能量收集技術在道路中的不同應用

楊宏濤，余志華

(1.云南交投集團云嶺建設有限公司，昆明 650224；2.國家林業和草原局昆明勘察設計院，昆明 650224)

1 引言

尋找可再生的綠色能源是在可持續發展方面面臨的嚴峻挑戰之一。目前，用于發電的最常見的能源資源包括石油、煤炭、水力、天然氣和核能。能量收集是一種可以產生可再生和清潔能源并提高基礎設施的可持續性技術。能量收集技術捕獲未使用和浪費的能量并將其轉換為可用的能量形式。道路是主要的民用基礎設施之一。傳統上，道路被視為承載交通負荷的結構平臺。道路表面的車輛負載和直接的太陽光照射會引起機械路面層中的振動和熱梯度。機械能可以通過磁場(對于電磁材料而言）或應變場(對于壓電材料而言）轉化為電能。太陽能可以通過光伏電池、熱通量或熱電場得到利用。因此，道路上浪費的能源可以被收獲并轉化為具有不同應用的可用能源。

能量收集系統通常由能量發生器、電路和存儲裝置3 個主要部件組成。電能是從環境中的其他能量轉換得到，電路用于提高和調節產生的電壓，收集的能量可以存儲在可充電電池或超級電容器中。由于每種能量收集技術的原理不同，能量輸出量變化很大。一方面，大量的能量可以直接用于電力和電網；另一方面，可以使用相對少量的能量用于加熱路面或橋面以防結冰、照明或為交通設備供電。

本研究的目的是回顧不同的能量收集技術 (太陽能、地熱、熱電和壓電）在道路中的應用，研究各能量收集技術的工作原理和現有研究成果，并對提到的幾種能量收集技術進行展望。

2 太陽能的利用

光伏電池是將太陽能轉換為電能的裝置。太陽能電池由P型半導體和N 型半導體組成。當太陽光照射到光伏電池中的半導體材料時，自由電子被迫沿某個方向流動。帶負電的電子向N 型半導體移動；而帶正電的電子則向P 型半導體移動。光伏電池的工作原理如圖1所示。當光伏電池與負載相連接時，電子的定向移動會產生電流。

多個學者調研了光伏電池在公路上收集太陽能的應用[1]。KangWon[2]等人調研了在公路上利用光伏技術收集太陽能的可行性，指出薄膜光伏電池在道路上應用存在局限性，這是因為在各種不同的交通負荷和天氣條件下很難保持光伏電池的耐久性。所以，需要設計具有適當的表面特性的新型薄膜太陽能電池應用到道路表面。光伏電池在美國的第一次路面應用是2009年聯邦公路管理 (FHWA）資助的太陽能停車場。2014年，SolarRoad 公司用太陽能電池板建造了一條100 m 的自行車道，頂層為1 cm 厚的鋼化玻璃。自行車道一年產生350 kW·h 的電量。SolarRoad 公司表示平面角的太陽能面板只能產生傳統屋頂光伏板中1/3 的電力[3]。2015年，Colas 公司與法國國家太陽能研究所合作開發了一種新的名為Wattway的光伏路面，并稱能達到工業應用的水平。據報道，他們開發的太陽能電池具有抗防滑特性，因此，在未來可用于所有類型的基礎道路設施[4]。

盡管光伏路面比常規路面更加環保，但由于其高成本和在需要多變天氣和交通條件下的耐用性特性，需要繼續開展相關的研究和工作，使其盡早能夠在日常生活中得到普及和應用。

3 熱電能的利用

熱電發電機從周圍環境的熱能變化中獲取能量。熱電發電機可以基于熱電原理利用路面面層之間的溫度差異發電。熱能直接轉化為電能使得熱電發電是高效的且有前途的能量收集技術之一。由T.J.Seebeck 在1821年發現的塞貝克效應已廣泛應用于大多數熱電發電技術中。塞貝克效應定義為當在一個熱電產生裝置的兩端有溫度梯度時會產生電場。導體中溫度梯度和電流的產生是可逆的。如圖2所示，熱電模塊通常由兩個平行的N 型和P 型半導體組成，并且每側都有熱源和散熱器，根據塞貝克效應，在優化熱電發電機的轉換效率時，高的塞貝克系數、低的導熱系數和低電阻率是需要的。低的熱導率和電阻率減少熱傳導和焦耳耗散引起的能量損失。熱電半導體通常用于克服各向同性金屬的局限性，其改進受限于Wiedemann-Franz 定律。該技術的主要缺點是效率低，但使用新型材料用于熱電發動機可以提高效率[5]。

Wu G[6]等人開發了熱電能量收集系統，用于路面監測傳感器中的供電。不同于以往的管道系統，他們構筑的系統包括與鋁板相連的商用熱電模塊以及兩端的桿在路面和路基土之間傳遞熱量。并使用LED 光進行了實驗室實驗，用于模擬熱電模塊中溫度梯度為20 K 的傳感器負載。結果表明，輸出功率約為0.05 mW，整體系統效率為2.05%。之后，他們使用計算模擬來研究用于系統優化的路面熱電發電。這個系統估計每天可提供0.02 W 和1000 J，這足以在進行路面監控的傳感器設備中應用。

4 地熱能的利用

地熱能是來自地球內部深處的熱能，即地球上自然儲存的能量。地熱熱泵和地下熱能儲存在地熱能應用中發揮重要作用。地熱熱泵是一種傳熱裝置，當接收相對低的地熱能輸入時，可以提高流體的熱量輸出。熱泵最常見的基本原理是使用壓縮機進行蒸汽壓縮； 氣體在沒有損失的情況下被壓縮時溫度會升高。對于地下熱能儲存而言，關鍵是最大限度地減少受儲存時間、溫度影響的能量損失，以及存儲介質的體積和熱性能。地熱水或蒸汽自1948年以來已被用作融化雪的熱源。第一個融雪系統建于俄勒岡州的克拉馬斯福爾斯，由含有內部循環的50%乙二醇-酯溶液的鐵管道系統組成。然而，經過近50年的運行，外部腐蝕和嚴重泄漏導致系統錯誤。如今，融雪系統的金屬管已被塑料管代替，防止腐蝕。Griffin[7]對包括太陽能和地熱能在內的不同熱源的橋梁除冰系統進行了研究。2005年的相關研究表明，用深層地下水的采暖費用是37 美元/ft2(398.3 美元/m2）；而用太陽能集熱器取暖的成本是26 美元/ft2(280 美元/m2）[8]。但是，由于通貨膨脹、貼現率以及改進的技術，主要成本可能會發生變化[9]。

5 壓電能的利用

在受到機械應力或改變幾何尺寸時，壓電材料產生電荷，從而形成電場。壓電收集能量的工作原理如圖3所示。壓電材料產生的電壓隨著時間產生變化，因此，會產生交流電信號，這是正壓電效應和逆壓電效應引起的。壓電材料可分為以下幾類：單晶材料(如石英）、壓電陶瓷(如鋯鈦酸鉛)、壓電半導體(如氧化鋅)、聚合物(如聚偏二氟乙烯）、壓電復合材料和玻璃陶瓷(如Li2Si2O5和Ba2TiSiO6）。雖然壓電材料有不同的壓電和機械性能，最常見的是聚合物和陶瓷。聚合物材料柔軟而有彈性，而陶瓷是剛性的。高分子材料由于介電質和壓電特性的不同，產生的壓電能量比陶瓷低[10]。

有兩種方法可以增加電能的產量。一種方法是增加施加的壓力或應變。另一種方法是更有效地使用耦合模式。體系中存在兩種可能的耦合模式，d31模式和d33模式，這取決于壓電材料的極化方向和施加力的方向。當材料受到垂直于極化方向的力時定義為d31模式，而當材料受到與極化方向相同的力時定義為d33模式。對于大多數的壓電材料而言，d33模式能提供更大的機電耦合，從而實現更高的能量轉化效率[11]。

6 總結和未來研究建議

1）雖然在能量輸出量方面光伏系統是最強大的，但應用到道路時仍存在挑戰，需要考慮車輛操作和道路的防滑性。此外，目前光伏系統的建造成本太高，難以達到有效的應用，盡管這種方法的收益不容忽視。

2）地熱能收集被認為處于開發過程中的高級階段，但在地質和地理方面是受限的。從安全和經濟方面考慮，在一些關鍵區域，如機場停機坪、橋梁、坡路段和人行道中利用地熱能管道系統會更有利。

3）雖然熱電能的能量輸出相對較低而且成本高，但隨著系統效率的提高，未來可以從結構設計和材料性能方面入手去進行優化，是很有希望應用到路面能量收集中的。

4）由壓電材料制成的不同能量收集器，是基于壓力或基于振動進行能量收集的，可應用到道路和橋梁的傳感器中。在一輛車通行的情況下，單個壓電換能器輸出的能量通常很小。為了產生更大的能量，需要重復交通負載下的多個傳感器陣列。

能量收集系統的生命周期成本，包括初始安裝、維護和維修以及運行期間的成本，應當考慮用來分析不同能量收集技術的成本效益。此外，將來的研究需要評估能量收集系統在其使用過程中對環境的影響。