能量收集技術(shù)在道路中的不同應(yīng)用

楊宏濤，余志華

(1.云南交投集團(tuán)云嶺建設(shè)有限公司，昆明 650224；2.國(guó)家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計(jì)院，昆明 650224)

1 引言

尋找可再生的綠色能源是在可持續(xù)發(fā)展方面面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。目前，用于發(fā)電的最常見(jiàn)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(chǎn)生可再生和清潔能源并提高基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)性技術(shù)。能量收集技術(shù)捕獲未使用和浪費(fèi)的能量并將其轉(zhuǎn)換為可用的能量形式。道路是主要的民用基礎(chǔ)設(shè)施之一。傳統(tǒng)上，道路被視為承載交通負(fù)荷的結(jié)構(gòu)平臺(tái)。道路表面的車(chē)輛負(fù)載和直接的太陽(yáng)光照射會(huì)引起機(jī)械路面層中的振動(dòng)和熱梯度。機(jī)械能可以通過(guò)磁場(chǎng)(對(duì)于電磁材料而言）或應(yīng)變場(chǎng)(對(duì)于壓電材料而言）轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能可以通過(guò)光伏電池、熱通量或熱電場(chǎng)得到利用。因此，道路上浪費(fèi)的能源可以被收獲并轉(zhuǎn)化為具有不同應(yīng)用的可用能源。

能量收集系統(tǒng)通常由能量發(fā)生器、電路和存儲(chǔ)裝置3 個(gè)主要部件組成。電能是從環(huán)境中的其他能量轉(zhuǎn)換得到，電路用于提高和調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電壓，收集的能量可以存儲(chǔ)在可充電電池或超級(jí)電容器中。由于每種能量收集技術(shù)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(wǎng)；另一方面，可以使用相對(duì)少量的能量用于加熱路面或橋面以防結(jié)冰、照明或?yàn)榻煌ㄔO(shè)備供電。

本研究的目的是回顧不同的能量收集技術(shù) (太陽(yáng)能、地?zé)帷犭姾蛪弘姡┰诘缆分械膽?yīng)用，研究各能量收集技術(shù)的工作原理和現(xiàn)有研究成果，并對(duì)提到的幾種能量收集技術(shù)進(jìn)行展望。

2 太陽(yáng)能的利用

光伏電池是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。太陽(yáng)能電池由P型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體組成。當(dāng)太陽(yáng)光照射到光伏電池中的半導(dǎo)體材料時(shí)，自由電子被迫沿某個(gè)方向流動(dòng)。帶負(fù)電的電子向N 型半導(dǎo)體移動(dòng)；而帶正電的電子則向P 型半導(dǎo)體移動(dòng)。光伏電池的工作原理如圖1所示。當(dāng)光伏電池與負(fù)載相連接時(shí)，電子的定向移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電流。

多個(gè)學(xué)者調(diào)研了光伏電池在公路上收集太陽(yáng)能的應(yīng)用[1]。KangWon[2]等人調(diào)研了在公路上利用光伏技術(shù)收集太陽(yáng)能的可行性，指出薄膜光伏電池在道路上應(yīng)用存在局限性，這是因?yàn)樵诟鞣N不同的交通負(fù)荷和天氣條件下很難保持光伏電池的耐久性。所以，需要設(shè)計(jì)具有適當(dāng)?shù)谋砻嫣匦缘男滦捅∧ぬ?yáng)能電池應(yīng)用到道路表面。光伏電池在美國(guó)的第一次路面應(yīng)用是2009年聯(lián)邦公路管理 (FHWA）資助的太陽(yáng)能停車(chē)場(chǎng)。2014年，SolarRoad 公司用太陽(yáng)能電池板建造了一條100 m 的自行車(chē)道，頂層為1 cm 厚的鋼化玻璃。自行車(chē)道一年產(chǎn)生350 kW·h 的電量。SolarRoad 公司表示平面角的太陽(yáng)能面板只能產(chǎn)生傳統(tǒng)屋頂光伏板中1/3 的電力[3]。2015年，Colas 公司與法國(guó)國(guó)家太陽(yáng)能研究所合作開(kāi)發(fā)了一種新的名為Wattway的光伏路面，并稱能達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的水平。據(jù)報(bào)道，他們開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能電池具有抗防滑特性，因此，在未來(lái)可用于所有類型的基礎(chǔ)道路設(shè)施[4]。

盡管光伏路面比常規(guī)路面更加環(huán)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(xù)開(kāi)展相關(guān)的研究和工作，使其盡早能夠在日常生活中得到普及和應(yīng)用。

3 熱電能的利用

熱電發(fā)電機(jī)從周?chē)h(huán)境的熱能變化中獲取能量。熱電發(fā)電機(jī)可以基于熱電原理利用路面面層之間的溫度差異發(fā)電。熱能直接轉(zhuǎn)化為電能使得熱電發(fā)電是高效的且有前途的能量收集技術(shù)之一。由T.J.Seebeck 在1821年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于大多數(shù)熱電發(fā)電技術(shù)中。塞貝克效應(yīng)定義為當(dāng)在一個(gè)熱電產(chǎn)生裝置的兩端有溫度梯度時(shí)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。導(dǎo)體中溫度梯度和電流的產(chǎn)生是可逆的。如圖2所示，熱電模塊通常由兩個(gè)平行的N 型和P 型半導(dǎo)體組成，并且每側(cè)都有熱源和散熱器，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，在優(yōu)化熱電發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率時(shí)，高的塞貝克系數(shù)、低的導(dǎo)熱系數(shù)和低電阻率是需要的。低的熱導(dǎo)率和電阻率減少熱傳導(dǎo)和焦耳耗散引起的能量損失。熱電半導(dǎo)體通常用于克服各向同性金屬的局限性，其改進(jìn)受限于Wiedemann-Franz 定律。該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是效率低，但使用新型材料用于熱電發(fā)動(dòng)機(jī)可以提高效率[5]。

Wu G[6]等人開(kāi)發(fā)了熱電能量收集系統(tǒng)，用于路面監(jiān)測(cè)傳感器中的供電。不同于以往的管道系統(tǒng)，他們構(gòu)筑的系統(tǒng)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，用于模擬熱電模塊中溫度梯度為20 K 的傳感器負(fù)載。結(jié)果表明，輸出功率約為0.05 mW，整體系統(tǒng)效率為2.05%。之后，他們使用計(jì)算模擬來(lái)研究用于系統(tǒng)優(yōu)化的路面熱電發(fā)電。這個(gè)系統(tǒng)估計(jì)每天可提供0.02 W 和1000 J，這足以在進(jìn)行路面監(jiān)控的傳感器設(shè)備中應(yīng)用。

4 地?zé)崮艿睦?/h2>

地?zé)崮苁莵?lái)自地球內(nèi)部深處的熱能，即地球上自然儲(chǔ)存的能量。地?zé)釤岜煤偷叵聼崮軆?chǔ)存在地?zé)崮軕?yīng)用中發(fā)揮重要作用。地?zé)釤岜檬且环N傳熱裝置，當(dāng)接收相對(duì)低的地?zé)崮茌斎霑r(shí)，可以提高流體的熱量輸出。熱泵最常見(jiàn)的基本原理是使用壓縮機(jī)進(jìn)行蒸汽壓縮； 氣體在沒(méi)有損失的情況下被壓縮時(shí)溫度會(huì)升高。對(duì)于地下熱能儲(chǔ)存而言，關(guān)鍵是最大限度地減少受儲(chǔ)存時(shí)間、溫度影響的能量損失，以及存儲(chǔ)介質(zhì)的體積和熱性能。地?zé)崴蛘羝?948年以來(lái)已被用作融化雪的熱源。第一個(gè)融雪系統(tǒng)建于俄勒岡州的克拉馬斯福爾斯，由含有內(nèi)部循環(huán)的50%乙二醇-酯溶液的鐵管道系統(tǒng)組成。然而，經(jīng)過(guò)近50年的運(yùn)行，外部腐蝕和嚴(yán)重泄漏導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤。如今，融雪系統(tǒng)的金屬管已被塑料管代替，防止腐蝕。Griffin[7]對(duì)包括太陽(yáng)能和地?zé)崮茉趦?nèi)的不同熱源的橋梁除冰系統(tǒng)進(jìn)行了研究。2005年的相關(guān)研究表明，用深層地下水的采暖費(fèi)用是37 美元/ft2(398.3 美元/m2）；而用太陽(yáng)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(xiàn)率以及改進(jìn)的技術(shù)，主要成本可能會(huì)發(fā)生變化[9]。

5 壓電能的利用

在受到機(jī)械應(yīng)力或改變幾何尺寸時(shí)，壓電材料產(chǎn)生電荷，從而形成電場(chǎng)。壓電收集能量的工作原理如圖3所示。壓電材料產(chǎn)生的電壓隨著時(shí)間產(chǎn)生變化，因此，會(huì)產(chǎn)生交流電信號(hào)，這是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)引起的。壓電材料可分為以下幾類：?jiǎn)尉Р牧?如石英）、壓電陶瓷(如鋯鈦酸鉛)、壓電半導(dǎo)體(如氧化鋅)、聚合物(如聚偏二氟乙烯）、壓電復(fù)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(jī)械性能，最常見(jiàn)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(zhì)和壓電特性的不同，產(chǎn)生的壓電能量比陶瓷低[10]。

有兩種方法可以增加電能的產(chǎn)量。一種方法是增加施加的壓力或應(yīng)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(dāng)材料受到垂直于極化方向的力時(shí)定義為d31模式，而當(dāng)材料受到與極化方向相同的力時(shí)定義為d33模式。對(duì)于大多數(shù)的壓電材料而言，d33模式能提供更大的機(jī)電耦合，從而實(shí)現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)化效率[11]。

6 總結(jié)和未來(lái)研究建議

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

2）地?zé)崮苁占徽J(rèn)為處于開(kāi)發(fā)過(guò)程中的高級(jí)階段，但在地質(zhì)和地理方面是受限的。從安全和經(jīng)濟(jì)方面考慮，在一些關(guān)鍵區(qū)域，如機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪、橋梁、坡路段和人行道中利用地?zé)崮芄艿老到y(tǒng)會(huì)更有利。

3）雖然熱電能的能量輸出相對(duì)較低而且成本高，但隨著系統(tǒng)效率的提高，未來(lái)可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料性能方面入手去進(jìn)行優(yōu)化，是很有希望應(yīng)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(dòng)進(jìn)行能量收集的，可應(yīng)用到道路和橋梁的傳感器中。在一輛車(chē)通行的情況下，單個(gè)壓電換能器輸出的能量通常很小。為了產(chǎn)生更大的能量，需要重復(fù)交通負(fù)載下的多個(gè)傳感器陣列。

能量收集系統(tǒng)的生命周期成本，包括初始安裝、維護(hù)和維修以及運(yùn)行期間的成本，應(yīng)當(dāng)考慮用來(lái)分析不同能量收集技術(shù)的成本效益。此外，將來(lái)的研究需要評(píng)估能量收集系統(tǒng)在其使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響。