沥青混凝土路面发电降温系统室内试验研究

李锐铎，朱存贞，孙振阳，李小江

(河南城建学院交通运输工程学院，河南平顶山467036)

近年来，我国公路交通发展迅速，截止2013年底，全国高速公路总里程已经超过10万公里。由于沥青混凝土路面具有较好的路用性能和行车舒适性而被广泛采用。黑色沥青路面对太阳能的吸收系数可达到0.9，在夏季高温地区路表温度可达到60℃ ～70℃，而沥青混凝土导热系数较小，在内部积聚的热量会维持较长时间。高温路面不仅影响行车安全，还会加剧车辙等病害的发生，降低路面的使用寿命［1-2］。

在利用沥青混凝土路面夏季热能方面国内外学者进行了相关研究。荷兰学者通过在路面下铺设管道的方式收集夏季路面热能供冬季取暖［2］;日本北海道研究生院最早将发电元件用于河流旁的路面发电降温系统［3］;武汉理工陈明宇对沥青混凝土路面太阳能集热性能进行研究［2］;长安大学张驰、山东大学姚占勇和福建省交通科学技术研究所王家主等对热电转换型沥青路面的设计和应用做了相关研究［4-7］。这些研究成果都推进了沥青混凝土路面发电降温的研究与发展，但存在路面下铺设通水管道会对路面结构产生二次破坏隐患和水循环系统的运行需要消耗电能等缺陷，并缺少相应的试验结果做支撑。本文研究的热电转换装置利用车流形成的风通过强制风冷装置对发电系统降温，并设计了一套钢支撑和隔热装置保证了强度和路面温差。该系统能够将沥青路面高温热能转化为电能，并在一定程度上降低路面内部温度，增加路面的使用寿命，具有一定的社会效益和经济效益。

1 实验室模拟自然光

1.1 不同距离对模拟光照环境温度的影响

由于碘钨灯的光谱能量分布与太阳光更接近，采用1个1 000 w的碘钨灯模拟自然光照。在碘钨灯正下方1 m长的距离每250 mm布置一个热电偶，使热电偶在碘钨灯下等距纵向排列在一条直线上。可测得距光源不同距离处的环境温度与光照时间关系如图1所示。

由图1可知:在短时间内灯下的环境温度会达到一个趋于稳定的值。随着距离的增大，环境温度越来越小，等间距下的温差越来越小。由于夏季环境温度在30℃ ～40℃之间，此温度范围应该在光源下250～500 mm之间。通过进一步缩短温度测点布置间距，在250～500 mm范围内每隔50 mm布置一个测点，测得不同距离处温度与时间关系如图2所示。

图1 250 mm间距温度与光照时间关系

图2 50 mm间距温度与光照时间关系

由图2可知:距离碘钨灯下300 mm处的环境温度稳定在35℃左右，与夏季高温环境温度基本相近。在试验开始2 min内，由于碘钨灯下部空气被骤然加热，并且室内空气流动相对较慢，测点环境温度增幅较大，随着时间的延长，测点的环境温度逐渐趋于稳定。结果表明:当用1个1000w的碘钨灯模拟自然光照时，将模拟路面放在距离光源下300 mm处与夏季高温下沥青路面所处环境温度相近。

1.2 实验室模拟光照下沥青路面温度场

在马歇尔试件中每20 mm高度预埋一根等长度的钢钉，脱模后拔出钢钉，将试件放于碘钨灯下300 mm处，并在每个预留孔中插入热电偶，每个热电偶插入长度相同，热电偶测点布置如图3所示。试验开始时碘钨灯打开，22 min后关闭碘钨灯，测得不同厚度处光照和无光照下的温度分布如图4所示。

图3 热电偶测点布置图

图4 不同厚度处的温度分布

由图4可知:在同一时刻，厚度越大温度越低;在整个过程中温度上升速率较快，下降速率较慢，由于下部温度上升来自上部热量传导，所以下部温度上升或下降滞后于上部;将马歇尔试件放在碘钨灯下25 min左右，20 mm厚度处温度可达到60℃ ～70℃，与夏季高温下路面温度接近;当碘钨灯加热40 min后关闭碘钨灯，20 mm厚处温度急剧下降，厚度越大处温度开始下降时间越滞后，这说明没有光照条件下靠近路表能量，一部分散失在空气中，一部分继续向下传导。

在夏季高温实际环境中，路表与大气相接，由于路面温度高于大气温度，会在路表与大气接触面上形成热传导，并且路表有空气对流存在，所以路表温度会低于路表以下一定厚度层面上的温度［8-11］。结合室内模拟实验和行车安全以及对路面结构层的影响，选取合理厚度2～3cm处为发电系统最佳埋设深度。

2 发电系统的优化设计

2.1 原件的选取

热电模块的性能直接关系到沥青路面热能温差发电的效率，目前多采用半导体材料制备发电元件［12-14］。本文选取低温下较为常用的由Bi2Te3半导体制备的SP1848-27145型发电元件进行测试。

2.2 电路设计与优化

对多种可能的实验电路铺上模拟沥青路面进行电路模拟试验，最终选取叠2串4并3的电路连接方式，当在碘钨灯下照射20 min左右，埋在模拟沥青路面下2 cm处的导热板上表面温度可达到60℃，电路输出功率趋于稳定能够使外加荷载稳定工作。最终电路优化设计如图5、图6所示。

图5 电路设计效果图

图6 实际电路连接图

2.3 路面温差发电装置基本结构设计

路面温差发电系统由六部分组成，如图7所示，分别为导热模块、温差发电模块、散热模块、结构支撑模块、隔热箱体和电能引出与应用模块。其中框架部分材料为支撑钢架，底部及四周面板为耐高温的隔热材料，采用纯铝制散热片散热，并预留通风孔，连接强制风冷的散热系统。

2.4 结构优化设计结果

采用叠2串4并3设计电路，光照16 min左右灯亮，测试结果如图8、图9所示。由图8和图9可知:随着时间的增加，导热板上表面的温度和系统外电压均增加，并在初始阶段温度与外电压呈线性关系，在光照20 min以后发电系统产生电压趋于稳定。

图7 发电系统组成结构

图8 导热板上表面温度、开路电压、时间关系

图9 初始阶段电压与温度关系

3 路面降温性能测试

通过控制发电系统电路的通断，比较了同一环境两种不同状态下路面下2 cm处温度变化情况，测试结果如图10所示。

在光照23 min时将碘钨灯光源关闭，由图10看出:在光照10 min后的过程中通路状态模拟沥青路面温度均低于开路状态模拟沥青路面温度，降温幅度逐渐趋于稳定，表明该装置对沥青路面有一定的降温效果。

4 经济效益分析

路面温差发电装置制作完成后，其发电效果如图11所示，为了有效地管理和利用其输出的电能，需要设计电能管理系统，本文设计的电能管理系统由路面温差发电装置、充放电控制器、蓄电池、逆变器组成，其原理如图12所示。

图10 开路与通路状态2cm路面板下温度

图11 发电效果演示

图12 电能管理系统原理图

经过系统优化和合理的电路铺设设计，夏季高温路面产生的电能可经充放电控制器对蓄电池进行充电供路面基础设施用电，或经逆变器将直流变交流，带动交流负载。

该系统能够将沥青路面高温热能转化为电能，并在一定程度上降低路面内部温度，增加路面的使用寿命，具有一定的社会效益和经济效益。

5 结语

利用碘钨灯模拟自然光照，对碘钨灯光照下沥青混凝土内部的温度场进行了测试分析。基于塞贝克效应，研制了一种埋设在沥青路面下利用夏季路面高温发电的发电系统。得出以下主要结论:

(1)利用碘钨灯模拟自然光照，研究了碘钨灯不同距离处的环境温度，测试结果表明在距离碘钨灯0.3 m处环境温度为35℃，能够较为真实的模拟夏季环境温度。

(2)对碘钨灯光照下沥青混凝土内部的温度场进行了测试，测试结果表明，发电系统的最佳埋设厚度在距离路表下2～3 cm处。

(3)基于塞贝克温差发电原理利用夏季沥青路面高温热能研制一套无污染、无噪音的发电系统，实现了路面热能到电能的转化，为公路照明等提供了补充能源。

(4)该系统能够吸收夏季路面的部分热量，降低路面内部温度，延长道路使用寿命，具有一定的社会效益和经济效益。

［1］ 白伟.沥青路面传热性能的试验分析研究［D］.西安:长安大学，2012.

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