沥青路面温差发电系统设计分析与试验研究＊

胡甫才 朱顺敏 汪 岸 熊盛光

（高性能船舶技术教育部重点试验室1） 武汉理工大学能源与动力工程学院2） 武汉 430063）

（武汉理工大学国际教育学院3） 武汉 430070）

0 引 言

沥青路面具有噪声小、抗滑性好、车辆磨损小等优点，已被广泛应用于城市道路.但作为直接暴露在自然环境下的建筑结构，黑色的沥青混凝土路面对太阳辐射的吸收能力极强，辐射吸收系数一般在0.8～0.95之间［1-2］.尤其是在夏季高温时节，炎热地区沥青路表温度甚至可达70℃.同时，沥青混凝土导热系数较小，内部积聚的大量热量不易释放，高温持续时间较长.由于沥青粘弹性体的特性，高温对沥青路面的机械性能极为不利，在车辆等外力作用下，高温的沥青混凝土路面易发生粘性变形，引起车辙，波浪推移、粘轮等现象，导致路面损坏，这就会直接影响到路面的使用性能和耐久性.夜晚城市路面内部积蓄的热量又缓慢释放到大气中，引起环境温度的上升，该效应可加剧城市热岛效应［3-4］.因此，路面高温对沥青路面的使用寿命和城市环境都具有负面影响.

本文在现有沥青路面温差发电系统研究基础上［5-6］，对系统的集热方式和发电片的布设进行了优化设计，从而实现系统在降低夏季城市沥青路面高温、缓解城市热岛效应的同时，还能利用沥青路面提供部分市政工程用电，以实现节能减排的良好效果.同时构建出关于该系统的动态仿真模型，以期利用该数学模型对所构建的城市沥青路面温差发电系统进行数学仿真分析，为该系统的实际工程应用提供参考依据.

1 系统设计和工作原理

针对沥青路面集热研究现阶段问题，提出了一种利用导热铝片取代水流管网作为载热体的沥青路面温差发电系统，见图1.其主要包括太阳能集热系统、发电系统和电能储存转换系统3个子系统.其中太阳能集热系统作为整个系统的热源，主要由掺入石墨等导热性填料的集热用沥青混凝土层和导热铝片组成（见图2）；发电系统由多个半导体温差发电片模块组和增强导热的导热硅脂组成；电能储存转换系统包括升压稳压电路、逆变器和蓄电池组等.系统工作原理为：利用掺入石墨等导热性填料的高导热性能太阳能集热用沥青混凝土层收集太阳能，使路面热力学能增加Qg，通过布置在沥青路面下的铝片导热，使铝片热端与地下自来水管道或土壤冷端形成温差ΔT，利用半导体温差发电片，将路面采集的热量转化为直接使用的电能；同时太阳能集热用沥青混凝土层的高导热性能能够降低沥青路面的温度梯度，从而降低夏季高温时路面由于高温度梯度引起的热应力破坏，提高路面使用性能和耐久性并缓解城市热岛效应.

图1 城市沥青路面温差发电系统

图2 太阳能集热系统示意图

2 系统动态仿真模型

根据城市沥青路面温差发电系统的工作原理和传热过程（见图3），构建了系统的动态仿真模型，主要包括沥青路面集热数学模型、导热铝片传热数学模型和半导体温差发电数学模型.

图3 城市沥青路面温差发电系统传热过程简图

2.1 沥青路面集热数学模型

沥青路表与外界的能量交换见图4，由系统能量守恒定律得路表面的能量平衡关系：

式中：Qg为路面热力学能增量，kJ；A为路面面积，m2；qs为太阳直接辐射热流密，kJ／（m2·h）；qtr为辐射引起的热流密度，kJ／（m2·h）；qc为对流引起的热流密度，kJ／（m2·h）.各热流密度的计算分别如下：

式中：αs为沥青混凝土的吸收系数，取αs=0.9；It为沥青路面吸收的太阳直接辐射，W／m2.

式中：αβ为热辐射系数；ta为大气温度，℃；ts为路表温度，℃.

式中：h为对流换热系数.

所以路表面热力学增量：

沥青路面温度场模型采用同济大学秦健、孙立军等采用回归方法提出的沥青路面温度预估模型［7］：

式中：tH为沥青路面结构某一深度的温度，℃；tan为n小时的平均气温，℃；Qn为n小时平均太阳辐射强度，kW／m2；H为深度，cm；a，b，c，d为回归系数.

图4 沥青路表与外界能量交换

2.2 导热铝片传热数学模型

铝片的实际导热过程为非稳态导热过程，但为了近似估算导热量，采用稳态导热问题近似求解，见图5.由傅里叶定律，通过铝片的热流密度为

式中：qAl为导热铝片热流密度；λ为铝片导热系数.

由无内热源、常物性一维温度场的稳态导热微分方程

经连续两次积分再由边界条件

确定导热铝片内温度场分布为

将式（9）代入式（7），最终求得导热铝片的热流密度

式中：δ为铝片厚度.

图5 导热铝片传热数学模型

2.3 半导体温差发电数学模型

半导体温差发电模块是根据塞贝克效应制成的，即把两种半导体的接合端置于高温环境，处于低温环境的另一端就可得到电动势E［8］：

式中：th为温差发电片热端温度，℃；tc为温差发电片冷端温度，℃；αs为塞贝克系数，其单位为V／℃或μV／℃，由材料本身的电子能带结构决定.

3 系统仿真模型试验验证

3.1 试验条件

1）太阳能集热系统 采用导热型沥青混凝土集热试样A，B（见图6）.试样A 长300mm×宽300mm×高80 mm，从上到下各层厚度依次为：乳化沥青混凝土封层10 mm、导热型沥青混凝土层60mm、导热铝片层5mm、隔热层5mm；乳化沥青混凝土封层的配比为（质量比）：集料（粒径2.36～9.50mm）∶SBS改性乳化沥青∶矿粉∶水∶外加剂=100∶10∶1∶8∶0.3；导热型沥青混凝土的比例为：粗集料54%，细集料26%，沥青6.5%，石墨粉9%，碳纤维1%，矿粉3.5%.导热铝片厚度和隔热材料层厚度均为10mm.试样B长300mm×宽300 mm×高70 mm，各层厚度为：乳化沥青混凝土封层10 mm、导热型沥青混凝土层60mm.试样B的各沥青混凝土层配比与试样A 完全一致.

图6 沥青混凝土试样结构示意图

2）热电转换系统 本次试验采用6片温差发电片串联连接，发电片外形尺寸为40 mm×40mm×3.4 mm，共有126 对PN 结，热电转化效率为4.7%，工作温度在-40～120 ℃之间.发电片布设在沥青混凝土试样一侧铝片下方，并在发电片上下两面都涂抹了一定量导热硅脂以增强导热［9］，发电片冷端与散热片相粘合，以增强冷端散热.沥青混凝土试样A，B见图7.

图7 沥青混凝土试样A、B实物图

3）电能储存转换系统 利用BL8532升压稳压芯片，实现系统的升压稳压，电路图见图8.

图8 BL8532升压稳压电路

4）试验装置的主要构成 试验装置主要包括模拟辐射光源、温度传感器、电压表、试验台架以及组装配件.根据国家标准GB／T 2424.14-1995采用钨丝灯作为模拟太阳光的光源［10］.温度传感器采用PT100温度传感器，分别置于1，3，5，7cm 深度处，用于采集沥青混凝土试样不同深度处温度变化情况.

3.2 试验结果

试验环境温度为25 ℃，在模拟光源照射下，A、B试样不同深度处温度变化情况见图9.试验结果表明：

1）不管有无导热铝片，沥青混凝土内部温度变化的规律总体上是一致的.

2）有导热铝片的沥青混凝土试块A 其升温速率要小于无导热铝片的沥青混凝土试块B，尤其是在导热铝片层附近，升温过程中同时刻的温度始终小于无导热铝片的试块B.在钨灯照射100min时，无导热铝片试块B 5cm 深度处的温度较有导热铝片试块A 高出约5 ℃，此位置在实际路面相当于中面层的位置，使用的沥青软化点一般低于50℃，超过此温度对于路面的稳定性是十分危险的.

3）对于无导热铝片试块B，5cm 深度位置的温度在光照50min时即超过50 ℃，而有导热铝片试块A 在光照65min时才达到50 ℃.导热铝片大大降低了路面内部的升温速率和路面的温度梯度，从而减少了由温度梯度引起的热应力破坏，延迟了沥青路面中面层温度到达危险点的时间.

模拟光源照射下A、B试样不同深度处温度变化对比

4）在降温过程中，试样A 内部的降温速度明显要快于试样B，在100 min内的降温速度见表1.由表1可知，同样100min时间内试样A 的降温幅度高出试样B 9 ℃左右.另外沥青混凝土内部不同深度处的温度大概在降温开始60 min左右后趋于一致，最终以同样的速率协同下降.

表1 A，B试样100min内降温幅度对比

由此可见，导热铝片加速了沥青混凝土内的热量转移，通过将沥青混凝土内热量传导至温差发电片，使沥青混凝土在升温过程中，内部温度上升减缓，降温过程中，降温变快，从而减少由温度梯度引起路面的热应力破坏.

3.3 热电转换

导热铝片加速了沥青混凝土内的热量转移，热量由沥青混凝土转移至导热铝片，导致布设于导热铝片下的半导体温差发电片热端温度上升，由于温差发电片的冷端与散热片接触，从而在温差发电片的两侧形成温差，引起电压的产生，随着温差的增大，电压逐渐增大.本次试验采用了6片温差发电片串联，并在元件上下两面都涂抹了一定导热硅脂以增强导热，在试验过程中，产生的电压随温差的变化见图10.

图10 电压随温差的变化关系

半导体温差发电片产生的电压与发电片冷热两端的温差高度线性相关，通过回归分析，其回归方程为

式中：U为开路电压，mV；ΔT为温差发电片冷热两端温差，℃.

该方程的相关系数R2高达0.9989，当温差发电片冷热两端温差达到25℃时，整个系统输出的开路电压达1.1V.

4 结 论

通过建立城市沥青路面温差发电系统动态仿真模型并进行试验验证，论述了此系统的可行性和实用性，取得的主要结论如下.

1）导热铝片埋置于沥青路面中，能够加速沥青混凝土内的热量转移，通过将沥青混凝土内热量转移至温差发电片，使沥青混凝土在升温过程中，内部温度上升减缓，降温过程中，降温变快，从而减少由温度梯度引起沥青路面的热应力破坏，提高路面结构受温度影响的耐久性和使用性能.

2）利用半导体温差发电器件，可对沥青路面热量进行采集，基于塞贝克效应，将路面热能直接转换为电能，作为城市道路照明、红绿灯等市政工程用电的补充.

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