太阳能路面结构单元、制作方法及太阳能路面发电系统
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，尤其涉及一种太阳能路面结构单元、制作方法及太阳能路面发电系统。
背景技术
随着经济的快速发展，国内甚至全球各地的公路建设都有了突飞猛进的发展。同时，伴随着人类对清洁能源的强烈需求、全球太阳能行业的兴起和太阳能发电技术的发展，目前可量产的太阳能电池其太阳能转换率已可达到 20％。
但是目前太阳能电池应用主要常见于城市建筑屋顶，或郊区、戈壁滩等无法利用的土地区域。此严重的限制了太阳能发电技术在人口集中的城市区域的发展。城市中具有高速公路、城市道路、人行道、广场、绿道、天桥等广大的露天空旷的地面资源。如果这些地面铺上太阳能组件形成地面太阳能发电系统，在不影响原有地面功能的基础上实现太阳能发电，所产生的电量还能就近消耗掉。因此，2006年，太阳能公路的概念被科学家提出，并在2014 年荷兰修建了世界第一条太阳能公路。
目前的太阳能道路的结构复杂，当太阳能道路长期受到道路上水平剪切力的作用时，层与层之间容易分离，太阳能电池组件与保护层分离后，继续受到路面上水平剪切力的作用时，容易发生移动，进而造成损坏。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太阳能路面结构单元、制作方法及太阳能路面发电系统，能够解决现有技术中太阳能道路存在的层与层之间容易分离，且太阳能电池组件与保护层分离后，容易损坏的问题。
一种太阳能路面结构单元，包括：承重层，以及，从下到上依次设置的太阳能组件层、透光缓冲层和透光路面层；所述承重层的一面开设有至少一个凹槽，所述太阳能组件层位于所述凹槽中，且所述太阳能组件层的受光面向上。
本发明提供的一种太阳能路面结构单元，承重层中设置有凹槽，太阳能组件层直接安装于凹槽中，当太阳能组件层受到路面上水平剪切力的作用时，由于太阳能组件层受到凹槽四个侧壁的限制，太阳能组件层不会发生移动，可有效保护太阳能组件层；同时，太阳能组件层上设置有透光缓冲层，提高了太阳能路面结构单元的抗冲击性能，可有效防止路面载荷对太阳能组件层造成损坏。
一种如上描述的所述太阳能路面结构单元的制作方法，包括以下步骤：
制作承重层；在所述承重层的凹槽中安装太阳能组件层；在所述太阳能组件层上安装透光缓冲层和透光路面层。
本发明提供的一种太阳能路面结构单元的制作方法，制作工艺简单，各个模块直接在工厂进行模块化、规模化、标准化生产；安装时，由于设置有凹槽，直接将各个层结构安装于凹槽中即可，凹槽具有定位作用，提高了太阳能路面结构单元的制作速度，降低生产成本。
一种太阳能路面发电系统，包括：储电装置、控制装置和至少一个如上描述的所述太阳能路面结构单元；所述控制装置分别与所述太阳能路面结构单元和储电装置电连接；所述储电装置与所述太阳能路面结构单元电连接。
本发明的太阳能路面发电系统，可以设置在城市中的高速公路、城市道路、人行道、广场、等广大的露天空旷地面区域，在满足道路功能的同时，利用太阳能产生电量，来满足城市用电设备的用电需求，可以减少火电的使用，降低燃煤对空气的污染。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例一中一种太阳能路面结构单元的结构示意图；
图2为本发明实施例二中一种太阳能路面结构单元的结构示意图；
图3为本发明实施例二中另一种太阳能路面结构单元的结构示意图；
图4为本发明实施例二中另一种太阳能路面结构单元的结构示意图；
图5为本发明实施例二中另一种太阳能路面结构单元的结构示意图；
图6为本发明一种太阳能路面结构单元中加热装置和温度检测装置的安装位置示意图；
图7为本发明一种太阳能路面结构单元的制作方法中透光路面层和透光缓冲层的固定安装示意图；
图8为图7中透光路面层和透光缓冲层固定安装结构的仰视图；
图9本发明另一种太阳能路面结构单元的结构示意图；
图10为本发明一种太阳能路面发电系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，为本发明一种太阳能路面结构单元的结构示意图，太阳能路面结构单元包括：承重层1、太阳能组件层2、透光缓冲层3和透光路面层4；承重层1的一面开设有至少一个凹槽，太阳能组件层2位于凹槽中，且太阳能组件层1的受光面向上。透光缓冲层3和透光路面层4位于太阳能组件层2上，将太阳能组件层2封盖于承重层1的凹槽内。其中，凹槽的数量和形状可以根据实际应用的场景来调整，凹槽底部可以是平面的，也可以是曲面的。本实施例中，承重层1采用混凝土制得，为了保障承重层的强度，承重层1的厚度60mm-100mm；凹槽的截面为长方形。根据应用场景的不同，承重层1也可采用钢化玻璃、环氧树脂和聚氨酯树脂等材料制成。
本发明的一种太阳能路面结构单元中，透光缓冲层3和透光路面层4均采用高强度高透光的材料制得，以保障透光路面层4和透光缓冲层3的综合透光率大于60％。
本实施例中，透光路面层4的上表面需经过粗糙处理，以确保透光路面层4能够满足行人和行车的需求。透光路面层4透光率为65％-95％，透光路面层4上表面的摩擦系数大于0.45。本实施例中，透光路面层4为采用高透光环氧树脂材料制成的板材，其上表面增添了钢化玻璃颗粒，以增大透光路面层4上表面的摩擦力。一般来说，为了保障太阳能路面结构单元的强度和高透光性，透光路面层4的厚度为10mm-20mm，本实施例中，透光路面层4 的厚度为15mm。需要说明的时，透光路面层4还可以采用钢化玻璃、聚氨酯树脂等高强度高透光的材料制成。
本实施例中，透光缓冲层3的透光率大于80％，其厚度要求为20mm-40mm。透光缓冲层3和透光路面层4相互配合使用能够达到很好的抗冲击性，防止路面载荷对于太阳能组件层2的破坏。透光缓冲层3采用聚碳酸酯制得，其厚度为30mm。
太阳能组件层2包括依次叠放的前板、胶膜、太阳能电池芯片和背板。为了提高太阳能组件层2的防水性能，太阳能组件层2还可以包括阻水膜。本实施例中，前板和背板均为钢化玻璃，其厚度为5mm-10mm，双玻封装结构增强了太阳能电池组件层2的阻水性能、抗冲击性能和抗疲劳特性。此外，该双玻结构配合透光缓冲层3及透光路面层4的高分子结构也增强了道路结构的承载能力。
需要特别说明的是，为了便于太阳能组件层2的导线排布，凹槽的侧壁上开设有用于导线进出的导线孔，当导线排布好后，通过密封胶密封导线孔，以保障凹槽的密封性。
本实施例中的太阳能路面结构单元由于在承重层1中设置凹槽，凹槽的尺寸与太阳能组件层2相匹配，太阳能组件层2直接安装于凹槽中，当太阳能组件层2受到路面上水平剪切力的作用时，由于太阳能组件层2受到凹槽四个侧壁的限制，太阳能组件层2不会发生移动，可有效保护太阳能组件层2；同时，太阳能组件层2上设置有透光缓冲层3，提高了太阳能路面结构单元的抗冲击性能，可有效防止路面载荷对太阳能组件层2造成损坏。且太阳能路面结构单元的各个层结构可以直接按照预定的尺寸生产好，然后运输到施工现场进行装配，从而实现了路面结构单元的快速安装，降低了施工周期，需要特别说明的是，为了进一步提高安装速度，可以将承重层1的尺寸直接设置为与要铺设路面的尺寸一致，然后在承重层1中设置多个凹槽；维护时，哪个层结构出现问题，需要维修或更换时，可以直接将相应的层结构取出即可，从而降低了维护成本。
实施例二
由于太阳能道路路面上的车辆、人流等载荷的影响，太阳能路面结构单元受到道路上水平剪切力的作用时，层与层之间容易分离，当太阳能组件层2 分离后，发生移动，容易造成太阳能组件层2的损坏，从而影响太阳能路面结构单元的发电情况。因此，要优先保护太阳能组件层2，将太阳能组件层2 层固定于凹槽中，限制其移动，防止太阳能组件层2损坏。
当透光缓冲层3与透光路面层4之间发生分离，而透光缓冲层3与太阳能组件层2之间没有发生分离时，透光缓冲层3受到路面载荷的影响发生移动时，会有带动太阳能组件层2运动的趋势，而太阳能组件层2受到凹槽壁的限制，不会移动，此时，透光缓冲层3与太阳能组件层2之间分离的速度会加快；当透光缓冲层3与太阳能组件层2之间发生分离后，外界的水汽可能会直接与太阳能组件层2接触，造成太阳能组件层2的损坏。因此，如图2 所示的，本发明一种太阳能路面结构单元的结构示意图，其透光缓冲层3也位于承重层1的凹槽中，太阳能组件层2和透光缓冲层3被透光路面层4封盖于承重层1的凹槽中。
需要说明的是，为了保障太阳能路面结构单元的密封性，透光缓冲层3 的上表面低于承重层1的上表面。本实施例中，凹槽的深度为透光缓冲层3 的厚度和太阳能组件层2的厚度之和，这样还可以避免凹槽中各个层之间出现空隙，进而降低太阳能路面结构单元的结构强度。同时，凹槽的长宽略大于透光缓冲层3长宽与太阳能组件层2的长宽，保障透光缓冲层3和太阳能组件层2可以顺利放进凹槽的同时，避免了各个层与凹槽的侧壁之间出现太大的空隙，为了进一步消除空隙，可以通过透明密封胶消除各个层与凹槽之间的空隙。
需要说明的是，本发明的太阳能路面结构单元的还可以是图3所示的结构，其中，太阳能组件层2、透光缓冲层3和透光路面层4自上而下依次设置于凹槽中，这样设置，太阳能组件层2、透光缓冲层3和透光路面层4均会被凹槽侧壁限制移动，防止了由于路面载荷的影响，导致太阳能组件层2、透光缓冲层3和透光路面层4之间发生分层的现象出现，有效保障了太阳能路面结构单元使用寿命，降低了成本。
需要进一步说明的是，本发明的太阳能路面结构单元的还可以是图4所示的结构，其中，承重层1的凹槽包括第一安装部和第二安装部，第一安装部用于安装太阳能组件层2和透光缓冲层3，第二安装部用于安装透光路面层 4；这样设置，在保障凹槽侧壁限制太阳能组件层2、透光缓冲层3和透光路面层4移动，同时，与图3的结构相比，本太阳能路面结构单元结构可以保障太阳能组件层2的受光量，让太阳能组件层2可以接收更多的光线，提高太阳能路面结构单元结构的发电量。
为了进一步保障太阳能组件层2接收更多的光线，本发明的太阳能路面结构单元的还可以是图5所示的结构，其中，承重层1的凹槽包括第一安装部和第二安装部，第一安装部用于安装太阳能组件层2，第二安装部用于安装透光缓冲层3和透光路面层4；这样可以进一步增大太阳能组件层2受光量，保障太阳能路面结构单元结构的发电量。
实施例三
本实施例与实施例一和实施例二的不同之处在于，太阳能路面结构单元还包括加热装置5和温度检测装置6；加热装置5设置于透光缓冲层3和透光路面层4之间，或者，设置于透光缓冲层3与太阳能组件层2之间，用于融化透光路面层4上的结冰、积雪等；温度检测装置6设置于透光缓冲层3和太阳能组件层2之间，或者，设置于透光缓冲层3和透光路面层4之间，用于检测太阳能组件层2的温度。如图6所示，为太阳能路面结构单元中加热装置和温度检测装置的安装位置示意图，其中，加热装置5和温度检测装置6 均位于透光缓冲层3和透光路面层4之间，加热装置5、温度检测装置6和太阳能组件层3之间电连接。
本实施例中的太阳能路面结构单元适用于安装在道路会出现积雪和结冰的地方，当路面出现积雪或结冰的情况时，加热装置5可以利用太阳能组件层2产生的电力产生热量，加热透光路面层，以融化积雪或结冰。当加热装置5开启后，温度检测装置6也随之开启，温度检测装置6实时检测太阳能组件层2的温度，当检测到太阳能组件层2的温度超过预设的温度阈值时，为了保障太阳能组件层2的安全，温度检测装置6会发出指令，加热装置5 随之关闭。
其中，加热装置5可以是电阻丝、电阻环和电阻片等，为了避免加热装置对光线的遮挡，本实施例中，加热装置5优先选用电阻丝；温度检测装置6 可以是带有处理器的温度传感器，可以实时处理检测到的温度数据，根据温度数据控制加热装置5的开关。
在一些实施方式中，可以在凹槽中太阳能组件层下增加另一透光缓冲层3，这样可以进一步降低太阳能组件层2因受外力而损坏的几率。
本实施例中的太阳能路面结构单元由于设置有加热装置5，减少了路面的结冰及积雪，降低了城市服务人员的工作强度，提高了路面的安全性；设置有温度检测装置6，可以实现对太阳能组件层2温度的实时监控，避免了因长期开启加热装置5，导致太阳能组件层2温度过高的现象，提高路面结构单元的稳定性；同时，加热装置5和温度检测装置6相互配合，省去了人工频繁地开关加热装置5。
实施例三
一种太阳能路面结构单元的制作方法，包括以下步骤：
101、制作承重层1。
具体的，采用混凝土制作承重层1，将搅拌好的混凝土注入4×4的16宫格模具中，待固化、养护完成后，即可将承重层1输送至要铺设的道路上，当然，也可以在要铺设的道路上直接完成承重层1的浇筑；本实施例中制作的承重层1的长度为5.1m，宽度为3.5m，承重层1的厚度为100mm，其中，凹槽的截面为长方形，底面为平面，深度为40mm，凹槽底面到承重层底面之间的厚度为60mm，凹槽的长度和宽度，需要根据太阳能组件层2的尺寸来确定。
需要说明的是，为了提高承重层1的结构强度，承重层1可以采用钢筋混凝土的结构。承重层1也可为单宫格、四宫格、九宫格等不同形式，一切都可根据实际工程需要进行调整。
102、在承重层1的凹槽中安装太阳能组件层2。
具体的，在承重层1的凹槽中均匀涂抹一定厚度的透明胶层，将太阳能组件层固定安装于承重层1的凹槽中，通过透明胶层将太阳能组件层2固定粘结于凹槽中，太阳能组件层2的连接导线通过设置在凹槽侧壁上的导线孔引出。此外，还可以通过机械结构将太阳能组件层2固定于凹槽中。
本实施例中，太阳能组件层2为双玻结构，由太阳能电池及上下两层8mm 的钢化玻璃和粘接用的密封胶封装而成，太阳能组件层2的尺寸为 0.66m*1.0m。为了增强太阳能组件层2的防水性能，还可以在太阳能组件层2 中增加阻水膜。双玻封装结构增强了太阳能电池组件层2的阻水性能、抗冲击性能以及抗疲劳特性。其中，太阳能组件层2也可采用单玻结构，前板为钢化玻璃，背板采用铝合金、不锈钢等导热性能较好的材料，这样，太阳能电池产生的热量通过背板传导出去，加快太阳能电池产生热量的消散速度。
103、将透光缓冲层3和透光路面层4安装于承重层1的凹槽中，且太阳能组件层2和透光缓冲层3密封于凹槽中。
具体的，由于透光缓冲层3和透光路面层4均采用高透光有机材料制成，实际生产过程中，可以将两者通过透光粘结剂固定粘结在一起，这样可以大大提高太阳能路面结构单元的安装效率，且二者经粘接并模块化处理后，综合透光率在65％以上，满足使用要求。其中，为了保障结构单元的稳定性，透光缓冲层3应该和太阳能组件层2的尺寸保持一致，为0.66m*1.0m；为了保障透光路面层4可以完整覆盖整个凹槽，透光路面层4的尺寸要大于透光缓冲层，为0.75*1.1m。如图7所示，为本发明一种太阳能路面结构单元的制作方法中透光路面层和透光缓冲层的固定安装示意图；图8为图7中透光路面层和透光缓冲层固定安装结构的仰视图。
其中，103步骤中，透光缓冲层3和透光路面层4的安装方法可以根据本发明实施例一和实施例二中提到的不同的太阳能路面结构单元，来进行具体的调整。
进一步的，透光路面层4和透光缓冲层3分别制作完成后，直接将电组丝和温度传感器布置于透光路面层4和透光缓冲层3之间，并使用高透光粘结剂将透光缓冲层3、电组丝、温度传感器和透光路面层4粘接固化在一起，实现模块化，以便后期道路施工及养护和维修。安装时，将透光缓冲层3与太阳能组件层2接触，透光缓冲层3与太阳能组件层2之间可以通过高透光粘结剂来粘结固定，并通过高透光密封胶密封透光路面层4与凹槽间的间隙，完成太阳能路面结构单元的制作。如图9所示，为最终制成的一种太阳能路面结构单元的结构示意图。
需要说明的是，在一些实施方式中，温度传感器安装于透光缓冲层3和太阳能组件层2之间，则，将电组丝布置于透光路面层4和透光缓冲层3之间，并使用高透光粘结剂将透光缓冲层3、电组丝和透光路面层4粘接固化在一起；然后将温度传感器固定于太阳能组件层2之上，然后将透光缓冲层3 与太阳能组件层2通过高透光粘结剂粘结固定，并通过高透光密封胶密封透光路面层4与凹槽间的间隙，完成太阳能路面结构单元的制作。
需要说明的是，本实施例中，粘结剂可以为环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA树脂和中性硅酮耐候胶等。
需要特别说明的是，在将承重层1铺设于道路上之前，还包括道路路基的准备工作，路基的准备工作与现有公路铺设工程的准备工作类似，完成道路水泥碎石基层，然后采用钢筋混凝土浇筑在平整好的路面基层上，形成混凝土路基，本实施例中混凝土路基的厚度为200mm。
本实施例中，在制作太阳能路面结构单元时，通过将路面结构单元分为第一模块，即，承重层1；第二模块，即，太阳能组件层2；第三模块，即，透光缓冲层3和透光路面层4。实际制作过程中，第一模块可以直接就近制作，从而降低运输费用，第二模块和第三模块可以直接在工厂进行模块化、规模化、标准化生产，从而即可以提高制作出的第二模块和第三模块的质量，又可以提高安装时的安装效率；当第二模块或第三模块出现损快时，可以直接将其取出然后进行更换，不用对整个道路的结构进行拆分，便于后期道路的养护和维修，降低了维护成本。
实施例四
如图10所示，为一种太阳能路面发电系统的电连接示意图，其包括：储电装置101、控制装置102、用电设备103和至少一个太阳能路面结构单元104；控制装置102分别与太阳能路面结构单元104、用电设备103和储电装置101 电连接；储电装置101与太阳能发电路块104电连接。其中，太阳能路面结构单元104用于在有光照照射的情况下，为太阳能路面发电系统的其它装置提供电能；储电装置101用于存储太阳能路面结构单元104产生的电能，包括蓄电池、电容蓄能器等储能装置；控制装置102用于控制太阳能路面发电系统的运转，特别是电量在储能装置101和用电设备103之间的分配，其包括MCU、微型处理器等；用电设备103包括照明设备、信息显示设备等。
本发明的太阳能路面发电系统的具体工作原理为：当太阳能路面结构单元104可以正常发电时，控制装置102控制太阳能路面结构单元104直接为用电设备103供电，如有剩余电量或者用电设备103不需要用电时，在控制装置102的处理下，太阳能路面结构单元104产生的电能存储到储电装置101中；当太阳能路面结构单元104不能正常发电时，例如夜晚、阴天等情况下，控制装置102控制储电装置101为用电设备103供电。
本发明的太阳能路面发电系统，可以设置在城市中的高速公路、城市道路、人行道、广场、等广大的露天空旷地面区域，在满足道路功能的同时，利用太阳能产生电量，来满足城市用电设备的用电需求，可以减少火电的使用，降低燃煤对空气的污染。该结构不仅结构简单，易于施工，维护简单，而且可以利用太阳能产生的电力为冬季路面加热，减少道路结冰和积雪，在增强道路的安全性的同时还能为交通信号灯、监控、电动车提供电力。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
