專利名稱：太陽能光熱融雪路面集成系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及交通安全領域，具體是在雪天環(huán)境下利用太陽能技術融化路面積雪的 系統(tǒng)。
背景技術：
國內(nèi)外交通部門一直非常重視季凍和寒冷地區(qū)路面的交通事故和抗滑問題，尤其 是在路面積雪結冰地區(qū)，并作了大量研究，探索出多種抑制路面積雪結冰的方法。目前國內(nèi) 外常用的融雪化冰方法包括清除法和融化法。清除法又可分為人為清除法和機械清除法兩 種；融化法包括化學融化法和熱融化法。具體可以分為以下幾點。1、撒布融雪劑該方法是國際上較常用的一種路面除冰雪的手段，通過在路面上撒布化學藥劑來 降低冰雪融點，使冰雪融化，進而清除積雪和積冰。國內(nèi)外常用的融冰雪劑主要有鹽類和醇 類。從實際使用效果來看，在一定的環(huán)境條件下，撒布融雪劑可以有效清除道路冰雪， 改善道路安全狀況，提高道路運輸效率。但是，醇類融雪劑的除冰雪效果受環(huán)境溫度影響較 大，并具有反結冰現(xiàn)象，即一旦環(huán)境溫度下降，被融化的積雪會再凍結成冰，使路面更滑，交 通事故率更高。如果環(huán)境溫度過低或降雪量過大，融雪劑自身很難快速溶解、融化，須借助 車輛輪胎的碾壓作用，所以融冰雪持續(xù)時間長，效果差，導致綜合成本大幅度升高。絕大多數(shù)的鹽類融雪劑產(chǎn)品都存在腐蝕性，易腐蝕破壞道路結構和機動車輛，還 會對土壤、水體和大氣等造成污染，破壞生態(tài)環(huán)境。根據(jù)美國的一項統(tǒng)計報告，在每年使用 1000萬噸融雪劑的情況下，會對道路、車輛造成四億 59億美元的損失，對停車場造成 0. 75億 1. 5億美元的損失，導致5% 10%的植物病變甚至枯死。另外，融雪劑的使用曾 造成北京2003年有4000多棵大樹和4萬多株灌木死亡，草地受害面積達3萬多平方米，直 接經(jīng)濟損失1500多萬元。這種方法對冰雪清除較徹底，但效率低，費用高，作業(yè)時影響車輛通行及行車安 全，不能長時間作業(yè)，適用于雪量較小時或重點難點路段的冰雪清除。2、撒布砂石材料在冰雪路面上撒布一定粒徑的砂石材料，如砂、石屑、爐灰、煤渣和砂鹽混合料等， 能提高冰雪路面的摩擦系數(shù)。砂石的存在一方面使冰雪層的凍結強度不均勻，另一方面，砂 石在冰雪層的運動使得雪不易壓實，達到了抗滑的目的。該方法對積雪清除較徹底，但效率 低、費用高、影響交通通行及行車安全、且不能長時間作業(yè)，主要適用于小雪及難點路段的 積雪清除，且該方法是被動方式操作，具有滯后性。3、機械清除方法機械清除法由于采用機械設備(機械車輛鏟、推、掃等)故設備效率高，適合于大 面積機械化清除作業(yè)，但當氣溫較低時，由于冰與路面之間的粘結力較大，單獨使用機械除 雪效果并不好，對冰面清除不徹底，不能從根本上解決路面的抗滑能力，行車安全得不到有效保障。而機械吹雪方式雖然除雪安全環(huán)保，但只適用于機場等便于管理、較小范圍、未經(jīng) 碾壓過、厚度較薄的路面積雪，一般是邊下雪邊作業(yè)，機械需求量大、費用高，而且積雪一旦 被碾壓或結冰則無能為力，該方式不適合交通量較大的公路和城市道路除雪。可見，機械式 除雪需要大量的人力、物力和設備，且屬于被動式滯后操作，需要一定時間才能使交通恢復 正常，且除雪機械受季節(jié)影響強、使用頻率低、經(jīng)濟效益較差。4、熱力融冰雪方法此種方法利用熱水、燃氣、電等產(chǎn)生的熱量使冰雪融化，如噴灑熱水法、噴灑融雪 劑法、汽車加熱-機械融化法等。此類方法融雪化冰雖效果較好，但這些方法往往耗能較大，且融化的雪水進入路 面結構時會將路表的灰塵等雜質(zhì)帶入，在路面結構內(nèi)部積存，進而堵塞孔隙，致使排水不 暢，影響雪水的排除。5、自應力路面抑制冰雪技術主要通過在路面鋪裝材料內(nèi)添加一定量的彈性顆粒材料，改變路面與輪胎的接觸 狀態(tài)和路面的變形特性，利用彈性材料局部變形能力較強的特性，通過路面在外荷載作用 下產(chǎn)生的自應力，使路面冰雪破碎融化，從而有效抑制路面積雪和結冰。此類技術中常用的 彈性材料多為由廢舊輪胎加工而成的橡膠顆粒。這不但可以有效提高路面的除冰雪能力， 提高道路安全性能和運輸效率，而且為廢舊彈性材料的回收利用提供科學、合理的新途徑， 利于環(huán)境保護，節(jié)省資源。這是一種被動融雪方式，融雪的效果不太好。6、導電鋪面融冰雪技術在路面鋪裝材料中摻入聚合物類、碳類或金屬類導電摻合料，使高絕緣性的路面 鋪裝材料具備熱和電的感知和轉換能力，將電能轉變?yōu)闊崮?，熱能通過鋪面材料與冰雪的 接觸面向上傳導，冰雪吸收熱量后溫度逐漸升高，實現(xiàn)融雪(冰)的目的，該方法耗能較大， 路面絕緣材料的研究和應用也沒有完成，其研究和推廣值得進一步的探討和升華。7、能量轉化型融冰雪技術能量轉化型融冰雪技術是通過能量轉化設備，將其他形式的能量轉化為熱能，達 到融雪(冰)的目的。可以利用的能量主要有工業(yè)電能、太陽能和地熱等多種能量。該項技術可以提高 能源利用率，而且清潔環(huán)保，適合于機場、橋面和高速公路的長大縱坡等局部路段的融冰雪 的需要。常見的有發(fā)熱電纜法、紅外線熱源法、儲蓄地熱源熱管融化法、太陽能熱管法等，由 于受能量來源的限制，利用土壤源熱管和太陽能電管的融冰雪技術正逐步成為研究熱點。土壤源熱管融冰雪技術是在路(橋)面內(nèi)埋置熱管，利用土壤源熱管，經(jīng)地下?lián)Q 熱器從地下提取熱土壤中的低位熱能，經(jīng)熱管提升后，通過水泵把溫度較高的流體輸送到 路(橋)面內(nèi)的排管里面。高溫熱流體在排管內(nèi)流動時，把熱量通過對流換熱方式，傳入路 (橋)面。當路(橋)面的溫度達到o°c以上時，其表面上的冰雪就會融化，從而達到融雪 (冰)的目的。而太陽能電能融雪化冰路面技術，是利用太陽能儲存轉換系統(tǒng)給埋置在路面 中的電管加熱，在規(guī)定的不影響交通安全的時間內(nèi)，使路面積攢的冰雪迅速融化，從而達到 路面除冰雪的目的?，F(xiàn)有的融雪技術主要有通過機械鏟雪吹雪，融雪劑等方法，具有環(huán)境破壞性及融 雪滯后性。另外還有采用工業(yè)電能和地源熱泵融雪，其成本較高。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種太陽能光熱融雪路面集成 系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接將太陽能轉化為熱能，可以有效融化路面積雪。太陽能光熱融雪路面集成系統(tǒng)，其技術方案是所述系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、 路面散熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。所述太陽能集熱系統(tǒng)包括集熱器和蓄熱水箱，所述路面散 熱系統(tǒng)包括熱管，所述控制系統(tǒng)包括控制器和溫度傳感器。集熱器一端通過集熱器供水管 與蓄熱水箱連接，所述集熱器供水管上有溫度傳感器與控制器連接，集熱器另一端通過集 熱器回水管與蓄熱水箱的底部連接，所述集熱器回水管上有止回閥、循環(huán)泵和溫度傳感器， 循環(huán)泵、溫度傳感器與控制器連接；所述蓄熱水箱通過熱管供水管與熱管的一端連接，所述 熱管供水管上有止回閥、循環(huán)泵和溫度傳感器，循環(huán)泵、溫度傳感器與控制器連接，所述蓄 熱水箱通過熱管回水管與熱管的另一端連接，所述熱管回水管上有溫度傳感器。所述蓄熱水箱上有溫度傳感器。所述蓄熱水箱的頂部有排氣閥。所述蓄熱水箱有輔助加熱電源。太陽能光熱融雪路面集成系統(tǒng)的工作原理是太陽能集熱系統(tǒng)將太陽能直接轉化 為熱能(加熱液體或熱空氣形式)，路面散熱系統(tǒng)將熱能循環(huán)傳入熱管，熱管加熱路面板而 實現(xiàn)有效融雪，控制系統(tǒng)為控制融雪系統(tǒng)的集熱和散熱過程。以水介質(zhì)為例，太陽能集熱器通過太陽能來加熱集熱器中的水，熱水通過集熱器 供水管進入蓄熱水箱儲存。當熱水儲存到一定容量時，通過控制器開動循環(huán)泵，蓄熱水箱的 熱水從熱管供水管向熱管供應熱水，然管即加熱路面實現(xiàn)融雪，使用過的水通過熱管回水 管返回蓄熱水箱繼續(xù)被加熱。當蓄熱水箱內(nèi)的水溫降低到一定溫度時，通過控制器開動循 環(huán)泵，蓄熱水箱內(nèi)的水從集熱器回水管返回到集熱器內(nèi)繼續(xù)被加熱，這樣實現(xiàn)水的循環(huán)，保 證蓄熱水箱內(nèi)部的儲存水穩(wěn)定在一定溫度。路面的加熱，需要熱管中的熱水保證在一定的 溫度范圍，但當蓄熱水箱內(nèi)的儲存水依然無法達到所述溫度范圍的熱水時，開動輔助加熱 電源給蓄熱水箱的儲存水加熱。在集熱器回水管和熱管供水管設置止回閥的目的是為了防止水的逆流。在蓄熱水 箱的頂部設置排氣閥的目的是當蓄熱水箱積聚太多蒸汽時利于排氣。在集熱器供水管和集 熱器回水管設置溫度傳感器的目的是為了監(jiān)控集熱器和蓄熱水箱的溫度變化，保證將蓄熱 水箱的水溫控制在一定范圍內(nèi)。在熱管供水管和熱管回水管上設置溫度傳感器的目的是為 了監(jiān)控熱管和蓄熱水箱的溫度變化，再通過設置在蓄熱水箱上的溫度傳感器來開動輔助加 熱電源，保證蓄熱水箱向熱管的供水溫度達到所需要求。
圖1太陽能光熱融雪路面集成系統(tǒng)結構圖。圖中，1為集熱器，2為集熱器供水管，3為蓄熱水箱，4為集熱器回水管，5為循環(huán) 泵，6為止回閥，7為溫度傳感器，8為溫度傳感器，9為排氣閥，10為輔助加熱電源，11為溫 度傳感器，12為循環(huán)泵，13為止回閥，14為溫度傳感器，15為溫度傳感器，16為熱管供水管， 17為熱管回水管，18為熱管，19為路面，20為控制器。
具體實施例方式如圖1所示，太陽能光熱融雪路面集成系統(tǒng)，所述系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、路 面散熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。所述太陽能集熱系統(tǒng)包括集熱器1和蓄熱水箱3，所述路面散 熱系統(tǒng)包括熱管18，所述控制系統(tǒng)包括控制器20和溫度傳感器。集熱器1 一端通過集熱器 供水管2與蓄熱水箱3連接，所述集熱器供水管2上有溫度傳感器7與控制器20連接，集 熱器1另一端通過集熱器回水管4與蓄熱水箱3的底部連接，所述集熱器回水管4上有止 回閥6、循環(huán)泵5和溫度傳感器8，循環(huán)泵5、溫度傳感器8與控制器20連接；所述蓄熱水箱 3通過熱管供水管16與熱管18的一端連接，所述熱管供水管16上有止回閥13、循環(huán)泵12 和溫度傳感器14，循環(huán)泵12、溫度傳感器14與控制器20連接，所述蓄熱水箱3通過熱管回 水管17與熱管18的另一端連接，所述熱管回水管17上有溫度傳感器15。所述蓄熱水箱3上有溫度傳感器11，蓄熱水箱3的頂部有排氣閥9，蓄熱水箱3有 輔助加熱電源10。常用集熱器有平板型集熱器、全玻璃真空管集熱器、熱管式真空管集熱器。平板太 陽集熱器結構簡單、固定安裝、可以采集太陽直射輻射和散射輻射、集熱器與環(huán)境間溫差不 大時熱效率較高、成本較低，但它防凍抗凍能力差，不適合在寒冷地區(qū)使用。全玻璃真空管 集熱器具有保溫性能好、熱效率高和抗冰雹等優(yōu)點，但也存在著運行不安全、密封不可靠、 結垢、不承壓、集熱器壽命短等缺點。熱管式真空管集熱器具有以下優(yōu)點熱管工質(zhì)熱容量 小，啟動快；真空集熱管內(nèi)沒有水，耐冰凍；真空集熱管內(nèi)沒有水，耐熱沖擊；熱管和連集管 是金屬，承壓能力強；熱管有“熱二極管效應”，保溫好；“干性連接”不漏水，運行安全可靠； 真空集熱管“干性連接”，易于安裝維修，但成本高，當集熱器與環(huán)境之間溫度差小時，其熱 效率低。從技術經(jīng)濟性能綜合考慮，平板集熱器適用于華南地區(qū)，即冬季溫度高于o°c的地 區(qū)，全玻璃真空管集熱器適合華北及部分西北東北地區(qū)，即冬季最低溫度高于-15°C的地 區(qū)，熱管真空管適宜高寒地區(qū)應用。集熱器可以通過并聯(lián)、串聯(lián)和串并聯(lián)混合等方式連接成集熱器組。在保證管路等 程的前提下，盡量多串聯(lián)，少并聯(lián)。其并聯(lián)機組不易超過六組，并聯(lián)太多，宜造成循環(huán)流量不 均衡，閥門調(diào)節(jié)不能保證流量均勻，這樣會造成系統(tǒng)熱效率下降。集熱器傳熱介質(zhì)應根據(jù)地區(qū)氣溫條件確定。比如，冬季的極端最低氣溫在-16. 5°C 以下的地區(qū)，易引起集熱器側傳熱介質(zhì)的凍結，導致集熱器的冷損傷，在傳熱介質(zhì)中加入防 凍劑(例如乙二醇)是解決傳熱介質(zhì)凍結的有效方法，采用閉合循環(huán)，考慮到傳熱介質(zhì)的泄 露損失，需要設置傳熱介質(zhì)補給箱。路面散熱系統(tǒng)在室內(nèi)試驗時采用的是熱水循環(huán)系統(tǒng)，常見埋管形式有三種螺旋 形、往復型和直列型。熱管鋪設在混凝土路基中，考慮到加工工藝的復雜性，目前熱力道路 融雪系統(tǒng)一般選取直列型埋管方式。由于太陽輻射強度既受到晝夜、季節(jié)和地理位置等規(guī)律性因素的影響，又受到天 氣變化等隨機因素的制約，因此，太陽能蓄熱技術顯得尤為重要。在各種蓄熱技術中，顯熱 蓄熱的原理最簡單、技術最成熟、成本最低。顯熱蓄熱包括液體顯熱蓄熱和固體顯熱蓄熱， 采用液體進行顯熱蓄熱，是各種顯熱蓄熱方式中技術最成熟、應用最普遍的一種，因路面加 熱系統(tǒng)采用液體循環(huán)，所以采用液體顯熱儲熱。
太陽能熱水系統(tǒng)的蓄熱水箱一般為常壓水箱，具有足夠的強度和剛度。蓄熱水箱 由冷軋鋼板制成，可延長其使用壽命。一般蓄熱水箱的大小與集熱面積以及集熱溫度有關， 一般Im2集熱器對應蓄熱水箱的體積為50 100L。蓄熱水箱外采用聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料 保溫層。集熱器與蓄熱水箱的位置關系及管道阻力，采用強制循環(huán)方式，蓄熱水箱蓄熱與 否由集熱器側循環(huán)泵的運行決定?？紤]到太陽能利用的間歇性和不可靠性，不宜采用手動 控制循環(huán)泵的啟停，因此，采用控制器自動控制集熱器側循環(huán)泵的啟停。由于太陽能的不穩(wěn)定性，太陽能光熱系統(tǒng)中必須有一輔助加熱電源，當太陽輻照 不足時，可開啟三通閥，利用輔助熱源加熱。輔助熱源的選擇有多種方式，可以采用電加熱 方式，也可以采用地源熱泵。系統(tǒng)的控制原理如下集熱器溫度與水箱中的水溫之差大于6°C時，循環(huán)泵5啟 動，將集熱器中的熱水與水箱熱交換，兩者溫差小于;TC時，循環(huán)泵5自動停止。水箱中溫度 小于所要求溫度40°C時啟動輔助熱源，將溫度加熱到45°C時自動停止。由于系統(tǒng)只在融雪時運行，循環(huán)流體選用乙二醇防凍液，故系統(tǒng)不需要防凍循環(huán)， 若循環(huán)流體采用水，則需要防凍循環(huán)，使運行成本增加。
權利要求
1.太陽能光熱融雪路面集成系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、路 面散熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成；所述太陽能集熱系統(tǒng)包括集熱器(1)和蓄熱水箱(3)，所述路 面散熱系統(tǒng)包括熱管(18)，所述控制系統(tǒng)包括控制器00)和溫度傳感器；集熱器(1) 一端 通過集熱器供水管( 與蓄熱水箱( 連接，所述集熱器供水管( 上有溫度傳感器(7)與 控制器00)連接，集熱器(1)另一端通過集熱器回水管(4)與蓄熱水箱C3)的底部連接，所 述集熱器回水管(4)上有止回閥(6)、循環(huán)泵(5)和溫度傳感器(8)，循環(huán)泵(5)、溫度傳感 器⑶與控制器OO)連接；所述蓄熱水箱(3)通過熱管供水管(16)與熱管(18)的一端連 接，所述熱管供水管(16)上有止回閥(13)、循環(huán)泵(12)和溫度傳感器(14)，循環(huán)泵(12)、 溫度傳感器(14)與控制器OO)連接，所述蓄熱水箱⑶通過熱管回水管(17)與熱管(18) 的另一端連接，所述熱管回水管(17)上有溫度傳感器(15)。
2.根據(jù)權利要求1所述的太陽能光熱融雪路面集成系統(tǒng)，其特征在于所述蓄熱水箱 (3)上有溫度傳感器(11)。
3.根據(jù)權利要求1所述的太陽能光熱融雪路面集成系統(tǒng)，其特征在于所述蓄熱水箱 (3)的頂部有排氣閥(9)。
4.根據(jù)權利要求1所述的太陽能光熱融雪路面集成系統(tǒng)，其特征在于所述蓄熱水箱 (3)有輔助加熱電源(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能光熱融雪路面集成系統(tǒng)，所述系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、路面散熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。所述太陽能集熱系統(tǒng)包括集熱器和蓄熱水箱，所述路面散熱系統(tǒng)包括熱管，所述控制系統(tǒng)包括控制器和溫度傳感器，集熱器、蓄熱水箱、熱管通過管道依次相連，再通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)集熱和散熱。該系統(tǒng)直接將太陽能轉化為熱能，可以有效融化路面積雪。
文檔編號E01C11/26GK102061654SQ20101055863
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權日2010年11月24日
發(fā)明者劉迎文, 喻林青, 夏旺民, 尉學勇, 賈志裕 申請人:西安中交公路巖土工程有限責任公司