日前，我國首條“超級高速公路”杭紹甬智慧高速公路即將開建，與普通高速公路不同的是，該公路將采用光伏路面，同時將設(shè)置自動駕駛專用車道，支持全線自動駕駛車輛自由行駛。

科幻般“黑科技”展現(xiàn)的場景令人期待。然而，由于過去全球在光伏公路實(shí)踐中有著并不完全成功的“前車之鑒”，也有人對光伏公路的建設(shè)與前景表示質(zhì)疑。

光伏公路究竟是未來智慧交通之創(chuàng)舉？還是曇花一現(xiàn)的“天方夜譚”？

瞄準(zhǔn)智慧交通的探索

太陽能作為一種具有來源廣泛、巨量永續(xù)、清潔無污染等特點(diǎn)的可再生能源被用于各個行業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前，伴隨著電動汽車的迅速發(fā)展、智慧交通系統(tǒng)的建設(shè)，把太陽能應(yīng)用于公路建設(shè)也顯現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

“光伏公路是一種瞄準(zhǔn)未來交通工具的路面形式。”同濟(jì)大學(xué)道路與機(jī)場工程系教授張宏超告訴《中國科學(xué)報》，2017年，由他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)主持設(shè)計，在山東濟(jì)南南繞城高速公路G2001建成了世界首條光伏路面高速公路試驗(yàn)段（以下簡稱濟(jì)南試驗(yàn)段）。

簡溯道路和交通工具發(fā)展史可以看出，道路工程因人們的出行需求和交通工具的變化而改變。馬車時代，由于對道路平整性、強(qiáng)度的要求并不高，道路以土路、碎石路面為主；進(jìn)入汽車時代，由于對道路承載力、強(qiáng)度、平整性等路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計要求的提高，開始修筑瀝青和混凝土鋪裝的公路；近年來，隨著無人駕駛、智能電動汽車等技術(shù)的不斷完善，尤其是特斯拉、谷歌、百度等全球高科技企業(yè)紛紛進(jìn)行技術(shù)測試，未來汽車的方向必將更加智能化，因此，需要有新的道路形式滿足于新型交通工具的出現(xiàn)。

光伏公路屬于諸多道路形式探索的其中之一。

事實(shí)上，世界部分國家紛紛開展光伏公路的研究和嘗試。據(jù)已有相關(guān)報道梳理，2014年，愛達(dá)荷州的Brusaw夫婦歷時7年設(shè)計出多層六邊形的太陽能面板，同時改進(jìn)玻璃面板并預(yù)埋設(shè)加熱絲，最終在社區(qū)公路建設(shè)太陽能公路。2014年，荷蘭建造了一條社區(qū)太陽能公路，由安裝太陽能電池的混凝土模塊和一層薄薄的鋼化玻璃組成，但只允許自行車和行人上路，不對機(jī)動車開放。2016年，法國在諾曼底地區(qū)建成了法國首條太陽能公路，該公路既可支撐5000人口小鎮(zhèn)的日常公共照明用電，又能承受車輛行駛和極端天氣。

我國雖起步較晚，但在部分基礎(chǔ)材料探索、結(jié)構(gòu)設(shè)計、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方面處在國際前列。

例如，濟(jì)南試驗(yàn)段的建設(shè)意味著我國在光伏路面承載結(jié)構(gòu)和透光磨耗層材料方面獲得重大技術(shù)突破，該路段被認(rèn)為是全世界承載能力最高和交通量最大光伏路面。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，濟(jì)南試驗(yàn)段和即將開建的杭紹甬智慧高速公路均采用了三層設(shè)計，最表層的透光混凝土路面層，中間夾層為光伏面板，以及還有既有對光伏面板的物理保護(hù)作用又防水防潮的絕緣層

“光伏路面是一種跨界技術(shù)，涉及道路工程、光電新能源、智能汽車等領(lǐng)域。”張宏超表示，它不僅可進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電，滿足電動汽車的需求，更重要的是智能化，迎合未來“智慧交通”的發(fā)展，例如：提供車路信息交互、自動引導(dǎo)等服務(wù)。

他坦承，作為一項(xiàng)具有超前性、前瞻性的科學(xué)研究，距離實(shí)踐落地還有很長一段路要走，需要多學(xué)科、共同努力，“這是一項(xiàng)探索性工程，作為高校科研工作者，我們的職責(zé)和期待是先在基礎(chǔ)研究上取得突破。”

“不突破傳統(tǒng) 難有大創(chuàng)新”

古往今來，所有的技術(shù)探索、新事物的誕生并非一蹴而就，光伏公路亦是如此。

光伏路面讓普通路面既承擔(dān)原有承載車輛運(yùn)行的功能，又兼具“移動充電寶”和“智能交警”，甚至對周邊社區(qū)提供電力服務(wù)等多樣化的服務(wù)功能。這對光伏路面的鋪面材料、工程建設(shè)、以及光電轉(zhuǎn)化效率等關(guān)鍵技術(shù)提出了更高的難度和挑戰(zhàn)性。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員魯越暉告訴《中國科學(xué)報》，據(jù)現(xiàn)有了解，目前主要有鋼化玻璃、透明陶瓷、復(fù)合樹脂3類鋪面材料，在車輛載重較大、行駛速度較快的路面上，對材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐候性、平整度及摩擦系數(shù)等要求非常高。

“由于傳統(tǒng)光伏組件中通常由電池片通過EVA膠與保護(hù)材料及反射背板構(gòu)成封裝，一旦需要替換保護(hù)材料則需要重新進(jìn)行封裝，因此也需考慮其破損替換及日常清潔問題；此外，相對于傾斜安裝的傳統(tǒng)光伏組件，污染物在平鋪的光伏路面上更不易滑落以及清洗，這需要鋪面材料具有更好的耐污特性。”魯越暉說。

魯越暉所在團(tuán)隊(duì)目前正利用“表面功能化減反技術(shù)”探尋研發(fā)適合的材料。“減反技術(shù)的原理是通過薄膜的相消干涉，減少光伏玻璃與空氣界面間的光反射，使得更多的太陽光可以進(jìn)入到組件中參與光電轉(zhuǎn)換，可提高電力輸出功率。”魯越暉認(rèn)為，以光伏路面的形式鋪設(shè)，無疑會對減反膜的硬度和耐磨性方面提出相當(dāng)高的要求。此外，關(guān)注減反膜表面功能化如自清潔、防塵等的研究，對于降低光伏公路實(shí)際運(yùn)維成本，減少空氣中的塵埃、鳥糞等在路面的附著，保證發(fā)電功率的穩(wěn)定輸出均具有較大意義。

張宏超表示，目前他們團(tuán)隊(duì)正在探索光學(xué)混凝土材料。“混凝土材料是沒有能透光的，如果能讓傳統(tǒng)的混凝土材料具有透光性，將會是一大進(jìn)步，它可直接作為光伏路面表面層，起到保護(hù)支撐、加固強(qiáng)度等作用。此外，這種材料不只是用于光伏路面，探索不同透光率的混凝土材料，可適應(yīng)于不同的應(yīng)用場景。”

另外，在新的光伏發(fā)電材料和光伏路面結(jié)構(gòu)方面，張宏超也正對其進(jìn)行改進(jìn)研究。

基于濟(jì)南試驗(yàn)段的探索，張宏超總結(jié)到，首先，室外環(huán)境對光伏路面的侵蝕來源復(fù)雜廣泛，尤其是電化學(xué)腐蝕比較嚴(yán)重；再者，光伏路面的快速養(yǎng)護(hù)和維修是很大的挑戰(zhàn)；此外，還存在著整個產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)與配套問題。

“這是新事物，技術(shù)復(fù)雜度集成度高，在探索過程中問題層出不窮也是正常的，遇到問題我們便研究解決問題。但是，如果不突破傳統(tǒng)思維，就不可能有很大的創(chuàng)新。”張宏超說，“這次，是我們在前面探路，讓別人學(xué)習(xí)我們。”

無線充電加持

光伏路面技術(shù)是邁向智慧交通的目標(biāo)進(jìn)行的一次技術(shù)創(chuàng)新。在張宏超看來，綠色環(huán)保、安全智能，是智慧交通必然的發(fā)展方向。

魯越暉充滿期待，“光伏公路或類似技術(shù)與其它技術(shù)的交叉融合必將會給人們未來的交通出行帶來更大的便利和更好的體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)諸如自動融冰化雪、路面交通信息動態(tài)智能顯示等”。

重慶大學(xué)自動化學(xué)院教授、無線電能傳輸技術(shù)團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人孫躍告訴《中國科學(xué)報》，智慧交通的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)行（包括車輛）的自動化、智能化和無人化。“智慧交通既有路的事、更有車的事。光伏路面的建設(shè)與電動車無線充電相結(jié)合，為真正的無人化智能交通提供完整的解決方案。”

那么，如何將兩者相結(jié)合？需配套怎樣的電動車無線充電技術(shù)？

孫躍指出，將“光伏+無線充電+智能管理”作為智能交通的支撐平臺，一定要把車輛技術(shù)納入一并考慮，形成一種“車中有路-路中有車”的協(xié)同思維模式。

同時，道路（包括光伏路面）的規(guī)劃與建設(shè)，必須充分考慮未來電氣化交通工具（電動車輛）的電能實(shí)時補(bǔ)給解決方案。而電能補(bǔ)給方案有兩種方式：定點(diǎn)駐車無線充電和定線路行駛過程中的無線供電，用來解決電能及時動態(tài)補(bǔ)給問題。“車輛電能的無線補(bǔ)給是制約“智慧交通”真正無人化的關(guān)鍵要素之一。”孫躍說。

他表示，集光伏發(fā)電、動態(tài)無線充電、無人駕駛于一體是未來智慧交通的一項(xiàng)前瞻性和引領(lǐng)性的技術(shù)和解決方案。2018年，由江蘇方天電力技術(shù)有限公司聯(lián)合國內(nèi)有關(guān)高校在江蘇同里小鎮(zhèn)建設(shè)了一條“三合一”電子公路，實(shí)現(xiàn)了電動車全路段動態(tài)無線充電。孫躍介紹，該系統(tǒng)包括幾百米地面充電線圈（鋪設(shè)在光伏路面下面）、原級電能變換與供電線圈驅(qū)動裝置、車載電能變換與控制器等。設(shè)計最高車速120公里/小時，動態(tài)充電效率85%以上。“基本完全實(shí)現(xiàn)車輛邊跑邊充全過程的無人化和智能化。”

不過，在走向產(chǎn)業(yè)化過程中還存在一些需要解決和改善的問題，比如車載裝置輕量化和小型化、全系統(tǒng)低成本建設(shè)與運(yùn)行、以及充電效率進(jìn)一步提升等。

“跨行業(yè)合作是一種行之有效的模式，可由政府和企業(yè)（行業(yè)）投入，行業(yè)帶動，政產(chǎn)學(xué)結(jié)合進(jìn)行開發(fā)和推廣。”孫躍建議。

專家們表示，目前在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，我國與國際基本處在同一起跑線，積累了較為深厚的基礎(chǔ)和優(yōu)勢，面對新一輪的產(chǎn)業(yè)格局變化，還需要基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)持續(xù)跟進(jìn)，國家和各行業(yè)的鼎力支持。

智慧交通到來尚需時日，但未來前景可期。

來源：中國科學(xué)報 作者：韓揚(yáng)眉