• 太阳能高速公路离我们有多远?
    2015-06-30 09:06:11   来源:沈恂达      评论:0 点击:

    一、问题的提出 在2014年3月的全国两会上,全国政协委员、通威集团董事局主席刘汉元先生提出了结合国内现有高速路网资源状况,参考国外已有的经验和做法,充分利用国内存量高速网,将其作为太阳能光伏发电的新型、有效载体,实现光伏发电、交通运输、节能减排、安全行驶、道路养护、耕地保护六者的高效整合与最佳统一的方案[1]。刘委员提出的建议就是建设所谓的“太阳能高速公路”。在此前,广东工贸职业技术学院的欧英雷先生在2012年也提出了“利用高速公路实现太阳能光伏发电的构想”[2]。其实,世界上第一个提出“太阳能(高速)公路”概念的是美国爱荷达州的一对夫妇——电子工程师斯科特•布鲁索(ScottBrushaw)和心理治疗师朱莉(Julie)。2006年,布鲁索夫妇首先提出“太阳能公路”的概念和梦想,并进行了一系列的研究、试验工作,取得了卓有成效的阶段性成果。此后,美国、荷兰、意大利、英国、德国以及比利时等国也先后就此进行了研究、探索和试验。2011年,世界上第一条太阳能高速公路(A18公路)在意大利建成,并向公众开放。“太阳能高速公路”是一个全新的概念,是太阳能应用创新的大胆设想。研究和试验表明,这种太阳能高速公路的优点很多,节能、环保、智能、安全、分散,也可以节省大量的土地,其最终的、最直接的结果就是可以逐渐让人们不再那么依赖煤和石油等矿物燃料。虽然目前太阳能高速公路的建设刚刚起步,并且还存在不少问题和困难,尤其是路面材料和造价。但毕竟这是一个伟大的创意和梦想!任何一位开拓者都认为:历史上没有一蹴而就的发明,发明首先需要想象。 


     二、太阳能高速公路的含义 1、含义所谓太阳能高速公路是指:利用高速公路的路面、沿线设施以及周边的环境实现太阳能光伏发电,并为公路设施本身和沿线居民供电。2、理论构想太阳能高速公路的理论构想是将太阳能电池阵列埋入高速公路的路面内,并寻找新型的光学材料来铺设高速公路的路面。这种新型的路面材料(如透明陶瓷和聚光透镜等),它既要符合高速公路的行车要求,又要满足对太阳光的透射和聚焦作用,使得铺设在其下面的太阳能光伏阵列能接收到太阳光的辐射。也就是说中间层和最上面层两者的共同作用应达到高速公路的设计标准,从而确保高速公路的行车安全。 三、我国的太阳能资源简述 众所周知,太阳能是一种取之不尽,用之不竭的绿色资源。据计算,每秒钟太阳辐射抵达地球表面的能量高达8.0×1013kW,相当于550万吨的标煤燃烧产生的能量。我国陆地表面每年接收的太阳能就相当于1700亿吨标准煤。我国的太阳能资源十分丰富,全国有2/3以上地区,年日照时数在2000小时以上。但由于太阳能十分分散,能流密度较低,因此,到达地面的太阳能每平方米只有1000W左右。 四、太阳能高速公路发电量的理论估算(略) 五、国外发展动态 1、美国美国是最早研究太阳能高速公路的国家。2006年,美国爱达荷州的一对科学家夫妇斯科特•布鲁索(ScottBrushaw)和朱莉(Julie)首先提出,用太阳能板代替传统的沥青来建造所谓的“太阳能公路”的梦想,并得到了美国联邦公路管理局的研发资金支持。2009年,他们收到了第一笔用于建造太阳能电池板公路原型的政府拨款。2013年春天,布鲁索夫妇启动了试点项目,在爱达荷州桑德波因特市用太阳能电池板建成了一个露天停车场。斯科特认为停车场是进行LED光源和发电系统试验的绝佳试验场。可以重新配置方向箭头和停车线,来应对停车高峰,而且所产生的电能可以为附近的企业供电。为此,当地政府奖励了他们75万美元。目前,推广这种太阳能公路的最大的瓶颈是工程投入太大,成本太高。美国的能源局已经拨款给负责研发的太阳能公路公司,以期大幅降低生产成本,让太阳能高速公路变为现实,早日投入使用。2、意大利意大利作为世界上第一个建造高速公路的国家又将有一项新的创举。卡塔尼亚-锡拉库萨A18高速公路(西西里岛600公里高速公路网络中新增的一段30公里的公路)将成为一条完全由太阳能作为动力的高速公路,而且将是世界上的第一条太阳能高速公路。3、荷兰荷兰尝试在普通道路上铺设太阳能电池板。荷兰应用科学院成立了“太阳能之路”项目组,研发了一种新型的太阳能电池系统,通过一个聚光装置将道路表面吸收的太阳光汇聚到一个小型的高效太阳能电池上。他们的太阳能装置,准备在阿姆斯特朗附近的一个小镇上进行试验行的道路铺设。据科研人员估计,他们铺设的太阳能道路,每年每平方米能生成约50千瓦时的电能,而荷兰的每个家庭的年耗电量为3500千瓦时。4、英国世界上第一个全国性高速公路电动汽车充电站网络,2011年9月在英国投入使用。这种免费使用的太阳能充电站已经现身12个高速路服务区,并还将有18个服务区的免费充电站投入使用。这一举措意味着电动汽车将第一次能够行驶到英国的任何地方。充电站网络由Ecotricity环境能源公司负责建设,公司创始人表示:“统计数据显示电动车在城镇行驶时并不需要中途充电,真正需要充电的是城市间的高速公路。”5、德国2010年11月16日报导,德国阿沙芬堡高速公路上架起太阳能发电板,有效利用了闲置空间,这是德国最重要的太阳能发电项目。 德国一条高速公路隧道里安装了16000块太阳能板,将提供2.8兆瓦的电量。这项计划花费1100万欧元投资,需要16年才能收回投资。 6、瑞士1989年,瑞士建成了第一个太阳能声屏障系统,在保证降噪效果的同时,还可以利用太阳能发电。现在,德国、英国、法国、意大利等国家都开始试用太阳能声屏障。7、比利时欧洲Enfinity公司在比利時四号高速公路(HSL4)旁的铁路隧道上,安装了長达達2.1哩(約3.6公里)的太阳能光伏发电系统。该系统使用了16000 片太阳能板,总面积为50,000 平方米(約8个足球场大小),总造价为2100万美元。太阳能产生的电力使用在一些铁路基础設施上,包含照明、取暖、以及供給邻近安特卫普中央火车站的一半用电。一年的发电量为3300 兆瓦时,約提供 1000 个家庭使用,一年可減少 2400 吨的二氧化碳排放。8、澳洲澳洲永续能源公司GoingSolar將太阳能板融入高速公路的隔音墙上。GoingSolar的第一个高速公路工程是在TullamarineCalder高速公路上实施的,这段太阳能板隔音墙長达500公尺。9、日本2013年,日本佐贺县准备向利用太阳能电池板开展发电业务的运营商颁发许可,允许其免费占用该县管理的地区高规格道路路基斜坡。作为发电设施设置场所的是有明海沿岸公路从久保田立交附近到福所江大桥共约2公里的南侧斜坡。 六、国内简况 在我国有些地区的的高速公路上,已经应用太阳能电源为监控系统的一些外场设备供电。开始供电的对象仅是一些小功耗的设备,如全程监控系统中的摄像机、微波检测器等。从去年开始,在京港澳高速公路改扩建工程中的石安区段的新建路段——邯郸东南环(38公里)上,所有的外场机电设备全部采用太阳能来供电,以实现主线“去电缆化”,真正实现部、省交通部门提出的“国内领先,国际一流”的科技示范路的创新目标。目前,该工程正在安装施工,预计到5月份可以竣工。从总体上考虑,国内还没有一个部门或单位提出过实现太阳能高速公路的设想和规划,更不可能进行某些研究、探索和试点。尽管如此,已经有一些地方的高速公路利用服务区、收费站、隧道、声屏障等沿线设施建立太阳能光伏发电系统,服务于设施内部的供电、照明、取暖,并取得了明显的经济效益和节能、环保效果。下面的一些实例仅是其中的一部分。1、河南省2011年9月,京港澳高速公路安阳服务区建成了60千瓦(Wp)太阳能光伏电站并网发电。该电站是全国首座太阳能光伏电站,每年发电量为85850千瓦时,可节约标准煤780吨,预计可稳定运行25年。2、陕西省2014年1月,位于“十天高速”陕西段西乡县茶条岭的高速公路110千瓦光伏电站项目完成接网交工验收。该项目采用用户侧并网发电模式,预计年发电量为15.04万千瓦时,所发电主要用于茶条岭隧道内的灯光照明、动力服务,成为隧道供电重要组成部分,每年可节省费用15万元。电站运营25年可节约标准煤1466吨,二氧化碳减排3749吨,二氧化硫减排113吨。3、福建省在永武高速公路一期路段上,建设了金鸡岭隧道太阳能发电系统和闽粤主线站太阳能发电系统。4、四川省据2012年5月报道,四川省首个光伏发电高速公路服务区加油站在盐边落成,这是四川省内首个利用太阳能光伏发电系统的高速公路服务区加油站。该项目位于攀西高速新九段附近的攀枝花服务区内,由164块太阳能光伏电池板组成30千瓦光伏发电系统。项目主要由20千瓦的微网固定系统和10千瓦的微网跟踪系统组成,总投资135万元,总装机容量30千瓦,预计日用负荷可达15千瓦至20千瓦,全部供给高速公路攀枝花服务区加油站的生产和照明使用。5、其它从2011年起,国内也有一些公司开始着手太阳能声屏障、太阳能停车棚的研发、生产和推广应用。太阳能的最大的优点之一是它几乎可以在任何地方不限规模的使用。由于公路两侧的隔音板没有充分利用起来,加上道路声屏障具有较大朝阳空间的特点,因此,高速公路声屏障加装光伏组件无疑是上佳选择。
    七、关于造价和效益 1、造价估计由于国外已经建成的太阳能高速公路很少,很多国家尚处于摸索和试验阶段,因此,确切的造价估算很困难,笔者只是收集到国外一些零碎的数据供参考。   提出“太阳能公路”设想的布鲁索夫妇认为,太阳能公路的成本约是传统公路造价的3倍。大体上,国外的试验性太阳能高速公路的路面造价约为每平米500美元。按此推算,每公里车道的造价为175万美元,四车道太阳能高速公路每公里的造价为700万美元,按照当前的换算率,约为4400万人民币。根据刘汉元委员的估算,按照当前的建设水平,每公里车道的光伏电站建设的成本可控制在230万元左右。2、效益情况由于目前国外尚未建成一条完整的、真正意义上的太阳能高速公路或太阳能公路,因此也谈不上有确切的效益数据,多数都是估计或推测,但作为参考还是可用的。至于社会效益,大家都是公认的:环保、绿色、节能、安全,节省大量土地,还能与市电并网提供居民用电等。关于经济效益,在前面的介绍中,已经提到一些,发电量多少、可节约多少吨标煤、石油,减排多少吨二氧化碳……;按照现有的补贴及脱硫电价计算,每年可直接产生多少亿元的经济效益等。下面列举一些预测的数据做参考:1)国外情况-美国一段一公里长的四车道高速公路发电量可供300个家庭使用。-美国加州101国道上七座太阳能高架,其光伏系统可以生产15兆瓦的电量。-意大利A18公里长30公里,沿线安装的太阳能光伏装置将百分之百满足沿线80万个设施的电力需求。路面上的光伏设备每年发电量为1200万千瓦时,相当于每年节约31万吨石油,并减排10万吨二氧化碳的排放量。-荷兰铺设的太阳能道路,每平方米能生成约50千瓦时的电能,而荷兰每个家庭的年耗电为3500千瓦时,故70平方米的太阳能道路就可以提供一个家庭的用电量。…………2)国内情况刘汉元委员分析,到2012年底,我国的高速公路总里程已达9.62万公里,全国高速公路的车道里程为42.46万公里。按照每条车道3.5米计算,单条车道的空间面积约为3500米2。如果实际装机容量按15米2/千瓦计算,则每公里的光伏容量为230千瓦,。而全国高速公路仅车道总面积就达14.86亿米2,如利用全国高速公路建设太阳能光伏电站,总装机容量近1000亿瓦;即便只有50%的高速公路具备装机条件,装机容量也可达500亿瓦,远远超过全国现有总装机容量,年发电量可达490亿度,约占全国全年消耗量的9%,且每年能节省标准煤1953万吨,二氧化碳减排5200万吨,按照现有的补贴及脱硫电价计算,每年可直接产生450亿元的经济效益。高速公路建设太阳能光伏电站,单车道每公路每年的发电量就可直接产生大约25万元的财富,而同等单车道每公里对应的农田每年的收益仅为2000元左右。  刘汉元说,充分利用我国高速公路沿线及其服务区、停车场,推动太阳能光伏电站建设,能满足高速公路沿线通信设施、视频监控系统、服务区等运行用电需要。“光伏电站的物理结构还可以为高速公路遮阳挡雨,避免强光照射使驾驶员眩晕,同时,高速公路的预防性养护对于降低养护成本、减少因道路性能下降导致恶性交通事故发生的风险具有重要意义。” 八、存在的主要问题 如上所述,要实现太阳能高速公路必须解决两个关键问题:路面结构和造价。1、路面材料摸索前面已经介绍,太阳能高速公路的路面分为三层,其中最上层为透明的保护层。该层有两个作用:一是保护内部的太阳能光伏组件,同时也让太阳光透过;二是要承载路面上各种载荷的正常通过,即要满足作为路面的所有一切条件,如坚硬度、粗糙度和摩擦力等。 由此可见,太阳能高速公路的路面既要满足规定的交通需求(足够的强度、稳定性、耐久性以及平整性和抗滑的要求等),又要满足接收足够的太阳光的辐射量,即保证光伏电池组件的转换效率。目前,国外的科技人员正在研究和寻找这种特殊的新型路面光学材料。据报道,最有可能满足上述要求的是透明陶瓷、聚光透镜或钢化玻璃等。透明陶瓷是一种光学陶瓷,它像玻璃一样透明。透明陶瓷的机械强度和硬度都很高,能耐受很高的温度,即使在一千度的高温下也不会软化、变形、析晶。电绝缘性能、化学稳定性都很高。据报道,布鲁索夫妇经过多次试验后,已经成功地研发出一种高硬度又具有浮凸结构的玻璃做太阳能电池板的路面。这种特殊的玻璃和传统的玻璃相差甚远。目前,国外有些机构正在研究和开发能够满足太阳能高速公路上所用的透明陶瓷和聚光透镜。2、造价高太阳能高速公路造价高是影响其发展和推广应用的主要因素之一。据报道,国外的试验性太阳能高速公路的路面造价约为每平米500美元。按此推算,每公里车道的造价为175万美元,四车道太阳能高速公路每公里的造价为700万美元,按照当前的换算率,约为4400万人民币。美国有关机构曾经测算过,如果美国的公路都能实现太阳能公路,虽然美国的能源有望摆脱石油的束缚,但保守的估计铺设的成本都得几百万亿美元!所以,只有大大降低太阳能电池板的成本,上述的计划才能真正的得以实现。根据刘汉元委员的说法,按照当前的建设水平,每公里车道光伏电站建设成本可控制在230万元左右。3、路面维护复杂太阳能高速公路的路面维护主要考虑两个问题:路面破损后的维修和透光面(透明陶瓷或聚光透镜)的日常性清洁。由于太阳能高速公路的路面是以独立的单元形式出现的,因此,维修工作比较简单,更换破损的单元即可。透光面的日常性清洁工作是确保太阳能光伏组件的转换效率,具体做法可应地制宜。4、安全问题安全问题包括被破坏(人为破坏和自然破坏)和被盗等两大类。一般来说,高速公路的外场设施都存在这个问题,这是一个共性的问题。可以相信,随着我国社会主义精神文明建设的不断深入,人的素质不断提高,加之有有效的监管措施,这类问题会不断地得到解决的。 2014年,国家能源局发布《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》(国能新能[2014]406号),鼓励开展多种形式的分布式光伏发电应用。通知中提出“鼓励在火车站(含高铁站)、高速公路服务区、飞机场航站楼、大型综合交通枢纽建筑、大型体育场馆和停车场等公共设施系统推广光伏发电”、“因地制宜利用废弃土地、荒山荒坡、农业大棚、滩涂、鱼塘、湖泊等建设就地消纳的分布式光伏电站”。由此可见,国家对于分布式光伏发电是非常鼓励和支持的,近年来出台了许多相关政策和规定。可以相信,随着科技水平的不断发展,研发资金的不断投入,关键技术问题和关键材料逐步得到解决,太阳能高速公路的建设成本也会不断降低,预计在不远的将来,在我国的大地上会出现首条太阳能高速公路。笔者建议有关主管部门和单位高度重视这个问题,并组织相关人员进行研究、谋划,论证其实现的可能性,根据现有条件,进行必要的试点,并逐步推广。 参考资料:1、刘汉元 利用国内高速公路建设太阳能光伏电站[Z]  新浪财经 2013.3.3 2、欧英雷 利用高速公路实现太阳能光伏发电的构想[J]  广东科技 2012.8:218~219    (原文刊载于2015年第5期《中国交通信息化》杂志上,原文章名《太阳能(高速)公路综述》,作者单位为中电科技集团第54研究所)
    责任编辑:佚名
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