技术摘要：
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 全部
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。
技术实现要素：
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： 5 CN 111581847 A 说 明 书 2/6 页 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TH、埋设位置处冷端温度TC以及埋设位置处道路材料的模量Er； 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(σA)、Seebeck系数(SA)、热导率(κA)和模量(EA)；材料B的电导率 (σB)、Seebeck系数(SB)、热导率(κB)和模量(EB)； 第三步：A/B埋入式热电器件发电效率η和模量E高通量计算 1)发电效率η和模量E的构建 材料A厚度为dA、材料B厚度为dB、A层占比a＝dA/(dA dB)，结合材料A和材料B的电热 输运性质，则垂直和平行层方向的输运性质σ//，σ⊥，S//，S⊥，κ//，κ⊥分别表述为： σ//＝(1-a)σA aσB，σ⊥＝σAσB/[aσA (1-a)σB] (1) S//＝[(1-a)SAσA aSBσB]/[(1-a)σA aσB] (2) S⊥＝[(1-a)SAκB aSBκA)]/[(1-a)κB aκA) (3) κ//＝(1-a)κA aκB，κ⊥＝κAκB/[aκA (1-a)κB] (4) 材料A和材料B的界面与A/B埋入式热电器件底面的倾斜角为θ，A/B埋入式热电器 件电阻率ρ、Seebeck系数S、热导率κ均用二阶张量[M]来表述为： A/B埋入式热电器件沿x-x方向电阻率ρxx、x-x方向电导率σxx、x-z方向Seebeck系 数Szx和z-z方向热导率κzz表述为： ρ ＝ρ cos2θ ρ sin2xx // ⊥ θ (6) σxx＝σ//σ⊥/[σ⊥cos2θ σ//sin2θ] (7) Szx＝(S//-S⊥)sinθcosθ (8) κ 2 2zz＝κ//sinθ κ⊥cosθ (9) 此时，A/B埋入式热电器件的热电优值用Zzx值来表述为： Zzx＝σ 2xxSzx /κzz (10) 则由式1、2、3、4、5、6、7、8、9和10可得Zzx关于A材料电输运性质、B材料电输运性质、 a和θ的函数； 当A/B埋入式热电器件热端温度为TH、冷端温度为TC时，A/B埋入式热电器件发电效 率η为： 其中， 设定A/B埋入式热电器件长度为l、宽度为w、厚度为h、材料A的层数为N，材料B的层 数为M，则A/B埋入式热电器件模量E表述为： E＝(EA×VA EB×VB)/(VA VB) (12) 6 CN 111581847 A 说 明 书 3/6 页 其中， VA为N层材料A的体积之和，VB为M层材料B的体积之和； 2)A/B埋入式热电器件发电效率η和模量E的计算 以材料A层占比a和倾斜角θ为变量，设定变量范围和计算步长，得到关于a和θ的发 电效率η的性能库； 以材料A层占比a、倾斜角θ、长度l、宽度w、厚度h、材料A的层数N，材料B的层数M为 变量，设定变量范围和计算步长，得到关于a、θ、l、w、h、N、M的模量E的性能库； 第四步：A/B埋入式热电器件几何构造确定 将A/B埋入式热电器件模量E的性能库与选定道路的埋设位置处道路材料的模量 Er进行模量匹配，生成A/B埋入式热电器件基因库，然后搜索基因库中发电效率最大值ηmax， 即可得到适用于发电路面的高发电效率埋入式热电器件。 优选的方案，第一步中，收集和实测选定道路的路温和气象资料，采用回归分析方 法，对路面温度场分布进行解析，确定埋设位置，同时结合抽芯取样和单轴压缩试验，确定 埋设位置处的道路材料模量Er。 优选的方案，第二步中，材料A选自有机高分子材料及其复合材料中任意一种，材 料B选自金属材料和无机非金属材料中的任意一种，且|SA-SB|/|SA|>50％。 优选的方案，第三步中，发电效率η和模量E的计算使用Matlab编程实现，具体过程 为： 输入材料A和材料B电热输运性质数据，包括材料A的电导率(σA)、Seebeck系数(SA) 和热导率(κA)；材料B的电导率(σB)、Seebeck系数(SB)和热导率(κB)； A/B埋入式热电器件的工况：热端温度TH、冷端温度TC； 发电效率η具体计算过程为： 以材料A层占比a和倾斜角θ为变量； 变量范围：a＝0.01～1，θ＝1～89°， 计算步长：Δa＝0.01，Δθ＝0.01°； 以a＝0.01，θ＝1°为初始点，结合式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、 (10)和(11)，得出对应的发电效率；再根据计算步长，得到关于a和θ的发电效率η的性能库； 模量E具体计算过程为： 以材料A层占比a、倾斜角θ、长度l、宽度w、厚度h、材料A的层数N，材料B的层数M为 变量； 变量范围：a＝0.01～1，θ＝1～89°，l＝1～100，w＝1～100，h＝1～100，N＝5～ 100，M＝5～100； 计算步长：Δa＝0.01，Δθ＝0.01°，Δl＝1，Δw＝1，Δh＝1，ΔN＝5，ΔM＝5； 以a＝0.01，θ＝1°,l＝1，w＝1，h＝1，N＝5，M＝5为初始点，结合式12、13和14，得出 7 CN 111581847 A 说 明 书 4/6 页 对应的模量；再根据计算步长，得到关于a、θ、l、w、h、N、M的模量E的性能库。 优选的方案，第四步中，将A/B埋入式热电器件模量E的性能库与选定道路的埋设 位置处道路材料的模量Er进行模量匹配，当|E-Er|/Er<1％时，即认为满足模量匹配要求，生 成A/B埋入式热电器件基因库；然后对基因库中发电效率η进行寻优，得到满足模量匹配要 求下的发电效率最大值ηmax；最终得到与选定道路匹配的高发电效率A/B埋入式热电器件以 及相对应的几何构造(a、θ、l、w、h、N、M)、发电效率ηmax和模量E。 本发明还提供了一种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A/B埋入式热电器件，A/B埋入式热电器件通过导线 与蓄电池相连。 优选的方案，所述A/B埋入式热电器件的厚度为1mm～30mm。 本发明的优势在于： 本发明以倾斜交替堆垛排列的不同异质材料形成的人造倾斜叠层结构热电器件 作为埋入式热电器件，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 计埋入式热电器件中的异质材料的组成和几何构造，协同调控埋入式热电器件的发电效率 和模量，不仅实现埋入式热电器件的高发电效率，还能耦合道路材料模量，实现与路面匹 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 电效率和模量匹配优异的埋入式热电发电路面。 附图说明 图1是本发明的埋入式热电发电路面结构示意图；图中：1为A/B埋入式热电器件；2 为面层；3为基层；4为土基；5为蓄电池。 图2是本发明的A/B埋入式热电器件结构示意图；图中：101为材料A；102为材料B。 图3是A/B埋入式热电器件设计流程示意图。
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 全部
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。
技术实现要素：
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： 5 CN 111581847 A 说 明 书 2/6 页 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TH、埋设位置处冷端温度TC以及埋设位置处道路材料的模量Er； 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(σA)、Seebeck系数(SA)、热导率(κA)和模量(EA)；材料B的电导率 (σB)、Seebeck系数(SB)、热导率(κB)和模量(EB)； 第三步：A/B埋入式热电器件发电效率η和模量E高通量计算 1)发电效率η和模量E的构建 材料A厚度为dA、材料B厚度为dB、A层占比a＝dA/(dA dB)，结合材料A和材料B的电热 输运性质，则垂直和平行层方向的输运性质σ//，σ⊥，S//，S⊥，κ//，κ⊥分别表述为： σ//＝(1-a)σA aσB，σ⊥＝σAσB/[aσA (1-a)σB] (1) S//＝[(1-a)SAσA aSBσB]/[(1-a)σA aσB] (2) S⊥＝[(1-a)SAκB aSBκA)]/[(1-a)κB aκA) (3) κ//＝(1-a)κA aκB，κ⊥＝κAκB/[aκA (1-a)κB] (4) 材料A和材料B的界面与A/B埋入式热电器件底面的倾斜角为θ，A/B埋入式热电器 件电阻率ρ、Seebeck系数S、热导率κ均用二阶张量[M]来表述为： A/B埋入式热电器件沿x-x方向电阻率ρxx、x-x方向电导率σxx、x-z方向Seebeck系 数Szx和z-z方向热导率κzz表述为： ρ ＝ρ cos2θ ρ sin2xx // ⊥ θ (6) σxx＝σ//σ⊥/[σ⊥cos2θ σ//sin2θ] (7) Szx＝(S//-S⊥)sinθcosθ (8) κ 2 2zz＝κ//sinθ κ⊥cosθ (9) 此时，A/B埋入式热电器件的热电优值用Zzx值来表述为： Zzx＝σ 2xxSzx /κzz (10) 则由式1、2、3、4、5、6、7、8、9和10可得Zzx关于A材料电输运性质、B材料电输运性质、 a和θ的函数； 当A/B埋入式热电器件热端温度为TH、冷端温度为TC时，A/B埋入式热电器件发电效 率η为： 其中， 设定A/B埋入式热电器件长度为l、宽度为w、厚度为h、材料A的层数为N，材料B的层 数为M，则A/B埋入式热电器件模量E表述为： E＝(EA×VA EB×VB)/(VA VB) (12) 6 CN 111581847 A 说 明 书 3/6 页 其中， VA为N层材料A的体积之和，VB为M层材料B的体积之和； 2)A/B埋入式热电器件发电效率η和模量E的计算 以材料A层占比a和倾斜角θ为变量，设定变量范围和计算步长，得到关于a和θ的发 电效率η的性能库； 以材料A层占比a、倾斜角θ、长度l、宽度w、厚度h、材料A的层数N，材料B的层数M为 变量，设定变量范围和计算步长，得到关于a、θ、l、w、h、N、M的模量E的性能库； 第四步：A/B埋入式热电器件几何构造确定 将A/B埋入式热电器件模量E的性能库与选定道路的埋设位置处道路材料的模量 Er进行模量匹配，生成A/B埋入式热电器件基因库，然后搜索基因库中发电效率最大值ηmax， 即可得到适用于发电路面的高发电效率埋入式热电器件。 优选的方案，第一步中，收集和实测选定道路的路温和气象资料，采用回归分析方 法，对路面温度场分布进行解析，确定埋设位置，同时结合抽芯取样和单轴压缩试验，确定 埋设位置处的道路材料模量Er。 优选的方案，第二步中，材料A选自有机高分子材料及其复合材料中任意一种，材 料B选自金属材料和无机非金属材料中的任意一种，且|SA-SB|/|SA|>50％。 优选的方案，第三步中，发电效率η和模量E的计算使用Matlab编程实现，具体过程 为： 输入材料A和材料B电热输运性质数据，包括材料A的电导率(σA)、Seebeck系数(SA) 和热导率(κA)；材料B的电导率(σB)、Seebeck系数(SB)和热导率(κB)； A/B埋入式热电器件的工况：热端温度TH、冷端温度TC； 发电效率η具体计算过程为： 以材料A层占比a和倾斜角θ为变量； 变量范围：a＝0.01～1，θ＝1～89°， 计算步长：Δa＝0.01，Δθ＝0.01°； 以a＝0.01，θ＝1°为初始点，结合式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、 (10)和(11)，得出对应的发电效率；再根据计算步长，得到关于a和θ的发电效率η的性能库； 模量E具体计算过程为： 以材料A层占比a、倾斜角θ、长度l、宽度w、厚度h、材料A的层数N，材料B的层数M为 变量； 变量范围：a＝0.01～1，θ＝1～89°，l＝1～100，w＝1～100，h＝1～100，N＝5～ 100，M＝5～100； 计算步长：Δa＝0.01，Δθ＝0.01°，Δl＝1，Δw＝1，Δh＝1，ΔN＝5，ΔM＝5； 以a＝0.01，θ＝1°,l＝1，w＝1，h＝1，N＝5，M＝5为初始点，结合式12、13和14，得出 7 CN 111581847 A 说 明 书 4/6 页 对应的模量；再根据计算步长，得到关于a、θ、l、w、h、N、M的模量E的性能库。 优选的方案，第四步中，将A/B埋入式热电器件模量E的性能库与选定道路的埋设 位置处道路材料的模量Er进行模量匹配，当|E-Er|/Er<1％时，即认为满足模量匹配要求，生 成A/B埋入式热电器件基因库；然后对基因库中发电效率η进行寻优，得到满足模量匹配要 求下的发电效率最大值ηmax；最终得到与选定道路匹配的高发电效率A/B埋入式热电器件以 及相对应的几何构造(a、θ、l、w、h、N、M)、发电效率ηmax和模量E。 本发明还提供了一种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A/B埋入式热电器件，A/B埋入式热电器件通过导线 与蓄电池相连。 优选的方案，所述A/B埋入式热电器件的厚度为1mm～30mm。 本发明的优势在于： 本发明以倾斜交替堆垛排列的不同异质材料形成的人造倾斜叠层结构热电器件 作为埋入式热电器件，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 计埋入式热电器件中的异质材料的组成和几何构造，协同调控埋入式热电器件的发电效率 和模量，不仅实现埋入式热电器件的高发电效率，还能耦合道路材料模量，实现与路面匹 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 电效率和模量匹配优异的埋入式热电发电路面。 附图说明 图1是本发明的埋入式热电发电路面结构示意图；图中：1为A/B埋入式热电器件；2 为面层；3为基层；4为土基；5为蓄电池。 图2是本发明的A/B埋入式热电器件结构示意图；图中：101为材料A；102为材料B。 图3是A/B埋入式热电器件设计流程示意图。
