范旭鵬, 周 鈺

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443000)

溫差發(fā)電在瀝青路面應(yīng)用的構(gòu)思
——以宜昌市為例

范旭鵬, 周 鈺

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443000)

瀝青路面表面平整，行車舒適，施工工期短，養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)單，進(jìn)入國(guó)內(nèi)后發(fā)展迅猛。然而其高溫穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)泛油、車轍等損害，若將溫差發(fā)電技術(shù)引進(jìn)可以有效降低路面溫度，緩解各種高溫?fù)p害。文中通過(guò)調(diào)查分析合理的將溫差發(fā)電系統(tǒng)引入道路系統(tǒng)，并以宜昌為例對(duì)其可行性進(jìn)行分析。

溫差發(fā)電; 瀝青路面; 路面損害; 節(jié)能減排

隨著科技的進(jìn)步和能源問(wèn)題的日益突出，清潔環(huán)?？稍偕茉丛絹?lái)越受到青睞，綠色能源技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越受到重視，這也使得溫差發(fā)電技術(shù)越來(lái)越引人注目。溫差發(fā)電是一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式，它利用塞貝克效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，是一種全固態(tài)的能量轉(zhuǎn)化方式。發(fā)電過(guò)程中無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，噪音小，移動(dòng)方便，體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高等都是其顯著優(yōu)勢(shì)[1]。此外，瀝青路面進(jìn)入國(guó)內(nèi)后，以其優(yōu)良的性能發(fā)展迅速。目前國(guó)內(nèi)高速公路、城市主干路基本都是混凝土路面。瀝青混凝土的輻射吸收系數(shù)可達(dá)0.9[2]，在炎熱的夏季，瀝青路面的路表溫度可達(dá)50℃。瀝青路面在高溫下極易出現(xiàn)泛油、擁包、車轍、老化等現(xiàn)象，從而影響道路的正常使用，縮短道路的使用壽命。進(jìn)入夜間，路面積累的熱量又釋放到大氣中，引起氣溫升高，加劇城市熱島效應(yīng)，使城市越來(lái)越熱[3]。因此，高溫對(duì)瀝青路面的壽命和城市環(huán)境都是不利的。若能將路面積累的熱量應(yīng)用到溫差發(fā)電系統(tǒng)中，不僅可以降低路面溫度，保護(hù)路面，而且可以有效緩解城市熱島效應(yīng)的不利影響。

1 溫差發(fā)電的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

溫差發(fā)電技術(shù)的研究最早開(kāi)始于20世紀(jì)40年代[4]，由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)噪音，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，很快受到發(fā)達(dá)國(guó)家的青睞，并在發(fā)達(dá)國(guó)家得到長(zhǎng)足發(fā)展。其中美國(guó)和俄羅斯在軍事航天方面的應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位，日本傾向于民用方面研究，而歐盟側(cè)重于小功率電源的研發(fā)。國(guó)內(nèi)在溫差發(fā)電技術(shù)方面起步較晚，且集中在理論方面的研究，少有應(yīng)用于實(shí)際，應(yīng)用于道路方面的更是鮮為人知。只有胡甫才等人對(duì)瀝青路面溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)研究，為實(shí)現(xiàn)道路系統(tǒng)中的溫差發(fā)電奠定了基礎(chǔ)[5]。

針對(duì)上述研究現(xiàn)狀，本文在前人的基礎(chǔ)上，結(jié)合宜昌地區(qū)實(shí)際情況，通過(guò)查閱文獻(xiàn)、調(diào)查分析將溫差發(fā)電技術(shù)引進(jìn)道路系統(tǒng)中，并對(duì)其可行性進(jìn)行分析，以減低瀝青路面溫度梯度，緩解瀝青路面現(xiàn)存各種高溫?fù)p害，同時(shí)將熱量轉(zhuǎn)化為電能，廢物利用、節(jié)能環(huán)保。

2 溫差發(fā)電基本理論

2.1 塞貝克效應(yīng)

兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成的閉合回路，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)間保持在不同的溫度時(shí)，回路中就有電流通過(guò)，此效應(yīng)稱為塞貝克效應(yīng)。塞貝克效應(yīng)是利用熱電材料兩端的溫差使材料的載流子發(fā)生運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換[6](圖1)。將P型和N型兩種不同材料的熱電材料(P型是富空穴材料，N型是富電子材料)一端相連形成PN結(jié)，使其一端置于高溫狀態(tài)，另一端處于低溫狀態(tài)，由于熱激勵(lì)作用，P(N)型材料高溫端空穴(電子)濃度高于低溫端，在這種濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而形成電動(dòng)勢(shì)，這樣熱電材料就通過(guò)高低溫端之間的溫差將熱能直接轉(zhuǎn)化成電能。要得到較大功率輸出，則可以把若干對(duì)溫差電偶串聯(lián)(或并聯(lián))成為溫差電堆。

圖1 塞貝克效應(yīng)示意

(1)

式中：EAB為熱電動(dòng)勢(shì)(V);SAB為塞貝克系數(shù)(V/K);△T為溫差(K)。

2.2 瀝青路面溫度分布

瀝青路面溫度場(chǎng)分布與氣溫的變化有著密切的關(guān)系，對(duì)于不同的氣溫變化規(guī)律，瀝青路面的溫度場(chǎng)分布是不同的。如：

降溫階段的瀝青路面溫度預(yù)估公式[7]:

(2)

升溫階段的瀝青路面溫度預(yù)估公式:

(3)

瀝青路面的溫度預(yù)估公式:

(4)

式中：T為瀝青路面溫度;Ta為氣溫;h為路面結(jié)構(gòu)深度;R為相關(guān)系數(shù)。

由上述公式可知瀝青路面溫度與氣溫近似成線性關(guān)系，比例系數(shù)接近1.0，且隨著路面結(jié)構(gòu)深度增加，溫度有所下降。

3 溫差發(fā)電技術(shù)引入道路系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

目前，道路系統(tǒng)中的用電來(lái)源基本都是國(guó)家統(tǒng)一的發(fā)電系統(tǒng)，不僅增加了國(guó)家發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷，而且線路架設(shè)復(fù)雜，遠(yuǎn)距離輸電電能損失嚴(yán)重，將溫差發(fā)電引入道路系統(tǒng)可以有效緩解上述問(wèn)題。

3.1 我國(guó)氣候特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

我國(guó)地處北溫帶，夏季除了地勢(shì)較高的青藏高原和天山等地區(qū)以外，大部分地區(qū)在20℃以上，南方許多地區(qū)在28℃以上，新疆吐魯番盆地更是高達(dá)32℃，冬季秦嶺淮河線以北的氣溫都在0℃以下，黑龍江漠河的氣溫更是低至-30℃，南方的氣溫可以達(dá)到0℃以上。所以我國(guó)溫差能資源的蘊(yùn)藏量相當(dāng)可觀，如果能很好地規(guī)劃并合理地應(yīng)用這部分能量，不僅能減緩路面高溫?fù)p害，還可適當(dāng)補(bǔ)充市政用電。

3.2 瀝青路面中溫差發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

瀝青路面使用瀝青結(jié)合料，增強(qiáng)了礦料之間的粘結(jié)力，提高了混合料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使路面的使用質(zhì)量和耐久性都有所提高。與其他類型路面相比，瀝青路面具有無(wú)接縫、耐磨，行車噪音低、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因此近20年我國(guó)瀝青路面迅猛發(fā)展。然而瀝青路面的高溫穩(wěn)定性很差，在長(zhǎng)期高溫環(huán)境下，瀝青路面極易出現(xiàn)泛油、車轍、波浪等損壞而影響道路的使用。將溫差發(fā)電技術(shù)引進(jìn)道路系統(tǒng)既可以有效降低路面的溫度，減輕或避免路面高溫?fù)p害的出現(xiàn)，還可以緩解城市熱島效應(yīng)。通過(guò)路面溫差產(chǎn)生的電能可以儲(chǔ)存，交通指揮系統(tǒng)、道路照明系統(tǒng)等道路附屬設(shè)施用電可以依賴這部分電能，減輕國(guó)家電網(wǎng)的負(fù)荷。

4 宜昌地區(qū)溫差發(fā)電技術(shù)引入道路系統(tǒng)可行性分析

4.1 宜昌的地理位置及氣候條件

宜昌市位于我國(guó)湖北省西南部，地處長(zhǎng)江上游與下游的結(jié)合處，鄂西山區(qū)向江漢平原的過(guò)渡地帶，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季分明，雨水豐沛，雨熱同期，全年積溫較高，無(wú)霜期較長(zhǎng)，年平均氣溫約16℃～17℃，7、8月份氣溫最高，月平均氣溫在27℃～28℃，1月份的氣溫最低，月平均氣溫在5℃左右。

4.2 溫差滿足要求可行性分析

目前瀝青混凝土路面采用上面層、中面層、下面層和墊層的的結(jié)構(gòu)體系，面層厚度達(dá)到15～18 cm。由于溫差發(fā)電片的型號(hào)、鋪設(shè)密度、鋪設(shè)深度會(huì)影響其發(fā)電效率，而且鋪設(shè)深度還會(huì)影響發(fā)電元件的耐久性。實(shí)驗(yàn)表明采用電子對(duì)數(shù)為127對(duì)的TEC1-12705型的溫差發(fā)電片，埋置深度選擇為2 cm,鋪設(shè)密度為44個(gè)/m2時(shí)發(fā)電效率最佳[8]。發(fā)電片電壓與所處溫度滿足以下關(guān)系：

(5)

式中：V為發(fā)電片兩端電壓;T為發(fā)電片所處環(huán)境溫度;R為相關(guān)系數(shù)。

將表1中宜昌日平均最高氣溫代入公(4)，得到2 cm深處結(jié)構(gòu)層溫度，將2 cm深處結(jié)構(gòu)層溫度代入式(5)得到單個(gè)發(fā)電片兩端電壓和每平米發(fā)電片兩端電壓(并聯(lián))。

表1 宜昌地區(qū)日均最高氣溫及路面2 cm深處溫度

由表1可知，每1 m2發(fā)電片兩端電壓均可達(dá)到1 000 mV以上，在高溫的5月到9月可以達(dá)到2 000 mV以上，基本能維持小功率的道路監(jiān)控系統(tǒng)等正常運(yùn)行，所以將溫差發(fā)電技術(shù)引進(jìn)道路系統(tǒng)是完全可行的。

4.3 道路中的溫差發(fā)電系統(tǒng)

目前國(guó)外的溫差發(fā)電系統(tǒng)研究日臻完善，在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合實(shí)際進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，提出瀝青路面溫差發(fā)電系統(tǒng)(圖2)。在現(xiàn)有的瀝青路面結(jié)構(gòu)中增加傳導(dǎo)材料，保溫材料，以及溫差發(fā)電裝置。

圖2 溫差發(fā)電系統(tǒng)示意

將其分為集熱系統(tǒng)，傳導(dǎo)系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)和電能轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存系統(tǒng)。集熱系統(tǒng)由瀝青混凝土面層充當(dāng)；傳導(dǎo)系統(tǒng)可以直接選用導(dǎo)熱良好的金屬并在其周圍覆蓋保溫材料；發(fā)電系統(tǒng)由多組溫差發(fā)電單元組成；電能轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存系統(tǒng)包括升壓穩(wěn)壓裝置和儲(chǔ)電裝置。系統(tǒng)的具體工作原理為：利用瀝青混凝土面層收集外界熱量，由于瀝青的導(dǎo)熱系數(shù)較小，內(nèi)部積畜的大量熱能不易釋放，而路面下布置的傳導(dǎo)材料具有良好的導(dǎo)熱性，迅速將熱量傳導(dǎo)至溫差發(fā)電裝置，發(fā)電裝置布置在瀝青路面基層中，距地表約20 cm處，利用與土壤冷端傳導(dǎo)材料的溫差即可將路面采集的熱量轉(zhuǎn)化為電能。將產(chǎn)生的電能通過(guò)升壓穩(wěn)壓裝置后儲(chǔ)存在儲(chǔ)電裝置中，白天可以供交通指揮系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等使用，夜間可供照明系統(tǒng)等使用。

此外，在有條件地區(qū)可以將此系統(tǒng)融入市政用電系統(tǒng)，當(dāng)由于各種原因而引起發(fā)電效率降低時(shí)，可以通過(guò)市政用電系統(tǒng)補(bǔ)充，當(dāng)此系統(tǒng)儲(chǔ)電充足時(shí)，可以補(bǔ)充市政用電，相互補(bǔ)充。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

隨著我國(guó)城市化、工業(yè)化進(jìn)程加快，能源需求量大，溫差發(fā)電作為一種綠色能源技術(shù)，清潔、環(huán)保，可以廣泛應(yīng)用于城市的各種市政用電系統(tǒng)中。通過(guò)對(duì)溫差發(fā)電技術(shù)在瀝青路面中的應(yīng)用的研究，并結(jié)合宜昌實(shí)際情況得出如下結(jié)論：將溫差發(fā)電技術(shù)引進(jìn)道路系統(tǒng)的方案是可行的，不僅降低了瀝青路面的溫度，緩解了瀝青路面高溫?fù)p害，增加了瀝青路面的使用壽命，而且將溫差勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，有利于緩解能源需求，有利于減輕市政供電系統(tǒng)的負(fù)荷，符合我國(guó)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展要求。

5.2 建議

溫差發(fā)電在道路系統(tǒng)中的應(yīng)用是一個(gè)新興的領(lǐng)域，而我國(guó)的溫差發(fā)電技術(shù)還處于初級(jí)階段，為促進(jìn)其健康、快速的發(fā)展，建議：

(1)大力宣傳溫差發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使人們認(rèn)識(shí)到清潔能源的優(yōu)勢(shì)。

(2)提倡溫差發(fā)電與城市市政用電的一體化設(shè)計(jì)。

(3)加大對(duì)溫差發(fā)電技術(shù)研究的支持。

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范旭鵬(1993～)，男，在讀本科生。

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[定稿日期]2015-08-20