基于溫差的發電公路研究

黃少晗，張建臣，安明慧，劉豪睿

基于溫差的發電公路研究

黃少晗1，張建臣2，安明慧1，劉豪睿2

（1.德州學院能源與機械學院，山東 德州 253023；2.德州學院計算機與信息學院，山東 德州 253023）

文章利用公路路面于地下存在的溫差進行發電，節省化石能源的消耗。通過將溫差發電與光伏發電相結合的技術將公路上豐富的熱能和太陽能轉化為源源不斷的電能。產生電能可直接為公路旁路燈供電。高速上，電能通過無線電磁場技術為公路上的電動轎車充電，實現邊跑邊充，彌補新能源汽車續航能力差的短板，剩余的電能供給居民和工廠使用。最終實現低碳環保，節能減排。

新能源；溫差發電；光伏發電；公路；邊跑邊充；居民和工廠

引言

現階段所使用的電能主要是化石燃料，污染大，可持續發展前景暗淡。本研究項目旨在利用“公路的溫差”進行發電，緩解東部的用電壓力。近些年，人類生產和生活所需電能日益增加，供電壓力與日俱增，而現階段我們所使用的電能主要是靠燃燒化石燃料等不可再生能源而來，這不僅污染大、耗能大，而且轉換效率低下，可持續發展前景暗淡。

中國公路通車里程世界第一，2017年末，全國公路總里程達到近500萬公里，公路路面與公路地下溫差巨大，本項目旨在利用“公路的溫差”進行發電，為解決日益突出的能源問題提供全方位建設方案。

而溫差能和太陽能是一種綠色、清潔、儲量豐富且隨處可見的能源，利用溫差發電技術和太陽能光伏發電技術可以源源不斷的將溫差能和太陽能能轉化為電能，從而緩解目前的供電壓力并減輕當前的溫室效應。而且將溫差發電技術和太陽能光伏發電技術相結合可以極大幅度的提高太陽能轉化為電能的效率。與此同時，隨著交通的發展，寬敞的公路隨處可見，而公路上方的太陽能與公路下方的溫差能作為一種儲量極為豐富的綠色環保資源使得廣闊的公路變成了一個潛在的巨型發電廠[1-2]。

在炎炎夏日，瀝青路表面溫度遠遠高于地下溫度，溫差發電片會產生較大的溫差電動勢，而在冬天路表溫度則遠低于地下溫度，溫差發電片也會產生較大的溫差電動勢，溫差發電技術不受季節和時間的限制，彌補了光伏發電在夜間無法正常工作的短板，極大地提高太陽能的利用率。通過“溫差發電技術與光伏發電技術”相結合的方式將公路上豐富的溫差能和太陽能源源不斷地轉化為電能，電能通過無線發射電磁場技術為公路上的電動轎車充電，為電動汽車提供一個便捷的充電方式，使“邊跑邊充”成為可能，填補新能源汽車續航能力差、充電時間長的短板，并在一定程度上促進新能源汽車的進一步發展與推廣。大大減少了化石燃料的消耗，緩解了化石能源面臨枯竭的危機、減輕了溫室效應。基于溫差發電的公路給人們節省了大量的能源，充分合理地利用綠色環保能源緩解了能源緊迫的問題，真正實現了“低碳環保，節能減排”[3-4]。

1 遏待發掘的新能源——溫差能

溫差能作為一種尚未大規模開發的新能源，相比太陽能具有的最大優勢是：發電穩定，受外界影響小，無論是烈日當頭還是陰雨綿綿都能正常工作，為我們提供源源不斷的電能。

目前國內利用溫差能進行發電相關研究已有很大進展，將溫差能進行合理利用已有先例，本團隊通過對全國公路分布密集的東部地區和中部地區分別抽取5個省份，對全國公路分布稀疏的西部地區以及北部地區分別抽取一個省份，作為實驗的樣本，分別對各省份的平均大氣溫度、平均路面溫度、平均路面下1 m溫度以及路面與路面下1 m溫度存在的溫差進行調查研究，從理論上說明公路存在的溫差進行發電的可行性和實用性。

表1 各省平均溫度數據

省份類別/℃月份 123456789101112 山東省大氣溫度13111324283028231792 路面溫度361821334346483526176 地下溫度91213151818201917141211 溫差665615252629181255 江蘇省大氣溫度461218232631302519126 路面溫度6819263241475042282013 地下溫度11141417192021222115108 溫差5659132126282113105 浙江省大氣溫度681219242731312620148 路面溫度81022283643484940302314 地下溫度13161618202123222018129 溫差56610162225272012115 福建省大氣溫度131316222529313129242014 路面溫度161724313546495042342919 地下溫度101112182021222420181412 溫差661213152524262216157 遼寧省大氣溫度?12?72121924262519111?8 路面溫度?10?412212735424531229?4 地下溫度?517911141820131041 溫差5551216212425181255 陜西省大氣溫度15121823283028231793 路面溫度492030334447463427188 地下溫度91415161518201713121211 溫差5551418262729211563 山西省大氣溫度?3?18142024262519135?2 路面溫度?111522304043432923140 地下溫度4610121416181715985 溫差5551016242526141465 湖北省大氣溫度571219242731302519126 路面溫度101421283443484836292111 地下溫度68810151721191715128 溫差46131819262729191493 湖南省大氣溫度791420252832312721149 路面溫度131624293745504938312316 地下溫度81010131517181917151210 溫差561416222832302116116 廣東省大氣溫度151620212428313129262216 路面溫度202428303446504943363124 地下溫度121314161720212119181614 溫差81114141726292824181510 黑龍江省大氣溫度?20?14?3917232523177?5?16 路面溫度?17?101172638414335161?12 地下溫度?10?357111315141296?6 溫差574101525262923756 新疆大氣溫度?17?10213192426241810?1?9 路面溫度?13?58222942433630249?3 地下溫度?415812141715141240 溫差9631417282621161253

對樣本數據進行處理，得各省四季公路表面與公路下1 m處溫度差的均值，如下圖1所示：

圖1 全國四季路面與地下溫度差

對外形尺寸為100 mm×100 mm×4 mm的發電片置于不同的溫差環境內，研究不同溫差段所產生的電壓和電流從而從理論上證明電動汽車“邊跑邊充”技術的可實施性。

表2 不同溫度段產生的電壓及電流

5～10 ℃10～15 ℃15～20 ℃20～25 ℃25～30 ℃ 電壓/V5681012 電流/A1.61.71.81.92.0

將10組發電片串聯為一個完整的發電組，一個完整的發電組可產生50～120 V左右的電壓，1.6～2.0 A左右的電流，80～240 W左右的功率。由測得數據可知，公路所蘊含的巨大的溫差可以產生巨大的電量。因此溫差發電用于新能源汽車充電具有很大的可行性，而在實際鋪設過程中發電板大小還會根據公路寬度進行擴大，隨著面積增大，產生的電壓和電流還會增大，充分利用公路存在的龐大的溫差能具有極其重要的現實意義。

為探究實地環境下公路的發電狀況，本實驗團隊于德州市取3.75 m×10 m的公路鋪設一組溫差發電裝置（10組3 m×1 m的溫差發電片組成）作為樣本，在7月下旬取連續五天的樣本發電數據進行記錄研究。

五天內樣本公路段10 m共發電29.58 kw·h，因此在實際環境下利用公路進行溫差發電具有很大的可實施價值。

2 溫差發電公路

2.1 溫差發電公路原理

溫差發電公路是將溫差發電與公路相結合。溫差發電顧名思義，利用溫度差發電；將半導體和鋁板連接，當100 mm×100 mm×4 mm尺寸半導體溫度和鋁板溫度相差20 ℃左右時就可以產生10 V左右電動勢，如果溫度差增大，電動勢也將繼續增大；當半導體和鋁板不同溫度時，會產生空穴，俗稱電子定向移動。如圖2所示，光線照射形成空穴，進而形成電子移動。

圖2 溫差發電的原理

導熱鋁片埋置于瀝青路下方，表面形成氧化鋁的鋁片性質穩定，不容易被腐蝕，能夠加速瀝青混凝土內的熱量轉移。通過將瀝青和混凝土內熱量轉移至溫差發裝置，達到發電的目的。

實驗室中為了降低鋁板的溫度，用無水酒精將鋁板表面以及與其接觸的實驗出擦干凈，再在接觸面上均勻地涂抹一層薄導熱硅脂層。利用絕熱橡膠墊使發電裝置周圍保溫和固定發電組件，每兩塊發電模塊之間留有大約50 mm的間隙，便于發電模塊引出線的連接。采用10片溫差發電片串聯連接，發電片外形尺寸為100 mm×100 mm×4mm，共有約400對PN結，單級半導體材料為銻化鉍，最高使用溫度為250 ℃。半導體發電片布設在瀝青下方，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，發電片冷端與散熱片相粘合，以增強冷端散熱。

表3 樣本公路段發電數據

第一天天氣狀況晴 凌晨6:00大氣溫度/℃24 輸出電壓/V111 輸出電流/A1.7 輸出功率/W188.7 中午12:00大氣溫度/℃30 輸出電壓/V230 輸出電流/A2.0 輸出功率/W460 下午6:00大氣溫度/℃28 輸出電壓/V192 輸出電流/A1.9 輸出功率/W364.8 全天發電量 kw·h7.24 第二天天氣狀況晴 凌晨6:00大氣溫度/℃25 輸出電壓/V119 輸出電流/A1.7 輸出功率/W202.3 中午12:00大氣溫度/℃32 輸出電壓/V235 輸出電流/A2.0 輸出功率/W470 下午6:00大氣溫度/℃29 輸出電壓/V196 輸出電流/A1.9 輸出功率/W372.4 全天發電量 kw·h7.49 第三天天氣狀況晴 凌晨6:00大氣溫度/℃25 輸出電壓/V118 輸出電流/A1.7 輸出功率/W200.6 中午12:00大氣溫度/℃32 輸出電壓/V237 輸出電流/A2.0 輸出功率/W474 下午6:00大氣溫度/℃28 輸出電壓/V198 輸出電流/A1.9 輸出功率/W376.2 全天發電量 kw·h7.53 第四天天氣狀況多云 凌晨6:00大氣溫度/℃25 輸出電壓/V107 輸出電流/A1.6 輸出功率/W171.2 中午12:00大氣溫度/℃29 輸出電壓/V145 輸出電流/A1.8 輸出功率/W261 下午6:00大氣溫度/℃27 輸出電壓/V109 輸出電流/A1.7 輸出功率/W185.3 全天發電量 kw·h4.27 第五天天氣狀況小雨 凌晨6:00大氣溫度/℃23 輸出電壓/V88 輸出電流/A1.5 輸出功率/W132 中午12:00大氣溫度/℃27 輸出電壓/V105 輸出電流/A1.7 輸出功率/W178.5 下午6:00大氣溫度/℃25 輸出電壓/V90 輸出電流/A1.6 輸出功率/W144 全天發電量 kw·h3.05 五天總發電量 kw·h29.58

2.2 溫差發電公路優點

將溫差發電用于高速公路，利用高速公路的熱量進行發電，如圖3所示，將溫差發電產生的電能儲存到蓄電池中。溫差發電有以下優點：

（1）地面為溫差發電，不受光線強弱影響，可以隨時發電；

（2）路面是否有灰塵，對于溫差發電無任何影響；

（3）本身價格相對于光伏價格較低，如路面發生車禍或其他因素導致路面破壞，不會對溫差發電有太大影響。

圖3 高速公路溫差發電裝置的鋪設

3 結束語

基于溫差發電的公路如能成功實現，對于推廣新能源汽車將作出不可磨滅的貢獻，減少燃油車的使用，進而減少燃油能源的消耗。另一方面利用溫差發電和光伏發電，將公路本身建設成巨大的發電廠，減少了使用煤炭等不可再生能源發電，保護環境，減少二氧化碳的排放。全方位、多層次地促新能源建設的進一步發展。

[1] 吳志東,張宏斌,馮宇琛,等.基于溫差發電的傳感器自供電系統設計[J].實驗室研究與探索,2020,39(11):67-70.

[2] 楊昕驁,王軍,閻鐵生,等.基于改進型短路電流法的溫差發電MPPT方法[J].電源技術,2020,44(11):1634-1637+1670.

[3] 霍蒙,吳舸,袁宏,等.溫差發電技術研究綜述[J].科技與創新,2020 (10):94-95+97.

[4] 徐平,郝劉濤,王士龍,等.溫差發電過程仿真分析[J].河南工程學院學報(自然科學版),2020,32(02):45-48.

Highway Based on Thermal Power Generation

HUANG Shaohan1, ZHANG Jianchen2, AN Minghui1, LIU Haorui2

( 1.School of Energy and Machinery, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023;2.School of Computer and Information Science, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023 )

This paper uses the highway to generate electricity with temperature difference, which saves a lot of fossil energy consumption. Through the combination of thermoelectric power generation technology and photovoltaic power generation technology, the abundant heat and solar energy on the highway can be transformed into continuous electric energy. The electricity generated can be directly supplied to the highway bypass lamp. At high speed, electric energy charges electric cars on the highway through radio magnetic field technology, realizes charging while running, and fills the problem of poor endurance of new energy vehicles.The remaining electricity is supplied to residents and factories.Finally to achieve low-carbon environmental protection, energy saving and emission reduction.

New energy; Thermoelectric power generation; Photovoltaic power generation; Highway; Running while filling; Residents and factories

A

1671-7988(2021)22-200-05

TP393

A

1671-7988(2021)22-200-05

黃少晗，男，就讀于德州學院能源與機械學院交通運輸專業，研究方向：科創研究。

德州市科技發展項目資助（編號：2019dzkj10，2019dzkj11）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.052

CLC NO.:TP393