竞赛小组：载运工具运用工程、道路与铁道工程及其它
太阳能温差发电节能路灯
作者：杨忠远,金天澍,黄益槐,龚杰文,章逸媚
指导老师：赵旭飞 彭樟林
（浙江农林大学 暨阳学院 诸暨311800）
摘要：近年来,随着现代化经济的迅速发展,人类生产和生活对能源的需求也越来越大。目前世界上最主要利用的能源是电能，而路灯消耗的电能占公共交通所耗总电能的很大的比例。为了解决路灯耗电量较大的问题，我们小组设计了复合型太阳能温差发电节能路灯。该产品利用两种独立的发电系统，半导体温差发电系统利用沥青集热，锥型导热器散热，解决了温差发电可行性低，发电量少的困难，使得路灯能够完全自主供电。充分合理的利用绿色环保能源，缓解了能源紧迫问题。真正实现了“全自动，低碳环保，节能减排”。
关键词： 太阳能；温差；半导体
The street lamp of solar temperature difference power generation
Abstract: With the rapid development of modern economy, the energy demand of human production and life is more and more stringent in recent years. Currently, the world's most important power is electricity . Electric energy consumption of street lamp takes up a great proportion in the electric energy consumption of public transportation. our group designed the energy-saving street lamp of compound solar temperature difference power generation to solve the problem of the high electric energy consumption of street lamp. The product has two sets of independent power generation systems. The semiconductor temperature difference power generation system collects heat by pitch and it dissipates heat by the conical heat conduction equipment to solve the problems of low feasibility and low-yielding of power generation. The solar power generation as a supplemental system can supply electricity to street lamp fully self-sufficiently. Full and reasonable using of the green environmental protection sources of energy relieves urgent energy problem. It realize the aim of full-automation, low-carbon environmental protection and energy-saving emission reduction.
Keywords: solar energy,Temperature difference,semiconductor
1.前言
1.1研究背景
近年来，人类生产和生活对电能的需求越来越大，电能主要是由化石燃料等间接转化而来，然而化石燃料是不可再生能源。因此全世界对是清洁、环境友好型能源倍加关注。太阳能作为一种储量丰富、绿色环保的能源，通过各种转化方式可以将其转换为电能，从而缓解化石能源面临的枯竭的现状和温室效应等。温差能是一种储能丰富，随处可见的能源。温差发电技术可以将温差能转化为电能。将温差发电技术和太阳能光伏发电技术相结合可以提高太阳辐射能转化为电能的效率。国内外利用的路灯按光源分为钠灯路灯，LED路灯，节能路灯。按供电方式分为市电，太阳能，风光互补路灯，而太阳能温差复合型路灯一直没有出现。
2.理论模型
2.1沥青路面集热数学模型
沥青路面温度场模型采用同济大学秦健、孙立军等采用回归方法提出的沥青路面温度预估模型
tH=a+b•tan+cQn+d•H
tH为沥青路面结构某一深度的温度，单位，℃；tan为n小时的平均气温，单位，℃；Qn为n小时平均太阳辐射强度，单位，kw/m2；H为深度，单位，cm；a,b,c,d为回归系数。
2.2半导体温差发电数学模型
根据塞贝克效应,当温差发电组件两端温差为△T=(Th一Tc)时,在回路中产生的温差
电动势U=αm△T,此电动势一部分施加到TEG自身的内阻 Rm ,而另一部分则施加在外部
负载电阻 RL 上,因此加在负载电阻上的电压即为温差发电系统的输出电压 U 0和回路电流 I0分别为:
U0=αm（Th-Tc）RL/（Rm+RL）
I0=αm（Th-Tc）/（Rm+RL）
a=an,为半导体器件总的赛贝克系数,单位,V/K；Th、Tc。为热端和冷端温度，单位，
K；K为半导体器件总的导热系数,，单位，W/K；I为回路电流，单位， A；R为半导体器件的内阻，单位，Ω；
2.3锥形导热器数学模型
根据圆锥形除掉底面面积的表面积公式S=1/2LR可得到导热锥的接触面积。导热锥的实际导热过程为非稳态导热过程，但为了近似估算导热量，采用稳态导热问题近似解。
得导热锥的热流密度
qAt=λ(th-tH)/d=△t1/(d/λ)
式中：qAt为导热锥热流密度；λ为导热锥系数；d为导热锥厚度。
3装置各部件的设计
小组设计了复合型太阳能温差发电节能路灯。该产品利用两种独立的发电系统，半导体温差发电系统利用沥青集热，锥型导热器散热。该装置的控制系统框图如图3-1。利用该控制系统可以实现完全自主供电。在该控制系统的基础上，对各部件进行了设计，该装置各部件的设计如图3-2。
图3-1太阳能温差发电节能路灯系统框架图 图3-2太阳能温差发电节能路灯示意图 该装置的结构原理如下：
1）路灯运行模式：
通过灯柱顶端光敏电阻，可以使路灯在自然光线不足的情况下自动亮起，在自然光线充足的情况下会自动关闭，当它通过高低电频电信号传导给配电箱，配电箱会自动接通电路并配合多种检测模块，开关模块，集成单片机，通过检测分支供电情况对路灯进行选择性供电，因温差分支供电可能存在正负极交换，故配电箱利用换极开关，优化电路，同时配电箱还连着外接电源，以备紧急供电。
当配电箱识别到光伏温差复合供电系统能正常给路灯供电，配电箱会将高度集成的温差、光伏发电装置接入电路，让照明系统工作。当配电箱识别到光伏温差复合供电系统供电过剩，配电箱会自动将高性能蓄电池接入干路进行充电，当充电结束时会自动断开支路。当配电箱检测到温差光伏供电系统不可用，配电箱会自动切换到蓄电池或者外界电源供电。
2）供电运行模式
当路表温度较高时，热量通过沥青路面传导到温差发电片，温差发电片的另一面与导热金属相连导致两极产生温差产生电动势。在灯柱上，光伏发电板吸收太阳能进行供
电。
4.子系统的具体分析
4.1太阳能集热系统
通过收集资料，数据分析和在实验室做实验发现，使用导热型沥青混凝土集热板，其规格为400mm*400mm*75mm。从上到下各层厚度依次为：乳化沥青混凝土封层10mm，导热型沥青混凝土层60mm，导热铝片层5mm隔热层5mm。乳化沥青混凝土封层的配比集料：SBS改性乳化沥青：矿粉：水：外加剂=100：10：1：8：0.3。导热型沥青混凝土的比例为：粗集料54%，细集料26%，沥青6.5%，石墨粉9%，碳纤维1%，矿粉3.5%。导热铝片厚度和隔热材料层厚度均为10mm。且在保证沥青混凝土路面性能前提下可以将导热性填料代替矿粉12%，还可以将石墨的掺量增至到22%，其导热系数能大大增加，使集热效果更加好。
图4-1太阳能集热系统示意图
4.2热电转化装置
热电转化系统主要由集热器、半导体温差发电模块和锥型导热器组成，然后半导体温差发电片利用两端的温差产生电能并将电能传给配电箱，配电箱自动分配给路灯照明或者给蓄电池供电。
图4-2热电转化系统示意图
其形状呈圆锥形，能方便插入地下，增加与地下泥土，石块的接触面积，具有良好的导热能力和散热能力，也为冷端创造稳定低温的环境。
利用掺入石墨等导热性填料的导热型沥青混凝土层收集太阳能，使路面热力学能增加Qg，导致设于导热铝片下的半导体温差发电片热端温度上升，铝片热端与锥型导热器冷端形成温差△T，从而在温差发电片的两侧形成温差，引起电压的产生，随着温差的增大，电压逐渐增大，将路面采集的热量转化为直接使用的电能。
为了减小模块与导热铝板的接触热阻,并使热量在模块的冷热面均匀,用无水酒精将模块表面以及与其接触的集热板和散热板表面擦干净,再在接触面上均匀的涂抹一层薄导热硅脂层,此时应避免导热硅脂流进模块四周。利用绝热橡胶垫使发电模块周围保温和固定发电组件,每两块发电模块之间留有40 mm的间隙,便于发电模块引出线的连接。采用6片温差发电片串联连接，发电片外形尺寸为40 mm *40 mm * 4.18 mm，共有127对PN结，单级半导体材料为锑化铋,最高使用温度为250℃。发电片布设在沥青混凝土试样一侧铝片下方，并在发电片上下两面都涂抹了一定量导热硅脂以增强导热，发电片冷端与散热片相粘合，以增强冷端散热。
导热铝片埋置于沥青路而中，表面形成氧化铝的铝片性质稳定，不容易被腐蚀。能够加速沥青混凝土内的热量转移，通过将沥青混凝土内热量转移至温差发电片，使沥青混凝土在升温过程中，内部温度上升减缓，降温过程中，降温变快，从而减少由温度梯度引起沥青路面的热应力破坏，提高路面结构受温差影响的耐久性和使用性能。同时缓解城市热岛效应。
4.3光伏系统
光伏发电系统是由太阳能发电板，储电装置组成的一种供电系统，其作用是能把光能转化成电能存储起来，供照明系统使用。
4.3.1电源控制模块
电源控制模块是用于处理、利用光伏板所发的电能。其将光伏板产生的不稳定，不纯净的电能，转化为纯净的，稳定的电能，并将电能存储到蓄电池，其可防止电流倒流，反电动势破坏太阳能板，更提高了蓄电池的稳定性，储电性，以及寿命。我们采用双DC-DC稳压模块控制电流电压，对电路起了双重保护。
4.3.2蓄电池组
在光伏发电系统中,免维护铅蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。由于光伏系统的功率输出每天都在变化,在日照不足发电很少或需要维修光伏板时，蓄电池也能够提供相对稳定的电能，维持照明系统的正常工作。我们采用多组12v高性能蓄电池，保障照明系统的续航能力。
4.3.3太阳能发电板
太阳能发电板是光伏系统的核心部件，其直接决定了光伏系统的性能，左右着光伏系统发电能力，由于光线等各种因素的影响，导致太阳能发电板产生的电动势不稳定，
故其需要配合电源模块使用，才能发挥光伏系统的功能。我们采用JJ-25D型号的太阳能板，其在光线充足的情况下，效率能达到18%，为光伏系统奠定了能源保障。
4.4创新点对比
1） 与传统路灯相比，采用自给自足的供电方式。这不仅符合交通和谐，更符合能源和谐。
2）夏天时沥青路表温度远高于地下温度，温差发电片能产生较大的温差电动势，同样地在冬天路表温度低于地下温度，温差发电片也能产生电动势，不受季节限制。
3） 与光伏路灯相比，拥有更高的供电效率。
4） 该设计利用光敏三极管，昼夜自动续电，免操控免维护，自动切换电源的特点，为人们生活带来了便利。
5 总结
本装置不但符合节能减排、绿色环保、安全智能的特点，而且每一个都是独立的个体，不存在供电混乱或集体罢工。利用温差发电片供电的稳定性，我们可以保证其正常供电，而光伏供电系统则一方面补偿路灯消耗电能，另一方面给蓄电池供电。通过能量守恒定理，该装置的发电效率一定比单温差或者单光伏的发电效率高。
参考文献
[1]陈昌送，段善旭，殷进军.基于神经网络的光伏陈列发电预测模型的设计[J].电工技术学报，2009，24（9）：153-158.
[2]李军，许继生，王生渊，等.一种并网型光伏电站光功率及发电量预测的方法[J].青海电力，2010，29（2）：18-20.
[3]胡甫才、沥青路面温差发电系统设计分析与试验研究 [J].武汉理工大学学报2014.08
[4]卢静，翟海清.光伏发电功率预测统计方法研究[J].华东电力，2010，28（4）：0563-0567.
[5]秦 健，孙立军.沥青路面温度场的分布规律[J].公路交通科技，2006，23（8）：18-21.
竞赛小组：载运工具运用工程、道路与铁道工程及其它
太阳能温差发电节能路灯
作者：杨忠远,金天澍,黄益槐,龚杰文,章逸媚
指导老师：赵旭飞 彭樟林
（浙江农林大学 暨阳学院 诸暨311800）
摘要：近年来,随着现代化经济的迅速发展,人类生产和生活对能源的需求也越来越大。目前世界上最主要利用的能源是电能，而路灯消耗的电能占公共交通所耗总电能的很大的比例。为了解决路灯耗电量较大的问题，我们小组设计了复合型太阳能温差发电节能路灯。该产品利用两种独立的发电系统，半导体温差发电系统利用沥青集热，锥型导热器散热，解决了温差发电可行性低，发电量少的困难，使得路灯能够完全自主供电。充分合理的利用绿色环保能源，缓解了能源紧迫问题。真正实现了“全自动，低碳环保，节能减排”。
关键词： 太阳能；温差；半导体
The street lamp of solar temperature difference power generation
Abstract: With the rapid development of modern economy, the energy demand of human production and life is more and more stringent in recent years. Currently, the world's most important power is electricity . Electric energy consumption of street lamp takes up a great proportion in the electric energy consumption of public transportation. our group designed the energy-saving street lamp of compound solar temperature difference power generation to solve the problem of the high electric energy consumption of street lamp. The product has two sets of independent power generation systems. The semiconductor temperature difference power generation system collects heat by pitch and it dissipates heat by the conical heat conduction equipment to solve the problems of low feasibility and low-yielding of power generation. The solar power generation as a supplemental system can supply electricity to street lamp fully self-sufficiently. Full and reasonable using of the green environmental protection sources of energy relieves urgent energy problem. It realize the aim of full-automation, low-carbon environmental protection and energy-saving emission reduction.
Keywords: solar energy,Temperature difference,semiconductor
1.前言
1.1研究背景
近年来，人类生产和生活对电能的需求越来越大，电能主要是由化石燃料等间接转化而来，然而化石燃料是不可再生能源。因此全世界对是清洁、环境友好型能源倍加关注。太阳能作为一种储量丰富、绿色环保的能源，通过各种转化方式可以将其转换为电能，从而缓解化石能源面临的枯竭的现状和温室效应等。温差能是一种储能丰富，随处可见的能源。温差发电技术可以将温差能转化为电能。将温差发电技术和太阳能光伏发电技术相结合可以提高太阳辐射能转化为电能的效率。国内外利用的路灯按光源分为钠灯路灯，LED路灯，节能路灯。按供电方式分为市电，太阳能，风光互补路灯，而太阳能温差复合型路灯一直没有出现。
2.理论模型
2.1沥青路面集热数学模型
沥青路面温度场模型采用同济大学秦健、孙立军等采用回归方法提出的沥青路面温度预估模型
tH=a+b•tan+cQn+d•H
tH为沥青路面结构某一深度的温度，单位，℃；tan为n小时的平均气温，单位，℃；Qn为n小时平均太阳辐射强度，单位，kw/m2；H为深度，单位，cm；a,b,c,d为回归系数。
2.2半导体温差发电数学模型
根据塞贝克效应,当温差发电组件两端温差为△T=(Th一Tc)时,在回路中产生的温差
电动势U=αm△T,此电动势一部分施加到TEG自身的内阻 Rm ,而另一部分则施加在外部
负载电阻 RL 上,因此加在负载电阻上的电压即为温差发电系统的输出电压 U 0和回路电流 I0分别为:
U0=αm（Th-Tc）RL/（Rm+RL）
I0=αm（Th-Tc）/（Rm+RL）
a=an,为半导体器件总的赛贝克系数,单位,V/K；Th、Tc。为热端和冷端温度，单位，
K；K为半导体器件总的导热系数,，单位，W/K；I为回路电流，单位， A；R为半导体器件的内阻，单位，Ω；
2.3锥形导热器数学模型
根据圆锥形除掉底面面积的表面积公式S=1/2LR可得到导热锥的接触面积。导热锥的实际导热过程为非稳态导热过程，但为了近似估算导热量，采用稳态导热问题近似解。
得导热锥的热流密度
qAt=λ(th-tH)/d=△t1/(d/λ)
式中：qAt为导热锥热流密度；λ为导热锥系数；d为导热锥厚度。
3装置各部件的设计
小组设计了复合型太阳能温差发电节能路灯。该产品利用两种独立的发电系统，半导体温差发电系统利用沥青集热，锥型导热器散热。该装置的控制系统框图如图3-1。利用该控制系统可以实现完全自主供电。在该控制系统的基础上，对各部件进行了设计，该装置各部件的设计如图3-2。
图3-1太阳能温差发电节能路灯系统框架图 图3-2太阳能温差发电节能路灯示意图 该装置的结构原理如下：
1）路灯运行模式：
通过灯柱顶端光敏电阻，可以使路灯在自然光线不足的情况下自动亮起，在自然光线充足的情况下会自动关闭，当它通过高低电频电信号传导给配电箱，配电箱会自动接通电路并配合多种检测模块，开关模块，集成单片机，通过检测分支供电情况对路灯进行选择性供电，因温差分支供电可能存在正负极交换，故配电箱利用换极开关，优化电路，同时配电箱还连着外接电源，以备紧急供电。
当配电箱识别到光伏温差复合供电系统能正常给路灯供电，配电箱会将高度集成的温差、光伏发电装置接入电路，让照明系统工作。当配电箱识别到光伏温差复合供电系统供电过剩，配电箱会自动将高性能蓄电池接入干路进行充电，当充电结束时会自动断开支路。当配电箱检测到温差光伏供电系统不可用，配电箱会自动切换到蓄电池或者外界电源供电。
2）供电运行模式
当路表温度较高时，热量通过沥青路面传导到温差发电片，温差发电片的另一面与导热金属相连导致两极产生温差产生电动势。在灯柱上，光伏发电板吸收太阳能进行供
电。
4.子系统的具体分析
4.1太阳能集热系统
通过收集资料，数据分析和在实验室做实验发现，使用导热型沥青混凝土集热板，其规格为400mm*400mm*75mm。从上到下各层厚度依次为：乳化沥青混凝土封层10mm，导热型沥青混凝土层60mm，导热铝片层5mm隔热层5mm。乳化沥青混凝土封层的配比集料：SBS改性乳化沥青：矿粉：水：外加剂=100：10：1：8：0.3。导热型沥青混凝土的比例为：粗集料54%，细集料26%，沥青6.5%，石墨粉9%，碳纤维1%，矿粉3.5%。导热铝片厚度和隔热材料层厚度均为10mm。且在保证沥青混凝土路面性能前提下可以将导热性填料代替矿粉12%，还可以将石墨的掺量增至到22%，其导热系数能大大增加，使集热效果更加好。
图4-1太阳能集热系统示意图
4.2热电转化装置
热电转化系统主要由集热器、半导体温差发电模块和锥型导热器组成，然后半导体温差发电片利用两端的温差产生电能并将电能传给配电箱，配电箱自动分配给路灯照明或者给蓄电池供电。
图4-2热电转化系统示意图
其形状呈圆锥形，能方便插入地下，增加与地下泥土，石块的接触面积，具有良好的导热能力和散热能力，也为冷端创造稳定低温的环境。
利用掺入石墨等导热性填料的导热型沥青混凝土层收集太阳能，使路面热力学能增加Qg，导致设于导热铝片下的半导体温差发电片热端温度上升，铝片热端与锥型导热器冷端形成温差△T，从而在温差发电片的两侧形成温差，引起电压的产生，随着温差的增大，电压逐渐增大，将路面采集的热量转化为直接使用的电能。
为了减小模块与导热铝板的接触热阻,并使热量在模块的冷热面均匀,用无水酒精将模块表面以及与其接触的集热板和散热板表面擦干净,再在接触面上均匀的涂抹一层薄导热硅脂层,此时应避免导热硅脂流进模块四周。利用绝热橡胶垫使发电模块周围保温和固定发电组件,每两块发电模块之间留有40 mm的间隙,便于发电模块引出线的连接。采用6片温差发电片串联连接，发电片外形尺寸为40 mm *40 mm * 4.18 mm，共有127对PN结，单级半导体材料为锑化铋,最高使用温度为250℃。发电片布设在沥青混凝土试样一侧铝片下方，并在发电片上下两面都涂抹了一定量导热硅脂以增强导热，发电片冷端与散热片相粘合，以增强冷端散热。
导热铝片埋置于沥青路而中，表面形成氧化铝的铝片性质稳定，不容易被腐蚀。能够加速沥青混凝土内的热量转移，通过将沥青混凝土内热量转移至温差发电片，使沥青混凝土在升温过程中，内部温度上升减缓，降温过程中，降温变快，从而减少由温度梯度引起沥青路面的热应力破坏，提高路面结构受温差影响的耐久性和使用性能。同时缓解城市热岛效应。
4.3光伏系统
光伏发电系统是由太阳能发电板，储电装置组成的一种供电系统，其作用是能把光能转化成电能存储起来，供照明系统使用。
4.3.1电源控制模块
电源控制模块是用于处理、利用光伏板所发的电能。其将光伏板产生的不稳定，不纯净的电能，转化为纯净的，稳定的电能，并将电能存储到蓄电池，其可防止电流倒流，反电动势破坏太阳能板，更提高了蓄电池的稳定性，储电性，以及寿命。我们采用双DC-DC稳压模块控制电流电压，对电路起了双重保护。
4.3.2蓄电池组
在光伏发电系统中,免维护铅蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。由于光伏系统的功率输出每天都在变化,在日照不足发电很少或需要维修光伏板时，蓄电池也能够提供相对稳定的电能，维持照明系统的正常工作。我们采用多组12v高性能蓄电池，保障照明系统的续航能力。
4.3.3太阳能发电板
太阳能发电板是光伏系统的核心部件，其直接决定了光伏系统的性能，左右着光伏系统发电能力，由于光线等各种因素的影响，导致太阳能发电板产生的电动势不稳定，
故其需要配合电源模块使用，才能发挥光伏系统的功能。我们采用JJ-25D型号的太阳能板，其在光线充足的情况下，效率能达到18%，为光伏系统奠定了能源保障。
4.4创新点对比
1） 与传统路灯相比，采用自给自足的供电方式。这不仅符合交通和谐，更符合能源和谐。
2）夏天时沥青路表温度远高于地下温度，温差发电片能产生较大的温差电动势，同样地在冬天路表温度低于地下温度，温差发电片也能产生电动势，不受季节限制。
3） 与光伏路灯相比，拥有更高的供电效率。
4） 该设计利用光敏三极管，昼夜自动续电，免操控免维护，自动切换电源的特点，为人们生活带来了便利。
5 总结
本装置不但符合节能减排、绿色环保、安全智能的特点，而且每一个都是独立的个体，不存在供电混乱或集体罢工。利用温差发电片供电的稳定性，我们可以保证其正常供电，而光伏供电系统则一方面补偿路灯消耗电能，另一方面给蓄电池供电。通过能量守恒定理，该装置的发电效率一定比单温差或者单光伏的发电效率高。
参考文献
[1]陈昌送，段善旭，殷进军.基于神经网络的光伏陈列发电预测模型的设计[J].电工技术学报，2009，24（9）：153-158.
[2]李军，许继生，王生渊，等.一种并网型光伏电站光功率及发电量预测的方法[J].青海电力，2010，29（2）：18-20.
[3]胡甫才、沥青路面温差发电系统设计分析与试验研究 [J].武汉理工大学学报2014.08
[4]卢静，翟海清.光伏发电功率预测统计方法研究[J].华东电力，2010，28（4）：0563-0567.
[5]秦 健，孙立军.沥青路面温度场的分布规律[J].公路交通科技，2006，23（8）：18-21.