大步走在“太阳能公路”上

河北邯郸太行山脉中发展的光伏产业，在荒山上“种电”，把太行山变成了“太阳山”。这片太阳能板“铁甲”山坡正改变着附近村民的生活 图/视觉中国

山东济南绕城高速上的全球首段光伏高速公路 图/视觉中国

波兰建成的一条可以在黑暗中发光的太阳能自行车道 （资料图片）

在上海首届中国国际进口博览会上亮相的汉能Solar A全太阳能汽车 图/视觉中国

□克莉斯汀

新年的车行里越来越多电汽双能源汽车，使用新能源已成为汽车消费行业的新潮流，但似乎仍没有一款汽车是真正使用太阳能驱动。理由很简单，就是直到今天，太阳能电池的转换率最多仍只不过30%左右。

据说在2016年获得澳大利亚政府审核允许合法上路的一辆名为eVe的太阳能跑车，在太阳底下曝晒8小时，也只够让汽车跑上2小时。而去年年底亮相上海首届中国国际进口博览会的汉能Solar A全太阳能汽车，据说每天在充足阳光下光照5-6小时，也只可以发电8-10度，最多跑上80公里的路程。

但太阳能发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。所以早在1954年，美国贝尔实验室生产出世界上第一个效率为6%的实用太阳能电池，人们就开始将太阳能视为“未来最有希望的替代能源”。

或许有一天，我们会开着一辆炫酷的全太阳能电动汽车，走一条“太阳能高速公路”回家过年。

A

有机太阳能电池后来居上

既然太阳能目前的缺点就是制作成本高、转换率不高，研究人员便一直在这些方面下工夫。

太阳能电池是当前已获得最广泛应用的太阳能技术之一。太阳能电池的原理，简单地说，就是利用电池吸收相应波长的太阳光，将光能直接转换成电能，再通过转换器转换成交流电输出，供给各种家电用途或工业用途。目前使用最广泛的又属转换率相对最高的硅基太阳能电池，即一种以硅材料为基础的太阳能电池。但这种电池生产存在工艺复杂、成本高、能耗大、污染重等弊端，因此新型的有机太阳能电池出现后，表现出成本低、重量轻，还有可制成半透明和柔性器件等独特优势，迅速引起各界重视。

有机太阳能电池，即由有机材料构成核心部分的太阳能电池。它的工作原理主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流。第一个有机光电转化器件在1958年就制备成功，其实比贝尔实验室制造的第一个硅基太阳能电池晚不了几年。但这种电池太阳能转换率一直不高，直到1989年，由柯达公司的邓青云博士制备出一种双层膜异质结的结构，才实现了实质性的突破。随后，混合异质结型太阳能电池的研发又明显实现了效率上的提高。有机光伏太阳能电池这才有了与硅基太阳能电池抢占市场份额的可能。

B

“量子剪裁”太阳能聚光板助力智能建筑

目前人们仍在不断提高太阳能转换效率，有望达到40%。

澳大利亚国立大学和美国加州理工学院的研究人员的一项合作成果，将硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池相结合，设计出一种叠层太阳能电池结构，在相关测试中，其光电转换效率已有了很大提升空间，理论最高效率甚至超过40%。该研究近期发表在美国《科学进展》杂志上。

中国早已超越欧洲、日本，成为世界太阳能电池生产第一大国，太阳能电池的制备技术也领先于许多国家。最近，武汉大学高等研究院科研人员提出了新的逐层刮涂技术，成功地制备出了效率超过10%的非富勒烯有机太阳能电池，使有机太阳能电池的薄膜性能大为提高，还可应用于有机光伏器件的大面积制备。研究结果发表在国际能源领域顶级期刊《能源环境科学》上。

而中科院大连化物所光电材料动力学特区研究组吴凯丰研究员团队在去年12月发表在业内专业期刊《纳米快报》上的一篇报告中，首次提出了“量子裁剪太阳能聚光板”概念。研究团队合成了一种表现出典型“量子裁剪”特征的稀土金属镱掺杂的纳米晶材料，并采用此类纳米晶制备出“量子裁剪”荧光型太阳能聚光板原型器件，实现了约120%的器件内部光学效率，转换效率比传统器件要高出一倍。这种聚光板具有半透明的外观，还可集成于建筑物玻璃中实现新型“太阳能窗户”，这在智能建筑等领域具有广阔的应用前景。

C

“世界第一条太阳能高速公路”在中国

太阳能本身无需成本，有人计算过，太阳光能量若能被利用万分之二，即可满足目前人类社会的全部能源需求。所以人们相信，太阳能带给人们的惊喜，远不止在屋顶装一块太阳能板供热水或者在停车场建一个太阳能充电桩那么简单。

“太阳能公路”的概念是最让人惊喜的创意之一。它最早由美国爱荷兰州的一对布鲁撒夫妇于2006年提出。第一条太阳能自行车道，很快出现在荷兰北部城市克罗曼尼的一段人行道上。它全长仅70米（后来扩建到100米），宽2米，但造价已达350万欧元（约合人民币2300万元）。到2016年12月23日，“世界第一条太阳能公路”又在法国诺曼底小镇Tourouvre建成。这条太阳能道路由一块块边长为30厘米的小方块太阳能电池板铺成。尽管每片太阳能电池板的成本便高达7000美元，人们仍更加看好“太阳能公路”的前程，因为每块板每天可发电7.6度，这意味着，这段1公里长的四车道太阳能公路的发电量已可基本满足300个家庭每日所需，同时还能够为附近的交通信号灯、电动汽车充电桩等公共用电设施输送电力。

中国自主研发的第一条“太阳能公路”——济南南绕城高速，在2017年12月28日下午2时正式通车。这段路总长度1080米，占据两个车道，它是为“全球首条承载光伏路面研发与铺设的高速公路”。目前，这条试验阶段的光伏太阳能高速公路还在针对投入使用后出现的一些科研问题，如雨水侵入、光伏组件板局部发生不同程度的变形损坏等，进行升级改造。

铺建这种太阳能路面，实际上是将一种特制的太阳能电池板铺设在路面下，再通过电线导出电能。为保证安全，在太阳能电池板上面，再铺设高强度的高分子透明塑料板，保证能承受每天大约2000辆汽车从上面碾压通过；同时这些塑料板还不能十分光滑，要保证汽车在上面快速驶过时不打滑；这种铺设的特殊构造还要保证下雨天不积水，下雪天不结冰、不积雪。这样的道路对智能交通也能起到积极配套作用，为在上面行驶着的车辆随时进行接触式或遥感式充电……所有这些，都令这样一条路面变得成本昂贵，而道路维护费用同样不菲。

但世界各国都在陆续投入修建这种太阳能高速公路，它已成为未来智慧交通的一种发展方向——光伏路面提供的能源供应，将使公路真正成为智慧交通的空间载体、能源和信息交互平台。

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“太阳能农场”梦想已成现实

国际能源署最新报告显示，未来五年，全球可安装超过一万亿瓦规模的清洁能源装机容量，超过欧盟目前的总发电量。来自太阳能、风能和水能的能源将继续超过天然气和煤炭，而太阳能将成为第三大可再生能源发电来源。

随着太阳能电池板和电池的成本大幅下降，人们不仅大踏步地走在“太阳能高速路”上，以光伏发电为主体的“太阳能农场”项目也早已遍地开花。

所谓“太阳能农场”，其实就是巨型太阳能发电站。

美国最大的太阳能项目之一的加州黄玉太阳能农场，利用900万碲化镉太阳能组件发电，自2014年开始投入使用，已能够为18万户家庭提供电力。而加利福尼亚州的沙漠阳光太阳能农场，年发电量也可达550兆瓦(据计算，1兆瓦即可以供电1000个普通家庭)。

印度也建起拥有250万个太阳能电池板、占地10平方公里、年发电量为648兆瓦的太阳能农场Kamuthi农场。另一个位于印度安得拉邦的Kurnool Ultra Mega太阳能农场，据说已拥有高达1000兆瓦的输出能力。

澳大利亚建设的太阳能农场同样是大手笔，最大的占地面积10平方公里，包括340万个太阳能电池板和110万个电池。去年年底，有报道称，澳大利亚最大的智能光伏太阳能农场“Kanowna Solar Farm”也在积极筹建，中国公司将为其提供最先进的智能组件。

事实上，中国的太阳能农场早就颇具规模。龙阳峡大坝太阳能农场位于中国东部的青藏高原，就是世界上最大的太阳能农场之一，延伸超过25平方公里。这里利用400万块太阳能电池板，年发电量可达850兆瓦，积累足够的能源为14万户家庭供电。

中国安徽还有一个号称“世界最大的漂浮式太阳能农场”，已拥有16.6万个太阳能电池板和40兆瓦的总容量，能够为1.5万个家庭提供足够的能源。这里原本是一个矿场，在化石能源被开采光后，矿坑形成一个巨大的湖泊。太阳能农场就建在这个湖上，因此它成为“漂浮式太阳能农场”。与传统太阳能农场相比，漂浮式太阳能农场具有不占用稀缺土地资源的优势，更有利于保护环境，也不在陆地占用任何空间，太阳能面板浮在水面上，还有利于冷却，有助于保证输电效率，此外，因为在阳光照射到水库表面之前太阳能面板就已拦截了阳光，还有助于缓解饮用水或灌溉用水的蒸发。

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