光伏路面高分子透光层材料性能分析与评价

■胡昌斌 张培旭 何肖斌 胡序久

（1.福州大学土木工程学院，福州 350108；2.福州市公路事业发展中心，福州 350005）

目前光伏发电作为太阳能利用率最高的方法而成为研究热门，将光伏发电组件与路面集成形成“光伏路面”，在不改变道路行车功能的同时使道路可以产生电能， 不仅完美利用了公路面积广的优点，还能缓解我国能源紧张局面。

光伏路面底层一般为水泥混凝土、树脂混凝土，其强度高、重量大，能够保证光伏路面结构整体稳定性，光伏组件一般为晶硅太阳能电池板，透光层材料组成较多。 实际工程应用显示，光伏路面的透光面层兼有力学性能、 透光性能和耐久性能的要求，其材料性能和结构性能是保证光伏路面成功实施的关键。 在实际工程中，光伏路面的失效多是由透光层损坏造成的，透光面层材料的性能直接影响着光伏路面的使用寿命，选用合适的透光面层材料是光伏路面设计的首要任务。

常见的透明无机材料有透明玻璃和透明陶瓷等。 玻璃、陶瓷类无机材料韧性差，作为路面材料难以抵抗车辆的冲击作用。 常见的高透明度有机材料有聚乙烯醇缩丁醛酯、不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯等，高分子材料具有较好的冲击韧性，是具有应用前景的光伏路面表面材料类别。

鉴于以上， 本研究结合近年来国内外光伏路面的技术探讨和应用，重点对聚氨酯、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、 聚碳酸脂4 类透光面层材料的性能现状进行了分析比较， 阐述光伏路面透光面层材料性能研究技术进展现状、 适用性和关键性能技术要求。

1 光伏路面结构与材料介绍

1.1 光伏路面典型结构

目前光伏路面分为空心结构和实心结构，如图1 所示，其结构组成主要有：（1）透光层。 透光层材料需要有较好的透光效果，同时还需具备较好的承载能力和抗滑性能。（2）发电功能层。一般由一个或若干光伏组件组成，将透过顶层的太阳光转化为电能，再汇集到储电装置或直接利用。 （3）底层基座。 底座主要传递车辆荷载、保护光伏路面结构，同时还需要在底层预留孔槽使太阳能电池板的线路连接，并且做好防水、排水的设计。

图1 光伏路面单元结构示意图

在空心光伏路面结构中，可以根据不同地区光照条件，调整光伏组件相对太阳位置的角度以提升发电效率，同时光伏组件也不会受到荷载作用而被破坏，其结构还能有足够的空间嵌入发光、加热、通信或监控等电器元件，提高光伏路面功能性，但是空心结构透光层传载面少，因此透光层将承受大部分荷载， 这对透光层材料的力学性能是一个挑战，并且空心结构内部还容易回潮产生水雾，铺筑之后难以去除，影响透光率。

实心光伏路面结构整体性较好，其透光层能传递大部分荷载，相对于空心结构的透光层更容易满足力学要求，但是中间发电层的光伏组件会承受部分荷载，且无法调整角度。

1.2 光伏路面组成材料

光伏路面光伏组件一般为晶硅太阳能电池板，透光层材料组成较多，根据透光层材料不同[1]，可分为以下主要3 种类型，见表1。

表1 不同光伏路面透光层材料组成

三类透光层材料中，钢化玻璃是无机材料，树脂和塑料是有机材料，但均属于非晶态材料。非晶态材料分子链是不规则堆砌的，分子结构无序排列，凝聚态是均相的，因此可透过光线。对比这三类材料可以看到相关材料的技术特点。 （1）1 类中钢化玻璃透光率较高、强度高，但钢化玻璃韧性较差，难以承受重载车辆长期的冲击振动作用， 且玻璃经过钢化处理后存在预应力，不易二次加工，使光伏路面施工维护难度较大。（2）2 类中透明树脂材料可以常温固化，其固化后与水泥混凝土有较好的粘接力， 且树脂固化物有较好的力学性能和透光性， 因此大部分光伏路面理论研究选择树脂材料。 但是光伏路面实际一直暴露在自然环境中，太阳光会破坏树脂材料分子链，同时材料吸收光波长的能量引起光氧反应， 加速氧化老化；温度变高会使材料分子链剧烈运动，引起材料降解或交联； 水会使树脂的酯基和酰胺基等发生水解[2]。 因此，树脂固化物在自然环境中会急剧老化变黄，力学性能和透光率下降，导致光伏路面结构过早破坏。（3）3 类中塑料是由树脂高温高压聚合而成，有着更好的耐候性，且透光率最高，但是作为热塑性树脂材料，过大的高低温会使材料性能变差。

以下结合近年来国内外光伏路面的技术探讨和应用，重点对光伏路面聚氨酯、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂4 类透光面层材料的性能现状进行了分析比较，阐述光伏路面透光面层料性能研究技术进展和关键性能技术要求。

2 光伏路面透明高分子材料性能分析

2.1 聚氨酯材料

聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，是一种有机高分子化合物，主要原料有异氰酸酯、聚酯多元醇、固化剂和填料等非反应性物质，异氰酸酯和多元醇样式众多，可以制备出各种各样性能的聚氨酯，应用领域广泛。 1937 年，Bayer 制备出聚氨酯，随后聚氨酯被工业化大规模生产[3]。1958 年，我国进入聚氨酯的研究阶段，随后进行二异氰酸酯原料的自产。

聚氨酯合成时， 异氰酸酯和固化剂作为硬段，聚酯多元醇作为软段，软硬链段不同对聚氨酯性能影响较大。 聚氨酯材料在高低温下发生性能变化，一方面是受到硬链段的控制，另一方面则受到软链段控制；加入不同固化剂主要影响聚氨酯的拉伸性能、压缩性能、剪切性能等物理性能，同时分子量大小同样会改变聚氨酯的表面硬度和柔软程度。 聚氨酯性能的多样化，可作为包装、橡胶、隔音、隔热、粘结胶、涂料等材料，普遍应用于家居、房屋建筑、交通土木、仪表设备和航空潜水等领域，其中最常用于制作填充剂和涂层。

由于聚氨酯材料性能变化范围过于广阔，如果对其成分不了解，也难以推测其性能，可根据应用类型选择合适的聚氨酯原材料进行研究。 使用聚氨酯作为光伏路面透光层材料需要保证聚氨酯具有良好的透明度，通常聚氨酯采用的异氰酸酯原料均是透明的，但芳香族多异氰酸酯毒性大且易老化发黄， 而脂肪族多异氰酸酯分子结构中没有苯环，耐老化黄变性能好， 因此选择聚氨酯作为透光层时，优先考虑脂肪族多异氰酸酯作为原料。

2.2 环氧树脂高分子材料

环氧树脂是一种有机高分子聚合物，分子中含有2 个及其以上环氧基团统称为环氧树脂。20 世纪30 年代，德国制备出环氧树脂，随后在全球大规模被使用。目前双酚A 型环氧氯丙烷型环氧树脂被大量生产， 其他各种新型环氧树脂也被相继研发，以满足各领域的应用需求[4]。

环氧树脂分子结构内具有稳定的羟基和醚链，因此拥有极好的粘结力，尤其是对金属。 环氧树脂分子之间缝隙较小，极少小分子量物质挥发，因此固化时收缩体积小，可加入不同的固化剂改变环氧树脂的流动性、固化时间和使用寿命以满足不同应用场所的需求；致密的交联三维结构，使固化后的环氧树脂具有较好的电绝缘性、物理性能和耐化学介质性能，可以在严苛的环境下使用。 由于环氧树脂有各种优异性能，因此被广泛应用于不同场景[4]，见表2。

表2 环氧树脂不同的应用场景

虽然环氧树脂已应用于许多领域，但是其存在易燃、脆性和耐候性差等缺点，因此国内外学者对环氧树脂的研究重点是对其改性。 目前对环氧树脂的改性研究重点在于使其不易燃烧、加强柔韧性和环保无污染， 对于高透明度的相关改性研究较少，环氧树脂虽然通常是无色透明的，但分子中含有大量苯环， 在自然环境中不可避免地会老化黄变，若使用环氧树脂作为光伏路面透光层材料，则需要考虑在环氧树脂配方中掺入紫外线稳定剂，以延缓老化黄变速率。

福州大学在福州永泰公路荷溪服务区开展了环氧树脂作为装配式光伏路面的表面面板材料的应用试验研究。 试验表明，环氧树脂的韧性和粘结性能较好，但在应用过程中也出现了面板浇筑放热翘曲和服役过程中黄变、吸热的情况，在一年的时间内透光率急剧下降，需要进一步改性提升[5]。

2.3 聚甲基丙烯酸甲酯

聚甲基丙烯酸甲酯简称PMMA， 俗称有机玻璃，由单体（MMA）通过化学聚合制备成典型的热塑性材料。 1902 年，德国化学家O.Röhm 制作黏合剂时意外合成了PMMA，随后德国Rohm Haas 公司大量生产并应用于飞机舷窗和坦克观察镜。 1953 年，我国中国科学院化学研究所开始了PMMA 的研究，1966 年后开始定向研究[6]。

PMMA 是非晶态高分子透明材料，透光率高达92%，可透过太阳光中大量紫外线和一些红外线，紫外线透过率高达73%，普通玻璃只有10%[7]。 PMMA具有高透明和较好机械性能的优点， 在房屋建筑、车辆工程、表盘设备、医用器材和航天航空等领域充分使用。 在房屋建筑业，通常用作透明采光部分、楼梯和墙壁防护板等方面。 在制造业方面，主要用作汽车挡风玻璃、坦克潜艇观察窗及各种仪表的保护外壳，还可以用作人造骨骼、牙齿、浴缸和洗漱台等PMMA 产品。 在航天航空方面，由于PMMA 具有一定韧性和较好的耐候性， 因此用作飞机的舷窗、挡风窗及机舱透明件。

由于PMMA 内部大分子不平整地缠绕在一起，所以PMMA 抵抗冲击破坏的性能较差。 将PMMA板升温至玻璃态后压缩，使材料内部的大分子规则整齐， 机械性能增强。 一般情况下， 压缩度越大，PMMA 力学性能越强， 而压缩度达到一定数值后，只有抗冲击性能会增强，其他性能不再增强，所以压缩度一般控制在60%，同时需要控制好压缩温度、压缩速度等[8]。

除了对PMMA 材料力学性能的研究，PMMA 材料改性制备研究也是目前研究的热点，PMMA 的改性有交联改性和纳米复合改性。

2.3.1 交联改性

交联改性是指通过共价键将分散的高分子链组成密集高分子网的方法。一些学者对PMMA 交联改性的研究见表3。

表3 PMMA 交联改性的研究情况

从上述研究可以看出，MMA 单体与其他单体聚合成的PMMA 各项性能都有不同的提升，如采用碳链或环结构聚合可以提升PMMA 的强度与耐热性；使苯环或其他基团引入分子主链来提升PMMA的耐磨性等。

2.3.2 纳米复合改性

在MMA 单体中混合纳米粒子聚合， 是PMMA改性的常用方法之一。一些学者对PMMA 纳米复合改性的研究如表4 所示。

表4 纳米复合改性PMMA 研究

由上述研究可以看出纳米复合改性的PMMA韧性有较大提升，但是透光率会有略微下降。 纳米粒子的大小、分布、弹性和刚性都会影响改性效果，只有控制好各种因素的作用，才能研究出高透明度高韧性的PMMA。

综合调研可以发现，学者们对PMMA 力学性能做了大量细致研究，PMMA 力学性能较强，可应用于潜艇、飞机观察窗等高负荷场所，PMMA 作为路面材料承受车辆荷载也是完全可能的。早在1993 年，郭黎明[24]就提出PMMA 在水泥混凝土路面中应用的可行性，同时PMMA 作为航空领域应用最多的透明材料，表明其耐老化性能也是其他透明材料不能比拟的。 PMMA 具有高强度、高透明度和耐老化特性，比较符合光伏路面透光层性能要求。

2.4 聚碳酸脂

聚碳酸酯简称PC， 是一种韧性较好的热塑性高分子材料，同时也是非晶态聚合物，具备良好透光性能，不具有固定熔点，在220℃～230℃时呈现熔融态，可以长期在-70℃～120℃下使用。

聚碳酸酯的应用十分广泛， 由于PC 具备良好的力学性能和功能性，在建筑行业其可作为建筑透光顶、透明家具、隔热层等；由于PC 的电绝缘性、阻燃性好，其可作为电子器械的插接件、开关盒、机器外壳和功能部件；PC 还具有较好的抗冲击性、透明性，在汽车工业作为仪表盘、车灯罩等使用。 近年来PC 的产量迅速提升， 其力学性能是国内外学者的热门研究对象。

3 光伏路面面层材料性能要求与对比

目前光伏路面的实际工程路面板过早损坏或发电性能衰减的现象普遍。 由于路面受到的车辆荷载是相对复杂的，同时还受到自然环境带来的不利因素，光伏路面实际工程案例的调研显示，实际工程存在几种典型光伏路面的病害：（1）表面透光层开裂。 光伏路面表面透光层使用的材料造价相对于普通路面材料较高，通常铺筑厚度较薄，从而没有达到路面结构设计要求， 导致表面透光层受压碎裂。（2）层间界面分离。 目前光伏路面透光层一般由树脂粘接而成，且单元结构尺寸较小，因此粘接力不强，同时树脂材料经过自然老化后，粘接力大幅度下降，当车辆加速或刹车时产生水平摩擦力，造成粘接面损伤， 如此往复受载最终易导致透光层剥落。（3）透光层边缘损伤。光伏路面实质上是由小路面板块装配而成， 板块尺寸小导致接缝数量多，整体平整度相对较差，放大了车辆行驶时造成的冲击效果，因此造成路面板边缘过早破坏。

综合对比实际工程应用效果显示，作为光伏路面透光层材料需满足以下几点要求：（1）材料强度满足路面承载能力设计要求；（2）材料透光率高，保证光伏路面发电效率高；（3）耐候性好，延长光伏路面使用寿命，提高经济效益。

光伏路面透光材料的抗冲击性能、 耐磨性能、耐候性能以及高温稳定性能是其路用性能的关键。对比前述4 种透明高分子材料的力学性能和功能性能， 分析其作为光伏路面透光层的适用性如下：（1）聚碳酸酯（PC）常温下拉伸强度、弯曲强度和冲击强度最高，且断裂伸长率高，材料韧性好，受到外力时变形大， 破坏前有较明显的塑性变形阶段，同时PC 力学性能受温度影响最小， 适合在高温环境下使用。 从光伏路面透光层功能性角度来看，PC 透光性能较好， 仅次于PMMA， 但是PC 表面硬度较低， 材料的表面硬度反映了材料抵抗刮痕的能力，刮痕会导致材料的透光率下降，而光伏路面透光层表面需要保持光亮透明以保证下层光伏组件能接收足够多的光线。 （2）常温下PMMA 与PC 同样具备较高强度，压缩强度可高达100 MPa 以上，受到外力时变形小。同时其功能性优异，高达94%以上透光率，且表面硬度最高，若在满足路面设计力学性能要求时，其无疑是作为光伏路面透光层最优的选择。但PMMA 耐高温性能差，使用时需考虑环境温度对其性能的影响。（3）环氧树脂（EP）由于其强度高，且可常温固化、制备方便，EP 常被用作路面修补材料，同时也是目前国内外光伏路面透光层使用较多的材料。但EP 试件放置一段时间后容易老化黄变，耐老化性能较差。 （4）聚氨酯不同于其他三种材料，其强度较低，呈柔软的橡胶态，虽不能直接作为光伏路面透光层，但由于可常温固化，且固化前流动性好，可作为透光层的填缝封装材料。 同样考虑其老化会发生轻微黄变，若作为透光层填充材料时，填充厚度不宜过大，否则将影响光伏路面的美观及透光层的透光率。

未来光伏路面透光层高分子材料需要从抗冲击性能、耐磨性能，耐候性能以及高温稳定性能等方面进行性能提升和开展深入研究。

4 结语

对光伏路面聚氨酯、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂4 类透光面层材料进行了分析与评价。 对比显示，PMMA 具有一定韧性和较好的耐候性，聚碳酸酯具有较好的力学性能。 综合对比实际工程应用效果显示， 光伏路面透光层材料需从材料强度、材料透光率、耐候性3 个方面进行性能提升和研发。 光伏路面透光材料的抗冲击性能、耐磨性能、耐候性能以及高温稳定性能是其路用性能的关键。