一种预制装配式光伏热一体化的路面板 |
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| 申请号 | CN202210811011.2 | 申请日 | 2022-07-12 | 公开(公告)号 | CN115198586A | 公开(公告)日 | 2022-10-18 |
| 申请人 | 北京工业大学; | 发明人 | 周波超; 崔奥; 王超; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种预制装配式光伏热一体化的路面板， 自上而下 依次由 钢 化玻璃透 光保护 板、光伏组件、蛇形 铜 管以及ABS塑料 底板 组成。其中，钢化玻璃透光保护板进行表面抗滑处理，并设于ABS塑料底板之上形成封闭空腔；光伏组件设于蛇形铜管上方并封装于密闭空腔；预制单元之间采用企口式接缝设计拼装。该路面施工方法包括：S1：预制构件；S2：固定蛇形铜管；S3：安装光伏组件；S4：将钢化玻璃透光保护板封装于ABS塑料底座上；S5：装配形成整体路面结构。本发明兼具高强度与高能效，且能够缓解因光伏 电池 温度 过高导致的损坏，其装配简单，铺设便捷。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种预制装配式光伏/热一体化路面板，其特征在于：包括钢化玻璃透光保护板(1)、光伏组件(2)、蛇形铜管(3)和ABS塑料底板(4)；钢化玻璃透光保护板(1)设于ABS塑料底板(4)之上，形成透光封闭空腔，所述光伏组件(2)设于蛇形铜管(3)上方并封装于密闭空腔，所述蛇形铜管(3)固定于ABS塑料底板(4)凹槽底部。 |
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| 说明书全文 | 一种预制装配式光伏热一体化的路面板技术领域背景技术[0002] 随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出，交通运输部相应提出推动绿色交通基础设施建设的要求。加快从不可再生能源向可再生能源的转变是实现“双碳”目标的必由之路，也是可持续发展的必然要求。在众多可再生能源中，太阳能由于其分布广、能量大等优势，近些年得到了飞速发展。当前，太阳能在道路领域的应用主要包括两种方式，即集热路面(太阳能→热能)与光伏路面(太阳能→电能)，其中，光伏路面由于其能源品位高受到关注。 [0003] 然而，目前应用最为广泛的单晶硅光伏电池的工程实际转化效率仅为16％至18％，甚至更低，即超过80％的太阳能无法被光伏电池吸收并利用，导致能量浪费的同时，使得光伏组件工作温度高从而发电效率降低，甚至夏季极端天气温度过高时会导致光伏组件不可逆转的损毁。因此，如何解决光伏电池的散热问题，提高光伏路面的发电效率与综合能效成为光伏路面研究的亟待解决的关键技术问题。 发明内容[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种满足路面结构强度需求、可提高综合能效、结构简单、施工便捷的一种预制装配式光伏热一体化的路面结构单元。 [0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案； [0006] 一种预制装配式光伏/热一体化路面结构单元，其特征在于：包括钢化玻璃透光保护板、光伏组件、蛇形铜管和ABS塑料底板。所述钢化玻璃透光保护板设于ABS塑料底板之上，形成透光封闭空腔，所述光伏组件设于蛇形铜管上方并封装于密闭空腔，所述蛇形铜管固定于ABS塑料底板凹槽底部。 [0007] 作为上述方案的进一步改进： [0010] 所述光伏组件与蛇形铜管同时进行电力和热能的收集，以提高整个路面结构单元综合能效。 [0011] 一种基于预制装配式光伏/热一体化路面的施工方法，包括以下步骤： [0012] S1：预制构件：根据施工范围预制好ABS塑料底座和蛇形铜管，对钢化玻璃透光保护板表面进行抗滑处理； [0013] S2：固定蛇形铜管：将蛇形铜管穿过ABS塑料底板侧壁预留定位孔固定； [0014] S3：安装光伏组件：将光伏组件固定于ABS塑料底板凹槽顶部预留定位槽，并将接电线穿过预留穿线孔； [0015] S4：将钢化玻璃透光保护板封装于ABS塑料底座上； [0016] S5：装配形成整体路面结构：采用企口式接缝设计将路面结构单元进行装配形成整体路面结构。 [0017] 作为上述技术方案的进一步改进： [0018] 在步骤1中，所述钢化玻璃透光保护板的表面抗滑处理，采用表面防滑槽预制，或撒布钢化玻璃细渣并使用透光胶结料固定封装于钢化玻璃透光保护板表面。 [0019] 在步骤S5中，所述ABS塑料底座外侧壁两侧分别设有圆柱形榫头与榫眼形成榫卯结构，即将相邻两个路面结构单元的榫卯相合，进行装配形成整体路面结构。 [0020] 与现有技术相比，本发明的优点在于： [0021] 本发明的预制装配式光伏/热一体化路面结构单元具有足够承载能力，能够满足常规交通运输的负载要求，且具备密封性，对光伏组件2进行了全面的保护。 [0022] 本发明的预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的蛇形铜管在夏季高温时通过内部泵入常温水降低了光伏组件工作温度，提高了发电效率，且光伏组件与蛇形铜管同时进行电力和热能的收集，提高了整体的能源利用率。 [0023] 本发明的预制装配式光伏/热一体化路面结构单元整体结构采用最佳性能的中空单元块尺寸，所有部件均在车间内组装完成，提高了施工效率。 [0025] 图1是本发明一种预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的立体结构示意图。 [0026] 图2是本发明一种预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的主视结构示意图。 [0027] 图3是本发明一种预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的俯视结构示意图。 [0028] 图4是本发明一种预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的剖面示意图。 [0029] 图5是本发明一种基于预制装配式光伏/热一体化路面的施工方法的流程图。 [0030] 图中各标号表示： [0031] 1、钢化玻璃透光保护板；2、光伏组件；3、蛇形铜管；4、ABS塑料底板；5、封闭空腔；6、定位槽；7、穿线孔；8、定位孔；9、榫头；10、榫眼。 具体实施方式[0032] 图1至图4示出了本发明的预制装配式光伏/热一体化路面结构单元实施例，该结构单元包括钢化玻璃透光保护板1、光伏组件2、蛇形铜管3和ABS塑料底板4，ABS塑料底板中心设有封闭空腔5，侧壁设有穿线孔7和定位孔8，封闭空腔5顶部设有定位槽6，钢化玻璃透光保护板1盖设于ABS塑料底板4上方，光伏组件2密封装设于定位槽6内，接电线从穿线孔7引出，蛇形铜管3穿过定位孔8固定于封闭空腔5底部。本发明的预制装配式光伏/热一体化路面结构单元具有足够承载能力，能够满足常规交通运输的负载要求，且具备密封性，对光伏太阳能电池板2进行了全面的保护，且所述蛇形铜管在夏季高温时通过内部泵入常温水降低了光伏组件工作温度，提高了发电效率，且光伏组件与蛇形铜管同时进行电力和热能的收集，提高了综合能效，可以实现“结构”与“能效”双目标，具有较大的应用前景。 [0033] 本实施例中，ABS塑料底座4的长、宽均为60cm，底板厚度为6cm，侧壁厚度为10cm，ABS塑料底座4外侧壁上设有用于衔接相邻ABS塑料底座4的榫头9和榫眼10，ABS塑料底座4的榫头9采用企口式接缝插设于相邻ABS塑料底座4的榫眼10中，相邻路面结构单元通过榫头9和榫眼10的插接配合，形成整体的路面结构。本实施例中钢化玻璃透光保护板1的长、宽与ABS塑料底座4的长、宽相等，厚度为19mm，钢化玻璃透光保护板1的表面设有预制防滑槽或撒布钢化玻璃细渣，采用透光胶结料固定封装于钢化玻璃透光保护板1表面，可根据需求选择钢化玻璃透光保护板1的抗滑处理方法。本实施例中光伏组件2采用的薄膜太阳能电池的总尺寸为420mm×420mm×2.5mm，由36个单晶硅太阳能电池片(125mm×19mm)组成，通过ABS塑料底座4侧壁上的穿线孔7将光伏组件2的线缆从封闭空腔5内引出，便于布线和电路安装。本实施例中蛇形铜管在封闭空腔5内部每部分的长度为35cm，外径为1.2cm，壁厚为0.1cm，剩余部分通过ABS塑料底座4侧壁上上的定位孔与蛇形部分相连接，使得整个蛇形铜管3更加稳定。 [0034] 能源效率分析： [0035] 用两个500W卤素灯模拟提供太阳辐射测试本实施例预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的发电效能。用太阳能控制器和蓄电池测试本实施例预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的放电性能，采用发电效率作为评价指标，计算公式如下： [0036] [0037] 式中：为发电效率；为电功率(W)；为ABS塑料底板4的上表面面积(m2)；为入射的太2 阳能辐照强度(W/m)。 [0038] 用水泵和热电偶测试本实施例预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的集热性能，采用热回收效率作为评价指标，计算公式如下： [0039] [0041] 为水的比热容(kJ/kg K)；与分别为循环水出水与进水温度(K)。 [0042] 为了评估预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的整体性能，引入一个新的效率参数，称为一次能源节约效率，计算公式如下: [0043] [0044] 产生总能源的计算公式如下 [0045] Ef＝Eel/ηpower+Eth [0046] 式中：ηf为一次能源节约效率；为常规发电厂的发电效率；与分别为路面结构单元2 输出的电能与热能(W)。根据实测参数与文献调研，ABS塑料底板4的上表面面积为0.36m ， 2 入射的太阳能辐照强度为800W/m ，循环水质量流速m为0.002kg/s，水的比热容为4.2kJ/kg K，常规发电厂的发电效率为0.38。 [0047] 本实施例中开展了两组试验一组是无循环水泵入，另一组是光伏组件2温度超过40℃时，向蛇形铜管3内泵入循环水。两组实验分别对应了普通光伏路面结构单元以及预制装配式光伏/热一体化路面结构单元，对比的目的是可以更直观地观测路面结构单元中的集热模块对光伏电池的降温效果。 [0048] 测试结果：普通光伏路面结构单元的电功率为26.35W，发电效率 [0049] 为9.15％；预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的电功率为28.66W，发电效率为9.95％。普通光伏路面结构单元的进出口水温变化—为10.32℃，热功率为86.688W，热回收效率为30.1％。普通光伏路面结构单元的一次能源节约效率ηf为24.08％，预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的一次能源节约效率ηf为48.6％。结果表明，增加了集热模块的预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的发电效率(9.95％)较未普通光伏路面结构单元的发电效率(9.15％)提高了0.8％，提高幅度为8.74％。这是因为集热模块可以冷却光伏电池，从而弥补其由于工作温度过高而引起的效率损失。另外，预制装配式光伏/热一体化路面结构单元的一次节能节约效率约为普通光伏路面结构单元的2倍。因此，预制装配式光伏/热一体化路面结构单元较普通光伏路面结构单元可以大大提高太阳能的综合利用效率。 [0051] 模拟假设条件为：1、钢化玻璃透光保护板1与ABS塑料底板4顶面之间的层间接触以及ABS塑料底板4底面与基层之间的层间接触是完全连续的；2、ABS塑料底板4与路基被认为是等效均质的；3、将单元结构的块体和透光保护板以及基础视为均匀、连续且各向同性的线性弹性体；4、对路基底面施加全约束，并在垂直地面的四周侧面施加垂直法向约束，ABS塑料底板4的四周侧面不受约束，为自由边；5、不考虑多单元块之间的传荷作用；6、不计路基路面结构自重。 [0052] 荷载模型为BZZ‑100标准轴载荷模型等效为荷载大小为0.7MPa的双圆均布载荷，其中双圆的直径和中心距分别为213mm和319.5mm，施加于单元块体表面的钢化玻璃透光保护板1的中心对称位置。对单元块的网格划实体单元模型采用默认的单元类型C3D8R，层间接触采用面‑面接触方法，单元块网格划分尺寸设置为10mm，基础单元划分采用了由远及近、由深及浅的方式进行逐渐加密。建立模型过程中，材料参数(弹性模量和泊松比)取值分别为钢化玻璃72GPa、0.2，ABS塑料2GPa、0.4。研究中的力学响应分析指标主要是钢化玻璃板底部的纵向变形ls和板底中心的最大拉应力σm。钢化玻璃透光保护板1与ABS塑料底板4以极限抗拉强度为基准，除以结构安全系数后得到容许拉应力，即： [0053] [0054] 式中，σ为材料的容许拉应力(MPa)；σb为材料极限抗拉强度(MPa)，n为结构安全系数，根据实测材料参数，钢化玻璃透光保护板材料极限抗拉强度σb为82MPa，ABS塑料底板材料极限抗拉强度σb为37MPa，取n＝1.5，因此，钢化玻璃透光保护板板材料容许拉应力σ为55MPa，ABS塑料底板材料容许拉应力σ为24.5MPa。 [0055] 测试结果：钢化玻璃透光保护板1板底中心最大弯拉应力σm为26.5MPa，远小于钢化玻璃透光保护板板容许拉应55MPa，ABS塑料底板4最大拉应力σ为12.16MPa，远小于ABS塑料底板容许拉应力24.5MPa。钢化玻璃板底部的纵向变形ls为1.71。结果表明，此种结构尺寸模型下，作用标准轴载在最不利荷位时，能满足力学性能的要求，能够安全行车。 [0056] 图5示出了本发明的预制装配式光伏/热一体化路面的施工方法流程，该方法包括以下步骤： [0057] S1：预制构件：根据施工范围预制好ABS塑料底座4和蛇形铜管3，对钢化玻璃透光保护板1表面进行抗滑处理； [0058] S2：固定蛇形铜管：将蛇形铜管3穿过ABS塑料底板4侧壁预留定位孔8固定； [0059] S3：安装光伏组件：将光伏组件2固定于ABS塑料底板4凹槽顶部预留定位槽6，并将接电线穿过预留穿线孔7； [0060] S4：将钢化玻璃透光保护板1封装于ABS塑料底座4上； [0061] S5：装配形成整体路面结构：采用企口式接缝设计将路面结构单元进行装配形成整体路面结构。 [0062] 用ABAQUS软件模拟分析新型预制装配式光伏/热一体化路面的施工方法步骤S5中企口式接缝的传荷能力。 [0063] 模拟的假设条件为：1、蛇形热管4与周围的ABS底座4之间以及面层与基层、将基层与底基层，底基层与路基之间的接触是完全连续的；2、各层是完全线弹性的、均匀的、各向同性的；3对路基底面施加全约束，并路基、基层与底基层垂直地面的四周侧面均施加垂直法向约束，单元块的四周侧面为自由边。4企口式接缝榫槽和榫头接触面的设置与传力杆摩擦接触一端设置一致，即法向为硬接触，切向为摩擦接触，摩擦系数μ＝0.05。 [0064] 荷载模型为BZZ‑100标准轴载荷模型等效为荷载大小为0.7MPa的双圆均布载荷，其中双圆的直径和中心距分别为213mm和319.5mm，选取四个具有代表性的荷载施加位置，依次为路面单元块的板中心、板边缘中部、板角以及板边缘纵缝中部。对路面单元块、蛇形热管3以及传力杆的网格划分采用六面体网格C3D8R，仅在蛇形热管3周围ABS塑料底座4无法使用六面体网格的情况下局部使用四面体网格C3D10，层间接触采取面‑面接触方式，对路面单元块的周围、传力杆与单元块接触周围的ABS塑料底座4进行局部网格加密传，全局尺寸设为5mm，通过由远及近与由深及浅的方式逐渐加密。研究中的力学响应分析指标是以弯沉表征的传力杆的纵向与横向传荷系数L，取两者的较小值作为评价其传荷能力的指标。企口式接缝以未受荷板接缝处的弯沉值为基准，除以受荷板接缝处的弯沉值得到传荷系数，即： [0065] [0066] 式中，L为传荷系数，ωU为未受荷板接缝处的弯沉值(mm)，ωL为受荷板接缝处弯沉值(mm)。 [0067] 测试结果：企口式接缝纵向传荷时最不利荷载位置为板边缘中部，未受荷板接缝处的弯沉值ωU＝0.41mm，受荷板接缝处弯沉值ωL＝0.448mm，纵向传荷系数L1＝91.5％，参照《公路水泥混凝土路面设计规范》接缝传荷能力分级标准路面单元企口式接缝的纵向传荷能力分级为优(≥80％)，横向传荷时最不利荷载位置为板角，未受荷板接缝处的弯沉值ωU＝0.392mm，受荷板接缝处弯沉值ωL＝0.441mm，横向传荷系数L2＝88.9％，参照《公路水泥混凝土路面设计规范》接缝传荷能力分级标准路面单元企口式接缝的横向传荷能力分级为优(≥80％)，综合企口式接缝设计在车辆静载作用下的纵向与横向传荷系数，取两者的较小值作为评价其传荷能力的指标，即取min{91.5％,88.9％}。因此，车辆静载作用下企口式接缝设计最终的传荷系数为88.9％，综合传荷能力分级为优(≥80％)。 [0068] 本实施例中，在进行步骤S1时，采用材料堆积式的3D打印机，通过喷头融化ABS材料，然后逐层涂在热床上，一层一层逐级抬高，形成ABS塑料底板4，铜管需手动弯成所需蛇形铜管3形状，钢化玻璃透光保护板表面1防滑槽预制或撒布钢化玻璃细渣并使用透光胶结料固定封装。 [0069] 本实施例中，在进行步骤S2时，先将蛇形铜管3的蛇形部分固定于ABS塑料底板4的封闭空腔5内，再将两根直铜管穿过定位孔8与蛇形部分连接。 [0070] 本实施例中，在进行步骤S3时，先将光伏组件2固定于ABS塑料底板4的封闭空腔5顶部的定位槽处，再将光伏组件2的线缆从ABS塑料底板4的穿线孔7穿出。 [0071] 本实施例中，在进行步骤S4时，采用打孔包扣将钢化玻璃透光保护板1固定盖设于ABS塑料底板4上。 [0072] 本实施例中，在进行步骤S5时，采用企口式接缝设计，将相邻路面结构单元通过榫头9和榫眼10的插接配合，形成整体的路面结构，在保证了路面的荷载承受能力的前提下，提高了施工效率。 [0073] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。 |
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