周育名 等：路面发电技术综述

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摘  要

为系统地了解路面发电技术的研究进展，促进节能减排的绿色智慧道路快速发展，使用CiteSpace软件对2012至2022年路面发电技术研究相关文献进行了计量学分析，对比了光伏发电、温差发电和压电发电3种主要技术的研究进展及其优缺点和适用性；介绍了收集太阳能、热能和机械能转化成电能的基本理论，总结了光伏发电和温差发电技术的路面设计方法，探讨了压电发电技术的发电材料选择、压电换能器装置设计和一体化发电路面系统结构设计，并展望了路面发电技术未来的研究趋势；基于现有路面发电技术研究基础，从材料、结构、施工和运营管养的角度出发，对绿色智慧道路和交通与能源融合发展的需求提出了建议。研究结果表明：针对光伏发电的研究大多基于宏观层面分析光伏路面的可行性，其可为交通基础设施提供电力供应，且能缓解热岛效应，但光伏路面力学性能和电力转化效率研究还存在较大优化空间；温差发电主要依赖路面结构的温度差，可以全天候发电，且能量收集稳定，但目前存在效率较低的劣势，同时需重点考虑温差热电导热装置与沥青路面的力学性能不匹配的问题；压电发电收集能量密度大，可持续性好，具有较好前景，但一些关键问题尚未得到较好的解决，如压电材料的耐久性、压电换能器元件与路面的相容性及刚度匹配性、压电发电系统一体化路面结构稳定性和耐久性等方面仍需进行大量研究。

引  言

交通运输是仅次于工业的第二大能源消耗行业，目前全球经济快速发展导致能源日渐匮乏，环保问题日益严重。对道路交通来说，路面结构中隐藏着大量的机械能和热能、来自路面与汽车间产生的滚动阻力和车辆振动产生的大量动能和被路面吸收的太阳辐射能，通过可再生能源收集技术，将原本会被耗散和浪费的能量转化为可用的电能，既可节约自然资源，又可以达到交通体系能源自洽。

为收集路面能源并将其转化为电能，研究人员尝试采用太阳能发电技术将太阳能电池板作为路面面层，替代传统的沥青和混凝土材料，用于吸收太阳能辐射并将其转化为电能；压电技术是通过在路面结构中使用压电材料，将行车荷载产生的机械能转化为电能；热电技术则是通过在路面结构内外铺设热电发电机，将路面吸收的部分热能转化为电能。但现阶段，关于发电装置在路面上的埋设与路面结构之间的设计等方面仍存在许多研究空白，具体的使用效果也尚未明确，各类型发电路面也缺乏适用性评价。路面太阳能光伏发电技术的主要难题在于开发新的满足路面使用要求的太阳能电池板；热电技术依赖于路面结构内的温度梯度，发电效率低；压电技术的主要难题在于压电材料在重复交通加载下耐久性差、压电材料与路面材料刚度不匹配、瞬时高压难以直接使用、低电流电信号等。

为此，本文全面汇总和分析了路面系统中收集太阳能、热能和机械能转化为路面电能的技术的研究进展，详细回顾了不同能量收集技术的基本理论、发电材料选择、发电装置设计、路面结构设计，最后提出智能发电路面未来研究的新方向。

基于文献计量分析学路面发电技术

采用Citespace软件5.75R5对2012至2022年路面发电技术相关研究进行文献计量学分析。

太阳能发电技术

光伏发电技术原理如图8所示，光伏路面的基本结构如图9所示。Brusaw等首次提出使用六边形的太阳能电池板取代传统路面来制造太阳能发电路面，如图10所示。但将太阳能电池板放置在表面层上，需要足够的结构强度以抵抗交通荷载直接作用和自然环境的长期影响。

图8  光电效应原理

图9  光伏路面组件的基本三层结构

图10太阳能电池板

太阳能路面产生的电力有望作为城市供电的一条途径。Shekhar等通过模拟计算建立了发电能力理论模型，并与实测发电量进行了比较，如图11所示。国内首条全路幅宽度的光伏路面在山东济南铺设，预计每年可生产电量高达100 kW·h。但太阳能光伏路面研究仍存在很多关键问题需解决，如光伏路面机电性能、光伏路面结构设计优化方法以及太阳能电池自身的发电效率转化等。

图11  2015年实测能源量与预测能源量对比

基于结构表层及下层之间的不同温度梯度，可将其用于路面温度调节和温差发电。Garcia等设计了一种太阳能涡轮机来进行路面温度调节，如图12所示。进一步地，人们将太阳能对路面造成的温差势能用于发电技术。温差发电基于热电效应，通过热电偶将温差转换为电压。基于此，Yuan等设计了一种道路热电发电系统（Road Thermoelectric Power Generation System, RTEGS），如图13所示。

但沥青路面热电发电转换实现过程中，不能忽略沥青路面的疲劳老化与耐久性的影响。针对如何保持温差热电装置转换效率和及沥青路面发生病害与破坏后，内部装置结构性能及工作状态变化等方向还需探究。

图12  太阳能涡轮机结构设计

图13  热电发电系统设计

压电发电技术

压电效应是指机械应力转化为电荷的现象，通常可由压电耦合方程表示，耦合方程中各项的物理意义如图14所示。

图15为使用压电能量收集装置（Piezoelectric Energy Harvesting, PEH）在道路上收集压电能量的示意。其中：F为行车荷载压应力；F_i为压电单元i所受行车荷载压应力的分力及其反作用力。

图15  PEH道路

道路压电方面研究应用的压电材料主要有压电陶瓷锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O₃, PZT）和聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene fluoride, PVDF）。PZT具有高压电应变常数、高压电电压常数、高机电耦合系数、高介电常数和低介电损耗，但其脆性较大，如图16所示。PVDF属于柔性材料，可以避免疲劳和早期破坏，且以不同曲率半径的曲面形式应用，当垂直或水平埋设在路面时（如图17所示），PVDF传感器装置会变形并在PVDF层上产生内部应力，进一步通过PVDF材料的压电效应转化为电能。

图16  压电陶瓷

图17  PVDF能量收集材料的简单放置方式

由于单独存在的压电材料在路面中使用时存在较大的局限性，谭忆秋等采用热压成型法制备了一种PZT沥青基压电复合材料，黄世峰等制备了水泥基压电复合材料，发现可得到较高的电压信号。但在提高单一压电陶瓷材料性能的基础上，进行二元、三元甚至多元压电复合材料的需要进一步研究。

压电换能器是将压电换能组件铺设在路面结构层内，利用车辆行驶过程对路面结构产生的振动能量进行能量转换，并将电能收集再利用的装置。常见的3类结构有悬臂梁结构、拱形结构和堆叠式结构，如图18所示，其中：L为PZT层长度；W为PZT层宽度，mm；d_x为弹性层厚度；d_y为PZT层厚度；H为基层表面距拱底部的最大距离；R为外部用电器电阻；V为电阻两端电压；d_v为电荷产生区宽度；h为单层PZT厚度。

悬臂梁结构由于具有挠度大、柔顺系数高和谐振频率低的优点而被广泛使用。为使矩形压电悬臂梁上的压电片应力分布更均匀，一种代替矩形悬臂梁的梯形悬臂梁结构被提出，如图19所示。

图19  梯形悬臂梁结构压电振子

拱形结构装置主要由不锈钢基板和压电片组成，通过高温胶结将二者粘接；堆叠式结构由多片压电片堆叠而成，各压电片之间可采用串联或并联的方式连接，具有制作简便、固有频率低、机电耦合系数大和振动能量高的优点，但压电换能器的设计需要充分考虑在行车荷载作用下压电换能器与沥青路面的耦合问题性。针对埋入式压电换能器存在的诸多问题，王朝辉等提出了一种采用上下金属板保护的集成式压电装置，如图20所示。

图20  集成式装置结构

综上，压电换能器的埋置改变了路面的原有连续、完整结构，未来需聚焦于合理设计压电换能器结构以便于能够正确安装，同时应深入研究换能器能量的存储效率。

为了避免能量收集模块对路面结构的影响，Guo等开发了一种新型压电能量收集路面系统（Piezoelectric Energy Harvesting Pavement System, PZ-EHPS），如图21所示，该新系统上下为沥青面层，中间由2层导电沥青层和1层压电材料层组成，此新设计中可以获得路面结构性能与发电功能的集成。进一步地，Guo等利用有限元模型分析了PZ-EHPS在移动交通荷载条件下的发电性能。假设PZ-EHPS结构由表面沥青层、导电沥青层、压电沥青层和基层沥青层组成，如图22所示。

图21  压电基能量收集路面系统

图22  PZ-EHPS结构

目前，有关一体化压电发电路面系统设计的研究尚处于起步阶段，进一步推动高效率利用路面机械能发电，实现压电材料与路面材料一体化技术、压电换能器与路面结构一体化技术的综合利用将是未来的研究重点。

路面发电技术评价与展望

现有路面发电技术研究主要集中在太阳能发电（光伏、温差）与路面压电发电，需解决的问题主要集中在路面结构稳定与耐久性、发电效率及能量储存。

  4.2.1  路用高效率能量转换材料

现有发电技术实施难点之一在于实现非路面材料与路面材料的系统结合，一体化技术可直接赋予筑路材料光电、热电或压电性能，但制备高新型复合发电材料的开发有待进一步研究。

  4.2.2  路用高效率能量转换装置

集成式压电换能器结构的强度、刚度、稳定性、耐久性及其与路面耦合性是研究者面临的较大挑战。

  4.2.3  经济耐久的发电路面结构

在保证传统路面结构各项性能的前提下实现能量转换装置与路面结构一体化，是新型路面结构研究的重要方向，如何平衡高能量转换率与结构稳定性之间的关系也是研究过程中必不可少的步骤。

  4.2.4  路面发电配套系统

路面发电技术的有效开展需伴随其他功能系统的高效配合，确保配套技术与道路系统、发电系统的有机统一，能有效地调节能量转换随机性、波动性和间接性，增加整体能量循环系统的可用性、可靠性。

  4.2.5  施工与运营

光伏发电路面通常采用模块化设计安装，其核心技术在于开发符合现有路面结构承载要求的自动化路面铺筑施工与维修的全套设备；热电和压电路面需在达到压实或养护条件的同时保证发电系统在路面结构中的有效性，并开发配套新型路面铺设设备的辅助检测设备。在运营阶段，光伏路面的表面透光性和抗滑性需随时维护、定期检测，且热电和压电发电系统检测设备与手段也需配套研发。

  4.2.6  其他能源发电新技术

风能发电是在道路行车道的两侧安装风能收集装置，典型的风能发电装置及其发电原理如图23所示，其主要实施难点在于发电装置安装位置、能量转化率和能量储存。与太阳能发电、压电发电相比产能低，需保证较高的能量转换效率以及在电能储存和运输过程中的低损耗。

图23  风能发电路面原理

此外，欧洲部分国家也有将声屏障与太阳能发电系统结合，开发了太阳能声屏障系统。Wang等提出了一种利用亥姆霍兹共振器和聚偏氟乙烯薄膜的新型可再生声能收集声屏障，将高速铁路低频噪声的声能转化为电能，如图24所示。

图24  声能收集噪声屏障的体系结构

但目前道路风能和声能发电技术尚处于设计构思阶段，结构装置的创新性开发是需要解决的首要问题。

  4.2.7  路面多元能源融合发电技术

为进一步提高路面发电效率，可采用多元能源利用的方式实现道路交通系统内能源自洽。未来发电路面结构的开发将全面利用道路系统中的行车振动和压力的机械能、太阳辐射能、热能、风能、声能等能源，实现道路系统能量的全空间、全时段收集。

结  语

（1）光伏路面研究仍处于研发阶段，新型高效的光伏路面材料及元件、结构性能和发电效率需进一步探究。

（2）温差发电可以减少沥青路面温度升高引起的塑性变形，延长路面使用年限，缓解城市热岛效应，但不能忽略对沥青路面耐久性的影响和发电装置与沥青路面力学性能的匹配性。

（3）压电发电能量密度高，无需施加初始电压，可直接产生适当的电压；收集机械能的压电装置体积小，易于安装，结构简单、耐用，且无电磁等其他干扰，但压电材料在重复交通荷载下耐久性差，压电材料与路面材料模量不匹配，瞬时高压难以直接利用，低电流电信号等问题显著。新型路面复合材料可以促进压电发电路面一体化发展需进行重点探究。

（4）路面多元能源的综合开发利用可为路面发电的能量采集提供更多的可能性，能量的储存、传输、运营养护等配套技术的同步发展能保证发电技术的产出到应用成为现实，是实现公路交通能源自洽的一种重要手段。

作者简介

本文主要内容源自《交通运输工程学报》2024年第4期，点击查看文章全文：

周育名, 邓瑶, 刘玉琴, 彭竹仪, 查旭东, 李平, 魏建国, 刘朝晖. 路面发电技术综述[J]. 交通运输工程学报, 2024, 24(4): 129-147. 

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.04.010

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