太阳能路面空心板块单元力学分析与模型制备

为了确定合理的太阳能路面模型,提出一种由表层透光保护板、中层太阳电池板和底座预制混凝土空心板3层组成的新型空心板块太阳能路面结构,通过建立合理的三维有限元模型进行受力数值模拟,确定空心板块结构尺寸,并制作太阳能路面空心板块单元模型,测试相应的力学性能和发电效能。结果表明,板长、板宽、侧壁厚与透光板厚对其应力和变形的影响显著,由此确定适宜的空心板块单元尺寸为:整体50 cm×50 cm×25 cm,透光板50 cm×50 cm×2 cm,底座板50 cm×50 cm×23 cm,其中底板厚和侧壁厚均为10 cm。同时,在标准轴载作用下,最不利荷位处透光板的表面弯沉为3.743 mm,透光板对电池板吸收太阳能有一定的阻碍作用,阻碍系数为1.53。所制备的太阳能路面空心板块单元模型能满足行车和发电要求,可为进一步研究太阳能路面提供借鉴。

导光混凝土太阳能路面空心板块模拟与制备

为探索合理的太阳能路面结构型式,提出一种内设拱室、导光体与太阳能电池的矩形导光混凝土空心板块结构,其中每个导光体是由平凸透镜、圆台形棱镜和圆柱形导光光纤复合而成的整体构造,平凸透镜作为进光端等间距布设于空心板块表面,导光光纤底面作为出光端汇集于拱室拱顶处,从而可将路表光能汇聚传导并投射至内置太阳能电池上进行光伏发电。首先,通过三维有限元建模模拟了空心板块路面结构的受力特点,确定满足承载能力要求的空心板块适宜长、宽、高分别为50、50、17 cm,拱宽、底厚、拱高、顶厚分别为26、5、5、7 cm;其次,采用光线追踪法仿真导光体的光路传播规律,并根据导光性能和经济性优选了导光体的设计参数,即导光光纤的半径和折射率分别为3.5 mm和1.6,平凸透镜的半径和厚度分别为10.5、4.2 mm,棱镜的高度和表面反射率分别为31.1 mm和1.0;然后,提出了导光混凝土太阳能路面空心板块模型的制备工艺,并采用自密实防水混凝土和有机玻璃导光体制备了相应的空心板块试件,测试了其力学性能和发电效能。研究结果表明:空心板块路面结构的最大拉应力和最大竖向位移随着拱宽的增加而显著增加,而随着底厚、拱高和顶厚的增加而逐渐减小,且空心板块试件的最大竖向变形小,力学强度高;导光光纤半径和平凸透镜半径对导光体单日透射的总太阳能影响显著,而平凸透镜厚度、棱镜的高度和表面反射率及导光光纤折射率的影响较小,且空心板块试件的导光体数量越多,工作电压和最大输出功率越高,相应的导光和聚光效果越好,但为保证空心板块混凝土的可模性和整体强度,导光体数量宜选用81个;空心板块试件每平米的年发电量为50~90 kW·h,其增加成本可在5~10年内回收,总体经济性较好,且具有良好的社会和环境效益。因此,该结构可满足行车和发电的双重功能要求,可为太阳能路面的研究和应用提供一种可行方案。