基于温差的发电公路研究

黄少晗，张建臣，安明慧，刘豪睿

基于温差的发电公路研究

黄少晗1，张建臣2，安明慧1，刘豪睿2

（1.德州学院能源与机械学院，山东 德州 253023；2.德州学院计算机与信息学院，山东 德州 253023）

文章利用公路路面于地下存在的温差进行发电，节省化石能源的消耗。通过将温差发电与光伏发电相结合的技术将公路上丰富的热能和太阳能转化为源源不断的电能。产生电能可直接为公路旁路灯供电。高速上，电能通过无线电磁场技术为公路上的电动轿车充电，实现边跑边充，弥补新能源汽车续航能力差的短板，剩余的电能供给居民和工厂使用。最终实现低碳环保，节能减排。

新能源；温差发电；光伏发电；公路；边跑边充；居民和工厂

引言

现阶段所使用的电能主要是化石燃料，污染大，可持续发展前景暗淡。本研究项目旨在利用“公路的温差”进行发电，缓解东部的用电压力。近些年，人类生产和生活所需电能日益增加，供电压力与日俱增，而现阶段我们所使用的电能主要是靠燃烧化石燃料等不可再生能源而来，这不仅污染大、耗能大，而且转换效率低下，可持续发展前景暗淡。

中国公路通车里程世界第一，2017年末，全国公路总里程达到近500万公里，公路路面与公路地下温差巨大，本项目旨在利用“公路的温差”进行发电，为解决日益突出的能源问题提供全方位建设方案。

而温差能和太阳能是一种绿色、清洁、储量丰富且随处可见的能源，利用温差发电技术和太阳能光伏发电技术可以源源不断的将温差能和太阳能能转化为电能，从而缓解目前的供电压力并减轻当前的温室效应。而且将温差发电技术和太阳能光伏发电技术相结合可以极大幅度的提高太阳能转化为电能的效率。与此同时，随着交通的发展，宽敞的公路随处可见，而公路上方的太阳能与公路下方的温差能作为一种储量极为丰富的绿色环保资源使得广阔的公路变成了一个潜在的巨型发电厂[1-2]。

在炎炎夏日，沥青路表面温度远远高于地下温度，温差发电片会产生较大的温差电动势，而在冬天路表温度则远低于地下温度，温差发电片也会产生较大的温差电动势，温差发电技术不受季节和时间的限制，弥补了光伏发电在夜间无法正常工作的短板，极大地提高太阳能的利用率。通过“温差发电技术与光伏发电技术”相结合的方式将公路上丰富的温差能和太阳能源源不断地转化为电能，电能通过无线发射电磁场技术为公路上的电动轿车充电，为电动汽车提供一个便捷的充电方式，使“边跑边充”成为可能，填补新能源汽车续航能力差、充电时间长的短板，并在一定程度上促进新能源汽车的进一步发展与推广。大大减少了化石燃料的消耗，缓解了化石能源面临枯竭的危机、减轻了温室效应。基于温差发电的公路给人们节省了大量的能源，充分合理地利用绿色环保能源缓解了能源紧迫的问题，真正实现了“低碳环保，节能减排”[3-4]。

1 遏待发掘的新能源——温差能

温差能作为一种尚未大规模开发的新能源，相比太阳能具有的最大优势是：发电稳定，受外界影响小，无论是烈日当头还是阴雨绵绵都能正常工作，为我们提供源源不断的电能。

目前国内利用温差能进行发电相关研究已有很大进展，将温差能进行合理利用已有先例，本团队通过对全国公路分布密集的东部地区和中部地区分别抽取5个省份，对全国公路分布稀疏的西部地区以及北部地区分别抽取一个省份，作为实验的样本，分别对各省份的平均大气温度、平均路面温度、平均路面下1 m温度以及路面与路面下1 m温度存在的温差进行调查研究，从理论上说明公路存在的温差进行发电的可行性和实用性。

表1 各省平均温度数据

省份类别/℃月份 123456789101112 山东省大气温度13111324283028231792 路面温度361821334346483526176 地下温度91213151818201917141211 温差665615252629181255 江苏省大气温度461218232631302519126 路面温度6819263241475042282013 地下温度11141417192021222115108 温差5659132126282113105 浙江省大气温度681219242731312620148 路面温度81022283643484940302314 地下温度13161618202123222018129 温差56610162225272012115 福建省大气温度131316222529313129242014 路面温度161724313546495042342919 地下温度101112182021222420181412 温差661213152524262216157 辽宁省大气温度−12−72121924262519111−8 路面温度−10−412212735424531229−4 地下温度−517911141820131041 温差5551216212425181255 陕西省大气温度15121823283028231793 路面温度492030334447463427188 地下温度91415161518201713121211 温差5551418262729211563 山西省大气温度−3−18142024262519135−2 路面温度−111522304043432923140 地下温度4610121416181715985 温差5551016242526141465 湖北省大气温度571219242731302519126 路面温度101421283443484836292111 地下温度68810151721191715128 温差46131819262729191493 湖南省大气温度791420252832312721149 路面温度131624293745504938312316 地下温度81010131517181917151210 温差561416222832302116116 广东省大气温度151620212428313129262216 路面温度202428303446504943363124 地下温度121314161720212119181614 温差81114141726292824181510 黑龙江省大气温度−20−14−3917232523177−5−16 路面温度−17−101172638414335161−12 地下温度−10−357111315141296−6 温差574101525262923756 新疆大气温度−17−10213192426241810−1−9 路面温度−13−58222942433630249−3 地下温度−415812141715141240 温差9631417282621161253

对样本数据进行处理，得各省四季公路表面与公路下1 m处温度差的均值，如下图1所示：

图1 全国四季路面与地下温度差

对外形尺寸为100 mm×100 mm×4 mm的发电片置于不同的温差环境内，研究不同温差段所产生的电压和电流从而从理论上证明电动汽车“边跑边充”技术的可实施性。

表2 不同温度段产生的电压及电流

5～10 ℃10～15 ℃15～20 ℃20～25 ℃25～30 ℃ 电压/V5681012 电流/A1.61.71.81.92.0

将10组发电片串联为一个完整的发电组，一个完整的发电组可产生50～120 V左右的电压，1.6～2.0 A左右的电流，80～240 W左右的功率。由测得数据可知，公路所蕴含的巨大的温差可以产生巨大的电量。因此温差发电用于新能源汽车充电具有很大的可行性，而在实际铺设过程中发电板大小还会根据公路宽度进行扩大，随着面积增大，产生的电压和电流还会增大，充分利用公路存在的庞大的温差能具有极其重要的现实意义。

为探究实地环境下公路的发电状况，本实验团队于德州市取3.75 m×10 m的公路铺设一组温差发电装置（10组3 m×1 m的温差发电片组成）作为样本，在7月下旬取连续五天的样本发电数据进行记录研究。

五天内样本公路段10 m共发电29.58 kw·h，因此在实际环境下利用公路进行温差发电具有很大的可实施价值。

2 温差发电公路

2.1 温差发电公路原理

温差发电公路是将温差发电与公路相结合。温差发电顾名思义，利用温度差发电；将半导体和铝板连接，当100 mm×100 mm×4 mm尺寸半导体温度和铝板温度相差20 ℃左右时就可以产生10 V左右电动势，如果温度差增大，电动势也将继续增大；当半导体和铝板不同温度时，会产生空穴，俗称电子定向移动。如图2所示，光线照射形成空穴，进而形成电子移动。

图2 温差发电的原理

导热铝片埋置于沥青路下方，表面形成氧化铝的铝片性质稳定，不容易被腐蚀，能够加速沥青混凝土内的热量转移。通过将沥青和混凝土内热量转移至温差发装置，达到发电的目的。

实验室中为了降低铝板的温度，用无水酒精将铝板表面以及与其接触的实验出擦干净，再在接触面上均匀地涂抹一层薄导热硅脂层。利用绝热橡胶垫使发电装置周围保温和固定发电组件，每两块发电模块之间留有大约50 mm的间隙，便于发电模块引出线的连接。采用10片温差发电片串联连接，发电片外形尺寸为100 mm×100 mm×4mm，共有约400对PN结，单级半导体材料为锑化铋，最高使用温度为250 ℃。半导体发电片布设在沥青下方，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，发电片冷端与散热片相粘合，以增强冷端散热。

表3 样本公路段发电数据

第一天天气状况晴 凌晨6:00大气温度/℃24 输出电压/V111 输出电流/A1.7 输出功率/W188.7 中午12:00大气温度/℃30 输出电压/V230 输出电流/A2.0 输出功率/W460 下午6:00大气温度/℃28 输出电压/V192 输出电流/A1.9 输出功率/W364.8 全天发电量 kw·h7.24 第二天天气状况晴 凌晨6:00大气温度/℃25 输出电压/V119 输出电流/A1.7 输出功率/W202.3 中午12:00大气温度/℃32 输出电压/V235 输出电流/A2.0 输出功率/W470 下午6:00大气温度/℃29 输出电压/V196 输出电流/A1.9 输出功率/W372.4 全天发电量 kw·h7.49 第三天天气状况晴 凌晨6:00大气温度/℃25 输出电压/V118 输出电流/A1.7 输出功率/W200.6 中午12:00大气温度/℃32 输出电压/V237 输出电流/A2.0 输出功率/W474 下午6:00大气温度/℃28 输出电压/V198 输出电流/A1.9 输出功率/W376.2 全天发电量 kw·h7.53 第四天天气状况多云 凌晨6:00大气温度/℃25 输出电压/V107 输出电流/A1.6 输出功率/W171.2 中午12:00大气温度/℃29 输出电压/V145 输出电流/A1.8 输出功率/W261 下午6:00大气温度/℃27 输出电压/V109 输出电流/A1.7 输出功率/W185.3 全天发电量 kw·h4.27 第五天天气状况小雨 凌晨6:00大气温度/℃23 输出电压/V88 输出电流/A1.5 输出功率/W132 中午12:00大气温度/℃27 输出电压/V105 输出电流/A1.7 输出功率/W178.5 下午6:00大气温度/℃25 输出电压/V90 输出电流/A1.6 输出功率/W144 全天发电量 kw·h3.05 五天总发电量 kw·h29.58

2.2 温差发电公路优点

将温差发电用于高速公路，利用高速公路的热量进行发电，如图3所示，将温差发电产生的电能储存到蓄电池中。温差发电有以下优点：

（1）地面为温差发电，不受光线强弱影响，可以随时发电；

（2）路面是否有灰尘，对于温差发电无任何影响；

（3）本身价格相对于光伏价格较低，如路面发生车祸或其他因素导致路面破坏，不会对温差发电有太大影响。

图3 高速公路温差发电装置的铺设

3 结束语

基于温差发电的公路如能成功实现，对于推广新能源汽车将作出不可磨灭的贡献，减少燃油车的使用，进而减少燃油能源的消耗。另一方面利用温差发电和光伏发电，将公路本身建设成巨大的发电厂，减少了使用煤炭等不可再生能源发电，保护环境，减少二氧化碳的排放。全方位、多层次地促新能源建设的进一步发展。

[1] 吴志东,张宏斌,冯宇琛,等.基于温差发电的传感器自供电系统设计[J].实验室研究与探索,2020,39(11):67-70.

[2] 杨昕骜,王军,阎铁生,等.基于改进型短路电流法的温差发电MPPT方法[J].电源技术,2020,44(11):1634-1637+1670.

[3] 霍蒙,吴舸,袁宏,等.温差发电技术研究综述[J].科技与创新,2020 (10):94-95+97.

[4] 徐平,郝刘涛,王士龙,等.温差发电过程仿真分析[J].河南工程学院学报(自然科学版),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

黄少晗，男，就读于德州学院能源与机械学院交通运输专业，研究方向：科创研究。

德州市科技发展项目资助（编号：2019dzkj10，2019dzkj11）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.052

CLC NO.:TP393