項目在永泰荷溪服務區裝配式光伏路面試驗段項目，將光伏路面系統設計分為裝配式發電系統設計與裝配式光伏路面結構設計兩個部分，對光伏路面系統的實際應用提出一套設計方法和施工方法[11]。

1 光伏路面發電系統設計

光伏路面發電系統可分為獨立系統（離網、分布式系統）和并網系統2 種類型，根據選址位置的地理和氣候條件不同，發電系統的用途也各不相同。光伏路面的光伏發電系統，在原理上與傳統的光伏發電站沒有很大區別，可以按照傳統光伏發電系統的思路進行設計，但需要注意的是要考慮到光伏路面的光伏組件是封裝于路面板塊中的，且使用環境較為惡劣，對最終發電效率的影響較大。 在設計中應遵循配置布局合理、運行長期可靠、防護安全穩定的基本原則。

由于光伏路面的初衷是為了能源自供，避免架設電網的大量成本，這里主要以離網光伏路面發電系統設計為例， 其控制指標包括蓄電池組容量、光伏組件的容量以及系統其他組件的配置。 蓄電池組總容量要大于最大連續陰雨天數與日均用電量的乘積， 即系統自給天數大于等于最大連續陰雨天數，在計算系統自給天數時還需考慮蓄電池的最大放電深度， 因蓄電池完全放電會嚴重影響使用壽命。 光伏組件的容量要大于全年最差太陽輻射的季節下的日均用電量。 除了系統容量設計以外，其他系統組件的配置與選型均以設計原則為主。 光伏路面發電系統設計主要分系統容量設計與系統其他組件的配置與選型設計2 個部分，前者包括光伏陣列容量設計與蓄電池組容量設計，目的是為了通過設計計算來匹配負載端的用電需求；后者目的是為了讓整個光伏發電系統運行更加智能、安全和穩定。

1.1 光伏發電系統容量設計

1.1.1 光伏陣列容量設計

光伏陣列是由多個光伏組件通過串、并聯的形式連接形成的完整電路。 光伏陣列的輸出功率由陣列中光伏組件的數量決定，串聯會疊加各光伏組件的工作電壓， 并聯會疊加各電池板的工作電流，通過串、并聯混合可以達到需求的工作電流和工作電壓即輸出功率。

在設計控制指標選取中提到，光伏陣列的容量設計要滿足大于全年最差太陽輻射季節下的日均用電量，因此在設計時需要對需求的日均用電量進行調查，應通過選址地的峰值日照時長和太陽輻射最不利季節的日均輻射量等參數進行綜合計算。 其計算方法如式（1）、（2）所示。

式（1）中，N1表示光伏陣列的并聯數，Q 表示需求的日均用電量，qmin表示光伏組件在最差太陽輻射季節時的日均發電量，可以由式（2）求得，其中Ip表示光伏組件的峰值工作電流，tp表示該季節的峰值日照時長。 串聯數量的計算方式如式（3）所示：

式（3）中，N2表示光伏陣列的串聯數，V 表示光伏發電系統的工作電壓，Vp表示光伏組件的峰值工作電壓，其中的系數1.43 表示的是光伏組件組串的峰值工作電壓一般需要達到發電系統的約1.43 倍，在計算中需要將該系數抵消才能算出所需的光伏組件串聯數量。 得到光伏陣列的串并聯數后，可以通過總的光伏組件數量乘以單塊光伏組件的峰值輸出功率，計算出光伏陣列的總功率，其計算方式如式（4）所示：

式（4）中，W 表示光伏陣列總功率，Wp表示光伏組件的峰值輸出功率。

以上計算方式為最理想情況下的計算，由于裝配式光伏路面板塊自身存在透光折減，且所處環境較為惡劣，容易受灰塵污漬等因素影響，另外就光伏發電系統本身而言，會發生如線路損耗、充放電損耗、 逆變器轉換效率等不可量化的能量損耗因素，在進行容量設計時還應考慮以上不利因素進行保守估算設計。考慮損耗后的計算方式如式（5）～（7）所示。

式（5）～（7）中，qmin′表示裝配式光伏路面板塊在最差太陽輻射季節時的日均發電量，A 表示考慮能量損耗后的保守估算系數（根據實際損耗測試進行取值，當線路損耗系數為0.9，充電效率系數為0.9情況下的直流系統，A 取值為1.24），Vp′表示裝配式光伏路面板塊的峰值工作電壓，Wp′表示裝配式光伏路面板塊的峰值輸出功率。

1.1.2 蓄電池組容量設計

由于太陽輻射并非每天都充足，必然會存在太陽輻射不足的時候，即連續陰雨天，對離網光伏發電系統來說，蓄電池是保證光伏發電系統可靠性的重要組件，根據負載端重要性的不同考慮的蓄電池組容量也不同，對于重要的負載端，除了正常的蓄電池組外還應配置備用蓄電池組。 蓄電池組的容量設計同樣包含2 個部分，一是整體容量大小的設計，二是串并聯組合的設計。 考慮到蓄電池成本，以下計算方式以傳統鉛酸蓄電池為例。 在設計控制指標的選取中提到在計算發電系統蓄電池組容量時需要考慮蓄電池的健康放電深度，計算如式（8）所示。

式（8）中，Q0為蓄電池組的總標稱容量，T 為連續陰雨天數，D 為蓄電池的健康放電深度。

以上計算方式為最理想情況下的計算，蓄電池的實際放電容量還受放電率和環境溫度影響。 在設計蓄電池組容量時，通常考慮的是過去平均的負載使用情況，而實際情況中，一方面如果增大負載的總功率，將會加快蓄電池的放電速度，導致蓄電池的實際容量小于標稱容量；另一方面蓄電池所處的環境溫度越低，蓄電池的實際容量就會越小，且健康放電深度也會越小。 考慮影響因素后的計算如式（9）所示。

式（10）、（11）中，M1表示蓄電池并聯數，Qb表示蓄電池標稱容量，M2表示蓄電池串聯數，Vb表示蓄電池的標稱電壓。

1.2 光伏路面發電系統的選配

光伏路面發電系統組件的選配包括光伏組件、控制器、光伏逆變器、蓄電池、直流/交流匯流箱和線纜等。

1.2.1 光伏組件

裝配式光伏路面中運用的光伏組件與一般光伏電站中的有所區別，原因在于封裝在裝配式光伏路面板塊中的光伏組件需要間接承受車輛荷載的作用，因此對裝配式光伏路面發電系統中光伏組件的選配應滿足以下要求：長期或高頻次車輛荷載間接作用下，不發生破裂或內部損傷，需具備一定變形能力；應用在路面應具備優秀的防水絕緣性能，防止發生安全性問題；光電轉換效率高，由于路面板塊表面層對透光性能已有一定折減，要求其中的太陽能電池板轉換效率盡量高；使用壽命長，滿足道路設計壽命使用時長。

1.2.2 控制器

控制器的主要功能是保護蓄電池，在整個系統中起到控制平衡的作用，在直流系統中控制器一般單獨使用， 在交流系統中可以與光伏逆變器合并。對裝配式光伏路面發電系統中控制器的選配應滿足以下要求：對蓄電池的充放電保護及時，防止過充與過放；當系統內某組件發生短路時能有效保護整個電路；具備雷擊保護和溫度補償的功能；具備裝配式光伏路面發電系統的工作狀態信息可視化與故障預警的功能。

1.2.3 光伏逆變器

光伏逆變器的主要功能是將直流電逆變為交流電，并且使電壓和頻率達到負載端使用要求，一般在交流系統中使用，另外并網發電系統中也需要通過逆變器才能實現并網發電。 對裝配式光伏路面發電系統中光伏逆變器的選配應滿足以下要求：對直流輸入電壓的門檻值要求應較低；轉換效率高，避免過多的環節造成能量損耗； 具備遠程控制功能，可以實時監控，對過高過低電能有智能的響應機制；輸出功率穩定，質量高。

1.2.4 蓄電池

蓄電池的主要功能是儲存電能，充放電是化學能與電能轉換的過程，在裝配式光伏路面發電系統中尤其是離網發電系統，蓄電池就是能源中心。 對裝配式光伏路面發電系統中蓄電池的選配應滿足以下要求：健康放電深度值大；正常使用壽命盡可能長；受環境溫度影響小；無負載情況下電池自放電損耗小。

1.2.5 直流/交流匯流箱

匯流箱的主要功能是將光伏陣列的線纜匯流到一起并分組連接，一般在光伏陣列并聯組數量較多時才需要用匯流箱，這樣做的好處是便于對光伏陣列的電路進行檢查和維護，能夠準確找出是哪一路發生問題。 對裝配式光伏路面發電系統中匯流箱的選配應滿足以下要求：能同時接入的光伏陣列的路數應符合設計要求；接入電路的最大輸入電流和開路電壓應大于接入光伏陣列組串的最大值；對每一路接口要配置熔斷裝置，對電路系統提供保護并方便檢修；應配備智能通訊裝置，能對每一路的電路情況進行表達。

1.2.6 線纜

裝配式光伏路面發電系統中的線纜是從路面板塊底部引向匯流箱的，這與一般的光伏發電系統不同，因此對裝配式光伏路面發電系統中線纜的選配應滿足以下要求：線纜保護層及線纜連接頭應具備防水防潮、防腐蝕、耐老化、耐高低溫、絕緣等特性；線纜內芯的截面積應滿足發電系統最大電壓電流的要求；裝配式光伏發電系統中的線纜連接應符合就近連接的原則減小線路損耗，增大線纜截面積也可降低線路電阻值。

1.3 防雷接地設計

由于光伏路面發電系統具有露天安裝的特性，存在雷擊的風險，發生雷擊不僅會造成裝配式光伏路面發電系統設備的損壞， 還可能造成人員傷亡。對光伏路面發電系統中防雷接地的設計應滿足以下要求：在路面兩側，均勻設置避雷針等防雷電直擊的保護裝置，通過均勻多根的引下線將直擊的雷電電流引導至地下；除光伏陣列外的其他系統設備，在電路上要多級安裝浪涌保護器，防止系統電路被雷電擊穿；光伏路面發電系統中，路面板塊本身安裝在地面上已經實現接地，其控制端的配電箱中包含了控制器、逆變器、匯流箱、蓄電池等設備，對控制端的配電箱需要單獨設置接地保護裝置。 綜上研究，光伏路面的發電系統的設計流程和內容如圖1所示。

圖1 裝配式光伏路面發電系統設計流程

2 裝配式光伏路面結構設計

目前光伏路面分為空心結構和實心結構，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。 裝配式塊體路面沒有形成系統的設計方法，本文提出裝配式光伏路面結構的設計流程如圖2 所示。

圖2 裝配式光伏路面結構設計流程

3 福州永泰荷溪光伏路面試驗工程

福州市公路事業發展中心和福州大學道路與機場工程研究中心合作，開展了裝配式光伏路面試驗段工程研究，項目位于福州永泰荷溪服務區的停車區， 試驗段長約25 m， 寬約4 m， 占地面積約100 m2。 該區域交通量等級低，且由于是停車區，車速一般不大于30 km/h。 路面結構由柔性基層和板塊面層組成， 裝配式光伏路面板塊尺寸為175 cm×100 cm×15 cm，每排2 塊裝配式光伏路面板逐排鋪設。 路面單側設置寬20 cm 的縱向排水明溝，與路段原排水井連通，路面設1.5%橫坡，橫向埋設10 cm寬排水管道。 裝配式光伏路面施工工序分為裝配式光伏路面板塊制備、基坑準備、混凝土基礎施工、柔性夾層施工、水電線路施工、板塊平鋪安裝和發電系統檢測。

3.1 裝配式光伏路面板塊預制

根據透光層設計尺寸及混凝土板設計尺寸預制格柵狀混凝土底座，如圖3（a）所示，底座內預留光伏組件穿線孔、吊裝孔及螺栓孔。 裝配式光伏路面板預制成品如圖3（b）所示，預制過程可以與路面基層施工過程同時進行，可大幅度提升工程進度。

圖3 裝配式光伏路面板預制

3.2 基坑準備

將原路面結構破碎去除，按設計的光伏路面段范圍開挖基坑， 基坑底部路基平面應確保壓實，在基坑頂部邊緣引入6 個高程控制點，分別位于四角位置及縱向邊緣中部，測量基坑內高程滿足設計要求，選取的測點數不低于10 個。 基坑準備施工過程如圖4 所示。

圖4 基坑準備施工

3.3 混凝土配重層施工

在混凝土配重層施工前，應清理路基表面的積水和散土，混凝土配重層采用C35 混凝土，通過廠拌法施工，現場澆筑時，應邊澆筑邊振搗至一次性澆筑完成，按現行水泥混凝土路面基層施工技術規范進行，澆筑完成后8～12 h 在縱向每間隔5 m 橫向鋸縫，養生結束后進行平整度測試和高程測量，防止引起上部結構層厚度不均勻，不平整處應采取局部找平措施。 混凝土配重層施工過程如圖5 所示。

圖5 澆筑混凝土配重層

3.4 柔性夾層施工

采用AC-10 瀝青混合料作為柔性夾層材料，可以對車輛沖擊荷載起到緩沖作用，采用單幅路面全寬連續攤鋪的方式，攤鋪時確保厚度和平整度符合要求，攤鋪完成后應由壓路機進行壓實，碾壓速度應緩慢均勻，終壓成型后，對表面進行平整度測試和高程測量， 不平整位置應進行局部補料或壓實。柔性夾層施工過程如圖6 所示。

圖6 小型壓路機局部碾壓

3.5 水電線路施工

柔性夾層完成后，以柔性夾層為裝配式光伏路面板塊安裝面，對其進行刻槽。 刻槽前對裝配式光伏路面板塊出線口和主線、支線路徑進行精準放樣，槽寬5 cm，槽深為電線管直徑的3 倍，坡度傾斜向排水溝方向1.5%，刻槽完成后對槽底按坡度找平，及時清槽，并進行排水試驗，確保排水路線暢通。

3.6 板塊平鋪安裝

將預制完成的光伏路面板運輸至施工現場，搬運過程中應輕拿輕放，安裝前應對所有板塊進行編號，便于現場有序安裝和后期維護更換。 每安裝完成一排將其串聯并測試該串組件發電功能是否正常，如發電功能不正常應采用二分法從組串中間分開，分別進行故障排除，直至發現故障位置并及時修復或更換線纜。 發電功能正常則對線纜進行防水防潮處理。 隨后進行下一排板塊的安裝，重復上述步驟，直至全部安裝完畢。

3.7 發電系統檢測

串聯后的光伏路面列陣總額定功率6.4 kW，據此安裝發電系統控制柜， 控制系統由直流匯流箱、蓄電池組、逆變器、監控系統組成，設置4 塊蓄電池，總容量為40 kW·h。 柜內各組件調試完畢后，將裝配式光伏路面各組串正負極引入柜內直流匯流箱，觀察逆變器是否激活，蓄電池是否正常充電，如發現故障，則在柜內分段測試，先測試匯流箱內各組串發電功能，再測試蓄電池輸入端，逐一進行故障排除。 如發電系統功能正常，則按前述方法對主線纜接頭進行防水防潮處理，處理完成后進行防水漏電試驗，一切正常則埋入主線槽，發電系統檢測如圖7 所示。

圖7 發電系統檢測

4 結語

（1）裝配式光伏路面的設計分為發電系統設計與結構設計，應先進行發電系統設計得到系統發電需求后再以此進行結構設計，分別提出了裝配式光伏路面發電系統設計與結構設計的流程。 （2）由于裝配式光伏路面本質上與預制塊體類路面相似，可參考預制塊體類路面的設計方法。 （3）將裝配式光伏路面的建造分為裝配式光伏路面板塊預制、基坑準備、混凝土配重層施工、柔性夾層施工、水電線路施工、 板塊平鋪安裝、 發電系統檢測共7 道工序。（4）裝配式光伏路面的應用場景主要分為4 類，包括山區海島、服務區停車區、園區道路、和軍用臨時道路，可依據不同應用場景進行個性化設計。 水汽、紫外老化和路面高溫是較為不利的環境老化因素，光伏路面板的預制拼裝粘接集成工藝需要進一步提升改善。