能量收集技术在道路中的不同应用

杨宏涛，余志华

(1.云南交投集团云岭建设有限公司，昆明 650224；2.国家林业和草原局昆明勘察设计院，昆明 650224)

1 引言

寻找可再生的绿色能源是在可持续发展方面面临的严峻挑战之一。目前，用于发电的最常见的能源资源包括石油、煤炭、水力、天然气和核能。能量收集是一种可以产生可再生和清洁能源并提高基础设施的可持续性技术。能量收集技术捕获未使用和浪费的能量并将其转换为可用的能量形式。道路是主要的民用基础设施之一。传统上，道路被视为承载交通负荷的结构平台。道路表面的车辆负载和直接的太阳光照射会引起机械路面层中的振动和热梯度。机械能可以通过磁场(对于电磁材料而言）或应变场(对于压电材料而言）转化为电能。太阳能可以通过光伏电池、热通量或热电场得到利用。因此，道路上浪费的能源可以被收获并转化为具有不同应用的可用能源。

能量收集系统通常由能量发生器、电路和存储装置3 个主要部件组成。电能是从环境中的其他能量转换得到，电路用于提高和调节产生的电压，收集的能量可以存储在可充电电池或超级电容器中。由于每种能量收集技术的原理不同，能量输出量变化很大。一方面，大量的能量可以直接用于电力和电网；另一方面，可以使用相对少量的能量用于加热路面或桥面以防结冰、照明或为交通设备供电。

本研究的目的是回顾不同的能量收集技术 (太阳能、地热、热电和压电）在道路中的应用，研究各能量收集技术的工作原理和现有研究成果，并对提到的几种能量收集技术进行展望。

2 太阳能的利用

光伏电池是将太阳能转换为电能的装置。太阳能电池由P型半导体和N 型半导体组成。当太阳光照射到光伏电池中的半导体材料时，自由电子被迫沿某个方向流动。带负电的电子向N 型半导体移动；而带正电的电子则向P 型半导体移动。光伏电池的工作原理如图1所示。当光伏电池与负载相连接时，电子的定向移动会产生电流。

多个学者调研了光伏电池在公路上收集太阳能的应用[1]。KangWon[2]等人调研了在公路上利用光伏技术收集太阳能的可行性，指出薄膜光伏电池在道路上应用存在局限性，这是因为在各种不同的交通负荷和天气条件下很难保持光伏电池的耐久性。所以，需要设计具有适当的表面特性的新型薄膜太阳能电池应用到道路表面。光伏电池在美国的第一次路面应用是2009年联邦公路管理 (FHWA）资助的太阳能停车场。2014年，SolarRoad 公司用太阳能电池板建造了一条100 m 的自行车道，顶层为1 cm 厚的钢化玻璃。自行车道一年产生350 kW·h 的电量。SolarRoad 公司表示平面角的太阳能面板只能产生传统屋顶光伏板中1/3 的电力[3]。2015年，Colas 公司与法国国家太阳能研究所合作开发了一种新的名为Wattway的光伏路面，并称能达到工业应用的水平。据报道，他们开发的太阳能电池具有抗防滑特性，因此，在未来可用于所有类型的基础道路设施[4]。

尽管光伏路面比常规路面更加环保，但由于其高成本和在需要多变天气和交通条件下的耐用性特性，需要继续开展相关的研究和工作，使其尽早能够在日常生活中得到普及和应用。

3 热电能的利用

热电发电机从周围环境的热能变化中获取能量。热电发电机可以基于热电原理利用路面面层之间的温度差异发电。热能直接转化为电能使得热电发电是高效的且有前途的能量收集技术之一。由T.J.Seebeck 在1821年发现的塞贝克效应已广泛应用于大多数热电发电技术中。塞贝克效应定义为当在一个热电产生装置的两端有温度梯度时会产生电场。导体中温度梯度和电流的产生是可逆的。如图2所示，热电模块通常由两个平行的N 型和P 型半导体组成，并且每侧都有热源和散热器，根据塞贝克效应，在优化热电发电机的转换效率时，高的塞贝克系数、低的导热系数和低电阻率是需要的。低的热导率和电阻率减少热传导和焦耳耗散引起的能量损失。热电半导体通常用于克服各向同性金属的局限性，其改进受限于Wiedemann-Franz 定律。该技术的主要缺点是效率低，但使用新型材料用于热电发动机可以提高效率[5]。

Wu G[6]等人开发了热电能量收集系统，用于路面监测传感器中的供电。不同于以往的管道系统，他们构筑的系统包括与铝板相连的商用热电模块以及两端的杆在路面和路基土之间传递热量。并使用LED 光进行了实验室实验，用于模拟热电模块中温度梯度为20 K 的传感器负载。结果表明，输出功率约为0.05 mW，整体系统效率为2.05%。之后，他们使用计算模拟来研究用于系统优化的路面热电发电。这个系统估计每天可提供0.02 W 和1000 J，这足以在进行路面监控的传感器设备中应用。

4 地热能的利用

地热能是来自地球内部深处的热能，即地球上自然储存的能量。地热热泵和地下热能储存在地热能应用中发挥重要作用。地热热泵是一种传热装置，当接收相对低的地热能输入时，可以提高流体的热量输出。热泵最常见的基本原理是使用压缩机进行蒸汽压缩； 气体在没有损失的情况下被压缩时温度会升高。对于地下热能储存而言，关键是最大限度地减少受储存时间、温度影响的能量损失，以及存储介质的体积和热性能。地热水或蒸汽自1948年以来已被用作融化雪的热源。第一个融雪系统建于俄勒冈州的克拉马斯福尔斯，由含有内部循环的50%乙二醇-酯溶液的铁管道系统组成。然而，经过近50年的运行，外部腐蚀和严重泄漏导致系统错误。如今，融雪系统的金属管已被塑料管代替，防止腐蚀。Griffin[7]对包括太阳能和地热能在内的不同热源的桥梁除冰系统进行了研究。2005年的相关研究表明，用深层地下水的采暖费用是37 美元/ft2(398.3 美元/m2）；而用太阳能集热器取暖的成本是26 美元/ft2(280 美元/m2）[8]。但是，由于通货膨胀、贴现率以及改进的技术，主要成本可能会发生变化[9]。

5 压电能的利用

在受到机械应力或改变几何尺寸时，压电材料产生电荷，从而形成电场。压电收集能量的工作原理如图3所示。压电材料产生的电压随着时间产生变化，因此，会产生交流电信号，这是正压电效应和逆压电效应引起的。压电材料可分为以下几类：单晶材料(如石英）、压电陶瓷(如锆钛酸铅)、压电半导体(如氧化锌)、聚合物(如聚偏二氟乙烯）、压电复合材料和玻璃陶瓷(如Li2Si2O5和Ba2TiSiO6）。虽然压电材料有不同的压电和机械性能，最常见的是聚合物和陶瓷。聚合物材料柔软而有弹性，而陶瓷是刚性的。高分子材料由于介电质和压电特性的不同，产生的压电能量比陶瓷低[10]。

有两种方法可以增加电能的产量。一种方法是增加施加的压力或应变。另一种方法是更有效地使用耦合模式。体系中存在两种可能的耦合模式，d31模式和d33模式，这取决于压电材料的极化方向和施加力的方向。当材料受到垂直于极化方向的力时定义为d31模式，而当材料受到与极化方向相同的力时定义为d33模式。对于大多数的压电材料而言，d33模式能提供更大的机电耦合，从而实现更高的能量转化效率[11]。

6 总结和未来研究建议

1）虽然在能量输出量方面光伏系统是最强大的，但应用到道路时仍存在挑战，需要考虑车辆操作和道路的防滑性。此外，目前光伏系统的建造成本太高，难以达到有效的应用，尽管这种方法的收益不容忽视。

2）地热能收集被认为处于开发过程中的高级阶段，但在地质和地理方面是受限的。从安全和经济方面考虑，在一些关键区域，如机场停机坪、桥梁、坡路段和人行道中利用地热能管道系统会更有利。

3）虽然热电能的能量输出相对较低而且成本高，但随着系统效率的提高，未来可以从结构设计和材料性能方面入手去进行优化，是很有希望应用到路面能量收集中的。

4）由压电材料制成的不同能量收集器，是基于压力或基于振动进行能量收集的，可应用到道路和桥梁的传感器中。在一辆车通行的情况下，单个压电换能器输出的能量通常很小。为了产生更大的能量，需要重复交通负载下的多个传感器阵列。

能量收集系统的生命周期成本，包括初始安装、维护和维修以及运行期间的成本，应当考虑用来分析不同能量收集技术的成本效益。此外，将来的研究需要评估能量收集系统在其使用过程中对环境的影响。