拉薩市城市光伏充電道路的研究

李瑞杰　陳鑫鑫　王辛巖

摘要：為節(jié)約城市土地資源，保護(hù)高原生態(tài)環(huán)境，減少電動(dòng)汽車充電時(shí)間，可以在拉薩市內(nèi)選取有條件的城市道路，使用特殊光學(xué)材料及充電軌道鋪設(shè)城市道路，從而實(shí)現(xiàn)拉薩市城市光伏充電車道的建設(shè)。

Abstract： In order to save urban land resources， protect the plateau ecological environment， and reduce the charging time of electric vehicles， it can select conditional urban roads in Lhasa and use special optical materials and charging tracks to lay urban roads to realize the construction of urban photovoltaic charging lanes in Lhasa.

關(guān)鍵詞：城市道路;光伏車道;充電車道;高原環(huán)境

Key words： urban road;photovoltaic lane;charging lane;plateau environment

中圖分類號(hào)：TM615? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）33-0146-02

0? 引言

拉薩市光伏充電道路是一種以電能為核心的新型城市道路。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，我國(guó)產(chǎn)業(yè)能消耗約占總能消耗的60%，交通能消耗約占20%，建設(shè)能消耗約占20%，根據(jù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，能源供應(yīng)的主要思路是加大供給、保障需求。住建部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心副研究員梁浩曾在《城市綠色發(fā)展需要綜合能源規(guī)劃》中提出：“每一棟樓宇既是能源消費(fèi)者，同時(shí)也是能源生產(chǎn)者，并最終形成智慧能源微網(wǎng)模式?！倍谀茉磪T乏今天，拉薩市城市光伏充電道路的研究，能有效的利用拉薩市的光能，并且解決了電動(dòng)車輛續(xù)航時(shí)間短的問(wèn)題，提高城市道路利用率的同時(shí)推進(jìn)了生態(tài)文明時(shí)代的綠色城市建設(shè)。

1? 問(wèn)題的提出

1.1 光伏車道

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能公路技術(shù)的研究主要集中在太陽(yáng)能路面發(fā)電技術(shù)以及架空式太陽(yáng)能光伏公路兩項(xiàng)，其主要架構(gòu)在高速公路上。而在城市當(dāng)中，并沒(méi)有相關(guān)光伏車道的研究。

在2017年的12月28日，中國(guó)首條承載式光伏高速公路試驗(yàn)段在濟(jì)南開始建成通車，這一“黑科技”首次在現(xiàn)實(shí)中露面?！肮夥贰睉?yīng)用的核心技術(shù)被稱為“承載式光伏路面技術(shù)”，由上海同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院張宏超教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)，其核心是解決太陽(yáng)能光伏組件路面承載問(wèn)題，也就是使路面不僅有很好的透光性，保障光電轉(zhuǎn)化效率保持在較高水平，而且摩擦系數(shù)還必須符合道路交通安全性的要求，并經(jīng)得起各種車輛長(zhǎng)期碾壓磨損。

1.2 充電車道

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，瑞典修建了一條長(zhǎng)約2公里的充電公路，純電動(dòng)車可在這條公路上邊行駛邊充電，以解決純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程有限以及等待充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。有了這樣的道路，汽車制造商就可以在純電動(dòng)車上安裝更小的電池，并解決了純電動(dòng)車的續(xù)航難題、縮短了充電的時(shí)間成本。但該充電公路電力主要來(lái)源仍然依靠的是城市原電力系統(tǒng)。

2? 拉薩市城市光伏充電道路研究背景

2.1 全國(guó)太陽(yáng)能能量分布情況

我國(guó)領(lǐng)土遼闊廣大，總面積約960萬(wàn)平方千米，地理位置主要處于溫帶和亞熱帶，太陽(yáng)能資源比較富足。據(jù)估算，我國(guó)陸地表面每年接受的太陽(yáng)輻射能約為50×1018kJ，全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量達(dá)335～837kJ/cm2·a，中值為586kJ/cm2·a。相對(duì)于世界其他國(guó)家，較適合發(fā)展太陽(yáng)能資源相關(guān)的設(shè)備。

我國(guó)太陽(yáng)能各地區(qū)具體資源情況及分類如表1所示。

我國(guó)太陽(yáng)能資源十分豐富，而地處青藏高原，海拔3650米的拉薩市相對(duì)于全國(guó)其他城市有著得天獨(dú)厚的地理環(huán)境優(yōu)勢(shì)，拉薩市年日照時(shí)數(shù)在3000小時(shí)以上，有“日光城”的美稱，在此處進(jìn)行城市光伏車道的研究有利于太陽(yáng)能的充分利用。

2.2 拉薩市特殊城市環(huán)境

拉薩市地處西藏自治區(qū)東南部，喜馬拉雅山脈的北側(cè)，雅魯藏布江支流拉薩河北岸，地理坐標(biāo)為東經(jīng)91°06′，北緯29°36′，受下沉氣流的影響，全年多晴朗天氣，降雨稀少，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，屬于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候。但是，由于其特殊地理環(huán)境，導(dǎo)致拉薩市太陽(yáng)輻射強(qiáng)，空氣稀薄，氣溫偏低，晝夜溫差較大，冬春寒冷干燥且多風(fēng)，進(jìn)而對(duì)拉薩市產(chǎn)生了以下影響。

2.2.1 道路綠化現(xiàn)狀

拉薩市位于3650m海拔的河谷沖擊平原上，其主要的土壤成分為高原草甸土、亞高山草原土和潮土三類，土壤養(yǎng)分含量低，不利于植物生長(zhǎng)，導(dǎo)致拉薩市整體道路綠化的高度、密度和城市覆蓋率相對(duì)于全國(guó)大部分城市，處于較低水平。

2.2.2 路面風(fēng)化嚴(yán)重

由于拉薩市城市道路綠化覆蓋率低，晝夜溫差大，日照輻射強(qiáng)，氣候干燥，城市道路路面常年暴露在高溫、強(qiáng)太陽(yáng)輻射的條件下，再加上高原凍土對(duì)路基的影響，一旦路面產(chǎn)生細(xì)小裂縫，雨水滲入聚集，進(jìn)入夜間低溫環(huán)境，水凍結(jié)為冰，體積膨脹，裂縫加劇，如此惡性循環(huán)，導(dǎo)致拉薩市城市道路風(fēng)化破損嚴(yán)重，市政部門急需尋找新型路面材料來(lái)解決該問(wèn)題。

2.2.3 城市電力供應(yīng)問(wèn)題

拉薩市部分城區(qū)電力供應(yīng)線路較長(zhǎng)，易受到極端天氣影響，如：大風(fēng)、暴雪、閃電。尋找到安全、穩(wěn)定、高效、環(huán)保的發(fā)電及供應(yīng)方式，正逐步成為拉薩市城市發(fā)展與建設(shè)的重要保障。

2.3 我國(guó)新能源汽車發(fā)展概況

我國(guó)經(jīng)濟(jì)在進(jìn)入21世紀(jì)以后獲得了快速發(fā)展，汽車需求量升高的同時(shí)，我國(guó)石油需求量也在增長(zhǎng)，導(dǎo)致我國(guó)石油價(jià)格提升。加上人民群眾環(huán)保意識(shí)的提高，以及國(guó)家相應(yīng)政策的發(fā)布，推動(dòng)了我國(guó)電動(dòng)汽車的需求量。

在高海拔特殊氣候環(huán)境下，許多汽車由于空氣中氧氣含量低，燃油并不能得到充分燃燒分解就直接排放，汽車尾氣碳、硫排放量增加。普通汽車油耗增加的同時(shí)，帶來(lái)了環(huán)境污染問(wèn)題。新能源汽車正逐步成為拉薩市有關(guān)部門和人民群眾的迫切需求。

令人尷尬的是，新能源汽車發(fā)展的優(yōu)勢(shì)之一“新能源”，恰恰成為其發(fā)展的一塊絆腳石。電動(dòng)汽車數(shù)量的增長(zhǎng)提高了電動(dòng)汽車相應(yīng)充電輔助設(shè)備的需求量，而中國(guó)新能源汽車剛進(jìn)入起步階段，充電時(shí)間長(zhǎng)、充電樁數(shù)量少、新能源汽車電力續(xù)航時(shí)間短仍是讓許多新能源汽車車主頭疼的問(wèn)題。

3? 拉薩市城市光伏充電道路理論模型設(shè)計(jì)

將光伏發(fā)電車道與新能源汽車充電車道有機(jī)結(jié)合在一起，是我們提出的一種理論構(gòu)想。該構(gòu)想以拉薩市為主要研究城市，使每一條道路既是能源消費(fèi)者，同時(shí)也是能源生產(chǎn)者，構(gòu)筑拉薩市特有的高海拔城市能源體系，并最終形成智慧城市能源微網(wǎng)運(yùn)行模式。

3.1 模型基本構(gòu)型

3.1.1 光伏道路

光伏道路的設(shè)計(jì)為便于運(yùn)營(yíng)的模塊化設(shè)計(jì)，將承重型半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池列陣并聯(lián)組合，形成小單元模塊，再將這些小單元模塊按照車道面積進(jìn)行排列組合，形成單一車道模塊;或?qū)⑿卧K按照道路交叉口路面面積進(jìn)行排列組合，形成交叉路口模塊。

單一車道模塊主要分布在單一的車道上。由于拉薩市地處北半球，在東西向城市道路中，位于道路南側(cè)的綠化帶和城市建筑會(huì)在上午和下午特定時(shí)間段遮擋部分南側(cè)城市道路采光面積，如果在此處鋪設(shè)單一車道模塊，降低太陽(yáng)能電池利用率的同時(shí)，間接提高了單一車道模塊的鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。所以當(dāng)我們選擇東西向城市道路鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)注意盡可能鋪設(shè)在道路北側(cè)。而在南北向的城市道路中，僅需避開道路兩側(cè)綠化帶遮擋陽(yáng)光區(qū)域進(jìn)行單一車道模塊的鋪設(shè)。

交叉路口模塊主要分布在城市道路的各個(gè)交叉路口上。城市交叉路口多為道路開闊區(qū)域，基本沒(méi)有綠化帶遮擋，但是仍需注意交叉口南側(cè)建筑物對(duì)交叉路口模塊采光區(qū)域的影響。

綜上所述，城市道路光伏鋪設(shè)區(qū)域應(yīng)該因地制宜、合理分布，進(jìn)而達(dá)到最高的能源利用率。

3.1.2 充電車道

充電車道的研究與設(shè)計(jì)，借鑒了瑞典首都斯德哥爾摩附近的嵌入式電軌充電車道，使用嵌入式電軌充電系統(tǒng)。在城市道路上嵌入充電軌道，電動(dòng)汽車僅需安裝一個(gè)可伸縮的充電臂，當(dāng)電動(dòng)汽車在充電軌道上方行駛時(shí)，充電臂與電軌接觸充電，汽車偏離軌道時(shí)，充電臂自動(dòng)斷開結(jié)束充電。

相對(duì)于無(wú)軌電磁感應(yīng)充電系統(tǒng)，嵌入式電軌充電系統(tǒng)地面的電軌和汽車的充電臂成本更低，更易于安裝。

城市道路與嵌入式電軌充電系統(tǒng)的結(jié)合與分布，應(yīng)考慮到城市道路等級(jí)、電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航時(shí)間等因素，針對(duì)不同的城市道路情況設(shè)計(jì)出符合城市發(fā)展的嵌入式電軌充電城市分布系統(tǒng)。

3.1.3 拉薩市城市光伏充電道路模型

綜合以上兩點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)出針對(duì)拉薩市的城市光伏充電道路系統(tǒng)如圖1所示。

3.2 模型研究意義

拉薩市城市光伏充電道路模型的研究，符合拉薩市獨(dú)特的高原氣候環(huán)境，找到了一種針對(duì)拉薩市城市路面暴曬風(fēng)化嚴(yán)重、城市電力在極端天氣情況下供應(yīng)困難問(wèn)題的可行解決方法，也滿足拉薩市城市道路綠化現(xiàn)狀。有效利用了拉薩市最為豐富的太陽(yáng)能資源，在解決了新能源汽車?yán)m(xù)航時(shí)間短、充電時(shí)間長(zhǎng)、充電樁數(shù)量少等問(wèn)題的同時(shí)，間接提高了新能源汽車產(chǎn)業(yè)在拉薩市的發(fā)展空間，降低交通污染，保護(hù)高原生態(tài)環(huán)境，符合未來(lái)智慧城市的發(fā)展趨勢(shì)。

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