公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统及有该系统的公路的制作方法

本实用新型涉及一种公路融雪系统。特别是涉及一种公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统及有该系统的公路。

背景技术：

公路路面状况的好坏是影响道路交通的重要因素，在冬季当沥青混凝土路面因降雪而积雪结冰时，给行车安全和人民生活带来了严重的影响，甚至造成巨大的经济损失。目前世界各国广泛釆用撒盐(NaCl，CaCl2)来融雪化冰的方法，严重影响道路路面沥青面的耐久性，对路面设施及道路两侧的绿化带造成损害，破坏周围生态环境，因此寻求新型的融雪化冰方法具有十分重要的现实意义。公路与桥梁是交通运输设施的重要组成部分，对于社会与经济发展起着至关重要的作用进入2 1世纪，全球气候逐渐变暖，世界范围内的极端灾害天气越来越频繁；这给中国的运输和能源网络带来了巨大的压力，不断考验着交通运输的安全性，中国东北、华北和西北的大部分地区属于冬季积雪地带，有的交通事故与道路积雪有关，严重影晌了交通运输和经济建设路面冰雪问题已成为困扰各地区交通管理部门的重要问题，因此研究开发科学有效的路面除冰雪技术，具有非常重要的社会意义和经济价值。前些年全国范围内的特大降雪，给中国特别是南方地区带来巨大灾害，造成的直接经济损失达537亿元，世界各国目前在清除道路冰雪时大多是根据天气预报提早准备扫雪设备和工业盐水或融雪剂，下雪后立即对主干道公路！城市道路进行清扫或洒融雪剂，靠被动除雪化冰来减少不利影响；人工机械除雪费时费力，而使用工业盐水和融雪剂会破坏道路！污染环境，并具有反结冰现象。

调查表明，路面状况的好坏是影响道路交通的重要因素，在寒冷的冬季，当沥青混凝土路面因降雪而积雪结冰时，路面附着能力大大降低，对行驶车辆的动力性及安全性极为不利，据统计在冬季15％～30％左右的交通事故与路面积雪有关。严重的路面积雪将造成道路的关闭，给道路畅通带来了严重的影响，甚至造成巨大的经济损失。例如2008年元月，我国南方地区遭遇罕见的持续低温雨雪天气，高速公路、国省干线道路结冰严重，致使全国主要干线交通多次中断，客运停运。此次长时间、持续性的低温雨雪冰冻灾害，造成全国23个省份的公路交通受到不同程度的影响，京珠高速公路等“五纵七横”12条国道主干线共4万多公里中，最多有9条近2万公里多处路段曾经被迫封闭交通。给部分地区的生产生活带来巨大影响，因灾直接经济损失千亿元。

桥梁处于连接众多道路的枢纽位置，堪称公路交通的“咽喉”，同时由于桥面完全暴露在空气中，比路面更容易结冰，加上桥面比较狭窄，许多司机由无冰雪路面行驶到结冰的桥面时，因对桥面行车困难估计不足而极易造成交通事故及交通阻塞，因此桥面也成为国内外降雪地区除雪防滑的重点部位之一。

由此可见，对于道路、桥梁等交通负荷较重的特殊路段区域融冰化雪已是亟待解决的现实问题。

目前国内外冬季融雪化冰的方法主要有两种类型：清除法和融化法。

现在推广的发热电缆法发热电缆加热系统以电力为能源，发热电缆为发热体，将电能转化为热能，经结构层将热量传到物体表面，再通过物体表面与发热电缆加热系统用于路面融雪化冰，具有无污染！运行费用低！热稳定性好！控制方便等优势，在北欧国家已经有所应用" 虽然发热电缆融冰雪用于交通领域较为广泛，但它存在融冰雪所需功率太大(耗能大)！融化效率相对太小！寿命较短！加热温度对沥青路面影响较大的问题。由于发热电缆！红外线热源！工业电加热都需要消耗大量的能源，在当今全球能源紧张的形势下，它们的应用和推广都受到限制。

石墨烯加热膜采用二维原子晶体-石墨烯来发热。石墨烯是一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子，厚度仅有0.34nm。石墨烯具有许多优异的特性，比如高的机械强度(杨氏模量高达1TPa)、良好的导电(电阻率仅10-6Ω.cm)、导热性(导热系数高达5300W/m.K)、高的饱和电流密度(可承受1-2亿A/cm2的电流度)及大的比表面积(理论高达2630m2/g)。由石墨烯制成的加热膜具有加热快、散热快，稳定性好等优点。

由石墨烯制成的加热膜与传统取暖方式相比，不仅加热速度快，而且电热辐射转换效率高，与传统取暖方式相比可节能省电；而且石墨烯加热膜是整个面加热，温度均匀分布。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种具有升温快、电热转化效率高的公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统及有该系统的公路。

本实用新型所采用的技术方案是：一种公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统，包括有若干个结构相同的石墨烯加热模块、供电控制单元、分线盒以及发电装置，其中，若干个所述的石墨烯加热模块分别通过导线连接分线盒中对应的电源输出端，所述分线盒的电源输入端通过导线连接所述的供电控制单元的电源输出端，所述供电控制单元的电源输入端通过导线连接所述发电装置的电源输出端。

所述的发电装置包括有小型风力发电机和太阳能电池板，所述小型风力发电机和太阳能电池板的电源输出端分别连接所述供电控制单元的电源输入端。

每个所述的石墨烯加热模块都是能够埋入路面下面的正六边形的片结构。

每一个所述的石墨烯加热模块均包括有由下至上依次设置的：隔热层、下绝缘封装层、石墨烯加热层和上绝缘封装层，其中，所述的下绝缘封装层和上绝缘封装层构成能够将所述的石墨烯加热层包裹在内的封闭结构，所述石墨烯加热层通过贯穿所述封闭结构的导线连接所述分线盒的电源输出端。

所述的石墨烯加热层，包括有两层云母层和夹在所述两层云母层之间的石墨烯膜，所述的石墨烯膜上设置有电极，所述的导线的电源输出端连接在所述的电极上。

所述的供电控制单元包括有供电控制器和储电电池，所述供电控制器的电源输入端通过导线连接所述发电装置的电源输出端，所述供电控制器的电源输出端过导线连接所述分线盒的电源输入端，所述供电控制器的电源储能端通过导线连接用于储电和供电的储电电池。

一种具有公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统的公路，包括有构成公路的路基和铺设在所述路基上的路面，以及设置在公路两侧的百米桩，所述的公路上以公路两侧的百米桩为设置点，对应每一个百米桩设置有一个用于融化公路上积雪的公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统。

每一个所述的公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统中的：若干个结构相同的石墨烯加热模块均匀的埋设在公路的路面与路基之间，供电控制单元和与供电控制单元电源输入端相连的发电装置设置在所述百米桩的外侧，与所述供电控制单元电源输出端相连的分线盒设置在所述百米桩内，连接在石墨烯加热模块的电源输入端的导线埋设在公路的路面与路基之间，所述导线的电源输入端与设置在所述百米桩内的分线盒相连。

所述的分线盒设置在所述百米桩的位于所述的路面和路基处的内部。

本实用新型的公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统及有该系统的公路，具有如下特点：

1、本实用新型采用太阳能电池板发电为主，小型风力发电为辅的综合电力供应方案。电力供应的多样性，保证了电源供应的充足性和稳定性，能够满足不同环境下，石墨烯加热模块的电力供应。在离网光伏发电系统中，始终以最高功率稳定高效的为电池组供电，避免电池过充过放电，延长电池寿命。

2、本实用新型将石墨烯加热模块的外形设计成为六边形结构。这样不但保证了模块间最大的边缘尺寸，而且也保证了足够的加热面积，同时要保证路面的正常使用强度和寿命。

3、本实用新型不但能够应对路面车辆碾压造成的路面变形，同时因为石墨烯高的机械强度，也不会因为长期承受车辆碾压，造成结构损坏。

4、利用石墨烯加热膜沥青混凝土板通电后产生的热量能够有效地清除路面上的冰雪，满足冬季道路融雪化冰的需要，使路面无积雪从而保障道路畅通和行车安全。

附图说明

图1是本实用新型公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统的整体结构示意图；

图2是本实用新型中石墨烯加热模块的整体结构示意图；

图3是本实用新型具有公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统的公路的结构示意图；

图4是图3的C-C剖面图；

图5是图4的局部放大图。

图中

A：路面 B：路基

1：发电装置 1.1：小型风力发电机

1.2：太阳能电池板 2：供电控制单元

2.1：供电控制器 2.2：供电的储电电池

3：分线盒 4：石墨烯加热模块

4.1：隔热层 4.2：下绝缘封装层

4.3：石墨烯加热层 4.4：上绝缘封装层

4.5：导线 5：百米桩

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统及有该系统的公路做出详细说明。

如图1所示，本实用新型的公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统，包括有若干个结构相同的石墨烯加热模块4、供电控制单元2、分线盒3以及发电装置1，每个所述的石墨烯加热模块4都是能够埋入路面A下面的正六边形的片结构。其中，若干个所述的石墨烯加热模块4分别通过导线连接分线盒3中对应的电源输出端，所述分线盒3的电源输入端通过导线连接所述的供电控制单元2的电源输出端，所述供电控制单元2的电源输入端通过导线连接所述发电装置1的电源输出端。

所述的发电装置1包括有小型风力发电机1.1和太阳能电池板1.2，所述小型风力发电机1.1和太阳能电池板1.2的电源输出端分别连接所述供电控制单元2的电源输入端。本实用新型采用太阳能电池板发电为主，小型风力发电为辅的综合电力供应方式，保证了电源供应的充足性和稳定性，能够满足不同环境下，石墨烯加热模块的电力供应。本实用新型发电装置的设计非常适于在适于野外、山区、隔壁、草原等公路两侧等离网发电系统中。与太阳能电池板同时供电，能够有效提高充电功率，即使太阳能电池板不能正常充电，只要有风就能持续为系统提供稳定的电力供应。

所述的供电控制单元2包括有供电控制器2.1和储电电池2.2，所述供电控制器2.1的电源输入端通过导线连接所述发电装置1的电源输出端，所述供电控制器2.1的电源输出端过导线连接所述分线盒3的电源输入端，所述供电控制器2.1的电源储能端通过导线连接用于储电和供电的储电电池2.2，即使在阴雨天无太阳光照的情况下也能保证电池可以连续供电6-8天的正常使用。

如图2所示，每一个所述的石墨烯加热模块4均包括有由下至上依次设置的：隔热层4.1、下绝缘封装层4.2、石墨烯加热层4.3和上绝缘封装层4.4，其中，所述的下绝缘封装层4.2 和上绝缘封装层4.4构成能够将所述的石墨烯加热层4.3包裹在内的封闭结构，所述石墨烯加热层4.3通过贯穿所述封闭结构的导线4.5连接所述分线盒3的电源输出端。将石墨烯加热模块的整体设计成为正六边形的片结构。这样不但保证了石墨烯加热模块间最大的边缘尺寸，而且也保证了足够的加热面积。下绝缘封装层4.2和上绝缘封装层4.4，在保证散热效果的前提下，同时保证了石墨烯加热层4.3的密封性。在积水或雪水融化渗透到路面以下时，也能保证石墨烯加热模块4的正常工作。底部的隔热层4.1，能够保证热量始终向上的发热方向，避免的热量损耗。

石墨烯加热模块，从石墨烯加热层到绝缘封装层、再到隔热层，均采用挠性材料。不但能够应对路面车辆碾压造成的路面变形，同时因为石墨烯高的机械强度，也不会因为长期承受车辆碾压，造成结构损坏等问题。

所述的石墨烯加热层4.3，包括有两层云母层和设置在所述两层云母层之间的石墨烯膜，所述的石墨烯膜上设置有电极，所述的导线4.5的电源输出端连接在所述的电极上。其中所述的石墨烯膜是采用锡格菲电子薄膜科技有限公司、或常石州专业二维碳素科技股份有限公司、或南京吉仓纳米科技有限公司等专业石墨烯膜制造公司生产的石墨烯膜。

由石墨烯制成的石墨烯加热层与传统取暖方式相比，不仅加热速度快，而且电热辐射转换效率高，与传统取暖方式相比可节能省电；而且石墨烯加热层是整个面加热，温度均匀分布。

在本实用新型的公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统中，所述的小型风力发电机1.1 可以采用型号为T-1000水平轴风力发电机，或型号为MAX 600W的风力发电机，或型号为 FZY-1KW的风力发电机，或型号为FD3.0-1000W的风力发电机，或型号为FD2.8-1.0的风力发电机，或型号为FD2.7-1000的风力发电机。所述的太阳能电池板1.2采用型号为200W-24V 的电池板，或型号为SN-SP250W的太阳能电池板，或型号为FD2.0-300W的太阳能电池板，或型号为FD-SD太阳能电池板。所述的供电控制器2.1采用MPPT控制器，如：深圳奥林斯科技有限公司的MPPT控制器，型号是MPPT10020；深圳硕日新能源科技有限公司的MPPT控制器，型号为ML2420；北京汇能精电科技有限公司的MPPT控制器，型号为Tracer2206A；安徽精能绿色能源有限公司的MPPT控制器，型号为JN-MPPT-A等等。

如图3、图4、图5所示，本实用新型的具有公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统的公路，包括有构成公路的路基B和铺设在所述路基B上的路面A，以及设置在公路两侧的百米桩5，所述的公路上以公路两侧的百米桩5为设置点，对应每一个百米桩5设置有一个用于融化公路上积雪的公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统。

每一个所述的公路太阳能供电石墨烯加热膜融雪系统中的：若干个结构相同的石墨烯加热模块4均匀的埋设在公路的路面A与路基B之间，供电控制单元2和与供电控制单元2电源输入端相连的发电装置1设置在所述百米桩5的外侧，与所述供电控制单元2电源输出端相连的分线盒3设置在所述百米桩5内，所述的分线盒3设置在所述百米桩5的位于所述的路面A和路基B处的内部。连接在石墨烯加热模块4的电源输入端的导线埋设在公路的路面 A与路基B之间，所述导线的电源输入端与设置在所述百米桩5内的分线盒3相连。

石墨烯加热模块4的铺设密度，可以根据实际的使用环境进行设计。如在山区路面山应用时，可以在海拔较高、气温低、容易结冰的路段，高密度的铺设石墨烯加热模块4；相反，在海拔低、温度适中的路段，可以低密度或局部铺设石墨烯加热模块4。这样不但效果明显，同时公路的造价更为合理。

对设置有石墨烯加热模块的沥青路面电热物理性能分析：

(1)根据能量守恒定律，建立并求解石墨烯加热膜沥青路面电热升温和降温微分方程，得到石墨烯加热膜沥青路面在升温和降温阶段温度随时间的变化曲线，该曲线综合反映了沥青混凝土的截面尺寸、散热面积、电热功率以及对流辐射换热系数对沥青混凝土升降温过程的影响。通过试验测试布置石墨烯加热膜沥青混凝土的电热升温和降温曲线，试验结果与理论计算值吻合较好。

(2)利用石墨烯加热模块的电热效应进行路面融雪化冰时，对流辐射换热损失是影响路面融雪化冰效果的主要因素，而风力等级、环境温度、有无隔热层等对热量损失有很大影响。通过分析沥青混凝土大板在不同的输入功率下板表面温升与风力等级、环境温度的关系，得到风力等级、环境温度对板表面温升效果的影响；通过对沥青混凝土小板有、无隔热层的温升试验研究，得到有、无隔热层时板表面温升效果的差别。

(3)建立石墨烯加热模块沥青混凝土板融雪化冰的试验装置，对设置有石墨烯加热模块的沥青混凝土板的发热均匀性进行试验测试，研究结果表明，当间距为10cm时，设置有石墨烯加热模块的沥青混凝土通电后，沥青混凝土板表面能产生均勻分布的热量，以满足均匀融化冰雪的需要。

(4)对设置有石墨烯加热模块的沥青混凝土小板进行室内(冰柜)融化冰雪的试验研究，得到输入功率、环境温度和冰雪层的厚度对融化时间的影响，在此基础上，对混凝土大板在野外进灯了融雪化冰应用试验研究。研究结果表明，当铺装功率为10W/m²～1000W/m²时，设置有石墨烯加热模块的沥青混凝土板通电后产生的热量能够有效地清除路面上的冰雪，满足冬季道路融雪化冰的需要。

(5)通过对设置有石墨烯加热模块的沥青混凝土大板室外温升试验，当风力等级为1～ 2级时，环境温度为-3℃左右，输入功率500W/m²时以及当风力等级为2～3级时，环境温度为-50℃左右，输入功率800W/m²时，经过1.5h的时间，混凝土板表面就可以达到2～30℃最佳实时融雪化冰的温度。