太阳能热利用技术论文(2)
太阳能热利用技术论文
太阳能热利用技术论文篇二
沥青路面太阳能集热技术研究综述
摘要：地球上资源有限，人类需求无限。探索可再生新能源，成为人们应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一。太阳能利用受到了越来越广泛的关注，目前研究者将目光转向了利用沥青路面收集太阳能，提出了几种可行方法，并综述了其中一种被称为沥青路面太阳能集热技术的研究现状，以及在研究过程中存在的问题，并对沥青路面太阳能技术的发展和应用前景作了展望。
关键字：太阳能;沥青路面;热收集
中图分类号：TK511文献标识码： A
0 引言
能源与社会的进步和国民经济的发展有着密切的关系。随着经济的增长和技术的进步，以及人口的增加，对能源的需求量越来越大。然而，我国的能源资源储量不容乐观，矿物能源的大量利用已造成了严重的环境污染和生态破化[[[]罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术[M].北京：化学工业出版社.2004.]]。太阳能作为一种可再生的新能源，具有清洁、环保、持续的优势，成为人们应对能源短缺的重要选择之一[[[]赵玉文.太阳能利用的发展概况和未来趋势[J].中国电力,2003.]]，越来越受到世人的强烈关注。因此对于太阳能的开发利用，不仅在当前有现实意义，而且具有长远的发展前景。
目前太阳能技术在光伏发电技术与热利用技术方面的技术都较为成熟，研究者不再局限于单一的研究光伏技术或光热技术，而是将其与现有设施结合，不断的扩展太阳能的利用方式，目前新型的太阳能利用方式主要有光伏建筑一体化技术和光伏光热建筑一体化技术[[[]谷民安, 刘永生, 赵春江, 等. 太阳能光伏技术与建筑一体化研究进展[J]. 华东电力, 2009 (10): 1771-1774.]]。为扩展对太阳能的利用，人们在研究道路热流体融雪化冰技术过程中提出了利用沥青路面进行太阳能集热的再利用技术，这才将太阳能技术的应用领域扩展到沥青路面。目前，已经提出了几种可行的从沥青路面获取太阳能的方法，应用相对较多的是在沥青路面下埋设管道，这种类型的沥青路面已在荷兰运用，被称为沥青路面太阳能集热技术 [[[] Srivastava A. Pavements: the thermal energy potential of asphalt and the advantages of polymer modified bitumen[J]. 2009]]。
本文总结了利用沥青路面收集太阳能的几种可行利用方法，综述了沥青路面太阳能集热技术的研究，分析了目前沥青路面集热技术的研究现状，以及在研究过程中存在的问题，并对沥青路面太阳能技术的发展和应用前景作了展望。
1沥青路面太阳能集热方法
太阳光是一种非常发散的能源，所以需要一个很大的受光面来收集能量，在屋顶上放置太阳能电池板的做法是人们熟知的。但太阳能技术的发展需要比屋顶更广阔的空间，而沥青路面就是一个非常好的选择。沥青路面具有很强的吸收太阳能的能力，利用沥青路面吸收太阳能成为了一项新型的能源利用技术。
美国罗德岛大学的研究人员提出4种可行的太阳能道路方案，沥青路面吸收的太阳能，可以用来融雪化冰，给街灯供电，照亮标志，给大厦供暖等。
第一种方法是把灵活的光伏电池安装在隔路栅栏的顶部，收集的能量可以用于发电，点亮街灯，照亮路牌，它们的安装可不考虑太阳的角度，只要阳光照耀电池就会发电。
第二种方法是在沥青路面下埋设高导电性的管道。沥青路面吸收太阳辐射转换成热能就可以加热管道内的水。
第三种选择是使用热电效应。它出现在冷点和热点由半导体联系时, 通过种植在道路不同深度的半导体, 可以从沥青收集热能。
第四种方法最具未来感的理念，就是用巨大的耐用电子模块完全取代沥青路面。由于成本和所需要的技术，这是最不可能的方法。
目前研究最多的方法是第二种，即在沥青路面下埋设管道，称之为沥青路面太阳能集热技术，本文主要对该种方法的研究现状进行了综述。
2沥青路面太阳能集热技术研究现状
2.1 集热原理
该方法是利用太阳能的光热效应，属于太阳能热利用的范畴，其中沥青路面起到吸热器的作用。沥青路面将太阳辐射能收集起来进而转换为热能，换热介质经埋设在路面下的管道将路面接收的热量输送至储热器储存或用于直接应用。在需要热量时，热泵从储热器中抽取热量为用户供暖或制冷，从而实现太阳能的转换、储存和应用。
沥青路面太阳能集热技术在能源开发利用中具有独特的优势在于沥青路面由于自身的材料特性而具有较高的吸收系数 [[[] Solaimanian, M. and, T.W. Kennedy. “Predicting Maximum Pavement Surface Temperature Using Maximum Air Temperature and Hourly Solar Radiation.” Transportation Research Record, No. 1417, Transportation Research Board, National Research Council,Washington, DC, 1993.]]，并且其较低的电导率 [[[] National Cooperative Highway Research Program (NCHRP). “Guide for Mechanistic-Empirical Design.” Transportation Research Board, Washington, DC, Design Inputs, March 2004.]]可以防止其吸收的热量传递到其他地方去;沥青混合料具有相对较高的热容量，使得沥青路面储存热量达到较高的温度，在夏季高温时路面温度高达70℃;与传统的太阳能集热系统相比，沥青路面具有很大的集热面积。
2.2 研究现状
1993年，Asaeda[[[] Asaeda, T., and Ca, V.T. (1993).“The Subsurface Transport of Heat and Moisture and Its Effect on the Environment: A Numerical Model.” Boundary-Layer Meteorology 65, 159-179.]]研究发现沥青层越厚，它将储存越多的能量，同时也要控制水分和空气的含量，如果太多，沥青路面将会散失掉很多热量。
2001年，Bijsterveld[[[] BIJSTERVELD W T V，HOUBEN L J M，SCARPAS A，et a1.Using Pavement as Solar Collector on Pavement Temperature and Structural Response[J].Transportation Researeh Record：Joumal of the Transportation Rese.areh Board，2001，1778：140―148.]]等人建立有限元模型来计算分析路面的温度分布和应力分布，结果表明当导热管道铺设较浅时集热效率比较高，有益于太阳能的收集，但会产生更大的应力集中，从而降低路面的耐久性。
2007年，Xiaobing Liu[[[] Liu, X., Rees, J. S. and Spitler, D., J., 2007. “Modeling snow melting on heated pavement surfaces. Part I: Model development”, Journal of Applied Thermal Engineering, 27: 1115 �1124.]]等开发了一个通过能量收集系统，分析路面融雪过程的数值模型。在桥面模拟水利系统，结果表明桥面预加热的时间和管道埋置的间距直接决定了融雪的性能和管道内液体的最大温度。
2009年，Mallick等[[[] Mallick, R.B., Chen, B. L. and Bhowmick, C., 2009. “Harvesting energy from asphalt pavements and reducing the heat island effect”, International Journal of Sustainable Engineering, 2:3, 214-228.]]进行了大规模的模拟试验研究，指出有集热系统的沥青路面，能够很好的改善城市热岛效应以及减少沥青路面的车辙;影响温度分布和路面降温效果的参数是管道的直径，而管内液体的流速不是影响平板和周围环境温度的主要因素。
2010年，陈明宇[[[] 陈明宇.沥青路面太阳能集热性能研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.]]等人通过加入导热相填料石墨来提高沥青混凝土的导热系数，从而达到提高沥青路面太阳能集热效率的目的。分析结果表明沥青混凝土导热性能的提高能够加快沥青混凝土内部能量的传递，并且认为石墨改性沥青混凝土路面合适的埋管深度为2.5cm ~ 5cm。
2012年，xu[[[] Xu, H. and Yi, T.,2012. “Development and testing of a heat and mass coupled snow melting model for hydronic heated pavement”, Transportation Research Board (TRB), Annual Meeting, Washington, USA, January 2012.]]等研究了融雪过程在路面热量转移过程中的作用，结果表明湿的路面显著增加路面的热导率，进而提高了融雪性能。
Rajib B. Mallick[[[] RAJIB B M，CHEN B L，SANKHA B M，et a1.Capturing solar Energy from Asphalt Pavements[C]//Proceedings 0f International Symposium On Asphalt Pavements and Environment 2008，Zurich，Switzerland：ISAP，2008：161―172.
作者简介：
姓名：郑洁
出生年月：1989年12月
民族：汉
籍贯：四川资中
学历：在校硕士研究生
单位：重庆交通大学]]通过有限元软件模拟及成型的小尺寸样品在室内用汞灯模拟集热过程，大尺寸样品在室外环境中对太阳能进行收集。用换热介质的温差来表征集热效率的高低。室内试验表明采用导电率较高的集料，增加沥青路面面层的吸收率及减少其反射率可以有效提高沥青路面的集热效率;室外试验表明集热面积越大，收集的热量越多，热交换系统即管道埋置的深度是至关重要的。
2.3现存问题
目前研究主要集中在影响沥青路面集热性能的因素，或者如何提高沥青路面的集热效率，但是目前并没有形成相对的统一的一个提高沥青路面集热效率的方法;并且少有研究热量跨季节储存的问题。目前对于沥青路面太阳能集热技术的研究主要是室内软件模拟分析加室内试验，而没有实际的推广应用。而室内试验，环境条件相对较好，过于理想化且没有考虑实际道路中存在的问题，比如说车辆、周围植被在路面上产生的阴影对太阳照射的遮挡的影响。
3展望
随着可持续发展战略在世界范围内的实施,太阳能的开发利用将被推到新的高度。至本世纪中叶，世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用。随着越来越多的国家和有识之士的重视，太阳能的利用技术也有望在短期内获得较大进展。
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