高速公路边坡太阳能研究现状及发展展望综述＊

杨鹏浩，陈诗璇，肖建伟

（中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙410004）

近年来，太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源，并且是能源结构中重要的一环，成为一个重要的发展方向。同时，高速公路作为现代社会不可或缺的交通途径，其里程持续增长，展现了极大的发展空间。太阳能在公路上的应用，有望成为减少石油、煤炭等不可再生能源大量消耗的重要途径。目前太阳能在公路的应用集中在太阳能路面，但光伏路面受到地理位置、季节、天气、交通、电池板朝向和倾角、建筑物与灰尘等因素的影响。而公路边坡作为高速公路的一部分，通常在建筑密度较低的郊区、乡村，甚至未开发地区，其周围环境较为空旷，很少存在建筑或树木遮挡的现象，拥有较大的表面（立面和顶面）和开放空间，便于铺设太阳能板，以实现对太阳能的利用。建设过程无噪声、无振动、无污染且周期短。相较于直接铺设在路面上，太阳能板本身的强度要求可以降低，后期维修较为方便，还有潜在的美观、美化道路的功能。同时，所产电能并入电网后还能降低现有电力系统的压力[1]，对于实现节能减排和可持续性发展具有重要的意义。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

目前，国外关于太阳能路面的研究主要分为路面太阳能热利用和太阳能发电，其目的是利用收集的太阳能用来发电、供暖和融雪化冰等。荷兰拥有世界上第一个利用收集沥青路面太阳能的公司Ooms Avenhorn Holding，其开发了一种能在夏天快速冷却高温路面，并在冬季预防路面结冰的道路能量系统。随后，美英日等国陆续研究了地源热泵、跨季热量传递、地面集热蓄能融雪化冰等技术。但是，此种集热技术的瓶颈在于热能转换为其他形式能的效率偏低，并且在施工维修过程中存在困难，所以难以大规模推广[2]。

由于集热法具有局限性，研究者们在光伏发电系统原理上把光电转换技术与路面本身结合，提出太阳能路面板等相关概念。2006年，美国爱达荷州的Scott和Julie夫妇最早提出“太阳能公路”的概念。2013年，Scott和Julie在爱达荷州建成了一个露天太阳能停车场，其产生的电能可供附近的企业使用[3]。目前，Scott夫妇在自家的车道上应用了太阳能路面，并且已相继开发出4代产品。2008-12，美国第一个太阳能公路项目在俄勒冈州启动，太阳能电池板沿着5号州际公路和205号州际公路之间的立交桥建造，产生的太阳能白天进入国家电网，晚上用于立交桥的照明[4]。2013年，美国乔治华盛顿大学安装了世界上第一条太阳能板人行道，所产生的电能供面板下450个LED照明夜路[5]。2016年，美国的密苏里州交通局宣布将与Solar Roadways公司合作在66号公路的部分公路和人行道铺设太阳能板进行实验，该项目超过一半的资金（200多万美元）来自群众的筹资。2011-01，意大利Pizzarotti公司建造的百分之百由太阳能供能的卡塔尼亚—锡拉库萨高速公路正式通车，该高速公路是世界上第一条太阳能高速公路，总造价超过了6 000万欧元。2014-11，由荷兰政府、企业与学术界共同打造的SolaRoad项目在离荷兰阿姆斯特丹不远的Krommenie展示了其成果——世界上第一条太阳能自行车道，其产生的电能可供一般家庭使用。但当时人们对这条太阳能自行车道却有一些担忧，比如不是光滑的玻璃面板容易积尘和堆雪、太阳并非直射面板导致发电效率降低、70 m道路需150万欧元的成本过高[6]。2016年，法国诺曼底小镇Tourouvre建造了世界上第一条太阳能公路“Wattway”，其产生的电能供给当地的路灯使用。“Wattway”全长为1 km，政府共投资了500万欧元，其中不包括后期维护费用。然而，在2019年建筑集团Colas承认该项目已经破产。“Wattway”失败的主要原因有以下3点：产生大片无法挽救的损伤（如图1所示）、实际每年最高发电总量仅为预期的一半、所在地区一年仅有44 d的强烈阳光照射。

图1法国Wattway路面损伤情况

由此可见，推广太阳能公路的最大问题是建设成本、维修费用太高，其次受到所处位置、季节、天气、交通、电池板面朝方位、建筑物遮挡与灰尘污染等多方面因素的影响，致使其发电效率和使用寿命皆不能达到预期设计效果，甚至在建成后的较短时间内便出现大面积损坏的问题。

在太阳能路面研究工作正如火如荼进行的同时，有些地方政府把目光移向了太阳能边坡上面。2013年，日本佐贺县打算允许太阳能电池板运营商免费使用其长约2 km的道路路基的南侧边坡架设设备用来发电，建设面积约为10 000 m2。2015年，在美国44号公路上99 kW项目已修建完毕，该项目利用公路的东西方向，在发电效率接近理想的位置安装一组朝南的太阳能电池板，如图2所示。当太阳能电池组产生的能量超过水处理厂所需的能量时，剩余的能量将被出售给电网。当工厂需要的多于生产的面板时，公用事业公司将提供。上述日本、美国均利用公路边坡架设太阳能电池板用来发电，证明国外已经注意到公路边坡在太阳能应用中的可行性和重要性，但仅限于将太阳能电池板放于较为理想的朝南方向，且边坡高度小，坡度也较缓，未涉及高陡边坡的太阳能电池板架设。

图2美国99 kW项目边坡太阳能板阵列

1.2 国内研究现状

2013年，长沙理工大学查旭东团队设计了一种太阳能路面空心板结构[7]，并于2017年在室外建造了约3 m2的太阳能路面空心板块模型。2016年，汉能集团分别在荷兰、比利时建造了2条太阳能自行车道。2017-06，浙江当地的公司和研究所等相关单位合作，建造的“太阳一号”光伏路面经受住了重载车辆的检验。2017-09，山东当地的集团、公司和同济大学等合作，在济南银丰财富广场完成了660 m2的太阳能路面铺设。2017-12，齐鲁交通发展集团在济南南绕城高速公路投资建设的1 080 m光伏路面试验段通车，造价约7 000元/m2。该工程预期年发电量约1 000 000 kW时，然而实际年发电量却远小于预期年发电量，同时由于车辆运行和环境变化等因素影响，该光伏高速公路在通车不到1年内，出现了严重损坏的现象，当前已撤除大部分光伏路面，如图3、图4所示。汉能集团在2018年、2019年先后在北京奥林匹克中心的太阳能展厅外以及国家电网电科学研究院内建造了太阳能路面和GSE光伏路面[8]。

图3济南光伏高速公路 初期损坏情况

国内的一些高速公路也在太阳能电源与摄像机、微波检测器等监控系统的外场设备相结合上展开尝试。2005-10，在连霍高速公路郑州至洛阳段道路建成太阳能全程监视系统示范工程，该路段全程220 km的范围内共设置100个监控点，运行5年来节能减排效果明显。但是，太阳能供电系统在温度较低、持续阴雨等环境条件下经常使系统中断，而且太阳能电池板面的洁净度也会影响其发电效率，维护保养相对困难，最主要的是供电对象仅限于小功耗设备。除此之外，国内也有些高速公路在服务区、隧道、中央分隔带、收费站、隔离墙、声屏障等处建造太阳能光伏发电系统进行尝试，如图5、图6所示。但是，受限于建造地点，其建造面积都相对较小，发电效率不高。

图5济阳高速公路服务区太阳能停车场

图6湖北某高速公路中央分隔带太阳能板

2017年，中国能建广东火电PC总承包的华润海丰电厂3.8 MW屋顶分布式光伏发电项目完工，该项目建设中面临在宽约500 m、高约110 m，整体坡度超过60°的高边坡上安装光伏发电组件的挑战，属于国内第一个在相当陡峭地形条件下完成安装光伏发电组件的工程项目[9]。2018年，湖北交投新致公司在其投资的湖北某高速公路分布式光伏发电项目中，于寺坪高速公路收费站一侧的路堤边坡上建造了两排太阳能板用以发电，如图7所示。总体来说，中国目前对于高速公路边坡的太阳能资源利用开发极少。

图7寺坪高速公路收费站边坡太阳能板

2 高速公路边坡太阳能的发展展望

伴随中国城市化及社会经济发展，高速公路建设用地的面积不断增加，土地资源有限和建设用地的矛盾日益突显。从高速公路建设占地及对土地价值开发利用统筹方面考虑，应充分利用闲置或利用率低下的土地，实现对土地的占用到利用的转变。在“十三五”期间，中国将再建46 000 km的高速公路。据估算，总占用土地面积约920 000 hm2[10]。虽然太阳能路面是一种具有应用前景的道路能源生产模式，但目前并不适用于所有的道路，仍有许多挑战有待克服：工程投入过大，成本、维护费用太高，在实际运营过程中因受到交通状况、自然环境、材料性能退化、运营条件变化等因素的影响，其发电效能和使用寿命并不能达到预期效果，特别是如何解决高速安全行车、高效清洁发电与合理性价比之间的矛盾。但是，采用边坡布设光伏发电系统则可以避免大部分的难题。边坡上布设太阳能板不受当前材料水平限制，采用普通太阳能板即可，发电效率基本不受交通状况得影响，装机技术要求相对较低，维修也相对简便，并且在除去“十三五”期间高速公路车道建设占地外，边坡总面积仍有约110 000 hm2，利用面积可观。同时，边坡全年都在太阳光的照射下，其中必然存在巨量的太阳能可以利用。由此可见，结合边坡防护技术和分布式光伏发电系统开发创新，高速公路裸露边坡又可成为再开发利用的资源，蕴含着巨大的开发潜力。

今后几年仍将是中国推进经济转型、能源转型、技术开放的重要时期，分布式光伏产业发展将有更加广阔的空间。高速公路边坡太阳能作为分布式光伏发电项目，其发电系统产生的电力资源可就近使用或储存，分配至高速公路沿途村庄、服务区及高速公路监控、信号灯等用电设施，减少远距离输电造成的损耗。在中国追求节能减排、构建清洁低碳、安全高效的能源体系的背景下，高速公路边坡太阳能前景良好。

然而，在看到高速公路边坡太阳能发展机遇的同时，也应注意到其存在的不足。太阳能光伏组件的价格仍较为昂贵，尤其是面对大面积的边坡时，花费大，在现阶段难以实现有效的推广；光伏发电的效率仍然不高，这个问题已经困扰人们多年，大量学者对此研究也有一定的突破，但还有较大的努力空间；如何保证边坡上架设太阳能板等设备后的稳定性和安全性，如何确定合理的能量转化以及储备设备的架设位置，如何保证并网后能量波动不对日常用电产生大的影响等，这些都是需要研究的问题。

为推进太阳能在高速公路边坡的发展，在此建议：明确有关规定、制订相关规划；研发新材料及新面板，提高发电效率，进一步减轻自重，降低建造成本，并在此基础上结合储能设备进行研究；聚集太阳能光伏发电、道路、材料以及电力领域的优秀人才合作创新；加强国际合作，在专业领域进行交流学习。希望在不久的将来，高速公路边坡太阳能可以发挥其应有的价值，为全世界的低碳环保贡献一份力量。