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【文汇报】光伏公路:通向绿色智能的“超级路”
发布时间:2018-01-10      新闻来源:文汇报      字体大小:


▲光伏路面已经为路灯、电子情报板、收费站提供电力。图:劭勇

  太阳,为地球输送大量的光和热,成为万物生长的源泉。在2000多年前的中国,《周礼》上就有着利用“夫燧”、“阳燧”取明火的记载。近代以来,人们逐渐将太阳能作为一种能源动力加以利用,特别是在全球性的环境破坏受到重视后,无穷无尽、清洁无害的太阳能产业迎来了大发展时代,太阳能集热器、太阳能热水器、太阳能空调、太阳能发电板,众多创新产品接连投入市场应用。
  如果“绿色”的代表“太阳能”和“便倢”的代表“高速公路”走到一起,会发生什么样的化学反应?现在,山东济南一段长度为1080米的高速光伏路面,即将给我们答案。
  就在记者现场采访之时,仅仅5天的时间里,这段光伏路面接连“火”了两把。去年12月28日,作为世界首条高速公路光伏试验段,它在济南正式通车,满足通行的同时,并网发电;略显尴尬的是,2018年1月2日,工作人员在巡查时发现,一块长约1.8米、宽约0.15米的光伏路面遗失了。目前尚不清楚,这次突发事件会给这条旨在未来的“超级公路”带来多大变数。
  前沿
  透明路面抗压防滑能发电
  深夜,2018年的第一场雪在千呼万唤中悄然降临济南。在绕城高速南线亮白色路灯的映照下,雪片纷飞。
  奇迹娱乐养护部部长张宏庆说,亮灯的能源,正来自于下方光伏路面白天存放在“光伏银行”中的电。
  他告诉记者,一直以来,高速公路既是用电大户,又是缺电大户。为了接一条电路,公路企业往往要在电力部门的帮助下,翻山越岭作业,成本极高。若是在偏远路段和隧道桥梁,花费更加高昂。有了光伏路面,高速上路灯、监控、信息提示牌等耗电设施安装的密度增加,安全更有保障。
  目前,光伏路面铺设总面积达5875平方米,分布式光伏并网发电装机容量峰值功率817.22千瓦,预计可实现年发电量约100万千瓦时。试验段已经实现为路灯、电子情报板、融雪剂自动喷淋设施、隧道及收费站提供电力供应,余电上网。


▲图:劭勇

  “所谓分布式,就和百姓家楼顶的发电项目一样,公路自发自用、多余电量上网,分散布局,就近利用。不仅能够通过增加光伏空间提高发电量,还有效解决了电力在长途输送中的损耗问题,‘垃圾电’变为‘优质电’。”奇迹娱乐光伏路面技术负责人、同济大学交通运输工程学院教授张宏超说,“选择并网发电,和建设储能设施一样,都是有了‘光伏银行’。日照充足时将多余电量存进去,夜晚或者不适合光伏发电时利用电网补充公路用电。”
  5日上午11时,记者走进奇迹娱乐济南南收费站的光伏路面展厅,位于二楼的电子显示屏内,标注着光伏路面的发电效益:当日发电量298.2千瓦时,从元旦累计的发电量达到3543.6千瓦时。除此之外,光伏路面还有更“绿色”的贡献。在显示屏的右上角,一组数据引起了记者的兴趣:发电效益经测算被转换为社会贡献,从元旦起累计,利用的太阳能相当于燃烧1417吨标准煤、减排3533吨二氧化碳、等效种植193棵树。如果从通车开始计算,三个数值分别达到4032、10052、549。如此,交通从“纯能耗”的过程,变为在消耗能源的同时,生产能源,尽可能实现正向补偿。光伏路面目前铺设在试验段的行车道和应急车道,主行车道宽度3.75米,其中光伏路面占宽3米,两侧约束标线宽度共0.75米;应急车道宽度3米,光伏路面占宽2.44米。
  通车的消息传来,济南城中有不少车友来此体验。在他们看来,路面的感觉和平常高速差不多,没有镜面反射,刹车距离也和正常路面近似。


▲图:劭勇

  “看起来像玻璃,摸起来像土。”与相邻的超车道相比,光伏路面呈灰白色、颗粒感较强。不过,行车道和超车道的厚度基本一致。原来,光伏路面分三层:最表层为透光混凝土路面,具有高强度和超过90%的透光率;中层为光伏板,可利用路面空闲时间吸收阳光发电;底层为绝缘层,三层结构总厚度不超过3厘米。在光伏路面之下,无需新建路基,仍是原先的沥青混凝土路面。只不过施工人员在两个月内,采用路面改造方案,将原路面结构精铣刨后加铺光伏发电层,用特殊胶水粘连,保持路面总厚度和标高不变,以保证路面承载能力,同时利于排水。
  施工方案曾被反复讨论,各方前前后后提出了三种想法。有的希望铺设北幅所有车道,获得更多的试验数据,但考虑交通安全和调度,方案不可能施行;有的希望铺设超车道,交通量小,轴载轻,风险小;后来,综合考虑下,铺设行车道和应急车道。
  “从选址开始,试验就以‘最苛刻’为追求:试验段紧接长大下坡,位于不设超高的缓和曲线和圆曲线段区间的外侧,对光伏路面的铺设不利,它的平均日交通量约为8万辆,重车和货车比例高达40%,时有超载车辆出现。”张宏超说,高速公路等级最高,其各项性能指标要求最高,而大货车都走行车道,该车道交通量最大,轴载最重,条件最苛刻,能在高速行车道上通过考验,所有的道路就都能使用。


▲图:李洁

  研发
  从车库出生,在体系下成长
  9年前,张宏超有了研究光伏路面的想法,把“主战场”放在地下车库。
  那时,碳排放成了热点。张宏超在思考,如何将节能减排和自己的道路研究结合起来。他将目标也锁定在太阳能公路上。当时的多晶硅很贵,价格是现在的100倍,他就买了巴掌大的几片,悄悄地在楼下的联排车库里“捣鼓起来”,每做完一个试件就拿到室外晒。他反复琢磨,如何才能让太阳能部件在发电的同时抗压。
  2011年,他将试件带进道路与交通工程实验室验证。这个学科平台是我国交通科技领域重大原创性成果研发的主要基地。“路面研究有一套体系,是同济道路交通工程几十年来,总结了众多前辈的经验,逐渐积累形成的。如果没有这套体系,以及这些价值连城的实验设备,我一个人根本做不出光伏路面的创新。”张宏超说。
  日前,记者走进同济嘉定校区,回溯光伏路面在实验室阶段的孕育过程。
  潜意识里,研究马路可能是一层层地研究,可实际上是从梁状、饼状、柱状形态起步。在压力实验室,借助各种夹具、拉头,可以做多类别的拉、压、扭试验,单向的、轴向的、正弦波、余弦波、锯齿波,所有力学数据采集后显示在电脑里。“在车库我可做不了类似实验,特别是动态模拟,测试疲劳。有些情况下,路面能经受住静态的强应力,却可能在持续的低应力状态下脆断。”张宏超说。
  所有混凝土路面都怕老化,光伏路面也不例外,它们的主要敌人是紫外光。很多材料,特别是高分子材料,吸收紫外光能量后,化学键会断裂,变成小分子,就会老化。在紫外线照催设备下,实验人员要研究哪一种紫外光的影响最大。他们还会启用压力老化设备,在高压、高温的环境下,注入氧化剂,加速老化,看看路面多久会变“酥”。


▲图:劭勇

  经历重重考验后,试件会被送入CT室“无损探伤”。跟医院的CT相比,工业CT需要穿透金属、混凝土,能量要强得多,分辨率高达500纳米,内部的孔隙、瑕疵、裂缝、气泡都能一览无余。
  有小型试验,还有大型试验。在实验室的一楼,有一个深约2.5米的长方形“无水游泳池”,池内“灌”进路面,下面打50多个桩,这相当于把真实的路面搬到了室内,在室内重建土基、基层、混凝土层。在“游泳池”的周边,还有深沟,侧向有孔,在孔中埋入传感器,实时监控加载数据。
  在实验路面的上方,一台卡车状的橙色大型实验设备发出巨大的轰隆声,这是中国和南非合作的“mmls-6全尺寸加速加载系统”,设备内部轨道上挂着真实的货车轮胎,通过控制系统给轮胎加载,加到超载50%,期间环形轨道不断转动,通过轮胎给下方的试验路面加载,加载距离为6.6米,最快速率达到6000次/小时。结构验证需要2000万次以上的加载,与使用车辆加载相比,它能让验证时间从几年缩短为几个月。此外,在内部密闭的空间内,还能通过附属设备制造出淋雨、加热、低温等模拟室外的气象状况,开展模拟试验。
  张宏超的研发之路并不平坦。
  当时,他不过是一个年轻的副教授,争取项目很难,而且研究在当时看来很难实际应用。2016年之前,他申请了很多次自然基金,但都被拒绝,评审专家的回复是“想法很好,但技术路线不可行”。寻找合作企业时,又连续被十多家企业拒绝,企业负责人的态度是“当面鼓励,但一分钱不给,背地里质疑是‘忽悠’”。
  伴随巨大的压力,张宏超在实验室除去站着的时间,每天的走路步数超过20000步,血压飙到200,心脏装有支架,接近崩溃。但兴趣始终支撑着他,一步步将兼顾平整、抗滑、发电、耐久四大基本要求的“承载式光伏路面技术”打磨成熟。


▲以最严苛为标准, 光伏路面试验段选择货车较多的行车道, 而非超车道进行铺设。

  未来
  电气化是智能化的基础
  在张宏超寻找企业合作之时,在山东半岛,也有一个人正在寻找“他”。
  近年来,奇迹娱乐致力于绿色交通的探索。2016年底,我国部分地区雾霾严重,集团党委书记、董事长徐春福注意到网上的一则消息:2006年,美国布鲁索夫妇发明出一种正六边形的太阳能电池板,其表面是一种超耐磨的钢化玻璃,承重最高达125吨,铺在路面上后能保证汽车的安全行驶。之前在德州市担任副市长期间,他曾多次调研光伏企业;后来在交通领域的工作,又让他产生了很多关于新能源和公路结合的设想。


▲图:劭勇

  “太阳能公路使用路面空间资源,不额外占用土地,贴近用电需求,缩短输电距离,这不正好解决了光伏发电用地难、输电难的瓶颈吗?”徐春福决定立即飞往美国,和布鲁索夫妇见面。
  圣诞节之前,顶着大雪,求贤若渴的徐春福见到了朝思暮想的太阳能公路。但公路领域的经验告诉他,由于正六边形不适合模块化施工,表面材料仍存缺陷,这并非“梦想之路”。
  失之东隅得之桑榆。失望的徐春福却在回国没多久遇到了张宏超团队的主动拜访,双方相见恨晚。“只有我们这样的公路企业,能为光伏路面做产业化试验,谁敢让你刨开路面?试验中发生长段拥堵、甚至交通事故怎么办?只有我们能和教授一起承担压力。其实,我即便不做这个项目,不承担这种压力,也可以安心做企业负责人,但我始终觉得,这是一条值得投资的未来之路。”徐春福笑着说。
  试验开展以来,也出现了对光伏路面发展前景的怀疑。
  “创新一般从技术特性和经济特性两方面考量。技术上,太阳能路面、汽车无线充电等技术,未来都是值得探索的‘绿色’方向。经济上,也许实现投入—产出平衡要有一段很长的路,但绝不能说‘没有当下的经济性,就不能研发’,也不能因为现在不能大规模推广就反过来否定技术。某一技术转化为实际应用,不仅与该技术本身有关,还在于很多技术的集成。”在同济大学交通运输工程学院教授、交通运输规划与管理(国家重点学科)主要学术带头人之一的陈小鸿看来,交通技术创新是一场马拉松,不要走得太急,也不要轻易言弃。创新之路一定要符合科学研究规律,如果为了资本运作等经济目的,技术还未经历反复试验、评估时,就匆匆上马,急于转化,那可能无异于亲手终结自己的生命;同时,不要小瞧“1公里”,这个过程是必须的。很多新材料都是从实验室,可能不到1米,开始起步,慢慢地延伸,必须通过“1公里”,才有一整条公路,不可能直接跨越。
  她认为,科创城市呼唤眼光、自信、耐力和坚持的勇气,不妨给遵循科学研究规律的创新多一点耐心。
  回到开头引言处的“化学反应”:“太阳能”+“高速公路”,或者说“绿色”+“便捷”,等于什么?张宏超给出的答案是“智能交通”。徐春福也向记者表示,发电卖钱绝不是光伏高速公路发展的最终目的,在未来的某一天,他们要建成一条开往绿色、智能的“超级公路”——一种立体智能出行的未来交通系统,是以光伏路面为全线电气化、智能化载体,实现高时速(120公里/小时以上)、高效率(智能编组、同速汇流、智能分流)、高能效(无线移动充电、智能供电管廊)、高智能(预约出行、即时出行、无人驾驶、车路协同)的绿色、安全、无接驳、点对点的全新出行方式。
  在徐春福看来,高速公路电气化是智能化的基础。有了电,才能满足照明、融雪、交通监控、安全设施、无线通讯以及未来智能交通路端设备随时随地的用电需求,智能车辆在电气化公路行驶过程中,同步实现着信息与能量的“握手”,也就是车与路的能量和信息交互,完成车辆自我校核和车路双向校核,有了上述前提,智能交通就将成为现实。
  徐春福也谈到国际合作的畅想:“在国外,我们的发力方向是那些最贫穷的国家和最发达的国家。前者,作为重要的能源项目,中国光伏公路延伸到哪里,文明就点亮到哪里;后者,当地对新能源的接受度更高,各种产业配套更成熟,更适合前期推广。”
  “急弯处、上下坡等特殊路段,若是有发光的标志标线,有助显著降低事故发生率。”张宏超也表示,试验路段后期会推出电子标志标线、无线网络全覆盖,汽车移动无线充电、大数据集成与分析等功能,高速公路会更加安全和方便。未来光伏路面的发展方向为“一结合、两交互、三步走”,即路面交通与发电功能的结合;光伏路面与车辆之间的能量交互和信息交互;公路电气化——车路协同——智慧交通三步走发展战略。
  “以后,交规说不定会明令‘禁止人类驾车’。”张宏超笑着说,未来,有无限可能。
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  以空间换能量
  争议一:有人说,光伏高速公路试验段在通车仅仅5天后就遭到破坏,这反映了路面并没有先前判断的那么坚固,该技术仍存安全隐患。对此,你们怎么看?此次破坏对道路有多大的影响?
  研发团队:此次破坏对行车无影响,但对发电有影响。
  在质量上,济南光伏路面设计使用年限15年,已通过山东省公路检测中心的检测。光伏路面抗压、抗酸碱,表面透光保护层的强度是传统沥青混凝土的5倍以上,再加上特殊的保护层,即便是破坏后,路面依然具有极高的强度。
  能被切割就说明路面不够坚固?不能这么说。包括传统沥青路面和光伏路面在内的所有混凝土路面都能被切割。切割混凝土是道路行业分析检测常规手段,家常便饭。
  争议二:从各国已有的试验段看,光伏路面成本太高了,这样的公路怎么可能在实际中大规模应用?
  研发团队:现阶段来看,光伏路面成本高于沥青路面。但我们要弄清楚成本高在哪?主要还是研发成本,包括设备和人力等。我们无论是实验室研究,还是现场施工,都苦于没有技术配套和产业配套,很多设备都要自己改造,一颗螺丝钉的位置都要研究半天。
  但是,成本下降是有很大空间的。第一,寄希望于产业配套。我国光伏产业引领全球,有更加成熟的产业链,将来在进一步提高光电转换率的同时降低价格,使项目具有经济可行性。
  第二,建设、养护成本。过去,沥青路面无论建设还是养护,都需要大量人力,也只能现场铺设。未来光伏路面模块化施工条件已经具备,大型工厂化预制件的作业不仅能提高效率,也会显著降低成本。
  目前,济南旧有路面改造为光伏路面的成本,比国外便宜一半。未来新铺光伏路面,我们正研究将沥青混凝土层取消,代为铺设缓冲层,如此一平方米路面成本将会降低600元—1000元,再加上发电效益,以及智能化后第三方服务功能,一定会有人心甘情愿地选择光伏路面。
  争议三:光伏路面适合光照条件较好,车辆较少的西部地区。我国东部地区不太适合推广?
  研发团队:不能这么说。东部地区发展新能源面临的最大问题是空间不够,将光伏面板铺到路面上,则最大限度地利用了已用空间,解决了这个大难题。同时,在东部,更符合光伏发电适合就近利用而非远距离传输的特点,以空间换能量的目标绝对能实现。
  争议四:光伏路面发电受扬尘、遮挡、照射角度等因素的影响,发电效率会不会太低?
  研发团队:没错,传统上看,太阳能发电并非效率最高的发电方式;30—40度的倾角以及向日葵式的接收方式能更高效地利用阳光;单点的遮挡会显著影响整块光伏面板的发电效率。但对于光伏路面而言,不仅仅是道路技术的创新,还包括光伏发电领域的创新,也就是说,光伏路面使用的已不再是传统组件,而是在材料、布局等方面有了更新。为解决角度影响,我们通过路面结构设计,利用折射等原理,巧妙地增加了透光度;为解决遮挡问题,我们优化了电路设计,提升了发电单元的转化效率。从目前试验段的发电效率看,在一个对光伏发电并不友好的季节,总体上还超出了预期。
  但是,由于光伏路面是新生事物,确实有一些问题仍需研究。比如扬尘对我们的养护提出了新要求。行车道,由于车辆较多,可能会“越跑越干净”,但应急车道,长时间下去积满灰尘是可能影响发电效率的。
  再比如遮挡。如果是堵上几公里望不到头,这就是静态遮挡,肯定影响拥堵路段的发电。除此之外,我们现在主要研究动态遮挡,车辆的体积、行驶速度等对发电的影响,之前没人研究,我们要从零起步。
  争议五:之前,有些“惊世骇俗”的项目最终不了了之,光伏路面也会面临同样的结局吗?
  研发团队:研究光伏路面的国家远远不止我们。世界范围内包括美国、比利时、荷兰、日本和韩国等都在着手这方面的研究。总体上都没有大规模推广,都处于试验研究阶段。
  目前,我们的研究完全符合科学研究的规律。此前,研究处于产业化验证前期,经历了室内验证、全尺寸验证、野外验证和实例验证,未来还要制定相应标准,最后才是推广应用。反复验证,反复改造,每一步都急不来,将来仍会循序渐进。

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