如果把地球上的公路都铺成太阳能公路……

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太阳能公路会成为公路的未来吗?要解决这一问题,需要理清公路太阳能相较于传统能源的优势,也需要认识到这一技术当前存在的障碍。

据估计,全世界大约有0.2%到0.5%的陆地表面由道路覆盖。另据预测,到2050年,这一比例还将上升60%。就仅为运输之用来说,这一土地占用比例是惊人的。

但是,如果道路还可用作太阳能发电设施,又会如何?太阳能公路会成为公路的未来吗?

要解决这一问题,需要理清公路太阳能相较于传统能源的优势,也需要认识到这一技术当前存在的障碍。

1.太阳路公路——突破物理空间的限制

相较于可再生能源,化石燃料的优势之一就是其能源密度。原因很简单:石油、煤和天然气等化石燃料都经过了数百万年的存储。这种存储基本上是由植物(以及吃这些植物的动物)经过千秋万载,利用光合作用存储太阳能量,而逐渐积累而来的。因此,化石燃料的能源密度自然要高过实时可利用的太阳能。

换句话来说:化石燃料产出能量所需的土地面积要远小于太阳能。

因此,利用可再生能源的一个主要障碍就是对大量物理空间的需求。与此同时,随着我们的能源消耗持续上升,物理空间正在成为一个真正的问题。要知道,2016年全球初级能源总消耗达到478TW,并且这一数字还在逐年增长。

举个例子,如果你想用玉米乙醇为我们供应所有能源,根据玉米乙醇的电力生产功率密度(大约0.2瓦/平方米,生物燃料中表现最差之一),那么仅种植玉米你就需要超过2 x (10的15次方)平方米土地。不幸地是,这是地球表面积的4倍多。

反对可再生能源的倡导者们经常利用这一数据来鼓吹可再生能源基础设施是不可能实现的。但这是一种夸大其辞。在沙漠中,太阳能电池板阵列的功率密度可达20瓦/平方米甚至更多。此外,太阳能电池板产生的能量是以优质电能的形式存在的。

化石燃烧发电场的效率并不是100%,一些工厂再将燃料转化为电力时的损耗率甚至会高达70%。但能够取代这些发电场的大规模的可再生能源将需要大量的土地。

因此,许多人想到利用公路来发电就再自然不过了。

2.充满热情的早期探索者

考虑到土地已经被覆盖,用公路发电对环境的破坏相对会比较小。此外,发电站不会受地理位置偏远问题的困扰。对维修来说,似乎也容易办到……。

通过将道路与LED相结合,我们还可以拥有高效的街道照明、指示牌和路标。你甚至可以想像,通过无线电力传输,将来有一天,汽车可以在行驶的过程中由其行驶的道路实时充电。

这一想法可能听起来有点牵强,但确实得到了多国政府和企业的热切支持。

Solar Roadways是一家位于爱达荷州的初创公司,其太阳能公路创意视频在youtube上的点击量曾超过2200万。该机构还在Indiegogo上发起了一场众筹活动,并于2014年成功募集到近230万美元资金。

很快,该公司的创始人Scott Brusaw,在自家后院建造了一个公路原型,其发电量是当时美国平均电力消耗的一半。不幸的是,太阳能公路需要的不仅仅是一点点动力,而怀疑的声音开始大量涌现。

David Biello在《科学美国人》撰文指出“(高速公路的玻璃)一定需要钢化、可自行清洁,还能在恶劣条件下,将光传送到下面的太阳能电池上等众多特性,这是一种尚不存在的玻璃。”

2017年12月28日,中国首条拥有自主知识产权的太阳能高速公路在山东济南正式通车。

试验道路全长1120米,预计年发电量约100万千瓦时,每年可减少1550万吨的二氧化碳排放。电动汽车在该公路上可以实现边跑边充电,下雪还能自动融化路面积雪。

这条公路采用的方法是在透明沥青和一层隔离层之间置入太阳能电池板。由于表面铺设的是透明沥青而不是玻璃,可能克服上述材料问题,因为其建造者声称其能承受多于普通沥青10倍的压力。

2014年,荷兰公司SolaRoad在阿姆斯特丹打造了一条太阳能供电的自行车道。该公司认为,随着技术进步,成本会降低,太阳能道路会在15年内收回成本。

2016年12月,法国公路承包商Colas与法国国家太阳能研究院合作,在诺曼底地区的一个小镇建造一条1000米长的太阳能公路Wattway,预计可以满足5000人口小镇的公共照明用电。

3.从理想到现实有多远?

通过目前的实践来看,太阳能公路在理论上讲不是不可能的。可惜的是,在“不是不可能”和“实际应用”之间仍然存在一条很深的、充满梦想的鸿沟。

首先是价格问题。

以Solar Roadways公司为例:如果你用该公司的价格进行估算,将全美公路都替换为太阳能公路的成本将达到56万亿美元,这简直就是一个不可能的超级天文数字。

此外,中国的太阳能公路成本为458美元/每平方米,相比之下,Solar Roadways的价格为746美元/平方米,但很可能还不够。因此,该公司曾众筹的200多万美元只能算是沧海一粟。

除了成本之外,还有一个非常现实的问题,那就是这能否作为能源危机的真正解决方案

我们的道路并不总是建在铺设太阳能电池板最理想的地方,而且它们也不能永远都达到太阳能需要的理想仰角。如果清理掉撒哈拉沙漠太阳能板上的灰尘是一项挑战,那么道路在充当道路的同时又充当电力发动机将带来一场维护噩梦。

再来看看太阳能电池板的功率密度问题。

以SolaRoad为例。该公司发言人说,荷兰的原型公路据说表现“比预期要好”,每平方米每年可产生70千瓦时的电力,相当于预期产量得上限。但70千瓦时不是一个很大的数量。

如果你想要用这条路来为你的汽车充电,1平方米每年能为你提供一量特斯拉汽车行驶大约300英里所需要的能量。考虑到美国人平均每年行驶13475英里,这简直可以忽略不计。

如何解决功率密度问题呢?如果按比例扩大一下荷兰公路的原型,其将拥有8瓦/平方米的功率密度。如果你花费56万亿美元在这条太阳能道路上,你就能覆盖大约7.5 x (10的10次方)平方米的太阳能板,并产生600GW的电力。

还不错,尽管总能源消耗高一些,这些正是美国今天大约的用电量。但就56万亿美元来说,你可以做的更好。而且实际上来讲,太阳能公路在融资方面的前景非常渺茫,因为太阳能和可再生资源还没有像这样大规模投入使用。

中国追随太阳能公路的热情象征着中国对可再生能源创新解决方案的新动作。谁又知道呢?也许有一天,随着太阳能电池板技术的进步,太阳能公路建造成本可能变得更低,并且更加高效,更加现实。

(编译:齐达 原作者:Thomas Hornigold)

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