李銳鐸，朱存貞，孫振陽，李小江

(河南城建學(xué)院交通運(yùn)輸工程學(xué)院，河南平頂山467036)

近年來，我國公路交通發(fā)展迅速，截止2013年底，全國高速公路總里程已經(jīng)超過10萬公里。由于瀝青混凝土路面具有較好的路用性能和行車舒適性而被廣泛采用。黑色瀝青路面對(duì)太陽能的吸收系數(shù)可達(dá)到0.9，在夏季高溫地區(qū)路表溫度可達(dá)到60℃ ～70℃，而瀝青混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較小，在內(nèi)部積聚的熱量會(huì)維持較長(zhǎng)時(shí)間。高溫路面不僅影響行車安全，還會(huì)加劇車轍等病害的發(fā)生，降低路面的使用壽命［1-2］。

在利用瀝青混凝土路面夏季熱能方面國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。荷蘭學(xué)者通過在路面下鋪設(shè)管道的方式收集夏季路面熱能供冬季取暖［2］;日本北海道研究生院最早將發(fā)電元件用于河流旁的路面發(fā)電降溫系統(tǒng)［3］;武漢理工陳明宇對(duì)瀝青混凝土路面太陽能集熱性能進(jìn)行研究［2］;長(zhǎng)安大學(xué)張馳、山東大學(xué)姚占勇和福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所王家主等對(duì)熱電轉(zhuǎn)換型瀝青路面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用做了相關(guān)研究［4-7］。這些研究成果都推進(jìn)了瀝青混凝土路面發(fā)電降溫的研究與發(fā)展，但存在路面下鋪設(shè)通水管道會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次破壞隱患和水循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行需要消耗電能等缺陷，并缺少相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果做支撐。本文研究的熱電轉(zhuǎn)換裝置利用車流形成的風(fēng)通過強(qiáng)制風(fēng)冷裝置對(duì)發(fā)電系統(tǒng)降溫，并設(shè)計(jì)了一套鋼支撐和隔熱裝置保證了強(qiáng)度和路面溫差。該系統(tǒng)能夠?qū)r青路面高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為電能，并在一定程度上降低路面內(nèi)部溫度，增加路面的使用壽命，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 實(shí)驗(yàn)室模擬自然光

1.1 不同距離對(duì)模擬光照環(huán)境溫度的影響

由于碘鎢燈的光譜能量分布與太陽光更接近，采用1個(gè)1 000 w的碘鎢燈模擬自然光照。在碘鎢燈正下方1 m長(zhǎng)的距離每250 mm布置一個(gè)熱電偶，使熱電偶在碘鎢燈下等距縱向排列在一條直線上。可測(cè)得距光源不同距離處的環(huán)境溫度與光照時(shí)間關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知:在短時(shí)間內(nèi)燈下的環(huán)境溫度會(huì)達(dá)到一個(gè)趨于穩(wěn)定的值。隨著距離的增大，環(huán)境溫度越來越小，等間距下的溫差越來越小。由于夏季環(huán)境溫度在30℃ ～40℃之間，此溫度范圍應(yīng)該在光源下250～500 mm之間。通過進(jìn)一步縮短溫度測(cè)點(diǎn)布置間距，在250～500 mm范圍內(nèi)每隔50 mm布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得不同距離處溫度與時(shí)間關(guān)系如圖2所示。

圖1 250 mm間距溫度與光照時(shí)間關(guān)系

圖2 50 mm間距溫度與光照時(shí)間關(guān)系

由圖2可知:距離碘鎢燈下300 mm處的環(huán)境溫度穩(wěn)定在35℃左右，與夏季高溫環(huán)境溫度基本相近。在試驗(yàn)開始2 min內(nèi)，由于碘鎢燈下部空氣被驟然加熱，并且室內(nèi)空氣流動(dòng)相對(duì)較慢，測(cè)點(diǎn)環(huán)境溫度增幅較大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，測(cè)點(diǎn)的環(huán)境溫度逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明:當(dāng)用1個(gè)1000w的碘鎢燈模擬自然光照時(shí)，將模擬路面放在距離光源下300 mm處與夏季高溫下瀝青路面所處環(huán)境溫度相近。

1.2 實(shí)驗(yàn)室模擬光照下瀝青路面溫度場(chǎng)

在馬歇爾試件中每20 mm高度預(yù)埋一根等長(zhǎng)度的鋼釘，脫模后拔出鋼釘，將試件放于碘鎢燈下300 mm處，并在每個(gè)預(yù)留孔中插入熱電偶，每個(gè)熱電偶插入長(zhǎng)度相同，熱電偶測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。試驗(yàn)開始時(shí)碘鎢燈打開，22 min后關(guān)閉碘鎢燈，測(cè)得不同厚度處光照和無光照下的溫度分布如圖4所示。

圖3 熱電偶測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4 不同厚度處的溫度分布

由圖4可知:在同一時(shí)刻，厚度越大溫度越低;在整個(gè)過程中溫度上升速率較快，下降速率較慢，由于下部溫度上升來自上部熱量傳導(dǎo)，所以下部溫度上升或下降滯后于上部;將馬歇爾試件放在碘鎢燈下25 min左右，20 mm厚度處溫度可達(dá)到60℃ ～70℃，與夏季高溫下路面溫度接近;當(dāng)?shù)怄u燈加熱40 min后關(guān)閉碘鎢燈，20 mm厚處溫度急劇下降，厚度越大處溫度開始下降時(shí)間越滯后，這說明沒有光照條件下靠近路表能量，一部分散失在空氣中，一部分繼續(xù)向下傳導(dǎo)。

在夏季高溫實(shí)際環(huán)境中，路表與大氣相接，由于路面溫度高于大氣溫度，會(huì)在路表與大氣接觸面上形成熱傳導(dǎo)，并且路表有空氣對(duì)流存在，所以路表溫度會(huì)低于路表以下一定厚度層面上的溫度［8-11］。結(jié)合室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和行車安全以及對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的影響，選取合理厚度2～3cm處為發(fā)電系統(tǒng)最佳埋設(shè)深度。

2 發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 原件的選取

熱電模塊的性能直接關(guān)系到瀝青路面熱能溫差發(fā)電的效率，目前多采用半導(dǎo)體材料制備發(fā)電元件［12-14］。本文選取低溫下較為常用的由Bi2Te3半導(dǎo)體制備的SP1848-27145型發(fā)電元件進(jìn)行測(cè)試。

2.2 電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化

對(duì)多種可能的實(shí)驗(yàn)電路鋪上模擬瀝青路面進(jìn)行電路模擬試驗(yàn)，最終選取疊2串4并3的電路連接方式，當(dāng)在碘鎢燈下照射20 min左右，埋在模擬瀝青路面下2 cm處的導(dǎo)熱板上表面溫度可達(dá)到60℃，電路輸出功率趨于穩(wěn)定能夠使外加荷載穩(wěn)定工作。最終電路優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖5、圖6所示。

圖5 電路設(shè)計(jì)效果圖

圖6 實(shí)際電路連接圖

2.3 路面溫差發(fā)電裝置基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

路面溫差發(fā)電系統(tǒng)由六部分組成，如圖7所示，分別為導(dǎo)熱模塊、溫差發(fā)電模塊、散熱模塊、結(jié)構(gòu)支撐模塊、隔熱箱體和電能引出與應(yīng)用模塊。其中框架部分材料為支撐鋼架，底部及四周面板為耐高溫的隔熱材料，采用純鋁制散熱片散熱，并預(yù)留通風(fēng)孔，連接強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱系統(tǒng)。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

采用疊2串4并3設(shè)計(jì)電路，光照16 min左右燈亮，測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9所示。由圖8和圖9可知:隨著時(shí)間的增加，導(dǎo)熱板上表面的溫度和系統(tǒng)外電壓均增加，并在初始階段溫度與外電壓呈線性關(guān)系，在光照20 min以后發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生電壓趨于穩(wěn)定。

圖7 發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

圖8 導(dǎo)熱板上表面溫度、開路電壓、時(shí)間關(guān)系

圖9 初始階段電壓與溫度關(guān)系

3 路面降溫性能測(cè)試

通過控制發(fā)電系統(tǒng)電路的通斷，比較了同一環(huán)境兩種不同狀態(tài)下路面下2 cm處溫度變化情況，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

在光照23 min時(shí)將碘鎢燈光源關(guān)閉，由圖10看出:在光照10 min后的過程中通路狀態(tài)模擬瀝青路面溫度均低于開路狀態(tài)模擬瀝青路面溫度，降溫幅度逐漸趨于穩(wěn)定，表明該裝置對(duì)瀝青路面有一定的降溫效果。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

路面溫差發(fā)電裝置制作完成后，其發(fā)電效果如圖11所示，為了有效地管理和利用其輸出的電能，需要設(shè)計(jì)電能管理系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的電能管理系統(tǒng)由路面溫差發(fā)電裝置、充放電控制器、蓄電池、逆變器組成，其原理如圖12所示。

圖10 開路與通路狀態(tài)2cm路面板下溫度

圖11 發(fā)電效果演示

圖12 電能管理系統(tǒng)原理圖

經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化和合理的電路鋪設(shè)設(shè)計(jì)，夏季高溫路面產(chǎn)生的電能可經(jīng)充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電供路面基礎(chǔ)設(shè)施用電，或經(jīng)逆變器將直流變交流，帶動(dòng)交流負(fù)載。

該系統(tǒng)能夠?qū)r青路面高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為電能，并在一定程度上降低路面內(nèi)部溫度，增加路面的使用壽命，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

利用碘鎢燈模擬自然光照，對(duì)碘鎢燈光照下瀝青混凝土內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試分析?；谌惪诵?yīng)，研制了一種埋設(shè)在瀝青路面下利用夏季路面高溫發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)。得出以下主要結(jié)論:

(1)利用碘鎢燈模擬自然光照，研究了碘鎢燈不同距離處的環(huán)境溫度，測(cè)試結(jié)果表明在距離碘鎢燈0.3 m處環(huán)境溫度為35℃，能夠較為真實(shí)的模擬夏季環(huán)境溫度。

(2)對(duì)碘鎢燈光照下瀝青混凝土內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)電系統(tǒng)的最佳埋設(shè)厚度在距離路表下2～3 cm處。

(3)基于塞貝克溫差發(fā)電原理利用夏季瀝青路面高溫?zé)崮苎兄埔惶谉o污染、無噪音的發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了路面熱能到電能的轉(zhuǎn)化，為公路照明等提供了補(bǔ)充能源。

(4)該系統(tǒng)能夠吸收夏季路面的部分熱量，降低路面內(nèi)部溫度，延長(zhǎng)道路使用壽命，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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