太陽能熱利用技術(shù)論文(2)
太陽能熱利用技術(shù)論文
太陽能熱利用技術(shù)論文篇二
瀝青路面太陽能集熱技術(shù)研究綜述
摘要：地球上資源有限，人類需求無限。探索可再生新能源，成為人們應(yīng)對能源短缺、氣候變化與節(jié)能減排的重要選擇之一。太陽能利用受到了越來越廣泛的關(guān)注，目前研究者將目光轉(zhuǎn)向了利用瀝青路面收集太陽能，提出了幾種可行方法，并綜述了其中一種被稱為瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以及在研究過程中存在的問題，并對瀝青路面太陽能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景作了展望。
關(guān)鍵字：太陽能;瀝青路面;熱收集
中圖分類號：TK511文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
0 引言
能源與社會的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著密切的關(guān)系。隨著經(jīng)濟(jì)的增長和技術(shù)的進(jìn)步，以及人口的增加，對能源的需求量越來越大。然而，我國的能源資源儲量不容樂觀，礦物能源的大量利用已造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破化[[[]羅運(yùn)俊，何梓年，王長貴.太陽能利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2004.]]。太陽能作為一種可再生的新能源，具有清潔、環(huán)保、持續(xù)的優(yōu)勢，成為人們應(yīng)對能源短缺的重要選擇之一[[[]趙玉文.太陽能利用的發(fā)展概況和未來趨勢[J].中國電力,2003.]]，越來越受到世人的強(qiáng)烈關(guān)注。因此對于太陽能的開發(fā)利用，不僅在當(dāng)前有現(xiàn)實(shí)意義，而且具有長遠(yuǎn)的發(fā)展前景。
目前太陽能技術(shù)在光伏發(fā)電技術(shù)與熱利用技術(shù)方面的技術(shù)都較為成熟，研究者不再局限于單一的研究光伏技術(shù)或光熱技術(shù)，而是將其與現(xiàn)有設(shè)施結(jié)合，不斷的擴(kuò)展太陽能的利用方式，目前新型的太陽能利用方式主要有光伏建筑一體化技術(shù)和光伏光熱建筑一體化技術(shù)[[[]谷民安, 劉永生, 趙春江, 等. 太陽能光伏技術(shù)與建筑一體化研究進(jìn)展[J]. 華東電力, 2009 (10): 1771-1774.]]。為擴(kuò)展對太陽能的利用，人們在研究道路熱流體融雪化冰技術(shù)過程中提出了利用瀝青路面進(jìn)行太陽能集熱的再利用技術(shù)，這才將太陽能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到瀝青路面。目前，已經(jīng)提出了幾種可行的從瀝青路面獲取太陽能的方法，應(yīng)用相對較多的是在瀝青路面下埋設(shè)管道，這種類型的瀝青路面已在荷蘭運(yùn)用，被稱為瀝青路面太陽能集熱技術(shù) [[[] Srivastava A. Pavements: the thermal energy potential of asphalt and the advantages of polymer modified bitumen[J]. 2009]]。
本文總結(jié)了利用瀝青路面收集太陽能的幾種可行利用方法，綜述了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究，分析了目前瀝青路面集熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以及在研究過程中存在的問題，并對瀝青路面太陽能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景作了展望。
1瀝青路面太陽能集熱方法
太陽光是一種非常發(fā)散的能源，所以需要一個很大的受光面來收集能量，在屋頂上放置太陽能電池板的做法是人們熟知的。但太陽能技術(shù)的發(fā)展需要比屋頂更廣闊的空間，而瀝青路面就是一個非常好的選擇。瀝青路面具有很強(qiáng)的吸收太陽能的能力，利用瀝青路面吸收太陽能成為了一項(xiàng)新型的能源利用技術(shù)。
美國羅德島大學(xué)的研究人員提出4種可行的太陽能道路方案，瀝青路面吸收的太陽能，可以用來融雪化冰，給街燈供電，照亮標(biāo)志，給大廈供暖等。
第一種方法是把靈活的光伏電池安裝在隔路柵欄的頂部，收集的能量可以用于發(fā)電，點(diǎn)亮街燈，照亮路牌，它們的安裝可不考慮太陽的角度，只要陽光照耀電池就會發(fā)電。
第二種方法是在瀝青路面下埋設(shè)高導(dǎo)電性的管道。瀝青路面吸收太陽輻射轉(zhuǎn)換成熱能就可以加熱管道內(nèi)的水。
第三種選擇是使用熱電效應(yīng)。它出現(xiàn)在冷點(diǎn)和熱點(diǎn)由半導(dǎo)體聯(lián)系時, 通過種植在道路不同深度的半導(dǎo)體, 可以從瀝青收集熱能。
第四種方法最具未來感的理念，就是用巨大的耐用電子模塊完全取代瀝青路面。由于成本和所需要的技術(shù)，這是最不可能的方法。
目前研究最多的方法是第二種，即在瀝青路面下埋設(shè)管道，稱之為瀝青路面太陽能集熱技術(shù)，本文主要對該種方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。
2瀝青路面太陽能集熱技術(shù)研究現(xiàn)狀
2.1 集熱原理
該方法是利用太陽能的光熱效應(yīng)，屬于太陽能熱利用的范疇，其中瀝青路面起到吸熱器的作用。瀝青路面將太陽輻射能收集起來進(jìn)而轉(zhuǎn)換為熱能，換熱介質(zhì)經(jīng)埋設(shè)在路面下的管道將路面接收的熱量輸送至儲熱器儲存或用于直接應(yīng)用。在需要熱量時，熱泵從儲熱器中抽取熱量為用戶供暖或制冷，從而實(shí)現(xiàn)太陽能的轉(zhuǎn)換、儲存和應(yīng)用。
瀝青路面太陽能集熱技術(shù)在能源開發(fā)利用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢在于瀝青路面由于自身的材料特性而具有較高的吸收系數(shù) [[[] 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.]]，并且其較低的電導(dǎo)率 [[[] National Cooperative Highway Research Program (NCHRP). “Guide for Mechanistic-Empirical Design.” Transportation Research Board, Washington, DC, Design Inputs, March 2004.]]可以防止其吸收的熱量傳遞到其他地方去;瀝青混合料具有相對較高的熱容量，使得瀝青路面儲存熱量達(dá)到較高的溫度，在夏季高溫時路面溫度高達(dá)70℃;與傳統(tǒng)的太陽能集熱系統(tǒng)相比，瀝青路面具有很大的集熱面積。
2.2 研究現(xiàn)狀
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.]]研究發(fā)現(xiàn)瀝青層越厚，它將儲存越多的能量，同時也要控制水分和空氣的含量，如果太多，瀝青路面將會散失掉很多熱量。
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來計算分析路面的溫度分布和應(yīng)力分布，結(jié)果表明當(dāng)導(dǎo)熱管道鋪設(shè)較淺時集熱效率比較高，有益于太陽能的收集，但會產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中，從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.]]等開發(fā)了一個通過能量收集系統(tǒng)，分析路面融雪過程的數(shù)值模型。在橋面模擬水利系統(tǒng)，結(jié)果表明橋面預(yù)加熱的時間和管道埋置的間距直接決定了融雪的性能和管道內(nèi)液體的最大溫度。
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.]]進(jìn)行了大規(guī)模的模擬試驗(yàn)研究，指出有集熱系統(tǒng)的瀝青路面，能夠很好的改善城市熱島效應(yīng)以及減少瀝青路面的車轍;影響溫度分布和路面降溫效果的參數(shù)是管道的直徑，而管內(nèi)液體的流速不是影響平板和周圍環(huán)境溫度的主要因素。
2010年，陳明宇[[[] 陳明宇.瀝青路面太陽能集熱性能研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.]]等人通過加入導(dǎo)熱相填料石墨來提高瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，從而達(dá)到提高瀝青路面太陽能集熱效率的目的。分析結(jié)果表明瀝青混凝土導(dǎo)熱性能的提高能夠加快瀝青混凝土內(nèi)部能量的傳遞，并且認(rèn)為石墨改性瀝青混凝土路面合適的埋管深度為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.]]等研究了融雪過程在路面熱量轉(zhuǎn)移過程中的作用，結(jié)果表明濕的路面顯著增加路面的熱導(dǎo)率，進(jìn)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.
作者簡介：
姓名：鄭潔
出生年月：1989年12月
民族：漢
籍貫：四川資中
學(xué)歷：在校碩士研究生
單位：重慶交通大學(xué)]]通過有限元軟件模擬及成型的小尺寸樣品在室內(nèi)用汞燈模擬集熱過程，大尺寸樣品在室外環(huán)境中對太陽能進(jìn)行收集。用換熱介質(zhì)的溫差來表征集熱效率的高低。室內(nèi)試驗(yàn)表明采用導(dǎo)電率較高的集料，增加瀝青路面面層的吸收率及減少其反射率可以有效提高瀝青路面的集熱效率;室外試驗(yàn)表明集熱面積越大，收集的熱量越多，熱交換系統(tǒng)即管道埋置的深度是至關(guān)重要的。
2.3現(xiàn)存問題
目前研究主要集中在影響瀝青路面集熱性能的因素，或者如何提高瀝青路面的集熱效率，但是目前并沒有形成相對的統(tǒng)一的一個提高瀝青路面集熱效率的方法;并且少有研究熱量跨季節(jié)儲存的問題。目前對于瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究主要是室內(nèi)軟件模擬分析加室內(nèi)試驗(yàn)，而沒有實(shí)際的推廣應(yīng)用。而室內(nèi)試驗(yàn)，環(huán)境條件相對較好，過于理想化且沒有考慮實(shí)際道路中存在的問題，比如說車輛、周圍植被在路面上產(chǎn)生的陰影對太陽照射的遮擋的影響。
3展望
隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界范圍內(nèi)的實(shí)施,太陽能的開發(fā)利用將被推到新的高度。至本世紀(jì)中葉，世界范圍內(nèi)的能源問題、環(huán)境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發(fā)利用。隨著越來越多的國家和有識之士的重視，太陽能的利用技術(shù)也有望在短期內(nèi)獲得較大進(jìn)展。
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