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太阳能路面研究现状及展望

长安大学学报（自然科学版） 2020年第1期40卷 16-29页

作者：胡恒武查旭东岑晏青蒋海峰王子威吕瑞东长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410114 交通运输部公路科学研究院北京100088

为了促进太阳能光伏发电路面的研究与应用,通过搜集整理国内外相关文献资料,总结分析了太阳能路面的结构组成、工作原理与研究进展,以及目前各种结构模型的特点和存在问题,对比评价了几种典型的太阳能路面试验工程,据此对太阳能路面未... 详细信息

为了促进太阳能光伏发电路面的研究与应用,通过搜集整理国内外相关文献资料,总结分析了太阳能路面的结构组成、工作原理与研究进展,以及目前各种结构模型的特点和存在问题,对比评价了几种典型的太阳能路面试验工程,据此对太阳能路面未来所面临的挑战和发展趋势进行了分析与展望。研究结果表明:太阳能路面主要由透光抗滑表层、光伏电池中层和隔水保护底层3层组成,能同时满足交通运输和清洁发电的功能要求;其结构型式总体可分为实体板块和空心板块两类,前者具有良好的承载能力和稳定性,但无法兼顾中层电池板的压裂失效和摆放角度等问题,而后者则可有效避免这些问题,但要做好密水或防排水措施;因结构和材料不同,导致国内外太阳能路面试验工程在板块单元尺寸、路面铺设方式、表层抗滑纹理、中层太阳能电池选型及造价等方面存在差异,且在重载交通、材料性能退化、假设条件理想化和自然环境等因素的影响下,使得实际发电效能和使用寿命等均未能达到预期效果。未来研究应主要对结构设计理论与方法、各结构层的设计与制备、性能测试与评价标准、整体结构制备与施工工艺、养护与维修、发电系统组装与智慧道路系统集成、多元化设计及性价比等基础问题进行突破,从而建立一套可靠完整的太阳能路面建管养体系。

关键词：道路工程太阳能路面综述光伏发电智慧交通

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太阳能路面能量转化与路表性能研究

中外公路 2018年第5期38卷 78-83页

作者：赵亚兰郭红兵 Azin Sadeghi Dezfooli Fereidoon Moghadas Nejad Hamzeh Zakeri Sholeh Kazemifard 陕西交通职业技术学院陕西西安710018 长安大学公路学院

为了研究和评估太阳能路面作为可持续能源生产提供电能的可行性,研究团队构建了"太阳能电池板"(将太阳能电池嵌入橡胶和"树脂玻璃"之间)和"太阳能路面"(将太阳能电池嵌入两个多孔橡胶层之间)两种新型路面结构模型,两者均能吸收太阳能并... 详细信息

为了研究和评估太阳能路面作为可持续能源生产提供电能的可行性,研究团队构建了"太阳能电池板"(将太阳能电池嵌入橡胶和"树脂玻璃"之间)和"太阳能路面"(将太阳能电池嵌入两个多孔橡胶层之间)两种新型路面结构模型,两者均能吸收太阳能并将其转化为电能贮存在光伏电池中。在构建路面结构组成的基础上,从能量供给、路表性能两方面对两种新型太阳能路面的使用性能进行了评价。采用摆式摩擦系数仪(BPT)和万能试验机(UTM)测定了太阳能路面的路表抗滑性能和动态特性,并对两种新型太阳能路面进行了排水性能试验;同时,为了测试太阳能路面通过太阳能电池获取电能的可行性,进行了电压(电流)测量,确定了能量转换率(PCE)。结果表明:在潮湿的环境下,"太阳能电池板"和"太阳能路面"的BPN摆值分别为42和47.8;通过排水性能试验测定的"太阳能电池板"和"太阳能路面"的平均体积流量分别为0.018L/s和0.042L/s,而传统沥青路面的排水性能试验测定值为0.0224L/s。研究结果表明:由太阳能电池和橡胶层组成的新型太阳能路面不仅可满足道路运输的安全参数,还具备发电能力,可作为一种新型路面进行研究和发展。

关键词：太阳能路面能量转换率光伏电池摆式摩擦系数仪万能试验机排水性能试验

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导光混凝土太阳能路面空心板块模拟与制备

长安大学学报（自然科学版） 2020年第1期40卷 87-96页

作者：查旭东王子威胡恒武张铖坚长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410114

为探索合理的太阳能路面结构型式,提出一种内设拱室、导光体与太阳能电池的矩形导光混凝土空心板块结构,其中每个导光体是由平凸透镜、圆台形棱镜和圆柱形导光光纤复合而成的整体构造,平凸透镜作为进光端等间距布设于空心板块表面,导光... 详细信息

为探索合理的太阳能路面结构型式,提出一种内设拱室、导光体与太阳能电池的矩形导光混凝土空心板块结构,其中每个导光体是由平凸透镜、圆台形棱镜和圆柱形导光光纤复合而成的整体构造,平凸透镜作为进光端等间距布设于空心板块表面,导光光纤底面作为出光端汇集于拱室拱顶处,从而可将路表光能汇聚传导并投射至内置太阳能电池上进行光伏发电。首先,通过三维有限元建模模拟了空心板块路面结构的受力特点,确定满足承载能力要求的空心板块适宜长、宽、高分别为50、50、17 cm,拱宽、底厚、拱高、顶厚分别为26、5、5、7 cm;其次,采用光线追踪法仿真导光体的光路传播规律,并根据导光性能和经济性优选了导光体的设计参数,即导光光纤的半径和折射率分别为3.5 mm和1.6,平凸透镜的半径和厚度分别为10.5、4.2 mm,棱镜的高度和表面反射率分别为31.1 mm和1.0;然后,提出了导光混凝土太阳能路面空心板块模型的制备工艺,并采用自密实防水混凝土和有机玻璃导光体制备了相应的空心板块试件,测试了其力学性能和发电效能。研究结果表明:空心板块路面结构的最大拉应力和最大竖向位移随着拱宽的增加而显著增加,而随着底厚、拱高和顶厚的增加而逐渐减小,且空心板块试件的最大竖向变形小,力学强度高;导光光纤半径和平凸透镜半径对导光体单日透射的总太阳能影响显著,而平凸透镜厚度、棱镜的高度和表面反射率及导光光纤折射率的影响较小,且空心板块试件的导光体数量越多,工作电压和最大输出功率越高,相应的导光和聚光效果越好,但为保证空心板块混凝土的可模性和整体强度,导光体数量宜选用81个;空心板块试件每平米的年发电量为50~90 kW·h,其增加成本可在5~10年内回收,总体经济性较好,且具有良好的社会和环境效益。因此,该结构可满足行车和发电的双重功能要求,可为太阳能路面的研究和应用提供一种可行方案。

关键词：道路工程导光混凝土机理模拟太阳能路面空心板块模型制备性能测试

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太阳能路面系统建模及电热综合性能研究

太阳能路面系统建模及电热综合性能研究

作者：李森济上海交通大学

学位级别：硕士

随着能源短缺和环境污染问题日益严重,可再生能源尤其是太阳能近年来得到快速发展,已成为能源系统的重要组成。作为现代城市重要的交通基础设施,路面在城市面积中占比很高,且由于长期暴露在阳光下,具有巨大的利用潜力。因此,本文将探讨... 详细信息

随着能源短缺和环境污染问题日益严重,可再生能源尤其是太阳能近年来得到快速发展,已成为能源系统的重要组成。作为现代城市重要的交通基础设施,路面在城市面积中占比很高,且由于长期暴露在阳光下,具有巨大的利用潜力。因此,本文将探讨将路面作为一个新的应用场景,对太阳能进行收集和利用。基于以上背景和项目需求,本研究采用理论研究、数值模拟、系统开发和实验测试的研究思路,首先开发了一种应用于实际道路的太阳能光伏路面(Pavement-integrated photovoltaic,PIPV)构件,并将该构件应用于光伏道路示范项目,对光伏技术和城市路面的结合特性进行了深入研究和探索。此外,本文还提出了一种新型的太阳能光电光热一体化路面(Pavement-integrated photovoltaic thermal,PIPVT)构件及系统,可在提高发电效率的同时对热量进行利用,达到电热联产的效果。本文结合光学、电学和热学等多学科交叉的研究方法,构建了PIPVT系统的二维非稳态数学模型,评估系统的运行性能并进行参数分析。本文还对比分析了各种太阳能路面系统,包括PIPV系统、太阳能光热路面(Pavement-integrated solar thermal,PIST)系统、PIPVT系统以及传统沥青路面的能量分布和性能差异。结果表明,开发的PIPV构件发电效率为12.43%,且具有足够的抗压强度,足以承受行人和汽车通过时的压力。PIPVT系统可实现热电联产,年平均一次能源节约(Primary energy saving,PES)效率为51.65%,具有更高的太阳能利用效率。在中国的五个典型气候区中,高原山地气候区是安装PIPVT系统的最理想地区。由于在亚热带季风气候区和温带季风气候区运行的PIPVT系统电热性能欠佳,故不建议在以上两个气候区应用该技术。与传统沥青路面相比,PIPV、PIST和PIPVT构件不仅能够减缓沥青混凝土的热老化,而且可以缓解城市热岛效应。其中,PIPVT构件的效果最好,与传统沥青路面相比,其沥青最高平均温度可降低10.57℃,可使路面对周围环境的热输出平均降低42.01%,使路面最大温度平均降低7.35℃。本文在太阳能利用技术与城市路面的结合领域进行了多方面的探讨。通过光伏路面构件的开发及项目示范,本研究对光伏路面进行了全方面的电热综合性能测试和评估。此外,所提出的光电光热一体化路面为光伏路面的散热探索了一种新的解决方案,同时也为光电光热一体化技术的应用开辟了一个全新的场景。本文还揭示了各种太阳能路面构件的电热性能差异,对太阳能路面构件的应用具有指导意义。

关键词：太阳能路面太阳能光电光热一体化城市路面热岛效应

基于透明树脂混凝土的太阳能路面材料与模型制备及性能研究

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基于透明树脂混凝土的太阳能路面材料与模型制备及性能研究

作者：李子豪长沙理工大学

学位级别：硕士

为了实现透明树脂混凝土这一新型透明材料与太阳能路面的结合,本文提出了一种基于透明树脂混凝土的太阳能路面板块模型。为此,对透明树脂混凝土开展配合比设计及路用性能测试,并优选合理的配合比类型,据此制备透明树脂混凝土太阳能路面... 详细信息

为了实现透明树脂混凝土这一新型透明材料与太阳能路面的结合,本文提出了一种基于透明树脂混凝土的太阳能路面板块模型。为此,对透明树脂混凝土开展配合比设计及路用性能测试,并优选合理的配合比类型,据此制备透明树脂混凝土太阳能路面板块模型,对其发电效能进行测试,以期为太阳能发电路面的研究应用提供科学合理的借鉴。1)根据发电效能和路用性能的要求,提出了一种基于透明树脂混凝土的太阳能路面板块结构,该结构由两部分组成,即透明树脂混凝土透光保护层和内置的太阳能电池板,其中透明树脂混凝土由不饱和聚酯树脂与废旧玻璃拌和而成。据此,对废旧玻璃集料、不饱和聚酯树脂和太阳能电池板的性能进行了检验,确定了适用于透明树脂混凝土的固化剂和促进剂掺量分别为0.8%和0.5%。2)提出了透明树脂混凝土的配合比设计目标,确定其设计指标为透光率、开路电压比率、空隙率及抗压强度。通过配合比设计和比较,发现树脂增量为5%的改良SMA-13(简称RS11-S-5%)透明树脂混凝土的综合性能最佳,参照水泥混凝土强度要求,通过中梁抗弯拉强度试验得到其抗弯拉强度为4.41MPa。3)参照沥青混合料性能要求,对RS11-S-5%的路用性能进行了检验。结果表明,其具有优良的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗渗性能和抗滑性能。眩光试验显示,其眩光能力略强于水泥混凝土,对行车安全有一定的影响。通过透光持续性试验测试了其受污染后的透光能力,其透光能力随着污染物的增加而降低。4)提出了透明树脂混凝土太阳能路面板块的制备方法,通过制备板块模型,对其进行了单日发电量测试。结果显示,在南偏西30°朝向、20°倾角及50负载的条件下,太阳能路面板块模型的单日发电量为0.152kW·h/m2,约为太阳能电池板的 16.28%。总之,本文的研究为太阳能路面的研究和应用提供了参考借鉴。

关键词：透明树脂混凝土太阳能路面不饱和聚酯树脂废旧玻璃配合比设计路用性能发电效能

基于导光混凝土的太阳能路面空心板块模型制备及性能研究

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基于导光混凝土的太阳能路面空心板块模型制备及性能研究

作者：张铖坚长沙理工大学

学位级别：硕士

为了探索合理的太阳能路面结构型式,本文提出了一种基于导光混凝土的太阳能路面空心板块结构,据此对导光混凝土太阳能路面空心板块的结构力学特性与导光体的光路传播进行模拟分析,并进行模型制备及性能研究,以期为太阳能路面的研发提供... 详细信息

为了探索合理的太阳能路面结构型式,本文提出了一种基于导光混凝土的太阳能路面空心板块结构,据此对导光混凝土太阳能路面空心板块的结构力学特性与导光体的光路传播进行模拟分析,并进行模型制备及性能研究,以期为太阳能路面的研发提供科学合理的参考依据。1)根据行车和发电的功能要求,提出了一种基于导光混凝土的太阳能路面板块结构,该结构由矩形导光混凝土空心板保护层及安置于其空腔中的太阳能电池板两部分组成。其中,空心板的空腔为抛物线拱顶形孔室,导光体由聚光透镜(凸透镜+棱镜)和导光光纤组成,可将阳光汇聚并导入孔室而投射到太阳能电池板上,实现发电功能。2)基于正交试验设计方法选取了太阳能路面空心板块结构计算参数及其取值水平组合方案,并采用三维有限元法对其受力进行了数值模拟。结果表明,孔宽对最大拉应力影响显著,基础回弹模量对最大竖向位移影响显著。通过单因素分析,确定了适宜的板块尺寸,其中板块平面尺寸为50cm×50cm,顶板和底板厚度分别为7cm和5cm,孔高和孔宽分别为5cm和26cm。3)采用单因素分析方法选取了导光体光路计算参数及其取值水平组合方案,通过光线追迹法对导光体进行了光路模拟分析。结果表明,凸透镜半径及光纤半径对导光体透光的有效时长影响显著,光纤半径对导光体透过的总太阳能影响显著。通过比选确定了适宜的导光体尺寸,其中凸透镜半径和厚度分别为10.5mm和4.2mm,棱镜长度为31.1mm,光纤半径为3.5mm。4)通过制作太阳能路面空心板块模型,测试了其发电效能及物理力学和路用性能。结果表明,太阳能路面板块的伏安特性与普通电池板的相似,最大输出功率达到1.77W,比普通电池板提高8%,单日最大发电量为0.41kW·h/m2,约为普通电池板的37.27%。同时,板块在模拟标准轴载作用下的最大竖向位移为8.55μm,平整度及抗滑性能均达到规范要求,说明其满足行车的强度和功能要求。总之,本文的研究为基于导光混凝土的太阳能路面结构提供了理论和实际依据,可为后续研究提供合理的参考。

关键词：太阳能路面导光混凝土空心板块结构有限元法光线追迹法力学性能发电效能

基于微光伏阵列的空心板块太阳能路面结构优化与模型制备

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基于微光伏阵列的空心板块太阳能路面结构优化与模型制备

作者：胡锦湘长沙理工大学

学位级别：硕士

为了研究合理的太阳能路面模型,本文提出了一种基于微光伏阵列的空心板块太阳能路面结构,通过对其力学特性和发电效能进行模拟仿真,以期提出结构尺寸、材料参数和微光伏阵列排布的优化方案,并制备模型进行性能测试验证,从而为空心板块... 详细信息

为了研究合理的太阳能路面模型,本文提出了一种基于微光伏阵列的空心板块太阳能路面结构,通过对其力学特性和发电效能进行模拟仿真,以期提出结构尺寸、材料参数和微光伏阵列排布的优化方案,并制备模型进行性能测试验证,从而为空心板块太阳能路面的研究和应用提供合理的依据。1)提出了一种基于微光伏阵列的空心板块太阳能路面结构,基于正交试验设计方法选取影响其力学特性的九个主要因素,确定了各因素取值水平组合方案,建立三维有限元模型进行了该结构的力学响应数值模拟,确定了其临界荷位为板块中心;通过正交试验结果分析及单因素敏感性分析,得到了各因素对力学响应的影响规律,优化确定了该结构的合理尺寸为70cm×70cm×25cm,空腔高度为3cm,其中透光板尺寸为60cm×60cm×0.75cm,侧壁宽和隔板厚分别为5cm和0.3cm。2)测试了光伏电池条的伏安特性,基于正交试验设计方法选取影响微光伏阵列发电效能的四个主要因素,确定了各因素取值水平组合方案,采用光伏系统设计软件对其发电效能进行了仿真分析,并结合单因素敏感性分析得到了各因素对其发电效能的影响规律,优化确定了合理的微光伏阵列排布方式,即电池组的倾角、方位角、间距和边距分别为28°,10°,12mm和18mm。3)根据力学分析对材料性能提出的要求,选取并检验了原材料,设计了聚丙烯纤维混凝土配合比,并对其性能进行了测试,结果显示其抗弯拉强度超过6MPa,表明聚丙烯纤维混凝土可用于制备太阳能路面混凝土空心板块。4)设计模具制备了微光伏阵列空心板块太阳能路面结构的室内模型,测试了其力学性能和发电效能。结果显示,在标准轴载作用下其实测最大竖向位移比有限元模拟结果减小了 4.8%,表明有限元法能较准确地模拟该模型的力学特性;同时,该模型的伏安特性与单块电池条的相似,由于电池条串联后损耗增大,其实际最大输出功率比理论值降低了 9.1%,表明其发电效能良好。总之,本文的研究结果可为微光伏阵列空心板块太阳能路面的后续研究和应用提供借鉴。

关键词：太阳能路面空心板块微光伏阵列结构优化模型制备力学性能发电效能

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欧盟开发太阳能路面的实践

全球科技经济瞭望 2017年第4期32卷 65-68页

作者：王晓松单子津中国科学技术部北京100862 中国国际核聚变能源计划执行中心北京100862

欧盟从开发利用清洁能源和降低温室气体排放等角度出发,积极推动太阳能路面的技术研发和实际应用。目前,全球第一条太阳能自行车道和太阳能公路都在欧盟成员国内建成开通,为其他国家和地区开展类似实践提供了重要的参考。本文在分析欧... 详细信息

欧盟从开发利用清洁能源和降低温室气体排放等角度出发,积极推动太阳能路面的技术研发和实际应用。目前,全球第一条太阳能自行车道和太阳能公路都在欧盟成员国内建成开通,为其他国家和地区开展类似实践提供了重要的参考。本文在分析欧盟率先开发太阳能路面的基础上,对当前全球相关研发进展做了总体剖析,提出了我国开展有关研发的若干建议。

关键词：欧盟太阳能太阳能路面

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城市慢行系统中的太阳能路面

市政技术 2022年第5期40卷 9-13页

作者：郝爽李永亮甄理杨爱斌卫星宋亮亮杨远怀北京市市政工程研究院北京100037 道能智联(北京)科技有限公司北京100088

随着科技不断创新和社会的发展,以太阳能为核心的光能路面技术因其可实现发电、发光诱导、智慧模块集成、可装配成为了当前研究的热点。因此基于光能路面的技术性能,提出了一种城市慢行系统中的太阳能路面结构,设计和实现了一种可以用... 详细信息

随着科技不断创新和社会的发展,以太阳能为核心的光能路面技术因其可实现发电、发光诱导、智慧模块集成、可装配成为了当前研究的热点。因此基于光能路面的技术性能,提出了一种城市慢行系统中的太阳能路面结构,设计和实现了一种可以用于城市慢行系统的太阳能路面模块化组件,并进行了规模化的中试试点(综合完成了发电侧和用电侧的闭环试点)。相关测试表明:其性能完全满足了城市慢行路面的需求。该研究成果为城市慢行系统的太阳能路面设计提供了一种可靠的设计思路和实现路径。

关键词：城市慢行系统太阳能路面光能路面