CN103819136B - 热电沥青混凝土及基于该热电沥青混凝土的发电路面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电沥青混凝土及基于该热电沥青混凝土的发电路面，以按质量百分比为83～90％集料、4～6％的矿粉、2～4％热电材料、1～2％的导电材料及3～5％的沥青为原材料制备而成；当所述热电沥青混凝土为P型热电沥青混凝土时，热电材料为黄铁矿；当所述热电沥青混凝土为N型热电沥青混凝土时，热电材料为方铅矿；本发明还提供了一种基于热电沥青混凝土的发电路面，可以有效的解决热电路面内部能量收集的问题，同时通过道路温差进行发电。
Description
技术领域
本发明属于道路领域，具体涉及一种热电沥青混凝土及基于该热电沥青混凝土的发电路面。
背景技术
经济的迅速发展加速我国道路建设的快速完善，目前我国的公路总里程已达423万公里。高等级公路路面大多采用沥青混凝土，而沥青混凝土作为黑色路面，近似黑体，对太阳辐射的吸收能力极强，辐射吸收系数一般在0.8-0.95之间。因此，在夏季高温时节，路面吸热快、温度高，路表的温度甚至高于环境温度20℃-30℃，夏季炎热地区沥青路面温度甚至能达到70℃。同时，沥青混凝土导热系数较小，积聚的大量热量不易释放，内部高温持续时间长。温度的升高会对路面产生不利影响，由于粘弹性体的特性，高温对沥青路面的机械性能极为不利，在车辆等外力作用下，高温的沥青混凝土易发生粘性变形，导致路面损坏。夜晚路面内部的热能又缓慢释放到大气中，引起环境温度的上升，尤其是在城市里，可加剧热岛效应。因此，路面内积聚的大量热量不仅会缩短路面的使用寿命，还对环境具有负面影响。如若可将道路中蕴藏的热量加以整合利用转化为电能，首先可降低路面温度，减少高温病害，延长道路使用寿命；同时可大大解决当前资源短缺的现状，为环境、资源的可持续发展提供一条路色的道路，可产生巨大的经济和社会效益。
1821年德国科学家塞贝克发现的热电效应为热量转化为电能提供了理论可能，可成为路面温差发电的技术基础。热电效应，即将两种不同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流。根据热电效应机理，可利用沥青路面表层温度和下层温度存在的较大温差将路面内积存的热量转换为电能，将路面内部积存的废热再利用的同时，可延长道路使用寿命，解决资源短缺现状，改善环境状况，但是目前并没有见到关于道路热电方面的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种热电沥青混凝土及基于该热电沥青混凝土的发电路面，该混凝土热电转换率高，该发电路面结构可以有效的解决热电路面内部能量收集的问题，同时实现通过道路温差进行发电。
为达到上述目的，本发明所述的热电沥青混凝土以按质量百分比为83～90％集料、4～6％的矿粉、2～4％热电材料、1～2％的导电材料及3～5％的沥青为原材料制备而成；
当所述热电沥青混凝土为P型热电沥青混凝土时，热电材料为黄铁矿；
当所述热电沥青混凝土为N型热电沥青混凝土时，热电材料为方铅矿。
所述集料的粒径为0.075～19mm；
所述黄铁矿及方铅矿的细度均为200～325目；
所述矿粉的粒径小于0.075mm。
所述集料为花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩中的一种或几种按任意比例的混合物。
所述矿粉为花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉中的一种或几种按任意比例的混合物。
所述沥青为采用SBS改性沥青、道路石油沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青或胶粉改性沥青中的一种。
相应的，本发明还提供了一种基于热电沥青混凝土的发电路面，包括表面热供应源沥青混凝土层、发电沥青混凝土层、蓄电池、电能收集装置及若干导电金属丝；
所述发电沥青混凝土层的上表面与表面热供应源沥青混凝土层的下表面相接触，发电沥青混凝土层包括若干P型热电沥青混凝土及若干N型热电沥青混凝土，P型热电沥青混凝土的侧面与N型热电沥青混凝土的侧面相接触，导电金属丝一端分别插入于P型热电沥青混凝土及N型热电沥青混凝土内，电能收集装置的输入端分别与导电金属丝的另一端相连接，电能收集装置的输出端与蓄电池的输入端相连接。
所述P型热电沥青混凝土的形状为条状；
所述N型热电沥青混凝土的形状为条状。
所述N型热电沥青混凝土与P型热电沥青混凝土的数目相同，且N型热电沥青混凝土与P型热电沥青混凝土相间分布。
所述表面热供应源沥青混凝土层的厚度与发电沥青混凝土层的厚度之比为1∶2。
所述表面热供应源沥青混凝土层采用导电沥青混凝土制作而成。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的热电沥青混凝土以集料、矿粉、热电材料、导电材料及沥青原材料制作而成，热电转换效率高，并且成本低；本发明所述的基于热电沥青混凝土的发电路面包括表面热供应源沥青混凝土层、发电沥青混凝土层、蓄电池、电能收集装置及若干导电金属丝，发电沥青混凝土层包括若干P型热电沥青混凝土及若干N型热电沥青混凝土，在工作过程中，表面热供应源沥青混凝土层吸收外界的热量，从而在发电沥青混凝土层短时间内形成环境温度差梯度，从而使P型热电沥青混凝土及N型热电沥青混凝土产生电荷，然后在经导电金属丝及电能收集装置收集后，存储到蓄电池内，从而有效的缓解了“道路热岛效应”，提高了路面的高温稳定性，延长道路的使用寿命，同时通过道路来进行发电，从而有效的缓解资源短缺的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为表面热供应源沥青混凝土层、2为发电沥青混凝土层、3为电能收集装置、4为蓄电池、5为P型热电沥青混凝土、6为N型热电沥青混凝土、7为导电金属丝。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的热电沥青混凝土以按质量百分比为83～90％集料、4～6％的矿粉、2～4％热电材料、1～2％的导电材料及3～5％的沥青为原材料制备而成；
当所述热电沥青混凝土为P型热电沥青混凝土5时，热电材料为黄铁矿；
当所述热电沥青混凝土为N型热电沥青混凝土6时，热电材料为方铅矿。
所述集料的粒径为0.075～19mm；
所述黄铁矿及方铅矿的细度均为200～325目；
所述矿粉的粒径小于0.075mm。
所述集料为花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩中的一种或几种按任意比例的混合物。
所述矿粉为花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉中的一种或几种按任意比例的混合物。
所述沥青为采用SBS改性沥青、道路石油沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青或胶粉改性沥青中的一种。
参考图1，本发明所述的基于热电沥青混凝土的发电路面包括表面热供应源沥青混凝土层1、发电沥青混凝土层2、蓄电池4、电能收集装置3及若干导电金属丝7；所述发电沥青混凝土层2的上表面与表面热供应源沥青混凝土层1的下表面相接触，发电沥青混凝土层2包括若干P型热电沥青混凝土5及若干N型热电沥青混凝土6，P型热电沥青混凝土5的侧面与N型热电沥青混凝土6的侧面相接触，导电金属丝7一端分别插入于P型热电沥青混凝土5及N型热电沥青混凝土6内，电能收集装置3的输入端分别与导电金属丝7的另一端相连接，电能收集装置3的输出端与蓄电池4的输入端相连接，P型热电沥青混凝土5的形状为条状；所述N型热电沥青混凝土6的形状为条状，N型热电沥青混凝土6与P型热电沥青混凝土5的数目相同，且N型热电沥青混凝土6与P型热电沥青混凝土5相间分布，表面热供应源沥青混凝土层1的厚度与发电沥青混凝土层2的厚度之比为1∶2，表面热供应源沥青混凝土层1采用导电沥青混凝土制作而成。
本发明的具体工作过程为：
所述表面热供应源沥青混凝土层1吸收外界的热量，从而在发电沥青混凝土层2短时间内形成环境温度差梯度，从而使P型热电沥青混凝土5及N型热电沥青混凝土6产生电荷，然后在经导电金属丝7及电能收集装置3收集后，存储到蓄电池4内。
以下将通过七个实施例来具体的对热电沥青混凝土的性能进行说明。
实施例一
P型热电沥青混凝土5以83kg的石灰岩、6kg的石灰岩粉、4kg的黄铁矿、2kg的石墨及5kg的SBS改性沥青为原材料制作而成；N型热电沥青混凝土6以83kg的石灰岩、6kg的石灰岩粉、4kg的方铅石、2kg的石墨及5kg的SBS改性沥青为原材料制作而成；
所述石灰岩的粒径为0.075～19mm；
所述黄铁矿及方铅矿的细度均为200～325目；
所述石灰岩粉的粒径小于0.075mm。
实施例二
P型热电沥青混凝土5以90kg的石灰岩、4kg的石灰岩粉、2kg的黄铁矿、1kg的石墨及3kg的SBS改性沥青为原材料制作而成；N型热电沥青混凝土6以90kg的石灰岩、4kg的石灰岩粉、2kg的方铅石、1kg的石墨及3kg的SBS改性沥青为原材料制作而成；
所述石灰岩的粒径为0.075～19mm；
所述黄铁矿及方铅矿的细度均为200～325目；
所述石灰岩粉的粒径小于0.075mm。
实施例三
P型热电沥青混凝土5以85kg的石灰岩、6kg的石灰岩粉、3kg的黄铁矿、2kg的石墨及4kg的SBS改性沥青为原材料制作而成；N型热电沥青混凝土6以88kg的石灰岩、3kg的石灰岩粉、3kg的方铅石、2kg的石墨及4kg的SBS改性沥青为原材料制作而成；
所述石灰岩的粒径为0.075～19mm；
所述黄铁矿及方铅矿的细度均为200～325目；
所述石灰岩粉的粒径小于0.075mm。
实施例四
P型热电沥青混凝土5以86kg的石灰岩、5kg的石灰岩粉、3kg的黄铁矿、2kg的石墨及4kg的SBS改性沥青为原材料制作而成；N型热电沥青混凝土6以86kg的石灰岩、5kg的石灰岩粉、3kg的方铅石、2kg的石墨及4kg的道路石油沥青为原材料制作而成；
所述石灰岩的粒径为0.075～19mm；
所述黄铁矿及方铅矿的细度均为200～325目；
所述石灰岩粉的粒径小于0.075mm。
实施例五
P型热电沥青混凝土5以86kg的花岗岩、5kg的花岗岩粉、3kg的黄铁矿、2kg的石墨及4kg的SBS改性沥青为原材料制作而成；N型热电沥青混凝土6以86kg的花岗岩、5kg的花岗岩粉、3kg的方铅石、2kg的石墨及4kg的PE改性沥青为原材料制作而成；
所述花岗岩的粒径为0.075～19mm；
所述黄铁矿及方铅矿的细度均为200～325目；
所述花岗岩粉的粒径小于0.075mm。
实施例六
P型热电沥青混凝土5以86.5kg的玄武岩、5kg的玄武岩粉、3kg的黄铁矿、1.5kg的石墨及4kg的SBS改性沥青为原材料制作而成；N型热电沥青混凝土6以86.5kg的玄武岩、5kg的玄武岩粉、3kg的方铅石、1.5kg的石墨及4kg的SBR改性沥青为原材料制作而成；
所述玄武岩的粒径为0.075～19mm；
所述黄铁矿及方铅矿的细度均为200～325目；
所述玄武岩粉的粒径小于0.075mm。
实施例七
P型热电沥青混凝土5以86kg的辉绿岩及花岗岩、5kg的辉绿岩粉及玄武岩粉、3kg的黄铁矿、2kg的石墨及4kg的SBS改性沥青为原材料制作而成；N型热电沥青混凝土6以86kg的辉绿岩及花岗岩、5kg的辉绿岩粉及玄武岩粉、3kg的方铅石、2kg的石墨及4kg的胶粉改性沥青为原材料制作而成；
所述辉绿岩及花岗岩的粒径为0.075～19mm；
所述黄铁矿及方铅矿的细度均为200～325目；
所述辉绿岩粉及玄武岩粉的粒径小于0.075mm。。
所述集料还可以为花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩中的一种或几种按任意比例的混合物。
所述矿粉还可以为花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉中的一种或几种按任意比例的混合物。
上述实施例的热电沥青混凝土的制备方法：将集料、矿粉和沥青在拌和机中进行搅拌至均匀，再加入热电材料和导电材料搅拌至均匀即可。应用时将拌和完毕的热电沥青混凝土运输到施工现场，利用摊铺机进行摊铺、碾压。
性能测试：
为了验证上述实施例的性能，将上述实施例中的热电沥青混凝土制备成AC-13沥青混凝土，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行发电路面的相关性能试验，本发明不限于AC-13，还适用于制备成GAC、OGFC、SMA类型，试验所采用的AC-13型混凝土级配如表1，黄铁矿及方铅石的基本性能参数见表2及表3。
表1
表2
| 名称 | 化学成分 | 硬度 | 相对密度 | 热电系数 |
| 黄铁矿 | FeS2 | 6～6.5 | 4.9～5.2 | 180～480 |
表3
| 名称 | 化学成分 | 硬度 | 相对密度 | 热电系数 |
| 方铅矿 | PbS | 2.5 | 7.4～7.5 | -200 |
(1)高温稳定性：
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行高温性能测试，结果如表4所示：
表4
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| DS(次／mm) | 5625 | 5689 | 7389 | 6948 | 6735 | 5969 | 5742 |
从表3可以明显看出，热电沥青混凝土具有较好的高温稳定性，远满足《沥青路面施工技术规范》对沥青混凝土高温稳定性的要求。
(2)水稳性：
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行水稳性能测试，如表5所示。
表5
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| MS(％) | 84.2 | 85.4 | 94.2 | 91.3 | 89.1 | 87.5 | 86.7 |
| TSR(％) | 85.2 | 86.4 | 93.9 | 91.4 | 90.8 | 90.7 | 87.3 |
从表5可以明显看出，热电沥青混凝土具有较好的低温抗裂性，远满足《沥青路面施工技术规范》中水稳定性MS大于80％和TSR大于75％的耐久性的要求。
(3)热电性能：
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)成型发电沥青混凝土车辙板，在太阳辐射下进行温度试验，并研究其热电性能，温度试验结果如表6所示，热电转换实验结果如表7所示。
表6
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 表层温度 | 58.2 | 57.8 | 59.1 | 56.7 | 58.9 | 56.9 | 57.3 |
| 下层温度 | 37.6 | 38.4 | 38.7 | 39.1 | 37.9 | 39.5 | 38.5 |
| 温差 | 20.6 | 19.4 | 20.4 | 17.6 | 21.0 | 17.4 | 18.8 |
表7
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 电压(mV) | 621 | 658 | 868 | 756 | 744 | 694 | 672 |
通过对热电沥青混凝土在太阳辐射下的温度试验，对路面表层温度和下层温度进行记录总结，并分析其热电转换结果，测试其热电转换直流电压在600mV～900mV，热电转换效果明显，电压为可收集范围内。
Claims (8)
1.一种热电沥青混凝土，其特征在于，以按质量百分比为83～90％集料、4～6％的矿粉、2～4％热电材料、1～2％的导电材料及3～5％的沥青为原材料制备而成；
当所述热电沥青混凝土为P型热电沥青混凝土(5)时，热电材料为黄铁矿；
当所述热电沥青混凝土为N型热电沥青混凝土(6)时，热电材料为方铅矿；
所述集料为花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩中的一种或几种按任意比例的混合物；
所述矿粉为花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉中的一种或几种按任意比例的混合物。
2.根据权利要求1所述的热电沥青混凝土，其特征在于，
所述集料的粒径为0.075～19mm；
所述黄铁矿及方铅矿的细度均为200～325目；
所述矿粉的粒径小于0.075mm。
3.根据权利要求1所述的热电沥青混凝土，其特征在于，所述沥青为采用SBS改性沥青、道路石油沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青或胶粉改性沥青中的一种。
4.一种基于热电沥青混凝土的发电路面，基于权利要求1所述的混凝土，其特征在于，包括表面热供应源沥青混凝土层(1)、发电沥青混凝土层(2)、蓄电池(4)、电能收集装置(3)及若干导电金属丝(7)；
所述发电沥青混凝土层(2)的上表面与表面热供应源沥青混凝土层(1)的下表面相接触，发电沥青混凝土层(2)包括若干P型热电沥青混凝土(5)及若干N型热电沥青混凝土(6)，P型热电沥青混凝土(5)的侧面与N型热电沥青混凝土(6)的侧面相接触，导电金属丝(7)一端分别插入于P型热电沥青混凝土(5)及N型热电沥青混凝土(6)内，电能收集装置(3)的输入端分别与导电金属丝(7)的另一端相连接，电能收集装置(3)的输出端与蓄电池(4)的输入端相连接。
5.根据权利要求4所述的基于热电沥青混凝土的发电路面，其特征在于，
所述P型热电沥青混凝土(5)的形状为条状；
所述N型热电沥青混凝土(6)的形状为条状。
6.根据权利要求4所述的基于热电沥青混凝土的发电路面，其特征在于，所述N型热电沥青混凝土(6)与P型热电沥青混凝土(5)的数目相同，且N型热电沥青混凝土(6)与P型热电沥青混凝土(5)相间分布。
7.根据权利要求4所述的基于热电沥青混凝土的发电路面，其特征在于，所述表面热供应源沥青混凝土层(1)的厚度与发电沥青混凝土层(2)的厚度之比为1：2。
8.根据权利要求4所述的基于热电沥青混凝土的发电路面，其特征在于，所述表面热供应源沥青混凝土层(1)采用导电沥青混凝土制作而成。
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