装配式光伏路面系统设计及工程应用

■何肖斌 胡昌斌 张培旭 胡序久

（1.福州市公路事业发展中心，福州 350005；2.福州大学土木工程学院，福州 350108）

智慧公路离不开电能源，将光伏路面与智能路面相结合，通过电能自产自用，将更加完善智能公路功能[1-5]。 开展光伏路面应用研究，可为今后的智慧公路提供理论和技术基础[6-10]。光伏路面目前一般采用装配式型式， 可以广泛应用于光照充足的地区，可用于山区海岛道路、服务区停车区道路、广场园区道路、停机坪与临时跑道等。 可根据不同应用场景的供电与荷载要求，对不同类别的道路进行针对性设计。 装配式光伏路面的发电效率是由其光伏阵列摄入的太阳辐射决定，因此首先应考虑在阳光充足并且少遮蔽物的平坦开阔地区应用，其发电效能最为显著，并且在理想的光照条件下，装配式光伏路面具有很强的适应性；用于园区道路时，可以设计为较薄的板块，降低板块强度，并调整形状和色彩，既提升园区景观，又应用了绿色环保的理念；用于山区海岛等重载交通区域时，由于重载车与重交通量的双重作用， 应着重设计其的承载能力；用于车速较快的高速公路等场景时， 应增大板块尺寸，减少板块接缝数量，减少接缝导致的车辆振动冲击，同时确保行车舒适性和安全性。 工程应用实践显示，水汽、紫外老化和路面高温是较为不利的环境老化因素，因此需要进一步提升改善光伏路面板的预制拼装粘接集成工艺。 综上所述，本文依托福建省交通科技发展项目在永泰荷溪服务区装配式光伏路面试验段项目，将光伏路面系统设计分为装配式发电系统设计与装配式光伏路面结构设计两个部分，对光伏路面系统的实际应用提出一套设计方法和施工方法[11]。

1 光伏路面发电系统设计

光伏路面发电系统可分为独立系统（离网、分布式系统）和并网系统2 种类型，根据选址位置的地理和气候条件不同，发电系统的用途也各不相同。光伏路面的光伏发电系统，在原理上与传统的光伏发电站没有很大区别，可以按照传统光伏发电系统的思路进行设计，但需要注意的是要考虑到光伏路面的光伏组件是封装于路面板块中的，且使用环境较为恶劣，对最终发电效率的影响较大。 在设计中应遵循配置布局合理、运行长期可靠、防护安全稳定的基本原则。

由于光伏路面的初衷是为了能源自供，避免架设电网的大量成本，这里主要以离网光伏路面发电系统设计为例， 其控制指标包括蓄电池组容量、光伏组件的容量以及系统其他组件的配置。 蓄电池组总容量要大于最大连续阴雨天数与日均用电量的乘积， 即系统自给天数大于等于最大连续阴雨天数，在计算系统自给天数时还需考虑蓄电池的最大放电深度， 因蓄电池完全放电会严重影响使用寿命。 光伏组件的容量要大于全年最差太阳辐射的季节下的日均用电量。 除了系统容量设计以外，其他系统组件的配置与选型均以设计原则为主。 光伏路面发电系统设计主要分系统容量设计与系统其他组件的配置与选型设计2 个部分，前者包括光伏阵列容量设计与蓄电池组容量设计，目的是为了通过设计计算来匹配负载端的用电需求；后者目的是为了让整个光伏发电系统运行更加智能、安全和稳定。

1.1 光伏发电系统容量设计

1.1.1 光伏阵列容量设计

光伏阵列是由多个光伏组件通过串、并联的形式连接形成的完整电路。 光伏阵列的输出功率由阵列中光伏组件的数量决定，串联会叠加各光伏组件的工作电压， 并联会叠加各电池板的工作电流，通过串、并联混合可以达到需求的工作电流和工作电压即输出功率。

在设计控制指标选取中提到，光伏阵列的容量设计要满足大于全年最差太阳辐射季节下的日均用电量，因此在设计时需要对需求的日均用电量进行调查，应通过选址地的峰值日照时长和太阳辐射最不利季节的日均辐射量等参数进行综合计算。 其计算方法如式（1）、（2）所示。

式（1）中，N1表示光伏阵列的并联数，Q 表示需求的日均用电量，qmin表示光伏组件在最差太阳辐射季节时的日均发电量，可以由式（2）求得，其中Ip表示光伏组件的峰值工作电流，tp表示该季节的峰值日照时长。 串联数量的计算方式如式（3）所示：

式（3）中，N2表示光伏阵列的串联数，V 表示光伏发电系统的工作电压，Vp表示光伏组件的峰值工作电压，其中的系数1.43 表示的是光伏组件组串的峰值工作电压一般需要达到发电系统的约1.43 倍，在计算中需要将该系数抵消才能算出所需的光伏组件串联数量。 得到光伏阵列的串并联数后，可以通过总的光伏组件数量乘以单块光伏组件的峰值输出功率，计算出光伏阵列的总功率，其计算方式如式（4）所示：

式（4）中，W 表示光伏阵列总功率，Wp表示光伏组件的峰值输出功率。

以上计算方式为最理想情况下的计算，由于装配式光伏路面板块自身存在透光折减，且所处环境较为恶劣，容易受灰尘污渍等因素影响，另外就光伏发电系统本身而言，会发生如线路损耗、充放电损耗、 逆变器转换效率等不可量化的能量损耗因素，在进行容量设计时还应考虑以上不利因素进行保守估算设计。考虑损耗后的计算方式如式（5）～（7）所示。

式（5）～（7）中，qmin′表示装配式光伏路面板块在最差太阳辐射季节时的日均发电量，A 表示考虑能量损耗后的保守估算系数（根据实际损耗测试进行取值，当线路损耗系数为0.9，充电效率系数为0.9情况下的直流系统，A 取值为1.24），Vp′表示装配式光伏路面板块的峰值工作电压，Wp′表示装配式光伏路面板块的峰值输出功率。

1.1.2 蓄电池组容量设计

由于太阳辐射并非每天都充足，必然会存在太阳辐射不足的时候，即连续阴雨天，对离网光伏发电系统来说，蓄电池是保证光伏发电系统可靠性的重要组件，根据负载端重要性的不同考虑的蓄电池组容量也不同，对于重要的负载端，除了正常的蓄电池组外还应配置备用蓄电池组。 蓄电池组的容量设计同样包含2 个部分，一是整体容量大小的设计，二是串并联组合的设计。 考虑到蓄电池成本，以下计算方式以传统铅酸蓄电池为例。 在设计控制指标的选取中提到在计算发电系统蓄电池组容量时需要考虑蓄电池的健康放电深度，计算如式（8）所示。

式（8）中，Q0为蓄电池组的总标称容量，T 为连续阴雨天数，D 为蓄电池的健康放电深度。

以上计算方式为最理想情况下的计算，蓄电池的实际放电容量还受放电率和环境温度影响。 在设计蓄电池组容量时，通常考虑的是过去平均的负载使用情况，而实际情况中，一方面如果增大负载的总功率，将会加快蓄电池的放电速度，导致蓄电池的实际容量小于标称容量；另一方面蓄电池所处的环境温度越低，蓄电池的实际容量就会越小，且健康放电深度也会越小。 考虑影响因素后的计算如式（9）所示。

式（10）、（11）中，M1表示蓄电池并联数，Qb表示蓄电池标称容量，M2表示蓄电池串联数，Vb表示蓄电池的标称电压。

1.2 光伏路面发电系统的选配

光伏路面发电系统组件的选配包括光伏组件、控制器、光伏逆变器、蓄电池、直流/交流汇流箱和线缆等。

1.2.1 光伏组件

装配式光伏路面中运用的光伏组件与一般光伏电站中的有所区别，原因在于封装在装配式光伏路面板块中的光伏组件需要间接承受车辆荷载的作用，因此对装配式光伏路面发电系统中光伏组件的选配应满足以下要求：长期或高频次车辆荷载间接作用下，不发生破裂或内部损伤，需具备一定变形能力；应用在路面应具备优秀的防水绝缘性能，防止发生安全性问题；光电转换效率高，由于路面板块表面层对透光性能已有一定折减，要求其中的太阳能电池板转换效率尽量高；使用寿命长，满足道路设计寿命使用时长。

1.2.2 控制器

控制器的主要功能是保护蓄电池，在整个系统中起到控制平衡的作用，在直流系统中控制器一般单独使用， 在交流系统中可以与光伏逆变器合并。对装配式光伏路面发电系统中控制器的选配应满足以下要求：对蓄电池的充放电保护及时，防止过充与过放；当系统内某组件发生短路时能有效保护整个电路；具备雷击保护和温度补偿的功能；具备装配式光伏路面发电系统的工作状态信息可视化与故障预警的功能。

1.2.3 光伏逆变器

光伏逆变器的主要功能是将直流电逆变为交流电，并且使电压和频率达到负载端使用要求，一般在交流系统中使用，另外并网发电系统中也需要通过逆变器才能实现并网发电。 对装配式光伏路面发电系统中光伏逆变器的选配应满足以下要求：对直流输入电压的门槛值要求应较低；转换效率高，避免过多的环节造成能量损耗； 具备远程控制功能，可以实时监控，对过高过低电能有智能的响应机制；输出功率稳定，质量高。

1.2.4 蓄电池

蓄电池的主要功能是储存电能，充放电是化学能与电能转换的过程，在装配式光伏路面发电系统中尤其是离网发电系统，蓄电池就是能源中心。 对装配式光伏路面发电系统中蓄电池的选配应满足以下要求：健康放电深度值大；正常使用寿命尽可能长；受环境温度影响小；无负载情况下电池自放电损耗小。

1.2.5 直流/交流汇流箱

汇流箱的主要功能是将光伏阵列的线缆汇流到一起并分组连接，一般在光伏阵列并联组数量较多时才需要用汇流箱，这样做的好处是便于对光伏阵列的电路进行检查和维护，能够准确找出是哪一路发生问题。 对装配式光伏路面发电系统中汇流箱的选配应满足以下要求：能同时接入的光伏阵列的路数应符合设计要求；接入电路的最大输入电流和开路电压应大于接入光伏阵列组串的最大值；对每一路接口要配置熔断装置，对电路系统提供保护并方便检修；应配备智能通讯装置，能对每一路的电路情况进行表达。

1.2.6 线缆

装配式光伏路面发电系统中的线缆是从路面板块底部引向汇流箱的，这与一般的光伏发电系统不同，因此对装配式光伏路面发电系统中线缆的选配应满足以下要求：线缆保护层及线缆连接头应具备防水防潮、防腐蚀、耐老化、耐高低温、绝缘等特性；线缆内芯的截面积应满足发电系统最大电压电流的要求；装配式光伏发电系统中的线缆连接应符合就近连接的原则减小线路损耗，增大线缆截面积也可降低线路电阻值。

1.3 防雷接地设计

由于光伏路面发电系统具有露天安装的特性，存在雷击的风险，发生雷击不仅会造成装配式光伏路面发电系统设备的损坏， 还可能造成人员伤亡。对光伏路面发电系统中防雷接地的设计应满足以下要求：在路面两侧，均匀设置避雷针等防雷电直击的保护装置，通过均匀多根的引下线将直击的雷电电流引导至地下；除光伏阵列外的其他系统设备，在电路上要多级安装浪涌保护器，防止系统电路被雷电击穿；光伏路面发电系统中，路面板块本身安装在地面上已经实现接地，其控制端的配电箱中包含了控制器、逆变器、汇流箱、蓄电池等设备，对控制端的配电箱需要单独设置接地保护装置。 综上研究，光伏路面的发电系统的设计流程和内容如图1所示。

图1 装配式光伏路面发电系统设计流程

2 装配式光伏路面结构设计

目前光伏路面分为空心结构和实心结构，其结构组成主要有：（1）透光层。 透光层材料需要有较好的透光效果，同时还需具备较好的承载能力和抗滑性能。（2）发电功能层。一般由一个或若干光伏组件组成，将透过顶层的太阳光转化为电能，再汇集到储电装置或直接利用。（3）底层基座。底座主要传递车辆荷载、保护光伏路面结构，同时还需要在底层预留孔槽使太阳能电池板的线路连接，并且做好防水、排水的设计。 装配式块体路面没有形成系统的设计方法，本文提出装配式光伏路面结构的设计流程如图2 所示。

图2 装配式光伏路面结构设计流程

3 福州永泰荷溪光伏路面试验工程

福州市公路事业发展中心和福州大学道路与机场工程研究中心合作，开展了装配式光伏路面试验段工程研究，项目位于福州永泰荷溪服务区的停车区， 试验段长约25 m， 宽约4 m， 占地面积约100 m2。 该区域交通量等级低，且由于是停车区，车速一般不大于30 km/h。 路面结构由柔性基层和板块面层组成， 装配式光伏路面板块尺寸为175 cm×100 cm×15 cm，每排2 块装配式光伏路面板逐排铺设。 路面单侧设置宽20 cm 的纵向排水明沟，与路段原排水井连通，路面设1.5%横坡，横向埋设10 cm宽排水管道。 装配式光伏路面施工工序分为装配式光伏路面板块制备、基坑准备、混凝土基础施工、柔性夹层施工、水电线路施工、板块平铺安装和发电系统检测。

3.1 装配式光伏路面板块预制

根据透光层设计尺寸及混凝土板设计尺寸预制格栅状混凝土底座，如图3（a）所示，底座内预留光伏组件穿线孔、吊装孔及螺栓孔。 装配式光伏路面板预制成品如图3（b）所示，预制过程可以与路面基层施工过程同时进行，可大幅度提升工程进度。

图3 装配式光伏路面板预制

3.2 基坑准备

将原路面结构破碎去除，按设计的光伏路面段范围开挖基坑， 基坑底部路基平面应确保压实，在基坑顶部边缘引入6 个高程控制点，分别位于四角位置及纵向边缘中部，测量基坑内高程满足设计要求，选取的测点数不低于10 个。 基坑准备施工过程如图4 所示。

图4 基坑准备施工

3.3 混凝土配重层施工

在混凝土配重层施工前，应清理路基表面的积水和散土，混凝土配重层采用C35 混凝土，通过厂拌法施工，现场浇筑时，应边浇筑边振捣至一次性浇筑完成，按现行水泥混凝土路面基层施工技术规范进行，浇筑完成后8～12 h 在纵向每间隔5 m 横向锯缝，养生结束后进行平整度测试和高程测量，防止引起上部结构层厚度不均匀，不平整处应采取局部找平措施。 混凝土配重层施工过程如图5 所示。

图5 浇筑混凝土配重层

3.4 柔性夹层施工

采用AC-10 沥青混合料作为柔性夹层材料，可以对车辆冲击荷载起到缓冲作用，采用单幅路面全宽连续摊铺的方式，摊铺时确保厚度和平整度符合要求，摊铺完成后应由压路机进行压实，碾压速度应缓慢均匀，终压成型后，对表面进行平整度测试和高程测量， 不平整位置应进行局部补料或压实。柔性夹层施工过程如图6 所示。

图6 小型压路机局部碾压

3.5 水电线路施工

柔性夹层完成后，以柔性夹层为装配式光伏路面板块安装面，对其进行刻槽。 刻槽前对装配式光伏路面板块出线口和主线、支线路径进行精准放样，槽宽5 cm，槽深为电线管直径的3 倍，坡度倾斜向排水沟方向1.5%，刻槽完成后对槽底按坡度找平，及时清槽，并进行排水试验，确保排水路线畅通。

3.6 板块平铺安装

将预制完成的光伏路面板运输至施工现场，搬运过程中应轻拿轻放，安装前应对所有板块进行编号，便于现场有序安装和后期维护更换。 每安装完成一排将其串联并测试该串组件发电功能是否正常，如发电功能不正常应采用二分法从组串中间分开，分别进行故障排除，直至发现故障位置并及时修复或更换线缆。 发电功能正常则对线缆进行防水防潮处理。 随后进行下一排板块的安装，重复上述步骤，直至全部安装完毕。

3.7 发电系统检测

串联后的光伏路面列阵总额定功率6.4 kW，据此安装发电系统控制柜， 控制系统由直流汇流箱、蓄电池组、逆变器、监控系统组成，设置4 块蓄电池，总容量为40 kW·h。 柜内各组件调试完毕后，将装配式光伏路面各组串正负极引入柜内直流汇流箱，观察逆变器是否激活，蓄电池是否正常充电，如发现故障，则在柜内分段测试，先测试汇流箱内各组串发电功能，再测试蓄电池输入端，逐一进行故障排除。 如发电系统功能正常，则按前述方法对主线缆接头进行防水防潮处理，处理完成后进行防水漏电试验，一切正常则埋入主线槽，发电系统检测如图7 所示。

图7 发电系统检测

4 结语

（1）装配式光伏路面的设计分为发电系统设计与结构设计，应先进行发电系统设计得到系统发电需求后再以此进行结构设计，分别提出了装配式光伏路面发电系统设计与结构设计的流程。 （2）由于装配式光伏路面本质上与预制块体类路面相似，可参考预制块体类路面的设计方法。 （3）将装配式光伏路面的建造分为装配式光伏路面板块预制、基坑准备、混凝土配重层施工、柔性夹层施工、水电线路施工、 板块平铺安装、 发电系统检测共7 道工序。（4）装配式光伏路面的应用场景主要分为4 类，包括山区海岛、服务区停车区、园区道路、和军用临时道路，可依据不同应用场景进行个性化设计。 水汽、紫外老化和路面高温是较为不利的环境老化因素，光伏路面板的预制拼装粘接集成工艺需要进一步提升改善。