基于能量桩的桥面除冰、储能和发电装置及施工方法
技术领域
本发明属于智能发电装置技术领域，尤其涉及一种基于能量桩的桥面除冰、储能和发电装置及施工方法。
背景技术
冬季路面积雪结冰往往对人们的安全出行带来一定隐患，然而传统的除冰融雪技术往往会消耗大量人力、物力并造成一定的环境污染。路灯是人们夜晚出行必不可少的道路附属设施之一，且长期耗电量大，传统火力发电能源二次消耗大、且易造成环境污染的问题。
太阳能路灯技术已日趋完善，但考虑到太阳能板的造价相对较高，太阳能路灯的技术并未得到广泛的推广。现有技术中，存在一种在路面太阳能发电装置，其在路面中埋设换热管，可以提取太阳能用于发电，节省了太阳能路灯的造价。但是，目前已有路面埋管技术大多是将换热管埋设在路面混凝土或沥青路面中，这会导致以下问题：1）换热管附近路面结构出现明显的应力集中现象，不利于路面结构的力学特性；2）换热管埋管形式单一；3）换热管浇筑于混凝土内部，不易检修和更换，一旦换热管出现堵塞破坏问题，会导致整个系统失效。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明在于提供一种基于能量桩的桥面除冰、储能和发电装置及施工方法，以解决现有技术中存在的应力集中、不易检修和更换的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种能够有效利用浅层地温能和太阳能进行桥面除冰、存储及发电的装置，包括桥面板换热系统、能量桩换热系统、发电装置和蓄电装置；所述桥面板换热系统、能量桩换热系统和蓄电装置同时连接发电装置；所述桥面板换热系统和发电装置之间设置有桥面换热系统循环泵；能量桩换热系统和发电装置之间设置有能量桩换热系统循环泵。
进一步的，所述桥面换热系统包括桥面板；所述桥面板为空心预制板；所述空心预制板中设置有多个空心孔洞。
进一步的，所述空心孔洞的两端设置有封口材料；所述封口材料包括混凝土；相邻空心孔洞之间设置有预留通道；相邻空心孔洞的预留通道设置在空心预制板的不同侧；最外侧空心孔洞中的一个设置有入口，另一个设置有出口。
进一步的，所述空心孔洞内设置有换热管；所述换热管和空心孔洞之间的空隙填充有相变材料；所述换热管内部充满换热液体；所述换热管的进出口与发电装置相连。
进一步的，所述换热管为套管式换热管、U形管或螺旋形管。
进一步的，所述空心孔洞的一端设置有预留卡槽；所述换热管的进出口从预留卡槽处伸出空心预制板。
进一步的，所述能量桩换热系统包括U型换热管和桩基；所述U型换热管设置在桩基内，形成能量桩。
进一步的，所述发电装置内设置有水箱；所述水箱的两端均设有出水管和进水管；所述水箱一端的出水管和进水管连接换热管，另一端的出水管和进水管连接U型换热管；相邻的水箱之间设置有温差发电组件；所述温差发电组件由多个半导体温差发电片串联而成；所述温差发电组件通过导线连接蓄电装置；
一种基于能量桩的桥面除冰、储能和发电装置的施工方法，其特征在于，包括以下方法：
根据桥梁设计要求制作空心预制板；
在空心预制板内安装换热管，或对空心孔洞的两端进行封堵，得到桥面板换热系统；
将U型换热管绑扎在桩基的钢筋笼上，经封口、浇筑混凝土，形成能量桩换热系统；
连接桥面板换热系统、发电装置、蓄电装置和能量桩换热系统，得到桥面除冰、储能和发电装置。
进一步的，所述桥面板换热系统和发电装置的连接方式为：所述桥面板换热系统的换热管和发电装置的水箱的进出口进行连接，桥面板换热系统与发电装置之间设置桥面换热系统循环泵和阀门；
所述能量桩换热系统和发电装置的连接方式为：所述能量桩换热系统的U型换热管与发电装置的水箱进出口连接，能量桩换热系统与发电装置之间设置能量桩换热系统循环泵和阀门；
所述蓄电装置和发电装置的连接方式为：所述发电装置的温差发电组件与蓄电装置通过导线相连。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
本发明通过桥面板换热系统和能量桩换热系统的设置，将换热管安装在桥面空心预制板的空心孔洞内，可以有效地解决传统桥面结构埋管造成的桥体结构应力集中、换热管难以检修替换、换热管形式单一等难题；本装置可以利用太阳能进行发电，节能环保；本装置通过合理地配置太阳能进行地热存储，还可以保证冬夏两季都能有足够的电力供应以及用于桥面除冰；本装置有利于减小桥体温度的波动，提高桥梁结构的耐久性。
附图说明
图1为本发明桥面除冰、储能和发电综合利用装置正视图；
图2为桥面预制板孔道内套管式换热管的纵截面和横截面图；
图3为桥面换热系统采用套管式换热管时的三视图；
图4为桥面换热系统采用U形管时的三视图；
图5为桥面换热系统采用螺旋形管时的三视视图；
图6为桥面换热系统内部无换热管时的三视图；
图7为发电装置的内部详图。
附图标记：1-桥面板换热系统，2-发电装置，3-蓄电装置，4-桥面换热系统循环泵，5-能量桩换热系统循环泵，6-能量桩换热系统，7-U型换热管，8-桩基，9-外管，10-内管，11-空心孔洞，12-换热管，13-相变材料，14-预留卡槽，15-U形管，16-螺旋形管，17-预留通道，18-混凝土，19-换热液体，20-进出水管，21-金属外壳，22-温差发电组件，23-水箱一，24-水箱二，25-水箱三，26-水箱四，27-阀门一，28-阀门二，29-阀门三，30-阀门四， 31-阀门五，32-阀门六，33-阀门七，34-阀门八，35-阀门九，36-阀门十，37-阀门十一，38-阀门十二，39-阀门十三，40-阀门十四，41-阀门十五，42-阀门十六。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。
如图1-7所示，一种能够有效利用浅层地温能和太阳能进行桥面除冰、存储及发电的装置，包括桥面板换热系统1、能量桩换热系统6、发电装置2和蓄电装置3；桥面板换热系统1、能量桩换热系统6和蓄电装置3同时连接发电装置2；桥面板换热系统1和发电装置2之间设置有桥面换热系统循环泵4；能量桩换热系统6和发电装置2之间设置有能量桩换热系统循环泵5。
桥面换热系统1包括桥面板；桥面板为空心预制板，空心预制板的空心孔洞11的直径为40~120mm，空心孔洞11内设置有换热管12，空心孔洞11的一端设置预留卡槽14，用于安装换热管12；换热管12和空心预制板之间的空隙填充相变材料13，换热管12为套管式换热管，套管式换热管包括外管9和内管10，换热管12内部充满换热液体19。
能量桩换热系统6包括U型换热管7和桩基8， U型换热管7设置在桩基8内部，形成能量桩。
换热管12的进出口与发电装置2相连。
桥面板内换热管12的埋设方式主要有三种：
（1）当空心预制板的孔洞直径为90~120mm时，空心预制板孔洞的一端处设置预留卡槽14，换热管12采用套管式换热管，设置在预制板的孔道内，套管式换热器和预制板之间的空隙填充相变材料13；套管式换热管材质为PE管，外管9直径为70~100mm、内管10直径为50~80mm；换热管12进出口由预留卡槽14出口伸出桥面板，不同位置孔洞内的套管式换热管并联连接，套管式换热管内部充满换热液体19。
（2）当空心预制板的孔洞直径为60~90mm时，空心预制板孔洞的一端处设置预留卡槽14，换热管12采用U形管15或螺旋形管16，材质均为PE管，直径为25~32mm，各U形管15或各螺旋形管16串联连接，换热管12进出口由预留卡槽14出口伸出桥面板，U形管15和螺旋型管16与空心预制板之间的空隙填充相变材料13。
（3）当空心预制板的孔洞直径为40~60mm时，预制板的孔道内不埋设换热管12，直接利用孔道作为换热液循环管路。在相邻孔道之间设置预留通道17，相邻的预留通道17打设在预制板的不同侧，空心预制板1的孔道两端利用混凝土18封堵，在第一个孔道和最后一个孔道下方预留换热管入口和出口，设置进出水管20与发电装置2相连。
发电装置2的金属外壳21的材质采用不锈钢，壁厚2~5mm，金属外壳21内部设有保温层；每个发电装置2内设置有水箱4~8个，材质采用导热性良好的合金金属，壁厚2~5mm；水箱两端都设有出水管和进水管；一端的出水管和进水管与桥面换热系统的换热管12相连，另一端的出水管和进水管与能量桩的U型换热管7相连，出水管和进水管上都设置有阀门。相邻的水箱之间设置有温差发电组件22；温差发电组件22由多个半导体温差发电片相互串联组成；温差发电组件22通过导线连接蓄电装置3；
一种基于能量桩的桥面除冰、储能和发电装置的施工方法，包括以下方法：
（1）桥面空心预制板的制作。根据桥梁设计要求，预先在预制厂制作空心预制板。空心孔洞11的直径为60~120mm时，在空心孔洞11的一端处设有专门供换热管连接的预留卡槽14；空心孔洞11的直径为40~60mm时，在第一个孔道和最后一个孔道下方预留换热管入口和出口，在相邻孔道之间打设预留通道17，相邻的预留通道17打设在预制板的不同侧。
（2）准备换热管。根据桥面空心预制板孔洞大小，选择换热管的直径和埋设形式，换热管直径小于空心预制板孔洞直径20~30mm。根据桥面空心预制板的纵向尺寸，选择选择换热管的长度，换热管长度小于空心预制板纵向尺寸50~100mm。
（3）桥面换热系统加工。将预先准备的换热管按照相应的形式埋入空心预制板孔洞内部，将换热管的出入口由空心预制板的预留卡槽14处伸出，将换热管和空心预制板孔洞之间的空隙填充相变材料13。若桥面板孔道内不埋设换热管，则将进出水管20伸入预留出入口，并做好防水防渗处理，空心预制板的孔道两端利用混凝土18封堵。
（4）能量桩施工。预先将U型换热管7绑扎在能量桩6的钢筋笼上，U型换热管7进口和出口高于桩顶标高，并做封口处理，随后浇筑桩身混凝土，形成能量桩。
（5）组装发电装置2。在工厂内将发电装置2的金属外壳21、水箱、温差发电组件22进行组装。
（6）桥面空心预制板吊装。将预先设有换热管的空心预制板吊装至设计位置。
（7）连接桥面板换热系统1、发电装置2、蓄电装置3和能量桩6。将桥面换热系统1的换热管12和发电装置2的水箱的进出口连接，中间设置桥面换热系统循环泵4和阀门；将能量桩的U型换热管与7发电装置2的水箱进出口连接，中间设置能量桩换热系统循环泵5和阀门；将温差发电组件22与蓄电装置3通过导线相连。
空心预制板孔洞一端处的预留卡槽14位于预制板下方，尺寸与预制板孔洞直径大小一致；相邻孔道之间打设预留通道17的尺寸与预制板孔洞直径大小一致；第一个孔道和最后一个孔道下方预留换热管入口和出口的尺寸与进出水管20的直径大小一致。
本发明采用合理的换热管埋设形式，可有效地避免桥面换热管埋设造成的桥体结构应力集中、换热管难以检修替换、换热管形式单一等难题，并给出桥面换热系统布管的施工方法。
实施例1
基于能量桩的桥面除冰、储能和发电装置的施工方法，包括以下步骤：
（1）桥面空心预制板的制作。根据桥梁设计要求，预先在预制厂制作空心预制板。预留孔洞的直径为100mm，在空心孔洞11的一段处设有专门供换热管连接的预留卡槽14；
（2）准备换热管。根据桥面空心预制板孔洞大小，选择套管式换热管，设置在预制板的孔道内。套管式换热管材质为PE管，外管9直径为80mm、内管10直径为50mm；不同位置孔洞内的套管式换热管并联连接，套管式换热管内部充满换热液体19。根据桥面空心预制板的纵向尺寸为10m，选择换热管的长度，单根换热管长度小于空心预制板纵向尺寸100mm。
（3）桥面换热系统加工。将预先准备的套管式换热管按照相应的形式埋入空心预制板孔洞内部，将换热管的出入口由空心预制板的预留卡槽14处伸出，将换热管和空心预制板孔洞之间的空隙填充相变材料13。
（4）能量桩施工。预先将U型换热管7绑扎在能量桩的钢筋笼上，U型换热管进口和出口高于桩顶标高，并做封口处理，随后浇筑桩身混凝土，形成能量桩。
（5）组装发电装置2。水箱数量为4个，在工厂内将发电装置的金属外壳21、水箱、温差发电组件22进行组装。
（6）桥面空心预制板吊装。将预先设有套管式换热管的空心预制板吊装至设计位置。
（7）连接桥面板换热系统1、发电装置2、蓄电装置3和能量桩6。将桥面换热系统的换热管和发电装置的水箱进出口连接，中间设置桥面换热系统循环泵4和阀门；将能量桩的U型换热管与7发电装置的水箱进出口连接，中间设置能量桩换热系统循环泵5和阀门；将温差发电组件22与蓄电装置3通过导线相连。
利用所述的基于能量桩的桥面除冰、储能和发电综合利用装置进行太阳能发电、存储和除冰的实施方式如下：
（1）夏季，桥面温度在阳光照射下温度升高，桥面预制板孔道中的换热管内换热液被加热，由于地温低于大气温度，能量桩内的换热液体19被制冷。
1）此时打开阀门一27、阀门二28、阀门十一37、阀门十二38、阀门五31、阀门六32、阀门十五41、阀门十六42，开启桥面换热系统循环泵4、能量桩换热系统循环泵5，通过换热循环管路，桥面板内的高温液体流入水箱一23和水箱三25，能量桩内的低温液体流入水箱二24和水箱四26；
2）相邻水箱内的水温存在温差，保证温差发电片组件22的两端始终存在温差，从而可以持续产生电能，并存储在蓄电装置3中；
3）当蓄电装置3储存了足够的电能之后，可以将全部的阀门打开，启动桥面换热系统循环泵4、能量桩换热系统循环泵5，桥体结构内的高温循环液体会直接流入能量桩换热系统，进而多余的热量会存储于地层中。
（2）冬天，由于夏季的地热存储，地温远远高于大气温度，能量桩循环管路内部的换热液体19被加热，桥面板内的换热液体19被制冷。
1）打开阀门一27、阀门二28、阀门十一37、阀门十二38、阀门五31、阀门六32、阀门十五41、阀门十六42，开启桥面换热系统循环泵4、能量桩换热系统循环泵5，通过换热循环管路，能量桩内的高温液体流入水箱二24和水箱四26，桥面板内的低温换热液体19流入水箱一23和水箱三25；
2）水箱内换热液体19的温差能保证水箱一23和水箱二24之间、水箱三25和水箱四26之间的温差发电片组件22的两端始终存在温差，进行发电，将电能存储于蓄电装置3；
3）当出现下雪天气时，可以将全部的阀门打开，启动桥面换热系统循环泵4、能量桩换热系统循环泵5，能量桩内的高温循环液体会直接流入桥面换热系统，从而对桥体结构进行加热，达到主动式除冰融雪的效果。
实施例2
基于能量桩的桥面除冰、储能和发电装置的施工方法，包括以下步骤：
（1）桥面空心预制板的制作。根据桥梁设计要求，预先在预制厂制作空心预制板。预留孔洞的直径为40mm，在相邻孔洞之间打设预留通道17，相邻的预留通道打设在预制板的不同侧，预留通道的直径约为40mm。
（2）准备换热管。根据桥面空心预制板孔洞大小，选择不埋设换热管，直接利用孔道作为换热液循环管路。
（3）桥面换热系统加工。空心预制板的孔道两端利用混凝土18封堵，在第一个孔道和最后一个孔道下方预留换热管入口和出口，设置进水管和出水管20与发电装置2相连，预留出入口的直径与进出水管直径一致，为32mm，并在出入口处做好防水防渗措施。
（4）能量桩施工。预先将U型换热管7绑扎在能量桩的钢筋笼上，U型换热管进口和出口高于桩顶标高，并做封口处理，随后浇筑桩身混凝土，形成能量桩。
（5）组装发电装置2。水箱数量为4个，在工厂内将发电装置2的金属外壳21、水箱、温差发电组件22进行组装。
（6）桥面空心预制板吊装。将预先设有换热管的空心预制板吊装至设计位置。
（7）连接桥面板换热系统、发电装置2、蓄电装置3和能量桩6。将桥面换热系统的换热管和发电装置2的水箱进出口连接，中间设置桥面换热系统循环泵4和阀门；将能量桩的U型换热管与7发电装置2的水箱进出口连接，中间设置能量桩换热系统循环泵5和阀门；将温差发电组件22与蓄电装置3通过导线相连。
利用所述的基于能量桩的桥面除冰、储能和发电综合利用装置进行太阳能发电、存储和除冰的实施方式如下：
（1）夏季，桥面温度在阳光照射下温度升高，桥面预制板孔道中的换热管内换热液被加热，由于地温低于大气温度，能量桩内的换热液体19被制冷。
1）此时打开阀门一27、阀门二28、阀门十一37、阀门十二38、阀门五31、阀门六32、阀门十五41、阀门十六42，开启桥面换热系统循环泵4、能量桩换热系统循环泵5，通过换热循环管路，桥面板内的高温液体流入水箱一23和水箱三25，能量桩内的低温液体流入水箱二24和水箱四26；
2）相邻水箱内的水温存在温差，保证温差发电片组件22的两端始终存在温差，从而可以持续产生电能，并存储在蓄电装置3中；
3）当蓄电装置3储存了足够的电能之后，可以将全部的阀门打开，启动桥面换热系统循环泵4、能量桩换热系统循环泵5，桥体结构内的高温循环液体会直接流入能量桩换热系统，进而多余的热量会存储于地层中。
（2）冬天，由于夏季的地热存储，地温远远高于大气温度，能量桩循环管路内部的换热液体19被加热，桥面板内的换热液体19被制冷。
1）打开阀门一27、阀门二28、阀门十一37、阀门十二38、阀门五31、阀门六32、阀门十五41、阀门十六42，开启桥面换热系统循环泵4、能量桩换热系统循环泵5，通过换热循环管路，能量桩内的高温液体流入水箱二24和水箱四26，桥面板内的低温换热液体19流入水箱一23和水箱三25；
2）水箱内换热液体19的温差能保证水箱一23和水箱二24之间、水箱三25和水箱四26之间的温差发电片组件22的两端始终存在温差，进行发电，将电能存储于蓄电装置3；
3）当出现下雪天气时，可以将全部的阀门打开，启动桥面换热系统循环泵4、能量桩换热系统循环泵5，能量桩内的高温循环液体会直接流入桥面换热系统，从而对桥体结构进行加热，达到主动式除冰融雪的效果。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
