[发明专利]一种道路用埋入式热电器件设计方法及其埋入式热电发电路面

说明书

本发明公开了一种道路用埋入式热电器件设计方法及其埋入式热电发电路面，其结构层从上到下依次为：面层、基层和土基，所述面层内设有若干个串联的埋入式热电器件，埋入式热电器件通过导线与蓄电池相连。本发明针对不同类型路面，依据路面工作环境和道路材料模量，通过同时设计异质材料的组成和几何构造，协同调控热电器件发电效率和模量，实现与道路匹配，得到适用于不同类型路面的高发电效率热电器件，再将其用于发电路面，即可得到高发电效率和路用匹配性能优异的埋入式热电发电路面。

技术领域

本发明涉及一种道路用埋入式热电器件设计方法及其埋入式热电发电路面，属于发电路面技术领域。

背景技术

为了使全路网道路发挥智能能力，需给道路沿线的5G站点、信号灯、路灯、监控、传感器等智能设备持续供电。但我国路网仍存在部分未通电或者供电不稳定的“电力空白区”。因此，开发全路网供电新技术已成为智能道路持续发挥智能能力的关键。事实上，道路在承担交通功能的同时还具备发电潜能。如，夏天沥青路面局部温度可高达70℃，而道路1m以下的温度近似等于20℃，路表和地下之间构成了大的温差热能。通过将固态热电器件埋入沥青路面内部，构造埋入式热电发电路面，不仅可将全路网路面中富余热量转化为电量，还可减缓因高温引起的车辙等路面病害，实现将路面集热变“害”为“利”。

目前，有关埋入式热电发电路面研究主要集中在两个方面：一、将商用热电器件应用于埋入式热电发电路面，然而受商用热电器件和道路模量不匹配的限制，只能将商用热电器件铺设在路侧两旁，保证道路使用寿命，同时利用导热板桥接道路内部和热电器件，完成道路内部热能向电能转化(CN102545720B、US20180033937等)。因此，该方案存在商用热电器件额外占地，道路内部热能不能最大化利用等问题。二、将路用水泥基热电器件应用于埋入式热电发电路面，实现热电器件与道路模量匹配，完成埋入式热电发电路面使用寿命设计(CN103819136A等)，但受水泥本身热电性能限制，路用水泥基热电器件发电效率低。可见，发电效率和模量协同调控是突破埋入式热电发电路面瓶颈的关键。

近年来，发现将两种异质材料倾斜交替堆垛排列，可实现塞贝克系数张量矩阵非对角元不为零，即产生横向热电效应(专利US20150325768等)。改变异质材料组成和倾斜交替堆垛角度等几何构造可实现发电效率快速优化。值得注意的是，组成材料和几何构造也是异质堆垛材料模量关键参数，这为埋入式热电器件发电效率和模量协同调控提供了可能，然而目前尚无相关协同调控研究。

发明内容

为了解决现有热电发电路面中埋入式热电发电器件存在的问题，本发明的目的在于提供一种道路用埋入式热电器件的设计方法及其埋入式热电发电路面，该方法基于异质倾斜交替堆垛形成的热电器件，针对不同类型路面，依据路面工作环境和道路材料模量，通过同时设计异质材料的组成和几何构造，协同调控热电器件发电效率和模量，实现与道路匹配，得到适用于不同类型路面的高发电效率热电器件，再将其用于发电路面，即可得到高发电效率和路用匹配性能优异的埋入式热电发电路面。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种道路用埋入式热电器件的设计方法，包括如下步骤：

第一步：选定道路类型，对道路温度场进行解析，确定埋设位置，埋设位置处热端温度T_H、埋设位置处冷端温度T_C以及埋设位置处道路材料的模量E_r；

第二步：建立A/B埋入式热电器件中的异质组成材料A和材料B的电热输运性质和模量性质基础数据库

材料A的电导率(σ_A)、Seebeck系数(S_A)、热导率(κ_A)和模量(E_A)；材料B的电导率(σ_B)、Seebeck系数(S_B)、热导率(κ_B)和模量(E_B)；