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发电路面的研究方向与应用郭浪阔

发表时间：2020/9/9 来源：《基层建设》2020年第14期作者：郭浪阔1 王雨苗2

[导读] 摘要：随着国家大力推动绿色能源的发展，发电路面成为研究热点，其不仅可为沿途交通设施提供电能，还有一定的经济效益本文通过对几种发电路面的研究现状的分析，为广大道路行业从业者提供参考。

        1.长安大学材料学院陕西省西安市 710000 2.四川农业大学园艺学院
        摘要：随着国家大力推动绿色能源的发展，发电路面成为研究热点，其不仅可为沿途交通设施提供电能，还有一定的经济效益本文通过对几种发电路面的研究现状的分析，为广大道路行业从业者提供参考。
        0引言
        人类过度开采不可再生资源，导致资源短缺，造成了严重的环境问题。寻找可再生能源，绿色能源成为眼下热门的研究课题。随着微能技术的发展，将其运用到道路工程中逐渐成为趋势，在风能，光能，热能和势能等研究领域都取得了一定进展，根据其发电机理不同，衍生出一系列的发电路面类型。发电路面不仅可以为沿途交通设施提供电能，减少不可再生能源的使用，还为经济发展，环境保护等带来一系列效益。就目前发电路面的研究来看，仍处于起步阶段，实际应用较少，还有大量未解决的问题。
        1光能发电路面
        光伏发电技术是目前比较成熟的新能源技术，将光伏发电技术融入道路工工程中，减少了光伏发电设备所需额外的占地面积，在保证道路工程可正常运转的同时，实现对太阳能的利用，是目前发电路面的研究重点。
        1.1国外发展现状
        Brusaw夫妇于2006年首次提出太阳能路面这一概念，自此，太阳能道路受到各国广泛关注与研究[1]。
        美国美国电气工程师最早提出太阳能道路（solar roadway，简称SR），得到了美国交通运输部（USDOT）和民间研发支持，目前其第四代产品已经问世。第四代产品SR4为六边形板块，上下表面为钢化玻璃，其内部集成了LED灯珠，加热元件及太阳能电池。相比前代产品，进行了一系列道路材料实验并满足标准要求，有望诞生第一个商用产品。
        加拿大 2014年，滑铁卢大学Northmore等设计一种有透光层、光电层、和底层3层结构组成的太阳能路面板，其采用有限元数值模拟对太阳能路面板在下层有支撑的情况下的力学行为进行分析，发现太阳能路面板可以提高路面结构的稳定性和使用寿命[2]。
        法国法国为最早研究太阳能路面的国家之一。早在2011年，法国COLAS公司和法国国家太阳能研究中心（INES）合作，将非晶硅柔性太阳能电池板直接贴附在沥青路面上进行相关研究；2016年12月，在诺曼底Tourouvre小镇成功铺设了1km长的太阳能公路，其将太阳能电池包裹在由树脂和聚合物组成的多层基体中，采用透明硅树脂和粒度很小的玻璃颗粒混合形成涂层。此后相继在日本东京，荷兰乌德勒支，美国佐治亚州等地铺设试验段；但在Tourouvre小镇铺设的试验段运营效果并不理想，实际结构强度未达预期标准，发电量未能达到设计要求。
        1.2国内发展状况
        国内最早研究太阳能路面的团队为长沙理工大学查旭东教授课题组，2010年其创新型的提出基于空心板块的太阳能路面结构模型，即将底层隔水保护连接层换为成本相对较低，且承载力强，耐久性好的高性能混凝土预制空心板底座，并将光伏电池置于空心板中，然后将高强表层透光保护板贴附其上，从而形成具有足够承载能力、良好密封性能、方便维护更换且成本更低的空心板块太阳能路面结构。2017年，张铖坚设计了一种基于导光混凝土的太阳能空心板块结构，其发现凸透镜半径、导光体数量、光纤半径等对发电效果影响显著[3]。2016年，Yang等研制出一种正方形可步行的太阳能光伏电池板，其表层由防滑钢化玻璃组成，底层为支撑钢化玻璃，太阳能电池位于其中，试验段效果良好，各项标准达到设计要求。
        2压电发电路面
        压电发电路面是借助压电材料的正压电效应将汽车通过路面时引起的路面震动转换为电能的一种新型路面，按照工作模式的不同可分为基于集成压电装置的路面发电技术、压电材料于路面材料一体化技术和压电换能元件埋入式路面发电技术三种。

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        2.1压电材料于路面材料一体化技术
        使用压电材料于路面材料一体化技术的发电路面是利用压电复合材料直接进行铺筑而成的发电路面，压电复合材料的性能决定了路面建成后的发电能力[4]。通过一体化技术可直接赋予筑路材料以压电性能，为发电路面的施工提供便利，降低发电路面的施工技术门槛，目前复合压电材料的制备难度大，成本高，干扰因素多，该技术的发展仍处于初级阶段。
        2.2压电换能元件埋入式路面发电技术
        压电换能元件埋入式路面发电技术是将具有压电发电性能的材料预埋于路面结构中，在车辆荷载的震动作用下，产生应力发生形变进而产生能量转换。相较压电材料于路面材料一体化技术其技术门槛相对较低，能量输出量级更高等优点，更有可能成为新一代发电路面。
        2.3基于集成式压电装置的路面发电技术
        基于集成式压电装置的路面发电技术是对压电换能元件埋入式路面发电技术的改进于发展，目前国内外虽有少量研究成果，但是还没有进行实际应用的报道，该技术处于起步阶段。
        3温差发电路面
        温差发电路面为一种绿色环保的发电方式，其本质是利用塞贝克效应将路面中的热能转换为电能，其发电过程部件全部保持静止、无噪音、体积小、移动便捷、质量轻、施工方便，由于无可动部件，其可靠性好，寿命较长[5]。
        3.1温差发电的国内外应用现状
        早在20世纪40年代，温差发电技术就已经起步，由于其机构简单，噪音小，使用可靠性好等优点，受到发达国家的广泛关注。在军事航天应用领域，美俄处于世界领先地位，民用方面，日本对此研究颇深，而欧盟则侧重小功率电源的研究。国内在温差发电技术方面起步晚，主要是对其理论方面进行研究，实际应用方面鲜有研究，而应用于道路方面的研究少之又少。其中长安大学的翟英博等研究和实现了一种基于温差发电的道路监测传感器节点系统，能够用于新建、扩建或重铺的沥青混合路面的实时监测[6]。
        4结论与展望
        国内关于发电路面的研究主要集中在压电发电路面，太阳能发电路面等方面，差热式发电路面研究较少。对太阳能路面，目前存在路面可靠性差，不满路面使用性能要求等缺点；对压电式发电式发电路面，主要存在压电换电元件电能转化率低，一体性较差，施工难度较高等问题。作者认为从材料方面入手，提高关键元件的性能是目前发电路面的研究重点，从材料方面下手，是促进发电路面应用的关键。
        参考文献：
        [1]胡恒武.太阳能路面研究及展望[J].长安大学学报（自然科学版），2020，40（1）：16-29.
        [2]NORTHMORE A B，TIGHE SL.Innovative pavement design：Are solar roads feasible?[C]//TAC.2012 Conference of the Transportation Association of Canada-Transportation：Innovations and Opportunities.Ottawa；ITRD，2012：1-11.
        [3]张铖坚．基于导光混凝土的太阳能路面空心板块模型制备及性能研究[D]．长沙：长沙理工大学，2017.
        [4]王朝辉.压电材料于路面材料一体化发电路面技术研究[J].公路交通科技，2016，33（11）：14-19.
        [5]张鼎，于兰山.温差电效应及其应用[J].高等函授学报，2006，19（4）：32.
        [6]翟英博.基于温差发电的道路监测传感器节点研究与设计[D].西安：长安大学，2019.
        作者简介：郭浪阔（1999-04-17），男，汉族，籍贯：河南省洛阳市，当前职务：在校本科生，学历：本科在校，研究方向：道路与机场工程材料