【Применение новых источников энергии】Подробный обзор строительства солнечных автомагистралей

II. Значение солнечных автомагистралей 1. Определение Под солнечной автомагистралью понимается система, при которой с помощью дорожного покрытия, объектов, расположенных вдоль дороги, а также окружающей среды осуществляется производство солнечной энергии с использованием фотоэлектрических элементов. Эта энергия используется для обеспечения электроэнергией самих дорожных сооружений и жителей, проживающих вблизи них. 2. Теоретическая концепция. Теоретическая концепция «солнечных автомагистралей» предполагает установку панелей солнечных батарей прямо в поверхность дороги, а также поиск новых оптических материалов для её покрытия. Этот новый тип покрытия дорог (такой как прозрачная керамика и линзы для фокусировки света) должен соответствовать требованиям к движению автомобилей на автомагистралях, а также обеспечивать пропускание и фокусировку солнечного света, чтобы солнечные фотоэлектрические панели, расположенные под ним, могли получать излучение Солнца. Другими словами, совместное действие среднего и верхнего слоев должно соответствовать стандартам проектирования автомагистралей, тем самым обеспечивая безопасность движения по ним. III. Краткое описание солнечных ресурсов нашей страны. Как известно, солнечная энергия является неисчерпаемым и вечным зеленым ресурсом. По оценкам, энергия солнечного излучения, достигающая поверхности Земли каждую секунду, составляет 8,0×1013 кВт, что эквивалентно энергии, выделяемой при сжигании 5,5 миллионов тонн стандартного угля. Солнечная энергия, падающая ежегодно на сушу нашей страны, эквивалентна 170 миллиардам тонн стандартного угля. У нашей страны очень богатые солнечные ресурсы: более 2/3 территории страны имеют годовое количество солнечных часов свыше 2000. Однако из-за того, что солнечная энергия распространяется очень диффузно и плотность потока энергии невысока, на поверхность Земли падает примерно 1000 Вт на квадратный метр.

IV. Ситуация с развитием за рубежом 1. Соединенные Штаты США являются страной, которая первой начала исследования в области солнечных автомагистралей. В 2006 году супруги-ученые из штата Айдахо в США, Скотт Бруссо и Джули, впервые выдвинули идею использования солнечных панелей вместо традиционного асфальта для строительства так называемых «солнечных дорог». Их проект получил финансовую поддержку от Федерального управления автомагистралей США. В 2009 году они получили первый **грант** на создание прототипа дороги с солнечными панелями. Весной 2013 года супруги Бруссо запустили пилотный проект: в городе Санд-Пойнт, штат Айдахо, они построили открытую парковку с солнечными панелями. Скотт считает, что парковка — это отличная площадка для тестирования световых приборов на основе LED и систем генерации электроэнергии. Можно перенастроить стрелки направления и линии для парковки, чтобы справиться с пиковыми нагрузками, а производимая электроэнергия может быть использована для обеспечения электроэнергией близлежащих предприятий. В знак признания их заслуг местные власти наградили их 750 тысячами долларов. В настоящее время главным препятствием для распространения таких солнечных дорог являются огромные инвестиции в строительство и высокие затраты. Агентство по энергетике США выделило средства компании, занимающейся разработкой солнечных дорог, с целью значительного снижения производственных затрат и превращения солнечных автострад в реальность для их скорейшего введения в эксплуатацию. 2. Италия. Италия, ставшая первой в мире страной, построившей автомагистрали, собирается совершить ещё один новый прорыв. Автомагистраль Катания–Сиракузы A18 (30 км нового участка в сети автомагистралей острова Сицилия протяженностью 600 км) станет автомагистралью, полностью работающей на солнечной энергии, и будет первой в мире такой автомагистралью. 3. Нидерланды: Нидерланды пытаются устанавливать солнечные панели на обычных дорогах. Нидерландская академия прикладных наук создала проектную группу «Путь солнечной энергии» и разработала новую систему солнечных элементов, в которой с помощью устройства для фокусировки света солнца, поглощаемого поверхностью дороги, свет сосредотачивается на небольшом высокоэффективном солнечном элементе. Их солнечные установки предназначены для тестирования при укладке дорог в небольшом городке недалеко от Армстронга. По оценкам ученых, солнечные дороги, которые они создали, могут производить примерно 50 киловатт-часов электроэнергии в год на квадратный метр. В то же время средний годовой расход электроэнергии на одну семью в Нидерландах составляет 3500 киловатт-часов. 4. Великобритания: первая в мире общенациональная сеть зарядных станций для электромобилей на автомагистралях, введенная в эксплуатацию в сентябре 2011 года в Великобритании. Такие станции зарядки от солнечной энергии уже установлены в 12 зонах обслуживания на автомагистралях, и ещё 18 таких станций будет введено в эксплуатацию в зонах обслуживания бесплатно. Этот шаг означает, что электромобили впервые смогут добираться в любую точку Великобритании. Сеть зарядных станций строится компанией Ecotricity, специализирующейся на экологической энергетике. Основатель компании говорит: «Статистика показывает, что электромобилям не требуется зарядка по пути в городах; на самом деле зарядка необходима на автомагистралях между городами». ” 5. Согласно сообщениям из Германии от 16 ноября 2010 года, на автомагистрали Ашаффенбург были установлены солнечные панели, что позволило эффективно использовать неиспользуемое пространство. Это является самым важным проектом по производству солнечной энергии в Германии. В туннеле автомагистрали в Германии установлено 16 000 солнечных панелей, которые обеспечат выработку 2,8 мегаватт электроэнергии. Этот проект требует инвестиций в размере 11 миллионов евро, и на возврат суммы инвестиций уйдет 16 лет. 6. Швейцария: в 1989 году в Швейцарии была создана первая солнечная звукопоглощающая система, которая позволяет не только снижать уровень шума, но и вырабатывать электроэнергию с помощью солнечной энергии. Сейчас Германия, Великобритания, Франция, Италия и другие страны **начали применять солнечные звуковые барьеры на практике. 7. Бельгия: Европейская компания Enfinity установила солнечную фотоэлектрическую систему протяженностью 2,1 мили (около 3,6 километров) в железнодорожном туннеле рядом с автомагистралью HSL4 в Бельгии. В этой системе используется 16 000 солнечных панелей; общая площадь составляет 50 000 квадратных метров (это примерно равно площади 8 футбольных полей). Общая стоимость строительства составила 21 миллион долларов. Электроэнергия, произведенная с помощью солнечной энергии, используется в некоторых объектах железнодорожной инфраструктуры: для освещения, отопления, а также для обеспечения половины потребностей в электроэнергии центрального вокзала Антверпена. Годовой объем производства электроэнергии составляет 3300 мегаватт-часов, что достаточно для обеспечения электроэнергией примерно 1000 семей. Благодаря этому в год можно сократить выбросы углекислого газа на 2400 тонн. 8. Австралия: компания GoingSolar, специализирующаяся на устойчивой энергетике в Австралии, встроила солнечные панели в звукоизоляционные стены автомагистралей. Первый проект GoingSolar на автомагистрали был реализован на автомагистрали Tullamarine Calder — стена из солнечных панелей здесь имеет длину 500 метров. 9. Япония. В 2013 году префектура Сага в Японии собиралась выдать разрешения операторам, занимающимся производством электроэнергии с помощью солнечных панелей, на бесплатное использование склонов дорог, находящихся под управлением префектуры. Местом расположения электростанции является южный склон автомагистрали вдоль моря Ариме, протяженностью около 2 километров, от района развязки Кубота до моста Фукусоэ.

V. Краткая информация о ситуации в стране. На автомагистралях в некоторых регионах нашей страны уже используется солнечная энергия для питания некоторых устройств системы видеонаблюдения, расположенных на открытых участках. Вначале электроэнергия подавалась только на некоторые устройства с низким энергопотреблением, такие как камеры в системах круглосуточного наблюдения, детекторы микроволн и т. д. Начиная с прошлого года, на новом участке дороги Хандан-Юго-Восточный кольцевой маршрут протяженностью 38 километров, который является частью проекта по реконструкции автомагистрали Пекин-Гонконг-Макао в районе Шиань, вся электрооборудование использует солнечную энергию в качестве источника питания. Это позволяет достичь цели полного отказа от использования кабелей на данном участке дороги, что соответствует целям, поставленным транспортными ведомствами на уровне министерств и провинций: создание технологически передовой дороги, которая будет лидировать в стране и считаться образцом на международном уровне. В настоящее время ведутся работы по монтажу, и ожидается, что строительство будет завершено к маю. В целом, в стране пока не существует ни одного ведомства или организации, которые бы предложили идею и планы по созданию «солнечных автомагистралей», не говоря уже о проведении каких-либо исследований, разработок или пилотных проектов. Тем не менее, на некоторых автомагистралях уже созданы солнечные фотоэлектрические установки с использованием расположенных вдоль дороги объектов: зон обслуживания, пунктов взимания платы, туннелей, звукопоглощающих барьеров и т. д. Эти установки обеспечивают электроэнергией, освещением и отоплением соответствующие объекты, что принесло значительную экономическую выгоду, а также способствовало экономии энергии и охране окружающей среды. Несколько примеров ниже — это лишь часть из них. 1. В сентябре 2011 года в провинции Хэнань на зоне обслуживания автомагистрали Пекин-Гонконг-Макао в городе Аньян была построена солнечная фотовольтаическая электростанция мощностью 60 кВт, которая начала вырабатывать электроэнергию и подключилась к сети. Эта электростанция является первой в стране солнечной фотоэлектрической станцией. Ежегодно она производит 85 850 киловатт-часов электроэнергии, что позволяет сэкономить 780 тонн стандартного угля. Ожидается, что она будет работать стабильно в течение 25 лет. 2. В провинции Шэньси в январе 2014 года был завершен процесс подключения к сети и приемка электростанции мощностью 110 кВт, расположенной на автомагистрали «Ши Тянь» в уезде Сисян. В рамках этого проекта используется схема выработки электроэнергии непосредственно на стороне потребителя. Ожидается, что годовой объем производства электроэнергии составит 150,4 тысяч киловатт-часов. Полученная энергия будет использоваться в основном для освещения и обеспечения электроэнергией туннеля Чацяолин. Это позволит сделать данную энергию важной составляющей системы электроснабжения туннеля; кроме того, ежегодно можно будет сэкономить 150 тысяч юаней. За 25 лет эксплуатации электростанции можно сэкономить 1466 тонн стандартного угля, сократить выбросы углекислого газа на 3749 тонн и выбросы сернистого диоксида на 113 тонн. 3. В провинции Фуцзянь на участке первой фазы автомагистрали Йонгву были построены солнечные электростанции в туннеле Цзиньцзилин и на станции на главной трассе между Фуцзянем и Гуандуном. 4. Провинция Сычуань. Согласно сообщениям от мая 2012 года, в Яньбяне была открыта первая на территории провинции Сычуань заправка, расположенная на автомагистрали и работающая с использованием солнечных энергетических систем. Это первая такая заправка в провинции, использующая солнечную энергию для производства электроэнергии. Этот проект расположен на территории сервисного центра Паньчжихуа, недалеко от нового участка скоростной автомагистрали Паньси. Система для производства электроэнергии с использованием солнечных панелей состоит из 164 солнечных элементов и обеспечивает выработку 30 киловатт электроэнергии. Проект в основном состоит из фиксированной системы микросети мощностью 20 кВт и системы с возможностью регулировки мощности микросети мощностью 10 кВт. Общая стоимость проекта составляет 1,35 миллиона юаней; общая установленная мощность — 30 кВт. Ожидается, что суточное потребление энергии будет составлять от 15 до 20 кВт. Вся энергия будет использоваться для обеспечения работы заправочных станций и освещения на зонах обслуживания автомагистрали в Паньчжихуа. 5. Прочее: Начиная с 2011 года, в стране также появились компании, которые начали заниматься разработкой, производством и внедрением солнечных звукопоглощающих экранов и солнечных крыш для парковок. Одним из главных преимуществ солнечной энергии является то, что её можно использовать практически в любом месте и в любых масштабах. Поскольку звукоизоляционные панели по обеим сторонам дороги не используются в полной мере, а звукопоглощающие барьеры имеют значительные открытые пространства, установка фотовольтаических модулей на эти барьеры, безусловно, является отличным решением.

VI. О стоимости и эффективности 1. Оценка стоимости Поскольку за рубежом построено совсем немного солнечных автомагистралей, а многие проекты все еще находятся на этапе исследований и тестирования, точная оценка стоимости представляет собой сложную задачу. Автор смог собрать лишь некоторые фрагментарные данные из-за рубежа для справки. Супруги Бруссо, предложившие идею «солнечных дорог», считают, что стоимость таких дорог составляет примерно в 3 раза больше, чем стоимость обычных дорог. В целом, стоимость покрытия дорог-демонстраторов солнечной энергии за рубежом составляет примерно 500 долларов за квадратный метр. Исходя из этого, стоимость одного полосы движения составляет 1,75 миллиона долларов, а стоимость четырехполосной солнечной автомагистрали — 7 миллионов долларов на километр. По текущему курсу это соответствует примерно 44 миллионам юаней. По оценкам члена комитета Лю Ханьюаня, при нынешнем уровне строительства стоимость создания солнечной электростанции на один километр дороги может составлять примерно 2,3 миллиона юаней. 2. Эффективность. Поскольку на данный момент за рубежом ещё не построена ни одна полноценная, действительно функционирующая солнечная автомагистраль, точных данных об эффективности не существует. Большинство показателей являются оценками или предположениями, однако они могут служить ориентиром. Что касается социальной пользы, то она общепризнана: охрана окружающей среды, экологичность, энергосбережение, безопасность, экономия большого количества земли, а также возможность подключения к городской сети для обеспечения жителей электроэнергией. Что касается экономической эффективности, то в предыдущем описании уже упоминалось некоторое из этого: сколько производится электроэнергии, сколько тонн стандартного угля и нефти можно сэкономить, а также сколько тонн углекислого газа можно сократить…… ； Исходя из существующих субсидий и тарифов на электроэнергию с учетом десульфуризации, можно рассчитать, сколько миллиардов юаней экономической выгоды будет получено ежегодно. Ниже приведены некоторые оценочные данные для справки: 1) Ситуация за рубежом — электроэнергия, производимая на одном километре четырехполосной автомагистрали в США, может обеспечить электроэнергией 300 домохозяйств. -Семь солнечных электростанций на шоссе 101 в Калифорнии, США, могут производить 15 мегаватт электроэнергии благодаря своим фотовольтаическим системам. -Итальянская трасса A18 протяженностью 18 километров будет оснащена солнечными фотоэлектрическими установками, которые в полной мере обеспечат электроэнергией 800 тысяч объектов, расположенных вдоль нее. Фотовольтаические установки, расположенные на дорогах, производят 12 миллионов киловатт-часов электроэнергии в год. Это эквивалентно экономии 310 тысяч тонн нефти в год, а также сокращению выбросов углекислого газа на 100 тысяч тонн в год. -Солнечные дороги, построенные в Нидерландах, способны генерировать примерно 50 киловатт-часов электроэнергии на квадратный метр. Ежегодное потребление электроэнергии одной семьи в Нидерландах составляет 3500 киловатт-часов. Следовательно, 70 квадратных метров таких солнечных дорог достаточно для обеспечения электроэнергией одной семьи. ………… 2) Ситуация в стране. Член комитета Лю Ханьюань отмечает, что к концу 2012 года общая протяженность автомагистралей в нашей стране достигла 96,2 тысяч километров, а общая протяженность полос движения на автомагистралях составила 424,6 тысяч километров. Исходя из расчета 3,5 метра на полосу движения, площадь одной полосы составляет примерно 3500 кв. м. Если считать фактическую установленную мощность равной 15 м² на киловатт, то мощность солнечных электростанций на один километр составит 230 киловатт. А общая площадь полос движения на национальных автомагистралях составляет 1,486 миллиарда квадратных метров. Если использовать эти автомагистрали для строительства солнечных электростанций, то общая мощность таких станций может достигнуть почти 100 миллиардов ватт ； Даже если только 50% автомагистралей будут оборудованы необходимыми установками, мощность таких установок сможет составить 50 миллиардов ватт, что значительно превышает текущую общую мощность электростанций страны. Годовой объем производства электроэнергии может достигнуть 49 миллиардов киловатт-часов, что составляет примерно 9% от годового потребления всей страны. Кроме того, ежегодно будет сэкономлено 19,53 миллиона тонн стандартного угля, а также сокращено выбросы углекислого газа на 52 миллиона тонн. С учетом существующих субсидий и цен на электроэнергию после ее очистки от серы, ежегодный экономический эффект может составить 45 миллиардов юаней. При строительстве солнечных электростанций на автомагистралях ежегодный доход от производства электроэнергии на одну полосу движения может составлять примерно 250 тысяч юаней. В то же время доход от использования земель под сельское хозяйство на один километр такой же полосы движения составляет всего около 2000 юаней в год. Лю Ханьюань сказал, что полное использование автомагистралей нашей страны, а также их зон обслуживания и парковок позволит способствовать строительству солнечных электростанций. Это поможет удовлетворить потребности в электроэнергии для коммуникационных устройств, систем видеонаблюдения и других объектов, расположенных вдоль автомагистралей. “Физическая структура солнечных электростанций также может служить защитой от солнца и дождя на автомагистралях, предотвращая резкое освещение, которое может вызвать головокружение у водителей. Кроме того, профилактическое обслуживание автомагистралей имеет важное значение для снижения затрат на их обслуживание и уменьшения риска серьезных дорожно-транспортных происшествий из-за ухудшения качества дорог. ”

VII. Основные проблемы Как уже упоминалось, для создания солнечных автомагистралей необходимо решить две ключевые проблемы: конструкция дорожного покрытия и стоимость строительства. 1. Исследование материалов для дорожного покрытия. Как уже упоминалось ранее, дорожное покрытие солнечной автомагистрали состоит из трех слоев, причем верхний слой — это прозрачный защитный слой. У этого слоя есть две функции: во-первых, он защищает внутренние солнечные фотоэлементы, а во-вторых, позволяет солнечному свету проникать сквозь него ； Во-вторых, необходимо обеспечить нормальное прохождение по дорожной поверхности различных нагрузок, то есть соблюдать все условия, предъявляемые к дорожной поверхности, такие как прочность, шероховатость и коэффициент трения. Отсюда следует, что покрытие «солнечной автомагистрали» должно соответствовать установленным требованиям к дорожному покрытию (достаточная прочность, стабильность, долговечность, ровность и сопротивление скольжению и т. д.), а также обеспечивать достаточное количество солнечного излучения для поддержания эффективности преобразования энергии фотоэлектрическими модулями. В настоящее время иностранные ученые-технологи занимаются исследованиями и поиском такого особого нового оптического материала для дорожного покрытия. Сообщается, что наиболее подходящими вариантами для удовлетворения вышеуказанных требований являются прозрачная керамика, линзы для сосредоточения света или закаленное стекло. Прозрачная керамика — это оптическая керамика, которая прозрачна, как стекло. У прозрачной керамики высокая механическая прочность и твердость; она способна выдерживать очень высокие температуры — даже при температуре в тысячу градусов она не становится мягкой, не деформируется и не кристаллизуется. Электрическая изоляция и химическая стабильность на высоком уровне. Сообщается, что после множества экспериментов супруги Бруссо смогли создать стекло высокой твердости с рельефной структурой для использования в качестве материала для солнечных панелей. Это особое стекло сильно отличается от традиционного стекла. В настоящее время некоторые зарубежные организации занимаются исследованиями и разработкой прозрачной керамики и линз для фокусировки света, которые могут быть использованы на солнечных автомагистралях. 2. Высокая стоимость. Высокая стоимость строительства солнечных автомагистралей является одним из основных факторов, влияющих на их развитие и распространение. Сообщается, что стоимость покрытия дорог с экспериментальными солнечными панелями за рубежом составляет примерно 500 долларов за квадратный метр. Исходя из этого, стоимость одного полосы движения составляет 1,75 миллиона долларов, а стоимость четырехполосной солнечной автомагистрали — 7 миллионов долларов на километр. По текущему курсу это соответствует примерно 44 миллионам юаней. Американские ведомства проводили расчеты: если бы все дороги в США могли использовать солнечную энергию, это позволило бы стране избавиться от зависимости от нефти. Однако, по скромным оценкам, стоимость строительства таких дорог составит несколько триллионов долларов! Поэтому только **снижение стоимости солнечных панелей позволит действительно реализовать вышеуказанный план**. По словам члена комитета Лю Ханьюаня, при нынешнем уровне строительства стоимость создания фотовольтаической электростанции на километр дороги может составлять примерно 2,3 миллиона юаней. 3. Сложность обслуживания дорожного покрытия. При обслуживании дорожного покрытия на солнечных автострадах учитываются две основные проблемы: ремонт повреждений дорожного покрытия и регулярная чистка светопропускающих поверхностей (прозрачной керамики или линз для фокусировки света). Поскольку покрытие солнечной автострады состоит из отдельных модулей, ремонт выполняется довольно просто — достаточно заменить поврежденные модули. Регулярная чистка светопропускающей поверхности необходима для обеспечения эффективности преобразования энергии солнечными фотоэлектрическими модулями; способы выполнения этой работы могут варьироваться в зависимости от конкретных условий. 4. Проблемы безопасности. Проблемы безопасности включают две основные категории: повреждения (в результате действий человека и природных катаклизмов) и кражи. В целом, у оборудования на территории автомагистралей существует эта проблема — это общая проблема. Можно быть уверенным, что по мере дальнейшего развития социалистической духовной цивилизации в нашей стране качество людей будет постоянно повышаться, и благодаря эффективным мерам контроля подобные проблемы будут постепенно решаться. В 2014 году **Управление по энергетике опубликовало «Уведомление о дальнейшем внедрении политики, касающейся дистрибутивной фотовольтаической генерации электроэнергии» (Государственное управление по новым источникам энергии, номер 406), призывая к использованию различных форм дистрибутивной фотовольтаической генерации электроэнергии. В уведомлении говорится о необходимости поощрения использования солнечной энергетики в таких общественных объектах, как железнодорожные станции (включая станции высокоскоростных поездов), зоны обслуживания на автомагистралях, терминалы аэропортов, крупные транспортные узлы, крупные спортивные сооружения и парковки. Также рекомендуется использовать неиспользуемые земли, пустынные склоны, сельскохозяйственные теплицы, мели, рыбные пруды, озера и т. д. для строительства распределенных солнечных электростанций, которые будут работать на месте. Отсюда видно, что **распределенная фотовольтаическая генерация электроэнергии активно поощряется и поддерживается; в последние годы было принято множество соответствующих политик и правил. Можно предположить, что по мере развития технологий и увеличения инвестиций в исследования и разработки, ключевые технические проблемы и необходимые материалы будут постепенно решаться. В результате стоимость строительства солнечных автомагистралей будет снижаться. Ожидается, что в ближайшем будущем на территории нашей страны появится первая солнечная автомагистраль. Автор советует соответствующим органам власти и учреждениям уделять этой проблеме высокое внимание, организовать работу специалистов для её изучения и планирования, оценить возможности её реализации, на основе существующих условий провести необходимые пилотные проекты и постепенно распространять эту практику. Источники: 1. Лю Ханьюань: использование автомагистралей для строительства солнечных электростанций, Sina Finance, 3.3.2013. 2. Оу Инлэй: идея использования автомагистралей для производства солнечной энергии, Guangdong Science and Technology, август 2012 г., стр. 218–219