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摘要
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。
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