“A SOLAR ROAD” - A ROAD OF THE FUTURE
Rubrics: ENGINEERING AND NATURAL SCIENCES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan; Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 37
to 43
Status:
Published
Received:
10.04.2019
Accepted:
15.04.2019
Published:
15.04.2019
Subject area:
UDK 620.97
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
Language:
Russian
Keywords:
solar batteries, highways, road surface, solar panels, road building, “smart roads”
Abstract (English):
The article touches upon the problem of implementing energy saving technologies in the road building, in particular, installing solar panels instead of asphalt pavement. The main advantages of using solar panels in the road building and the functions of the pavement including lighting in the dark, energy source for recharging electric cars, which are gaining popularity in Europe; using communication layer of this pavement as high-speed Internet channel and mobile communication; proper traffic bearing surface that could replace conventional asphalt. The roadway equipped with panels acts as a network of individual cells, each of them is controlled by the central computer. This fact helps to replace any panel in case of damage or spoilage. The observation of “smart road” projects designed by the engineers of different countries has been presented. The considered innovative solutions in the road building allow to bring the state of the roads in the fast-growing cities to the necessary ecological level, as well as to solve the problem of slippery roads in winter. The disadvantage of projects of building the roads based on solar batteries at first will be the high cost of manufacturing.
The article touches upon the problem of implementing energy saving technologies in the road building, in particular, installing solar panels instead of asphalt pavement. The main advantages of using solar panels in the road building and the functions of the pavement including lighting in the dark, energy source for recharging electric cars, which are gaining popularity in Europe; using communication layer of this pavement as high-speed Internet channel and mobile communication; proper traffic bearing surface that could replace conventional asphalt. The roadway equipped with panels acts as a network of individual cells, each of them is controlled by the central computer. This fact helps to replace any panel in case of damage or spoilage. The observation of “smart road” projects designed by the engineers of different countries has been presented. The considered innovative solutions in the road building allow to bring the state of the roads in the fast-growing cities to the necessary ecological level, as well as to solve the problem of slippery roads in winter. The disadvantage of projects of building the roads based on solar batteries at first will be the high cost of manufacturing.
Keywords:
solar batteries, highways, road surface, solar panels, road building, “smart roads”
solar batteries, highways, road surface, solar panels, road building, “smart roads”
В связи с истощением природных ресурсов значительная часть различных сфер производства стремится перейти на применение возобновляемых источников энергии. Особое место среди таких источников занимает солнечная энергия, т. к. именно солнечные батареи, для которых характерны высокая экологичность и простота в обслуживании, являются максимально приемлемыми для массового использования. Масштабное внедрение и использование новейших энергоэффективных технологий являются отличительными особенностями современной развитой экономики любой страны. Актуальность использования таких технологий в Российской Федерации затрагивает множество сфер деятельности, в том числе и транспортную. Поэтому внедрение солнечных панелей не обошло вниманием и сферу строительства автомобильных дорог, т. к. именно они являются одним из главных потенциальных источников экологических рисков, которые негативно влияют на нормальные условия жизни человека. Инженеры и другие специалисты в области дорожного строительства при создании проекта и в дальнейшем строительстве любого крупного объекта инфраструктуры в транспортной сфере вынуждены особое внимание уделять экологическим вопросам. Автодорога как инженерное сооружение существенно изменяет природные ландшафты, режим стока поверхностных и грунтовых вод, места обитания флоры и фауны, приводит к изменению микроклимата отдельных территорий, появлению оползней, эрозии земель, изменению береговых линий водных объектов, а также является источником шума, вибрации, электромагнитного и ионизирующего воздействия на компоненты окружающей среды, население и животный мир [1]. Транспортный комплекс является крупнейшим источником загрязнения токсичными веществами воды, почвы и воздуха [2]. В связи с этим необходимо реализовывать мероприятия и проекты по созданию долговечного, экологически чистого, простого в обслуживании и бюджетного в использовании дорожного покрытия. Использование солнечных батарей в строительстве автомобильных дорог Актуальной задачей для многих энергосберегающих компаний по всему миру стал поиск альтернативных решений по использованию огромных территорий, занятых автомобильными дорогами. Внедрение в дорожное полотно солнечных элементов будет способствовать полному переходу дорожной инфраструктуры с внешнего питания электроэнергией на самообеспечение. Излишки электроэнергии, полученные от «солнечных» автомобильных дорог, будут направлены в различные сферы жизнедеятельности, что позволит улучшить экологическую обстановку в связи с отказом (полным или частичным) от других способов получения электроэнергии. Солнечные панели все чаще используются в повседневной жизни. Однако одной из главных проблем использования солнечных панелей в строительстве автомобильных дорог остается непрочность (хрупкость) солнечных элементов. В связи с этим электрические компании предлагают различные решения, основанные на научно-технических разработках. В средствах массовой информации все чаще можно встретить предложения о создании «умной дороги». Термин «умная дорога» включает в себя множество составляющих: - новейшее дорожное покрытие с включением солнечных батарей; - заряжение автомобилей электроэнергией; - освещение в темное время суток; - информирование водителя в процессе вождения по такой дороге; - обозначение специальными предупредительными светодиодными знаками; - возможность прокладывания вдоль дороги «коридоров» для кабельных элементов и резервуаров для сбора воды. Изначально в дорожном строительстве солнечные батареи стали использовать в Нидерландах в 2014 г. Именно здесь появилась первая в мире велосипедная дорожка из солнечных панелей. В ходе строительных работ был открыт 70-метровый участок дороги, являющейся частью проекта SolaRoad по созданию энергопродуцирующих дорог общего пользования (рис. 1) [3]. Рис. 1. Первая в мире солнечная велодорожка В 2016 г. Сеголен Руаяль, министр экологии и энергетики Франции, заявила, что правительство в ближайшие пять лет планирует проложить не менее 1 000 км дорог с покрытием из фотоэлектрических панелей, которые будут снабжать энергией миллионы людей [4]. Предполагалось, что один километр такой дороги будет способствовать удовлетворению электроэнергетических потребностей около пяти тысяч человек в течение года (без учета отопления). Зимой 2017 г. французским правительством в деревне Tourouvre-au-Perche была открыта дорога с покрытием из солнечных батарей. В настоящее время функционирует только первый километр трассы. Километровый участок дороги оборудован 2880-ю солнечными панелями, которые обеспечили уличные фонари электроэнергией. Для обеспечения функционирования прозрачной и в то же время прочной оболочки фотоэлементов используется несколько пластиковых слоев, выдерживающих максимальную нагрузку. Вопросы по масштабному внедрению энергоэффективных технологий в дорожном строительстве обсуждались на различных конференциях и симпозиумах, актуальная идея заинтересовала правительства многих государств, в том числе и Российской Федерации. В связи с этим в январе 2017 г. в пресс-службе Федерального дорожного агентства (Росавтодор) заявили, что в Российской Федерации протестируют дорожное покрытие с солнечными батареями, которое позволит аккумулировать электроэнергию. В настоящее время выполняются научно-исследовательские работы по разработке методических рекомендаций для обеспечения автомобильных дорог альтернативными источниками электрической энергии. Использование солнечных панелей в дорожном строительстве взамен асфальтного покрытия стало бы целесообразным в отдельных районах нашей страны с большим количеством солнечных дней в году. Эта природная особенность использована в достаточно интересном проекте применения потенциала солнечных батарей, предложенном южноамериканскими инженерами. Согласно проекту данный новаторский вид дорожного покрытия будет использовать адаптированные солнечные батареи взамен асфальта. Называется это дорожное покрытие Solar Roadways [5] (рис. 2). Рис. 2. «Солнечная» дорога Solar Roadways [6] Дорожные солнечные батареи в виде пчелиных сот размещаются на особом железобетонном каркасе. Поверхность плит изготовлена из сверхпрочного светопроводящего стекла [5]. Уникальность конструкции состоит в том, что такое покрытие выдерживает нагрузку до 100 т и состоит из трех слоев: - 1 слой - специальное сверхупорное стекло; - 2 слой - электрический (микропроцессоры, нагревательные составляющие для освобождения от снега, солнечные панели, led-подсветка); - 3 слой - базовый, т. е. коммуникационный, через который будет поступать электроэнергия. Разработчики проекта Solar Roadways утверждают, что последний слой может стать проводником не только электроэнергии, но и Интернета, мобильной связи. Поддержание определенного температурного режима любого дорожного покрытия в разные времена года - один из важнейших факторов в обеспечении его оптимальной эксплуатационной способности. Особенности проекта «солнечной дороги»: 1) в зимний период происходит нагрев дорожного покрытия, что предотвращает образование гололеда; 2) в весенне-осенний период (выпадение большого количества осадков) - уменьшение времени высыхания; 3) летний (жаркий) период - охлаждение дорожного покрытия ниже температуры размягчения, что будет препятствовать его деформации. В зимний период отказ от использования реагентов, в том числе соли, продлит срок службы транспортных средств и будет способствовать ликвидации вредного влияния на экологическую обстановку в целом. Чем меньше будут температурные колебания в дорожном полотне, тем меньше будет число его повреждений, вызванных замерзанием, т. е. срок службы дорожного покрытия увеличится. Применение солнечных батарей в дорожном строительстве решает и вопрос ликвидации зимней скользкости. Снижение коэффициента продольного и поперечного сцепления до минимальных значений из-за образования гололедных явлений зачастую приводит к большому числу дорожно-транспортных происшествий на небольших по протяженности участках дороги [7]. Из-за повышенной влажности и резких перепадов температур образуется стекловидный лед, который по условиям образования подразделяется: - на гололедицу (образуется при замерзании влаги на покрытии в результате резкого похолодания до температур воздуха от 0 до -6 °C и относительной влажности воздуха от 65 до 85 %); - гололед (образуется в связи с выпадением переохлажденных осадков в виде дождя, мороси, тающего снега на дорожное покрытие, имеющее отрицательную температуру); - «черный лед» (происходит при отсутствии атмосферных осадков и образуется в результате осаждения водяного пара из воздуха на переохлажденное дорожное покрытие, образуя на его поверхности очень тонкий и прозрачный слой льда, практически не видимый из кабины транспортного средства) [8]. Все вышеперечисленные формы зимней скользкости приводят к существенному снижению коэффициента сцепления. Поэтому для обеспечения безопасности движения их необходимо своевременно выявлять, устранять или предотвращать их образование. Наиболее перспективным методом ликвидации зимней скользкости на покрытии проезжей части является использование солнечных панелей, заменяющих собой асфальтовое покрытие дороги. Нагревательные составляющие покрытия не только смогут растопить снег, но и не позволят образоваться ледяной корке на проезжей части. Вместе с этим вопросом решится и проблема коррозии днища автотранспорта, т. к. повсеместно применяемые для посыпания дорог химические препараты в разы увеличивают скорость образования коррозии металла, а с таким покрытием в них не будет надобности. Таким образом, использование солнечных панелей в дорожном строительстве в любое время года положительно повлияет на транспортную безопасность, способствуя увеличению срока службы дорожного покрытия и транспортных средств, уменьшению финансовых затрат на мероприятия по борьбе с обледенением дорог и оказанию положительного влияния на экологическую безопасность в целом. Наиболее актуальны такие дороги на сегодняшний день для набирающих популярность в Европе электромобилей, т. к. такие дороги будут служить для них своеобразной зарядкой. Отдельно следует упомянуть о так называемом «интеллектуальном управлении». Так, проезжая часть ранее рассмотренного проекта дороги Solar Roadways является целой сетью отдельных ячеек, любая из которых соединена с центральным компьютером. В случае выхода из строя одной из ячеек ее координаты мгновенно передаются в контрольный центр и на замену ячейки выезжает специалист, который в течение часа производит ремонт. В сравнении с ремонтом классической дороги, процесс ремонта дороги Solar Roadways менее трудоемок, меньше затрачивается времени и средств. Открытый на западе Франции первый участок автопути, покрытие которого сделано из панелей с солнечными батареями [9], подтвердил целесообразность дальнейшей замены классической дороги на «солнечную». По сравнению с асфальтобетонным типом покрытия автомобильных дорог солнечные батареи обладают целым рядом преимуществ, например: - вырабатывают электрическую энергию; - экономны при эксплуатации и ремонте; - не деформируются при изменении температур; - дают возможность прокладывать вдоль дороги кабельные элементы и специальные установки для сбора воды (табл.). Сравнение асфальтобетонного типа покрытия дорог с покрытием из солнечных панелей Вариант дорожного покрытия Преимущества Дорожное покрытие из солнечных панелей Асфальтобетонный тип дорожного покрытия Возможность вырабатывать электрическую энергию + - Отсутствие деформации дорожного покрытия под действием разного температурного режима (как высокого, так и низкого) + - Высокая экологичность + - Экономность в эксплуатации и ремонте + - Возможность установки светодиодных фонарей для разметки и дорожных знаков + + Энергетическая независимость + - Несмотря на достаточно большое количество преимуществ применения солнечных батарей в строительстве автомобильных дорог следует отметить и недостатки, главный из которых - высокая стоимость изготовления. Однако, по прогнозам, с 2020 г. себестоимость этой технологии станет вполне конкурентоспособной с традиционными солнечными электростанциями. Электрогенерирующие проспекты, которые смогут передавать энергию солнца в центральные электросети, могут появиться в городах уже в недалеком будущем [10]. Это позволяет надеяться, что внедрение таких «солнечных дорог» обязательно окупится, хотя и через достаточно длительный период времени. Заключение Современные развитые государства готовы к внедрению проектов «солнечных», «умных» дорог. Функционал дорожного покрытия «солнечной дороги» будет включать в себя: - производство электроэнергии, которая может подаваться в близлежащие дома и здания, а также использоваться для подзарядки электромобилей; - программируемую светодиодную разметку и предупреждающие знаки, в том числе целую систему оповещения о необходимости снизить скорость - с помощью датчиков нагрузки, которые мгновенно среагируют на возникновение препятствий на дороге (например, пешехода), что является особо актуальным в темное время суток и приведет к сокращению количества дорожно-транспортных происшествий; - самоочищение от осадков (гололеда, снега) с помощью нагревательных элементов, встроенных в солнечные панели; - возможность прокладывания вдоль дороги «коридоров» для кабельных элементов и резервуаров для сбора воды. В недалеком будущем именно с помощью таких дорог мы сможем решить проблему исчерпаемости природных ресурсов, плохой экологической обстановки в мире. Внедрение инновационных решений, в том числе в дорожном строительстве, повысит долговечность дорожного полотна, сократит расходы на его обслуживание и увеличит транспортную безопасность на дорогах. Несмотря на высокую стоимость таких проектов, по прогнозам ученых, через 10-15 лет такие дороги будут абсолютно конкурентоспособны в сравнении с обычными асфальтными дорогами.
1. Dergunov S. A., Spirina A. Yu., Yukova K. V. Energosberegayuschie tehnologii v dorozhnom stroitel'stve // Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe. 2017. № 12-2 (28). S. 49-52.
2. Rossiyskiy opyt vnedreniya ekologicheskih tehnologiy v dorozhnom stroitel'stve. URL: http:// territo-ryengineering.ru/infrastrukturnayarevolyutsiya/rossijskij-opyt-vnedreniyaekologicheskih-tehnologij-v- doro-zhnom-stroitelstve/ (data obrascheniya: 07.11.2018).
3. Pervaya v mire solnechnaya velodorozhka postroena v Niderlandah. URL: https://hi-news.ru/ technology/pervaya-v -mire-solnechnaya-velodorozhka-postroena-v-niderlandax.html (data obrascheniya: 07.11.2018).
4. Vo Francii 1000 km dorog pokroyut solnechnymi panelyami. URL: https: //ecotechnica. com.ua/energy/solntse/694-vo-frantsii-1000-km-dorog-pokroyut-solnechnymi-panelyami-wattway.html (data obrascheniya: 07.11.2018).
5. Varlamova L. A., Gotfrid A. S., Al'menev O. R. Solnechnye batarei, polnost'yu zamenyayuschie asfal't // Sovremennye napravleniya nauchnyh issledovaniy: materialy Mezhdunar. (zaoch.) nauch.-prakt. konf. (Dushanbe, 17 oktyabrya 2017 g.). Neftekamsk: Mir nauki (IP Vostrecov Aleksandr Il'ich), 2017. S. 42-49.
6. «Solnechnaya» doroga «Solar Roadways», samyy uspeshnyy startap na Indiegogo: menyaem asfal't na solnechnye batarei. URL: https: //ecotechnica.com.ua/energy/solntse/330-solnechnaya-doroga-solar-roadways-samyj- uspeshnyj-startap-na-indiegogo-menyaem-asfalt-na-solnechnye-batarei. html (data obrascheniya: 18.10.2018).
7. Grosu R. A. Teplovye sposoby obogreva pokrytiy transportnyh sooruzheniy // Izbr. dokl. 61-y Universitet. nauch.-tehn. konf. (Tomsk, 23-24 aprelya 2015 g.). Tomsk: Izd-vo TGASU, 2015. S. 260-266.
8. Nyud' A. S., Kiryakov E. I. Suschestvuyuschie problemy vyyavleniya i likvidacii zimney skol'zkosti na avtomobil'nyh dorogah i mostovyh sooruzheniyah // Vestn. Tom. gos. arhitekt.-stroit. un-ta. 2013. № 2. S. 354-361.
9. Vo Francii postroili dorogu iz solnechnyh batarey. URL: https://life.ru/t/avto/950872/vo_frantsii _postroili_doroghu_iz_solniechnykh_batariei (data obrascheniya: 10.09.2018).
10. Dergunov S. A., Spirina A. Yu., Yukova K. V. Energosberegayuschie tehnologii v dorozhnom stroitel'stve // Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe. 2017. № 12-2 (28). S. 49-52.
