基于溫差的發(fā)電公路研究

黃少晗，張建臣，安明慧，劉豪睿

基于溫差的發(fā)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(xué)院能源與機(jī)械學(xué)院，山東 德州 253023；2.德州學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，山東 德州 253023）

文章利用公路路面于地下存在的溫差進(jìn)行發(fā)電，節(jié)省化石能源的消耗。通過(guò)將溫差發(fā)電與光伏發(fā)電相結(jié)合的技術(shù)將公路上豐富的熱能和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為源源不斷的電能。產(chǎn)生電能可直接為公路旁路燈供電。高速上，電能通過(guò)無(wú)線電磁場(chǎng)技術(shù)為公路上的電動(dòng)轎車(chē)充電，實(shí)現(xiàn)邊跑邊充，彌補(bǔ)新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航能力差的短板，剩余的電能供給居民和工廠使用。最終實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保，節(jié)能減排。

新能源；溫差發(fā)電；光伏發(fā)電；公路；邊跑邊充；居民和工廠

引言

現(xiàn)階段所使用的電能主要是化石燃料，污染大，可持續(xù)發(fā)展前景暗淡。本研究項(xiàng)目旨在利用“公路的溫差”進(jìn)行發(fā)電，緩解東部的用電壓力。近些年，人類(lèi)生產(chǎn)和生活所需電能日益增加，供電壓力與日俱增，而現(xiàn)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(lái)，這不僅污染大、耗能大，而且轉(zhuǎn)換效率低下，可持續(xù)發(fā)展前景暗淡。

中國(guó)公路通車(chē)?yán)锍淌澜绲谝唬?017年末，全國(guó)公路總里程達(dá)到近500萬(wàn)公里，公路路面與公路地下溫差巨大，本項(xiàng)目旨在利用“公路的溫差”進(jìn)行發(fā)電，為解決日益突出的能源問(wèn)題提供全方位建設(shè)方案。

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

在炎炎夏日，瀝青路表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地下溫度，溫差發(fā)電片會(huì)產(chǎn)生較大的溫差電動(dòng)勢(shì)，而在冬天路表溫度則遠(yuǎn)低于地下溫度，溫差發(fā)電片也會(huì)產(chǎn)生較大的溫差電動(dòng)勢(shì)，溫差發(fā)電技術(shù)不受季節(jié)和時(shí)間的限制，彌補(bǔ)了光伏發(fā)電在夜間無(wú)法正常工作的短板，極大地提高太陽(yáng)能的利用率。通過(guò)“溫差發(fā)電技術(shù)與光伏發(fā)電技術(shù)”相結(jié)合的方式將公路上豐富的溫差能和太陽(yáng)能源源不斷地轉(zhuǎn)化為電能，電能通過(guò)無(wú)線發(fā)射電磁場(chǎng)技術(shù)為公路上的電動(dòng)轎車(chē)充電，為電動(dòng)汽車(chē)提供一個(gè)便捷的充電方式，使“邊跑邊充”成為可能，填補(bǔ)新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航能力差、充電時(shí)間長(zhǎng)的短板，并在一定程度上促進(jìn)新能源汽車(chē)的進(jìn)一步發(fā)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(jī)、減輕了溫室效應(yīng)?；跍夭畎l(fā)電的公路給人們節(jié)省了大量的能源，充分合理地利用綠色環(huán)保能源緩解了能源緊迫的問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)了“低碳環(huán)保，節(jié)能減排”[3-4]。

1 遏待發(fā)掘的新能源——溫差能

溫差能作為一種尚未大規(guī)模開(kāi)發(fā)的新能源，相比太陽(yáng)能具有的最大優(yōu)勢(shì)是：發(fā)電穩(wěn)定，受外界影響小，無(wú)論是烈日當(dāng)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(guó)內(nèi)利用溫差能進(jìn)行發(fā)電相關(guān)研究已有很大進(jìn)展，將溫差能進(jìn)行合理利用已有先例，本團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)全國(guó)公路分布密集的東部地區(qū)和中部地區(qū)分別抽取5個(gè)省份，對(duì)全國(guó)公路分布稀疏的西部地區(qū)以及北部地區(qū)分別抽取一個(gè)省份，作為實(shí)驗(yàn)的樣本，分別對(duì)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(jìn)行調(diào)查研究，從理論上說(shuō)明公路存在的溫差進(jìn)行發(fā)電的可行性和實(shí)用性。

表1 各省平均溫度數(shù)據(jù)

省份類(lèi)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(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)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(guó)四季路面與地下溫度差

對(duì)外形尺寸為100 mm×100 mm×4 mm的發(fā)電片置于不同的溫差環(huán)境內(nèi)，研究不同溫差段所產(chǎn)生的電壓和電流從而從理論上證明電動(dòng)汽車(chē)“邊跑邊充”技術(shù)的可實(shí)施性。

表2 不同溫度段產(chǎn)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(fā)電片串聯(lián)為一個(gè)完整的發(fā)電組，一個(gè)完整的發(fā)電組可產(chǎn)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(cè)得數(shù)據(jù)可知，公路所蘊(yùn)含的巨大的溫差可以產(chǎn)生巨大的電量。因此溫差發(fā)電用于新能源汽車(chē)充電具有很大的可行性，而在實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程中發(fā)電板大小還會(huì)根據(jù)公路寬度進(jìn)行擴(kuò)大，隨著面積增大，產(chǎn)生的電壓和電流還會(huì)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(xiàn)實(shí)意義。

為探究實(shí)地環(huán)境下公路的發(fā)電狀況，本實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)于德州市取3.75 m×10 m的公路鋪設(shè)一組溫差發(fā)電裝置（10組3 m×1 m的溫差發(fā)電片組成）作為樣本，在7月下旬取連續(xù)五天的樣本發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄研究。

五天內(nèi)樣本公路段10 m共發(fā)電29.58 kw·h，因此在實(shí)際環(huán)境下利用公路進(jìn)行溫差發(fā)電具有很大的可實(shí)施價(jià)值。

2 溫差發(fā)電公路

2.1 溫差發(fā)電公路原理

溫差發(fā)電公路是將溫差發(fā)電與公路相結(jié)合。溫差發(fā)電顧名思義，利用溫度差發(fā)電；將半導(dǎo)體和鋁板連接，當(dāng)100 mm×100 mm×4 mm尺寸半導(dǎo)體溫度和鋁板溫度相差20 ℃左右時(shí)就可以產(chǎn)生10 V左右電動(dòng)勢(shì)，如果溫度差增大，電動(dòng)勢(shì)也將繼續(xù)增大；當(dāng)半導(dǎo)體和鋁板不同溫度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空穴，俗稱(chēng)電子定向移動(dòng)。如圖2所示，光線照射形成空穴，進(jìn)而形成電子移動(dòng)。

圖2 溫差發(fā)電的原理

導(dǎo)熱鋁片埋置于瀝青路下方，表面形成氧化鋁的鋁片性質(zhì)穩(wěn)定，不容易被腐蝕，能夠加速瀝青混凝土內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移。通過(guò)將瀝青和混凝土內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移至溫差發(fā)裝置，達(dá)到發(fā)電的目的。

實(shí)驗(yàn)室中為了降低鋁板的溫度，用無(wú)水酒精將鋁板表面以及與其接觸的實(shí)驗(yàn)出擦干凈，再在接觸面上均勻地涂抹一層薄導(dǎo)熱硅脂層。利用絕熱橡膠墊使發(fā)電裝置周?chē)睾凸潭òl(fā)電組件，每?jī)蓧K發(fā)電模塊之間留有大約50 mm的間隙，便于發(fā)電模塊引出線的連接。采用10片溫差發(fā)電片串聯(lián)連接，發(fā)電片外形尺寸為100 mm×100 mm×4mm，共有約400對(duì)PN結(jié)，單級(jí)半導(dǎo)體材料為銻化鉍，最高使用溫度為250 ℃。半導(dǎo)體發(fā)電片布設(shè)在瀝青下方，混凝土試樣一側(cè)鋁片下方，并在發(fā)電片上下兩面都涂抹了一定量導(dǎo)熱硅脂以增強(qiáng)導(dǎo)熱，發(fā)電片冷端與散熱片相粘合，以增強(qiáng)冷端散熱。

表3 樣本公路段發(fā)電數(shù)據(jù)

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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電量 kw·h3.05 五天總發(fā)電量 kw·h29.58

2.2 溫差發(fā)電公路優(yōu)點(diǎn)

將溫差發(fā)電用于高速公路，利用高速公路的熱量進(jìn)行發(fā)電，如圖3所示，將溫差發(fā)電產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存到蓄電池中。溫差發(fā)電有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）地面為溫差發(fā)電，不受光線強(qiáng)弱影響，可以隨時(shí)發(fā)電；

（2）路面是否有灰塵，對(duì)于溫差發(fā)電無(wú)任何影響；

（3）本身價(jià)格相對(duì)于光伏價(jià)格較低，如路面發(fā)生車(chē)禍或其他因素導(dǎo)致路面破壞，不會(huì)對(duì)溫差發(fā)電有太大影響。

圖3 高速公路溫差發(fā)電裝置的鋪設(shè)

3 結(jié)束語(yǔ)

基于溫差發(fā)電的公路如能成功實(shí)現(xiàn)，對(duì)于推廣新能源汽車(chē)將作出不可磨滅的貢獻(xiàn)，減少燃油車(chē)的使用，進(jìn)而減少燃油能源的消耗。另一方面利用溫差發(fā)電和光伏發(fā)電，將公路本身建設(shè)成巨大的發(fā)電廠，減少了使用煤炭等不可再生能源發(fā)電，保護(hù)環(huán)境，減少二氧化碳的排放。全方位、多層次地促新能源建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1] 吳志東,張宏斌,馮宇琛,等.基于溫差發(fā)電的傳感器自供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)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(jìn)型短路電流法的溫差發(fā)電MPPT方法[J].電源技術(shù),2020,44(11):1634-1637+1670.

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

[4] 徐平,郝劉濤,王士龍,等.溫差發(fā)電過(guò)程仿真分析[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(xué)院能源與機(jī)械學(xué)院交通運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)，研究方向：科創(chuàng)研究。

德州市科技發(fā)展項(xiàng)目資助（編號(hào)：2019dzkj10，2019dzkj11）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.052

CLC NO.:TP393