瀝青路面溫差發電系統設計分析與試驗研究＊

胡甫才 朱順敏 汪 岸 熊盛光

（高性能船舶技術教育部重點試驗室1） 武漢理工大學能源與動力工程學院2） 武漢 430063）

（武漢理工大學國際教育學院3） 武漢 430070）

0 引 言

瀝青路面具有噪聲小、抗滑性好、車輛磨損小等優點，已被廣泛應用于城市道路.但作為直接暴露在自然環境下的建筑結構，黑色的瀝青混凝土路面對太陽輻射的吸收能力極強，輻射吸收系數一般在0.8～0.95之間［1-2］.尤其是在夏季高溫時節，炎熱地區瀝青路表溫度甚至可達70℃.同時，瀝青混凝土導熱系數較小，內部積聚的大量熱量不易釋放，高溫持續時間較長.由于瀝青粘彈性體的特性，高溫對瀝青路面的機械性能極為不利，在車輛等外力作用下，高溫的瀝青混凝土路面易發生粘性變形，引起車轍，波浪推移、粘輪等現象，導致路面損壞，這就會直接影響到路面的使用性能和耐久性.夜晚城市路面內部積蓄的熱量又緩慢釋放到大氣中，引起環境溫度的上升，該效應可加劇城市熱島效應［3-4］.因此，路面高溫對瀝青路面的使用壽命和城市環境都具有負面影響.

本文在現有瀝青路面溫差發電系統研究基礎上［5-6］，對系統的集熱方式和發電片的布設進行了優化設計，從而實現系統在降低夏季城市瀝青路面高溫、緩解城市熱島效應的同時，還能利用瀝青路面提供部分市政工程用電，以實現節能減排的良好效果.同時構建出關于該系統的動態仿真模型，以期利用該數學模型對所構建的城市瀝青路面溫差發電系統進行數學仿真分析，為該系統的實際工程應用提供參考依據.

1 系統設計和工作原理

針對瀝青路面集熱研究現階段問題，提出了一種利用導熱鋁片取代水流管網作為載熱體的瀝青路面溫差發電系統，見圖1.其主要包括太陽能集熱系統、發電系統和電能儲存轉換系統3個子系統.其中太陽能集熱系統作為整個系統的熱源，主要由摻入石墨等導熱性填料的集熱用瀝青混凝土層和導熱鋁片組成（見圖2）；發電系統由多個半導體溫差發電片模塊組和增強導熱的導熱硅脂組成；電能儲存轉換系統包括升壓穩壓電路、逆變器和蓄電池組等.系統工作原理為：利用摻入石墨等導熱性填料的高導熱性能太陽能集熱用瀝青混凝土層收集太陽能，使路面熱力學能增加Qg，通過布置在瀝青路面下的鋁片導熱，使鋁片熱端與地下自來水管道或土壤冷端形成溫差ΔT，利用半導體溫差發電片，將路面采集的熱量轉化為直接使用的電能；同時太陽能集熱用瀝青混凝土層的高導熱性能能夠降低瀝青路面的溫度梯度，從而降低夏季高溫時路面由于高溫度梯度引起的熱應力破壞，提高路面使用性能和耐久性并緩解城市熱島效應.

圖1 城市瀝青路面溫差發電系統

圖2 太陽能集熱系統示意圖

2 系統動態仿真模型

根據城市瀝青路面溫差發電系統的工作原理和傳熱過程（見圖3），構建了系統的動態仿真模型，主要包括瀝青路面集熱數學模型、導熱鋁片傳熱數學模型和半導體溫差發電數學模型.

圖3 城市瀝青路面溫差發電系統傳熱過程簡圖

2.1 瀝青路面集熱數學模型

瀝青路表與外界的能量交換見圖4，由系統能量守恒定律得路表面的能量平衡關系：

式中：Qg為路面熱力學能增量，kJ；A為路面面積，m2；qs為太陽直接輻射熱流密，kJ／（m2·h）；qtr為輻射引起的熱流密度，kJ／（m2·h）；qc為對流引起的熱流密度，kJ／（m2·h）.各熱流密度的計算分別如下：

式中：αs為瀝青混凝土的吸收系數，取αs=0.9；It為瀝青路面吸收的太陽直接輻射，W／m2.

式中：αβ為熱輻射系數；ta為大氣溫度，℃；ts為路表溫度，℃.

式中：h為對流換熱系數.

所以路表面熱力學增量：

瀝青路面溫度場模型采用同濟大學秦健、孫立軍等采用回歸方法提出的瀝青路面溫度預估模型［7］：

式中：tH為瀝青路面結構某一深度的溫度，℃；tan為n小時的平均氣溫，℃；Qn為n小時平均太陽輻射強度，kW／m2；H為深度，cm；a，b，c，d為回歸系數.

圖4 瀝青路表與外界能量交換

2.2 導熱鋁片傳熱數學模型

鋁片的實際導熱過程為非穩態導熱過程，但為了近似估算導熱量，采用穩態導熱問題近似求解，見圖5.由傅里葉定律，通過鋁片的熱流密度為

式中：qAl為導熱鋁片熱流密度；λ為鋁片導熱系數.

由無內熱源、常物性一維溫度場的穩態導熱微分方程

經連續兩次積分再由邊界條件

確定導熱鋁片內溫度場分布為

將式（9）代入式（7），最終求得導熱鋁片的熱流密度

式中：δ為鋁片厚度.

圖5 導熱鋁片傳熱數學模型

2.3 半導體溫差發電數學模型

半導體溫差發電模塊是根據塞貝克效應制成的，即把兩種半導體的接合端置于高溫環境，處于低溫環境的另一端就可得到電動勢E［8］：

式中：th為溫差發電片熱端溫度，℃；tc為溫差發電片冷端溫度，℃；αs為塞貝克系數，其單位為V／℃或μV／℃，由材料本身的電子能帶結構決定.

3 系統仿真模型試驗驗證

3.1 試驗條件

1）太陽能集熱系統 采用導熱型瀝青混凝土集熱試樣A，B（見圖6）.試樣A 長300mm×寬300mm×高80 mm，從上到下各層厚度依次為：乳化瀝青混凝土封層10 mm、導熱型瀝青混凝土層60mm、導熱鋁片層5mm、隔熱層5mm；乳化瀝青混凝土封層的配比為（質量比）：集料（粒徑2.36～9.50mm）∶SBS改性乳化瀝青∶礦粉∶水∶外加劑=100∶10∶1∶8∶0.3；導熱型瀝青混凝土的比例為：粗集料54%，細集料26%，瀝青6.5%，石墨粉9%，碳纖維1%，礦粉3.5%.導熱鋁片厚度和隔熱材料層厚度均為10mm.試樣B長300mm×寬300 mm×高70 mm，各層厚度為：乳化瀝青混凝土封層10 mm、導熱型瀝青混凝土層60mm.試樣B的各瀝青混凝土層配比與試樣A 完全一致.

圖6 瀝青混凝土試樣結構示意圖

2）熱電轉換系統 本次試驗采用6片溫差發電片串聯連接，發電片外形尺寸為40 mm×40mm×3.4 mm，共有126 對PN 結，熱電轉化效率為4.7%，工作溫度在-40～120 ℃之間.發電片布設在瀝青混凝土試樣一側鋁片下方，并在發電片上下兩面都涂抹了一定量導熱硅脂以增強導熱［9］，發電片冷端與散熱片相粘合，以增強冷端散熱.瀝青混凝土試樣A，B見圖7.

圖7 瀝青混凝土試樣A、B實物圖

3）電能儲存轉換系統 利用BL8532升壓穩壓芯片，實現系統的升壓穩壓，電路圖見圖8.

圖8 BL8532升壓穩壓電路

4）試驗裝置的主要構成 試驗裝置主要包括模擬輻射光源、溫度傳感器、電壓表、試驗臺架以及組裝配件.根據國家標準GB／T 2424.14-1995采用鎢絲燈作為模擬太陽光的光源［10］.溫度傳感器采用PT100溫度傳感器，分別置于1，3，5，7cm 深度處，用于采集瀝青混凝土試樣不同深度處溫度變化情況.

3.2 試驗結果

試驗環境溫度為25 ℃，在模擬光源照射下，A、B試樣不同深度處溫度變化情況見圖9.試驗結果表明：

1）不管有無導熱鋁片，瀝青混凝土內部溫度變化的規律總體上是一致的.

2）有導熱鋁片的瀝青混凝土試塊A 其升溫速率要小于無導熱鋁片的瀝青混凝土試塊B，尤其是在導熱鋁片層附近，升溫過程中同時刻的溫度始終小于無導熱鋁片的試塊B.在鎢燈照射100min時，無導熱鋁片試塊B 5cm 深度處的溫度較有導熱鋁片試塊A 高出約5 ℃，此位置在實際路面相當于中面層的位置，使用的瀝青軟化點一般低于50℃，超過此溫度對于路面的穩定性是十分危險的.

3）對于無導熱鋁片試塊B，5cm 深度位置的溫度在光照50min時即超過50 ℃，而有導熱鋁片試塊A 在光照65min時才達到50 ℃.導熱鋁片大大降低了路面內部的升溫速率和路面的溫度梯度，從而減少了由溫度梯度引起的熱應力破壞，延遲了瀝青路面中面層溫度到達危險點的時間.

模擬光源照射下A、B試樣不同深度處溫度變化對比

4）在降溫過程中，試樣A 內部的降溫速度明顯要快于試樣B，在100 min內的降溫速度見表1.由表1可知，同樣100min時間內試樣A 的降溫幅度高出試樣B 9 ℃左右.另外瀝青混凝土內部不同深度處的溫度大概在降溫開始60 min左右后趨于一致，最終以同樣的速率協同下降.

表1 A，B試樣100min內降溫幅度對比

由此可見，導熱鋁片加速了瀝青混凝土內的熱量轉移，通過將瀝青混凝土內熱量傳導至溫差發電片，使瀝青混凝土在升溫過程中，內部溫度上升減緩，降溫過程中，降溫變快，從而減少由溫度梯度引起路面的熱應力破壞.

3.3 熱電轉換

導熱鋁片加速了瀝青混凝土內的熱量轉移，熱量由瀝青混凝土轉移至導熱鋁片，導致布設于導熱鋁片下的半導體溫差發電片熱端溫度上升，由于溫差發電片的冷端與散熱片接觸，從而在溫差發電片的兩側形成溫差，引起電壓的產生，隨著溫差的增大，電壓逐漸增大.本次試驗采用了6片溫差發電片串聯，并在元件上下兩面都涂抹了一定導熱硅脂以增強導熱，在試驗過程中，產生的電壓隨溫差的變化見圖10.

圖10 電壓隨溫差的變化關系

半導體溫差發電片產生的電壓與發電片冷熱兩端的溫差高度線性相關，通過回歸分析，其回歸方程為

式中：U為開路電壓，mV；ΔT為溫差發電片冷熱兩端溫差，℃.

該方程的相關系數R2高達0.9989，當溫差發電片冷熱兩端溫差達到25℃時，整個系統輸出的開路電壓達1.1V.

4 結 論

通過建立城市瀝青路面溫差發電系統動態仿真模型并進行試驗驗證，論述了此系統的可行性和實用性，取得的主要結論如下.

1）導熱鋁片埋置于瀝青路面中，能夠加速瀝青混凝土內的熱量轉移，通過將瀝青混凝土內熱量轉移至溫差發電片，使瀝青混凝土在升溫過程中，內部溫度上升減緩，降溫過程中，降溫變快，從而減少由溫度梯度引起瀝青路面的熱應力破壞，提高路面結構受溫度影響的耐久性和使用性能.

2）利用半導體溫差發電器件，可對瀝青路面熱量進行采集，基于塞貝克效應，將路面熱能直接轉換為電能，作為城市道路照明、紅綠燈等市政工程用電的補充.

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