二、國內外研究現狀和發展動態
2.1路面太陽能利用技術
目前國外對于路面太陽能的開發利用主要是采用光熱轉換的集熱法，以此收集的能量可用來供暖、發電和融雪化冰等。世界上第一個在瀝青路面收集太陽能的公司是荷蘭的OomsAvenhorn Holding公司，其開發了一種道路能量系統(Road Energy System)，該系統能使夏季的路面冷卻，冬季的路面防止結冰[1]。1998年，針對在日本早期鋪筑的19項地面集熱蓄能融雪化冰試驗工程，日本北海道大學研究者們進行了綜合對比分析。研究表明，平均地面集熱率可達36%，北海道地區的季節變化可以實現用能與蓄能的基本平衡。還有英國的跨季熱量傳遞技術、美國的地源熱泵技術以及我國的太陽能土壤蓄熱系統和瀝青路面融冰雪系統等。但是，此種集熱技術的熱能轉換效率較低，施工維護困難，難以大規模推廣。
光伏發電系統目前在道路工程中雖然得到應用，但主要是將光伏太陽能電池板安裝在路面以外的附屬設施中。在英國及其他國家已經研究并開發了一種LED路釘，在2010年，美國華盛頓州交通運輸部進一步研究了一種太陽能LED燈，其結構由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，且并未達到擴展路面功能的目的。
由于集熱法的局限性，科學家們基于光伏發電系統原理將光電轉換技術與路面本身結合，提出太能能路面板塊等相關概念。2006年，美國愛達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路面的創新構想，稱之為“太陽能路面”(Solar Roadways)，并得到了美國聯邦公路局(FHWA)的資助[4]。其原型太陽能路面由三層結構組成，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板，見圖1所示。2014年，該公司成功鋪筑了一個停車場[5]，其表層玻璃板為特別材料制得，強度、抗滑性、耐磨性可滿足路用性能要求，但造價不菲。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構單元組成的公共道路[6]，其結構特點為表面為玻璃板，中層為太陽能電池板，混凝土將電池板包裹在內中起到保護的作用，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，但由于其可預制、施工維護簡易快捷、且具有綠色交通和智慧交通的特性，已悄然成為道路、能源、材料和電子等多個交叉學科領域關注的熱點。
 
圖1 太陽能路面板塊結構示意圖 圖2 太陽能自行車道示意圖
2.2自密實混凝土
光伏太陽能空心板路面板塊的基體一般為自密實混凝土，自密實混凝土這一概念最早由日本學者Okamura于1986年提出[7]，屬于一種高性能混凝土。自密實混凝土拌合物的自密實過程為：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，通過鋼筋間隙、進而形成均勻密實的結構[8]。自密實混凝土相比于普通混凝土具有以下優點[9]：（1）具有卓越的流動性和自填充性能，不需人工額外振搗密實，依靠自重充模、密實。（2）填充密實，避免了原始缺陷的產生，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。
現階段研制出來的自密實混凝土具有許多優點，但配合比設計也比普通混凝土要復雜一些，國內外對自密實混凝土的設計理念也不盡相同[10]。日本東京大學最早進行了自密實混凝土配合比設計方法研究，提出了所謂的自密實混凝土原型模型方法(prototype method)，后來日本、泰國、荷蘭、法國、加拿大、中國等國的學者進一步進行了自密實混凝土的設計方法研究[11]，中國土木工程學會編制的《自密實混凝土設計與施工指南》中，推薦的是一種固定砂石體積含量法，是對日本學者Okamura的原型模型方法的改進，即先設定砂石體積，再求得漿體體積，再根據強度要求的水膠比，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計方法，即將混凝土視為粗骨料和砂漿組成的兩相混合體系，則保證流動性的條件是相鄰粗骨料之間應存在足夠的間距，即漿體層[14]。我國住建部在2012年發布了《自密實混凝土應用技術規程》，推薦自密實混凝土配合比設計采用絕對體積法[15]。
2.3太陽能水泥混凝土空心板
水泥混凝土空心板結構常用于建筑或者橋梁，制作成的空心樓板或者空心橋面板，具有節約材料、減輕結構自重等優點。研究人員通過有限元分析軟件進行力學性能數值模擬對于空心樓板結構，湖南科技大學的譚磊和劉錫采用ANSYS分析了現澆混凝土空心樓板的變形特征、內力分布規律等，得出了空心板塊的空腔會使得空心板在局部出現應力、應變較大的現象[16]。簡政和趙良華等人研究空心樓板的計算方法，提出了一種將混凝土空心板轉化為等效實心板的合理可行的計算方法[17]。
水泥混凝土空心板應用于路面結構時，尹德清選用有限棱柱法對空心路面結構進行理論上的應力應變分析, 同時對試驗路通車后的使用情況進行了觀測，分析了空心路面的經濟效益和社會效益，表明了空心路面結構在工程實踐中應用是可行的[18]。重慶建筑大學的洪桔、周志祥等人針對傳統道路修筑方式的缺陷, 提出了一種有效節省路面造價的新型的道路結構體系——連續砼空心板式道路[19]。
2013年，長沙理工大學的查旭東、曾軍設計了一種路面空心板塊結構，由表層透光保護板、中層光伏太陽能電池板和底座預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構中，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，長沙理工大學的查旭東、蔡良等進一步優化了太陽能路面空心板塊結構，并制作相應的實體模型，見圖5。對該模型的力學性能和發電效能進行了測試，為研究太陽能空心板塊路面結構提供理論和實體參考[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。菲涅爾透鏡每個環帶都相當于一個獨立的折射面,這些棱形環帶都能使入射光線會聚到一個共同的焦點上。由菲涅爾透鏡設計出的聚光器與傳統的聚光器相比，其成本低、結構簡單、緊湊，質量輕，透光率高，方便制造。
菲涅爾透鏡最早由法國物理學家菲涅爾（A. J. Fresnel）在1822年提出。近些年來，菲涅爾集光器幾乎占據光學收集器件半壁江山，國內外許多研究機構和個人從不同角度對其進行了研究。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性能、鏡面的楞型結構、跟蹤系統、焦斑的位置大小尺寸以及焦斑的能量分布等多個方面。
早在1970年左右，美國NASA概述了太陽能菲涅爾聚光器的設計方法，為后人研究菲涅爾聚光器給予指導作用[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計和應用，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電系統，同時Wagner等提出利用菲涅爾透鏡進行太陽光譜分離的研究，企圖設計出效率超過 50％的聚光光伏發電系統[25,26]。O’Neil[27,28]設計了一種新型、高效、輕便可用于空間聚光光伏發電的點聚焦曲面菲涅爾透鏡陣列。2010年IBM 公司利用菲涅爾透鏡進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的太陽能轉化成了70W的電力，轉化效率約為傳統的5倍。
目前，國內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行了對比分析,導出了統一的設計公式,只要改變某些參數就可用來設計不同的菲涅爾透鏡，后續的研究者在此基礎上又設計出菲涅爾透鏡效率的計算[29]；2001年，航天科技集團公司蘭州物理研究所張明等對平板點聚焦菲涅爾太陽聚光透鏡進行研究，給出了點聚焦透鏡的設計方法，討論了設計參數對透鏡光學效率的影響，為這類透鏡的設計提供理論依據[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聚焦菲涅爾聚光透鏡，并搭建實驗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年哈爾濱工業大學劉穎系統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計思路[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的各種損失因素；2011年華中科技大學姚家偉等提出焦點均勻分布點式菲涅爾太陽能聚光器的設計方法[34]。可見在現在太陽能應用蓬勃的今天，菲涅爾聚光器的研究仍然是一重大課題。2013年，中國計量學院陳志明為此設計和搭建一套菲涅爾透鏡聚光性能測試系統，并通過軟件模擬和實驗測試對菲涅爾透鏡聚光性能進行研究[35]。
 
圖6 菲涅爾透鏡結構示意圖 圖7 菲涅爾透鏡
2.5分析總結
國內外已經有許多對于路面太陽能利用技術的研究，包括光-熱轉換和光-電轉換兩大類，但是太陽能路面板塊的研究才剛剛起步，方興未艾，因此研究一種經濟節約，結構承載力，抗滑性，發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際意義的。現有的太陽能路面板塊的表層多選用特制的玻璃，優點是透光性能強，缺點是抗滑性不足，承載力有限，且造價高昂。因此本文考慮引入一種光伏太陽能路面空心板塊結構來作為板塊基本單元，同時滿足透光和路用性能要求。
項目前期已對增強自密實混凝土的路用性能及強度進行研究，優化自密實混凝土的配合比，并配制出可自行流動成型，無需振搗即可密實填充模具各個角落的自密實混凝土。在此基礎上我們將設計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構單元，利用力學知識以及ANSYS有限元分析軟件，擬定合理的板塊模型尺寸，同時設計菲涅爾透鏡聚光板塊及其凸起設計，利用光學知識以及TracePro光學模擬軟件對菲涅爾透鏡聚光原理進行分析，得到菲涅爾透鏡的結構參數及透光、聚光性能并對其抗滑性能進行研究。對光伏太陽能路面空心板塊結構進行優化，設計模具并對其施工維護方案進行研究。最后通過制作實體模型，進行板塊應用于工程實踐的可行性分析。使其滿足路用性能的同時有良好聚光能力和抗滑性能且便于施工維護。
對成型光伏太陽能路面空心板塊進行力學性能試驗、路用性能試驗，得到板塊用于路面的技術可行性參數，同時對模型發電效能進行測試，依照試驗結果推算模型費用效益比進行經濟性分析。
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