二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)
2.1路面太陽能利用技術(shù)
目前國外對于路面太陽能的開發(fā)利用主要是采用光熱轉(zhuǎn)換的集熱法，以此收集的能量可用來供暖、發(fā)電和融雪化冰等。世界上第一個(gè)在瀝青路面收集太陽能的公司是荷蘭的OomsAvenhorn Holding公司，其開發(fā)了一種道路能量系統(tǒng)(Road Energy System)，該系統(tǒng)能使夏季的路面冷卻，冬季的路面防止結(jié)冰[1]。1998年，針對在日本早期鋪筑的19項(xiàng)地面集熱蓄能融雪化冰試驗(yàn)工程，日本北海道大學(xué)研究者們進(jìn)行了綜合對比分析。研究表明，平均地面集熱率可達(dá)36%，北海道地區(qū)的季節(jié)變化可以實(shí)現(xiàn)用能與蓄能的基本平衡。還有英國的跨季熱量傳遞技術(shù)、美國的地源熱泵技術(shù)以及我國的太陽能土壤蓄熱系統(tǒng)和瀝青路面融冰雪系統(tǒng)等。但是，此種集熱技術(shù)的熱能轉(zhuǎn)換效率較低，施工維護(hù)困難，難以大規(guī)模推廣。
光伏發(fā)電系統(tǒng)目前在道路工程中雖然得到應(yīng)用，但主要是將光伏太陽能電池板安裝在路面以外的附屬設(shè)施中。在英國及其他國家已經(jīng)研究并開發(fā)了一種LED路釘，在2010年，美國華盛頓州交通運(yùn)輸部進(jìn)一步研究了一種太陽能LED燈，其結(jié)構(gòu)由LED燈與太陽能電池板組成，釘在車道邊緣，起到警示作用[3]。此種利用能源的方式僅能獲取非常有限的能量，且并未達(dá)到擴(kuò)展路面功能的目的。
由于集熱法的局限性，科學(xué)家們基于光伏發(fā)電系統(tǒng)原理將光電轉(zhuǎn)換技術(shù)與路面本身結(jié)合，提出太能能路面板塊等相關(guān)概念。2006年，美國愛達(dá)荷州塞格爾市的電氣工程師Scott Brusaw提出采用光伏太陽能電池板替代傳統(tǒng)路面的創(chuàng)新構(gòu)想，稱之為“太陽能路面”(Solar Roadways)，并得到了美國聯(lián)邦公路局(FHWA)的資助[4]。其原型太陽能路面由三層結(jié)構(gòu)組成，即底層隔水板、中層光伏太陽能電池板和表層透明或半透明透光保護(hù)板，見圖1所示。2014年，該公司成功鋪筑了一個(gè)停車場[5]，其表層玻璃板為特別材料制得，強(qiáng)度、抗滑性、耐磨性可滿足路用性能要求，但造價(jià)不菲。2014年，荷蘭鋪筑并開放了一段太陽能自行車道，見圖2。這條自行車道路號稱世界第一條由太陽能結(jié)構(gòu)單元組成的公共道路[6]，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為表面為玻璃板，中層為太陽能電池板，混凝土將電池板包裹在內(nèi)中起到保護(hù)的作用，其行駛舒適度與普通道路無異，但僅能承載自行車及行人的荷載。盡管太陽能路面板塊尚具有很多局限性，但由于其可預(yù)制、施工維護(hù)簡易快捷、且具有綠色交通和智慧交通的特性，已悄然成為道路、能源、材料和電子等多個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。
 
圖1 太陽能路面板塊結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 太陽能自行車道示意圖
2.2自密實(shí)混凝土
光伏太陽能空心板路面板塊的基體一般為自密實(shí)混凝土，自密實(shí)混凝土這一概念最早由日本學(xué)者Okamura于1986年提出[7]，屬于一種高性能混凝土。自密實(shí)混凝土拌合物的自密實(shí)過程為：粗骨料懸浮在具有足夠粘度和變形能力的砂漿中，在自重的作用下，砂漿包裹粗骨料一起沿模板向前流動(dòng)，通過鋼筋間隙、進(jìn)而形成均勻密實(shí)的結(jié)構(gòu)[8]。自密實(shí)混凝土相比于普通混凝土具有以下優(yōu)點(diǎn)[9]：（1）具有卓越的流動(dòng)性和自填充性能，不需人工額外振搗密實(shí)，依靠自重充模、密實(shí)。（2）填充密實(shí)，避免了原始缺陷的產(chǎn)生，具有足夠的耐久性。（3）澆注速度快，簡化了施工工藝，提高了施工效率，降低了人工成本。
現(xiàn)階段研制出來的自密實(shí)混凝土具有許多優(yōu)點(diǎn)，但配合比設(shè)計(jì)也比普通混凝土要復(fù)雜一些，國內(nèi)外對自密實(shí)混凝土的設(shè)計(jì)理念也不盡相同[10]。日本東京大學(xué)最早進(jìn)行了自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法研究，提出了所謂的自密實(shí)混凝土原型模型方法(prototype method)，后來日本、泰國、荷蘭、法國、加拿大、中國等國的學(xué)者進(jìn)一步進(jìn)行了自密實(shí)混凝土的設(shè)計(jì)方法研究[11]，中國土木工程學(xué)會(huì)編制的《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》中，推薦的是一種固定砂石體積含量法，是對日本學(xué)者Okamura的原型模型方法的改進(jìn)，即先設(shè)定砂石體積，再求得漿體體積，再根據(jù)強(qiáng)度要求的水膠比，求得用水量和摻和料用量[12]，我國吳中偉院士也曾對這種方法做過介紹[13]。龍廣成、謝友均等研究了一種基于骨料間距模型的配合比設(shè)計(jì)方法，即將混凝土視為粗骨料和砂漿組成的兩相混合體系，則保證流動(dòng)性的條件是相鄰粗骨料之間應(yīng)存在足夠的間距，即漿體層[14]。我國住建部在2012年發(fā)布了《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，推薦自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)采用絕對體積法[15]。
2.3太陽能水泥混凝土空心板
水泥混凝土空心板結(jié)構(gòu)常用于建筑或者橋梁，制作成的空心樓板或者空心橋面板，具有節(jié)約材料、減輕結(jié)構(gòu)自重等優(yōu)點(diǎn)。研究人員通過有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)性能數(shù)值模擬對于空心樓板結(jié)構(gòu)，湖南科技大學(xué)的譚磊和劉錫采用ANSYS分析了現(xiàn)澆混凝土空心樓板的變形特征、內(nèi)力分布規(guī)律等，得出了空心板塊的空腔會(huì)使得空心板在局部出現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變較大的現(xiàn)象[16]。簡政和趙良華等人研究空心樓板的計(jì)算方法，提出了一種將混凝土空心板轉(zhuǎn)化為等效實(shí)心板的合理可行的計(jì)算方法[17]。
水泥混凝土空心板應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)時(shí)，尹德清選用有限棱柱法對空心路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論上的應(yīng)力應(yīng)變分析, 同時(shí)對試驗(yàn)路通車后的使用情況進(jìn)行了觀測，分析了空心路面的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，表明了空心路面結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中應(yīng)用是可行的[18]。重慶建筑大學(xué)的洪桔、周志祥等人針對傳統(tǒng)道路修筑方式的缺陷, 提出了一種有效節(jié)省路面造價(jià)的新型的道路結(jié)構(gòu)體系——連續(xù)砼空心板式道路[19]。
2013年，長沙理工大學(xué)的查旭東、曾軍設(shè)計(jì)了一種路面空心板塊結(jié)構(gòu)，由表層透光保護(hù)板、中層光伏太陽能電池板和底座預(yù)制混凝土空心板三層組成，即將太陽能電池板放置在中間鏤空的空心板塊面層結(jié)構(gòu)中，既保證太陽能電池板的壽命，又具有一定的承載能力[20]。2014年，長沙理工大學(xué)的查旭東、蔡良等進(jìn)一步優(yōu)化了太陽能路面空心板塊結(jié)構(gòu)，并制作相應(yīng)的實(shí)體模型，見圖5。對該模型的力學(xué)性能和發(fā)電效能進(jìn)行了測試，為研究太陽能空心板塊路面結(jié)構(gòu)提供理論和實(shí)體參考[21,22]。
圖5 太陽能路面空心板示意圖
2.4菲涅爾透鏡
目前，在太陽能聚光利用中研究最廣泛的是菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡是由由聚烯烴材料注壓而成的薄片，由平凸透鏡演變而來，鏡片表面一面為光面，另一面刻有一系列同心棱形槽，如圖6所示。菲涅爾透鏡每個(gè)環(huán)帶都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的折射面,這些棱形環(huán)帶都能使入射光線會(huì)聚到一個(gè)共同的焦點(diǎn)上。由菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)出的聚光器與傳統(tǒng)的聚光器相比，其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，質(zhì)量輕，透光率高，方便制造。
菲涅爾透鏡最早由法國物理學(xué)家菲涅爾（A. J. Fresnel）在1822年提出。近些年來，菲涅爾集光器幾乎占據(jù)光學(xué)收集器件半壁江山，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和個(gè)人從不同角度對其進(jìn)行了研究。從研究范圍來看，對菲涅爾透鏡的研究涵蓋了材料本身的光學(xué)性能、鏡面的楞型結(jié)構(gòu)、跟蹤系統(tǒng)、焦斑的位置大小尺寸以及焦斑的能量分布等多個(gè)方面。
早在1970年左右，美國NASA概述了太陽能菲涅爾聚光器的設(shè)計(jì)方法，為后人研究菲涅爾聚光器給予指導(dǎo)作用[23]；成立于1986年的美國菲涅爾透鏡科技公司，較早從事菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，并頗有成就[24]；美國Amonix公司已利用菲涅爾透鏡建造了高聚光的光伏發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)Wagner等提出利用菲涅爾透鏡進(jìn)行太陽光譜分離的研究，企圖設(shè)計(jì)出效率超過 50％的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)[25,26]。O’Neil[27,28]設(shè)計(jì)了一種新型、高效、輕便可用于空間聚光光伏發(fā)電的點(diǎn)聚焦曲面菲涅爾透鏡陣列。2010年IBM 公司利用菲涅爾透鏡進(jìn)行聚光并將其投射到太陽能電池板上，通過這種方法，成功將230W的太陽能轉(zhuǎn)化成了70W的電力，轉(zhuǎn)化效率約為傳統(tǒng)的5倍。
目前，國內(nèi)對于菲涅爾透鏡的研究也較多，早在1991年，郭孝武對太陽能利用中幾種菲涅爾透鏡進(jìn)行了對比分析,導(dǎo)出了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)公式,只要改變某些參數(shù)就可用來設(shè)計(jì)不同的菲涅爾透鏡，后續(xù)的研究者在此基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)出菲涅爾透鏡效率的計(jì)算[29]；2001年，航天科技集團(tuán)公司蘭州物理研究所張明等對平板點(diǎn)聚焦菲涅爾太陽聚光透鏡進(jìn)行研究，給出了點(diǎn)聚焦透鏡的設(shè)計(jì)方法，討論了設(shè)計(jì)參數(shù)對透鏡光學(xué)效率的影響，為這類透鏡的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[30]；2003年，汪韜等采用熱壓成型工藝以聚甲基丙烯酸甲脂為材料加工成型點(diǎn)聚焦菲涅爾聚光透鏡，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺測試了該菲涅爾線透鏡提高太陽電池的單位輸出功率的效果[31]；2008年哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉穎系統(tǒng)地論述了太陽能聚光器能流密度分布理論[32]；2008年寧鐸等提出免跟蹤透射式太陽聚光器的設(shè)計(jì)思路[33]；2009年姚敘紅等對菲涅爾透鏡提高太陽能利用率的研究，分析了菲涅爾透鏡在提高太陽能利用率時(shí)的各種損失因素；2011年華中科技大學(xué)姚家偉等提出焦點(diǎn)均勻分布點(diǎn)式菲涅爾太陽能聚光器的設(shè)計(jì)方法[34]?？梢娫诂F(xiàn)在太陽能應(yīng)用蓬勃的今天，菲涅爾聚光器的研究仍然是一重大課題。2013年，中國計(jì)量學(xué)院陳志明為此設(shè)計(jì)和搭建一套菲涅爾透鏡聚光性能測試系統(tǒng)，并通過軟件模擬和實(shí)驗(yàn)測試對菲涅爾透鏡聚光性能進(jìn)行研究[35]。
 
圖6 菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)示意圖 圖7 菲涅爾透鏡
2.5分析總結(jié)
國內(nèi)外已經(jīng)有許多對于路面太陽能利用技術(shù)的研究，包括光-熱轉(zhuǎn)換和光-電轉(zhuǎn)換兩大類，但是太陽能路面板塊的研究才剛剛起步，方興未艾，因此研究一種經(jīng)濟(jì)節(jié)約，結(jié)構(gòu)承載力，抗滑性，發(fā)電效能均滿足使用要求的太陽能路面板塊是具有理論及實(shí)際意義的?，F(xiàn)有的太陽能路面板塊的表層多選用特制的玻璃，優(yōu)點(diǎn)是透光性能強(qiáng)，缺點(diǎn)是抗滑性不足，承載力有限，且造價(jià)高昂。因此本文考慮引入一種光伏太陽能路面空心板塊結(jié)構(gòu)來作為板塊基本單元，同時(shí)滿足透光和路用性能要求。
項(xiàng)目前期已對增強(qiáng)自密實(shí)混凝土的路用性能及強(qiáng)度進(jìn)行研究，優(yōu)化自密實(shí)混凝土的配合比，并配制出可自行流動(dòng)成型，無需振搗即可密實(shí)填充模具各個(gè)角落的自密實(shí)混凝土。在此基礎(chǔ)上我們將設(shè)計(jì)一種更為合理的基于菲涅爾透鏡的光伏太陽能路面空心板塊結(jié)構(gòu)單元，利用力學(xué)知識以及ANSYS有限元分析軟件，擬定合理的板塊模型尺寸，同時(shí)設(shè)計(jì)菲涅爾透鏡聚光板塊及其凸起設(shè)計(jì)，利用光學(xué)知識以及TracePro光學(xué)模擬軟件對菲涅爾透鏡聚光原理進(jìn)行分析，得到菲涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)及透光、聚光性能并對其抗滑性能進(jìn)行研究。對光伏太陽能路面空心板塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)模具并對其施工維護(hù)方案進(jìn)行研究。最后通過制作實(shí)體模型，進(jìn)行板塊應(yīng)用于工程實(shí)踐的可行性分析。使其滿足路用性能的同時(shí)有良好聚光能力和抗滑性能且便于施工維護(hù)。
對成型光伏太陽能路面空心板塊進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)、路用性能試驗(yàn)，得到板塊用于路面的技術(shù)可行性參數(shù)，同時(shí)對模型發(fā)電效能進(jìn)行測試，依照試驗(yàn)結(jié)果推算模型費(fèi)用效益比進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。
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