温差发电在沥青路面应用的构思——以宜昌市为例

范旭鹏, 周 钰

(三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443000)

温差发电在沥青路面应用的构思
——以宜昌市为例

范旭鹏, 周 钰

(三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443000)

沥青路面表面平整，行车舒适，施工工期短，养护维修简单，进入国内后发展迅猛。然而其高温稳定性较差，易出现泛油、车辙等损害，若将温差发电技术引进可以有效降低路面温度，缓解各种高温损害。文中通过调查分析合理的将温差发电系统引入道路系统，并以宜昌为例对其可行性进行分析。

温差发电; 沥青路面; 路面损害; 节能减排

随着科技的进步和能源问题的日益突出，清洁环保可再生能源越来越受到青睐，绿色能源技术的发展越来越受到重视，这也使得温差发电技术越来越引人注目。温差发电是一种绿色环保的发电方式，它利用塞贝克效应直接将热能转化为电能，是一种全固态的能量转化方式。发电过程中无运动部件，噪音小，移动方便，体积小、质量轻、寿命长、可靠性高等都是其显著优势[1]。此外，沥青路面进入国内后，以其优良的性能发展迅速。目前国内高速公路、城市主干路基本都是混凝土路面。沥青混凝土的辐射吸收系数可达0.9[2]，在炎热的夏季，沥青路面的路表温度可达50℃。沥青路面在高温下极易出现泛油、拥包、车辙、老化等现象，从而影响道路的正常使用，缩短道路的使用寿命。进入夜间，路面积累的热量又释放到大气中，引起气温升高，加剧城市热岛效应，使城市越来越热[3]。因此，高温对沥青路面的寿命和城市环境都是不利的。若能将路面积累的热量应用到温差发电系统中，不仅可以降低路面温度，保护路面，而且可以有效缓解城市热岛效应的不利影响。

1 温差发电的国内外现状分析

温差发电技术的研究最早开始于20世纪40年代[4]，由于其具有结构简单，无噪音，使用寿命长等优点，很快受到发达国家的青睐，并在发达国家得到长足发展。其中美国和俄罗斯在军事航天方面的应用处于世界领先地位，日本倾向于民用方面研究，而欧盟侧重于小功率电源的研发。国内在温差发电技术方面起步较晚，且集中在理论方面的研究，少有应用于实际，应用于道路方面的更是鲜为人知。只有胡甫才等人对沥青路面温差发电系统进行了设计分析和试验研究，为实现道路系统中的温差发电奠定了基础[5]。

针对上述研究现状，本文在前人的基础上，结合宜昌地区实际情况，通过查阅文献、调查分析将温差发电技术引进道路系统中，并对其可行性进行分析，以减低沥青路面温度梯度，缓解沥青路面现存各种高温损害，同时将热量转化为电能，废物利用、节能环保。

2 温差发电基本理论

2.1 塞贝克效应

两种不同的导体(或半导体)组成的闭合回路，当两节点间保持在不同的温度时，回路中就有电流通过，此效应称为塞贝克效应。塞贝克效应是利用热电材料两端的温差使材料的载流子发生运动，进而实现能量的转换[6](图1)。将P型和N型两种不同材料的热电材料(P型是富空穴材料，N型是富电子材料)一端相连形成PN结，使其一端置于高温状态，另一端处于低温状态，由于热激励作用，P(N)型材料高温端空穴(电子)浓度高于低温端，在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端之间的温差将热能直接转化成电能。要得到较大功率输出，则可以把若干对温差电偶串联(或并联)成为温差电堆。

图1 塞贝克效应示意

(1)

式中：EAB为热电动势(V);SAB为塞贝克系数(V/K);△T为温差(K)。

2.2 沥青路面温度分布

沥青路面温度场分布与气温的变化有着密切的关系，对于不同的气温变化规律，沥青路面的温度场分布是不同的。如：

降温阶段的沥青路面温度预估公式[7]:

(2)

升温阶段的沥青路面温度预估公式:

(3)

沥青路面的温度预估公式:

(4)

式中：T为沥青路面温度;Ta为气温;h为路面结构深度;R为相关系数。

由上述公式可知沥青路面温度与气温近似成线性关系，比例系数接近1.0，且随着路面结构深度增加，温度有所下降。

3 温差发电技术引入道路系统优势分析

目前，道路系统中的用电来源基本都是国家统一的发电系统，不仅增加了国家发电系统的负荷，而且线路架设复杂，远距离输电电能损失严重，将温差发电引入道路系统可以有效缓解上述问题。

3.1 我国气候特点及优势

我国地处北温带，夏季除了地势较高的青藏高原和天山等地区以外，大部分地区在20℃以上，南方许多地区在28℃以上，新疆吐鲁番盆地更是高达32℃，冬季秦岭淮河线以北的气温都在0℃以下，黑龙江漠河的气温更是低至-30℃，南方的气温可以达到0℃以上。所以我国温差能资源的蕴藏量相当可观，如果能很好地规划并合理地应用这部分能量，不仅能减缓路面高温损害，还可适当补充市政用电。

3.2 沥青路面中温差发电系统的优点

沥青路面使用沥青结合料，增强了矿料之间的粘结力，提高了混合料的强度和稳定性，使路面的使用质量和耐久性都有所提高。与其他类型路面相比，沥青路面具有无接缝、耐磨，行车噪音低、振动小等优点，因此近20年我国沥青路面迅猛发展。然而沥青路面的高温稳定性很差，在长期高温环境下，沥青路面极易出现泛油、车辙、波浪等损坏而影响道路的使用。将温差发电技术引进道路系统既可以有效降低路面的温度，减轻或避免路面高温损害的出现，还可以缓解城市热岛效应。通过路面温差产生的电能可以储存，交通指挥系统、道路照明系统等道路附属设施用电可以依赖这部分电能，减轻国家电网的负荷。

4 宜昌地区温差发电技术引入道路系统可行性分析

4.1 宜昌的地理位置及气候条件

宜昌市位于我国湖北省西南部，地处长江上游与下游的结合处，鄂西山区向江汉平原的过渡地带，属于亚热带季风性湿润气候，四季分明，雨水丰沛，雨热同期，全年积温较高，无霜期较长，年平均气温约16℃～17℃，7、8月份气温最高，月平均气温在27℃～28℃，1月份的气温最低，月平均气温在5℃左右。

4.2 温差满足要求可行性分析

目前沥青混凝土路面采用上面层、中面层、下面层和垫层的的结构体系，面层厚度达到15～18 cm。由于温差发电片的型号、铺设密度、铺设深度会影响其发电效率，而且铺设深度还会影响发电元件的耐久性。实验表明采用电子对数为127对的TEC1-12705型的温差发电片，埋置深度选择为2 cm,铺设密度为44个/m2时发电效率最佳[8]。发电片电压与所处温度满足以下关系：

(5)

式中：V为发电片两端电压;T为发电片所处环境温度;R为相关系数。

将表1中宜昌日平均最高气温代入公(4)，得到2 cm深处结构层温度，将2 cm深处结构层温度代入式(5)得到单个发电片两端电压和每平米发电片两端电压(并联)。

表1 宜昌地区日均最高气温及路面2 cm深处温度

由表1可知，每1 m2发电片两端电压均可达到1 000 mV以上，在高温的5月到9月可以达到2 000 mV以上，基本能维持小功率的道路监控系统等正常运行，所以将温差发电技术引进道路系统是完全可行的。

4.3 道路中的温差发电系统

目前国外的温差发电系统研究日臻完善，在此基础上，本文结合实际进行了适当改进，提出沥青路面温差发电系统(图2)。在现有的沥青路面结构中增加传导材料，保温材料，以及温差发电装置。

图2 温差发电系统示意

将其分为集热系统，传导系统，发电系统和电能转换储存系统。集热系统由沥青混凝土面层充当；传导系统可以直接选用导热良好的金属并在其周围覆盖保温材料；发电系统由多组温差发电单元组成；电能转换储存系统包括升压稳压装置和储电装置。系统的具体工作原理为：利用沥青混凝土面层收集外界热量，由于沥青的导热系数较小，内部积畜的大量热能不易释放，而路面下布置的传导材料具有良好的导热性，迅速将热量传导至温差发电装置，发电装置布置在沥青路面基层中，距地表约20 cm处，利用与土壤冷端传导材料的温差即可将路面采集的热量转化为电能。将产生的电能通过升压稳压装置后储存在储电装置中，白天可以供交通指挥系统、监控系统等使用，夜间可供照明系统等使用。

此外，在有条件地区可以将此系统融入市政用电系统，当由于各种原因而引起发电效率降低时，可以通过市政用电系统补充，当此系统储电充足时，可以补充市政用电，相互补充。

5 结论及建议

5.1 结论

随着我国城市化、工业化进程加快，能源需求量大，温差发电作为一种绿色能源技术，清洁、环保，可以广泛应用于城市的各种市政用电系统中。通过对温差发电技术在沥青路面中的应用的研究，并结合宜昌实际情况得出如下结论：将温差发电技术引进道路系统的方案是可行的，不仅降低了沥青路面的温度，缓解了沥青路面高温损害，增加了沥青路面的使用寿命，而且将温差势能转化为电能，有利于缓解能源需求，有利于减轻市政供电系统的负荷，符合我国节能环保的发展要求。

5.2 建议

温差发电在道路系统中的应用是一个新兴的领域，而我国的温差发电技术还处于初级阶段，为促进其健康、快速的发展，建议：

(1)大力宣传温差发电技术的优点，使人们认识到清洁能源的优势。

(2)提倡温差发电与城市市政用电的一体化设计。

(3)加大对温差发电技术研究的支持。

[1] 张鼎，于兰山.温差电效应及其应用[J].高等函授学报，2006,19(4)：32.

[2] 吴少鹏，陈明宇，韩君.沥青路面太阳能集热技术研究进展[J].公路交通科技，2010,27(3)：7-13.

[3] LOOMANS M,OVERSLOOT H,DE BONDT A,etal.Design tool for the thermal energy potential of asphalt pavements[C]//Eighth International IBPSA Conference,Eindhoven,Netherlangs,2003:745-752.

[4] 高敏，张景韶，ROWE D M.温差电转换及其应用[M].北京：兵器工业出版社,1996.

[5] 胡甫才，朱顺敏，汪岸，等.沥青路面温差发电新系统设计分析与试验研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2014,38(4)：834-837.

[6] 朱东生，吴红霞，漆小玲，等.太阳能温差发电技术的研究发展[J].电源技术，2012(3):431.

[7] 康海贵，郑元勋，蔡迎春，等.实测沥青路面温度场分布规律的回归分析[J].中国公路学报，2007,20(6).

[8] 张弛，繆文鼎，梁国挺，等.热电转换型沥青路面铺设方式的实验研究[J].中华建设，2013(12):148-149.

范旭鹏(1993～)，男，在读本科生。

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[定稿日期]2015-08-20