一种城市地下综合管廊的供电方法与流程

文档序号:14267151阅读:427来源:国知局
一种城市地下综合管廊的供电方法与流程

本发明涉及城市地下综合管廊技术领域,更为具体来说,本发明为一种城市地下综合管廊的供电方法。



背景技术:

城市地下综合管廊主要是由供电、供水、供热、供气、通信及排水等各类管道构成,宛如人体的神经和血管,是城市生产生活不可或缺的重要基础设施。地下综合管廊中包含着高危管道,对于高危管道进行实时监测和检测,是预防重大事故发生、及时处理隐情或险情的有效手段。所以,用于高危管道实时监测设备和检测设备等基础设施必须正常运行,而正常运行的前提是保障其得到稳定、可靠的供电。目前,为上述这些基础设施供电的方法主要是城市电网供电方法,该方法虽然简单易行,但是当城市电网出现故障时,用于高危管道实时监测设备和检测设备等基础设施也必将瘫痪,很可能会使管理部门错失重大的事故、险情、隐情的预警或者报警。虽然有人也提出了其他的供电方法,比如超大电容供电等,但是往往存在施工难度大、运行时间短或成本高等问题。

因此,在有效降低施工难度、减少成本投入及提高运行时间的基础上,如何保证城市地下综合管廊的稳定、可靠的供电,成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。



技术实现要素:

为解决现有城市地下综合管廊供电存在的不稳定、不可靠、施工难度高、成本投入大或运行时间短等问题,本发明创新地提出了一种基于温差供电的城市地下综合管廊的供电方法,获取可以利用的环境能量,并将其转换为电能,构建环境能量搜集系统,对取得的能量进行智能控制、分配,优先分配使用环境能量,从而在保证高危管道监测设备和检测设备等正常运行的同时,还能起到节能、环保等作用。

为实现上述的技术目的,本发明公开了一种城市地下综合管廊的供电方法,所述供电方法包括如下步骤,

步骤1,利用城市电网设备输出第一电能;

步骤2,基于塞贝克效应,利用温差发电设备将城市地下综合管廊的环境热能转化为第二电能;

步骤3,将所述城市电网设备作为主电源,将所述温差发电设备作为备用电源,通过主电源输出的第一电能和/或备用电源输出的第二电能为城市地下综合管廊供电。

基于上述技术方案,在城市电网设备出现故障时,本发明能够有效地通过温差发电设备转化的电能为监测设备、检测设备等基本设施供电,以保证上述基本设施的稳定运行,以提高城市地下综合管廊的安全性、保护人们的生命和财产安全。

进一步地,步骤2中,利用温差发电设备中的半导体元件将环境热能转化为第二电能,所述半导体元件一端设置于城市地下综合管廊内侧、另一端设置于城市地下综合管廊外侧,城市地下综合管廊内侧和外侧之间存在温差。

本发明巧妙地将具有将热能转化功能的半导体元件安装于城市地下综合管廊内侧和外侧,将能量转化有效地应用于城市地下综合管廊,从而不仅有效地解决了城市地下综合管廊的供电问题,而且出乎意料地达到了节能和环保的技术效果。

进一步地,所述半导体元件包括多个相互串联的发电单元,每个所述发电单元均包括串联的p型半导体和n型半导体;且对于任一个发电单元,其p型半导体和n型半导体的连接点设置于热端;两个相邻发电单元的连接点设置于冷端。

进一步地,步骤3中,包括通过所述主电源和/或备用电源为蓄电池组充电的步骤,通过所述蓄电池组为城市地下综合管廊供电;其中,所述主电源输出的220v交流电经过整流、滤波及直流直流变换后为蓄电池组充电,所述备用电源输出的直流电为蓄电池组充电。

进一步地,步骤2中,基于所述半导体元件搭建出温差发电电路,所述温差发电设备包括温差发电电路、稳压电路及电池充电电路;其中,所述温差发电电路用于产生直流电压,所述稳压电路用于对所述直流电压进行稳压处理,所述电池充电电路用于使用稳压后的直流电为蓄电池组充电。

进一步地,步骤2中,通过如下方式计算通过温差发电电路产生的直流电压:

u=αs×δt=αs×(th-tl)

其中,u表示直流电压值,αs表示塞贝克系数,δt表示热冷两端温度差,th表示热端温度值,tl表示冷端温度值。

进一步地,所述稳压电路通过型号为lm317的稳压器搭建而成;步骤2中,通过如下方式计算通过稳压电路稳压后的电压:

其中,uo表示稳压后的电压值,radj-g表示稳压器调节端到地的阻值,radj-v表示稳压器调节端到输出端的阻值,iadj表示稳压器调节端的电流值。

进一步地,所述电池充电电路通过型号为max1679的充电器搭建而成。

进一步地,步骤2中,处于寒区的城市地下综合管廊内侧温度高于外侧温度,城市地下综合管廊内外两侧形成温差。

由于寒区管廊内热网温度高、管廊外温度低的环境特点,本发明对于寒区城市地下综合管廊的供电的效果更好。

进一步地,步骤3中,优先分配并使用备用电源输出的第二电能为所述蓄电池组充电。

本发明的有益效果为:本发明能够有效地搜集城市地下综合管廊内外的环境能量,并进行使用和储存,不仅能为城市地下综合管廊提供稳定、可靠的供电,本发明还能达到节能、环保的目的。

附图说明

图1为城市地下综合管廊的供电方法的流程示意图。

图2为本发明涉及的温差发电原理示意图。

图3为本发明涉及的多个相互串联的发电单元的结构示意图。

图4为本发明涉及的温差发电设备组成示意图。

图5为使用本发明为城市地下综合管廊供电的实施状态示意图。

图6为本发明涉及的塞贝克效应的原理示意图。

图7为开路电压、匹配输出功率分别与温差的关系示意图。

图8为本发明涉及的稳压电路结构示意图。

图9为本发明涉及的电池充电电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的城市地下综合管廊的供电方法进行详细的解释和说明。

如图1至9所示,本发明公开了一种城市地下综合管廊的供电方法,通过主电源和备用电源共同形成城市地下综合管廊的供电系统,从而有效解决了地下综合管廊的电源供给问题,特别是管廊检测设备和检测设备的电源供给问题;本发明在电网正常运行时,可利用管廊内外温差产生电能,供城市管廊内监测设备和检测设备使用,可对蓄电池组进行充电,特别在电网停电时维持管廊内监测设备或检测设备正常工作,具体来说,该供电方法包括如下步骤。

步骤1,利用城市电网设备输出第一电能,比如在城市地下综合管廊内外侧温差较小的时候,仍然作为主要的供电方式。

步骤2,基于塞贝克效应,利用温差发电设备将城市地下综合管廊的环境热能转化为第二电能;本发明比较适用于寒区,处于寒区的城市地下综合管廊内侧温度高于外侧温度,城市地下综合管廊内外两侧易形成温差。如图2所示,本发明利用塞贝克效应将热能转化为电能,具体来说,利用温差发电设备中的半导体元件将环境热能转化为第二电能,将半导体元件一端设置于城市地下综合管廊内侧、另一端设置于城市地下综合管廊外侧,城市地下综合管廊内侧和外侧之间存在温差;在本实施例中,半导体元件包括多个相互串联的发电单元,每个发电单元均包括串联的p型半导体和n型半导体,将p型和n型结合的半导体元件组成的器件(热电材料)的一侧维持在低温、另一侧维持在高温,则器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流,即热能从高温侧流入器件内,通过器件将热能从低温侧排出时,流入器件的一部分热能不放热,并在器件内变成电能,输出直流电压和电流。如图3所示,通过串联多个器件便可获得较大的电压,热电材料是一种可通过固体中的载流子运动实现热能和电能之间直接转换的功能材料;本发明的热电材料器件的基本单元(发电单元)由一对p型和n型热电材料串联构成,为尽可能降低生成的电能的损失,本发明在p型半导体和n型半导体的连接点处还设置有导电绝缘层。当p-n对的两端温度不同时,如图2所示,将在回路中产生电流,从而实现温差发电;本实施例中,对于任一个发电单元,其p型半导体和n型半导体的连接点设置于热端;两个相邻发电单元的连接点设置于冷端。

在具体实施时,如图4所示,本发明基于半导体元件搭建出温差发电电路(直流电产生模块),温差发电设备包括温差发电电路、稳压电路及电池充电电路;其中,工作于地下综合管廊内外的温差发电电路通过内部的半导体元件产生直流电压,该直流电压往往为14v~20v的不稳定电压,稳压电路用于对直流电压进行稳压处理,电池充电电路用于使用稳压后的直流电为蓄电池组充电。比如,如果为3片发电单元(发电模块)提供150k的温差,就能产生14v~20v的电压满足整个装置的需要;如图6所示,一个发电单元(pn结)所能产生的电动势有限,将很多个这样的pn结串联起来就可得到足够的电压,成为一个温差发电模块,本实施例中一般串联的半导体pn结对数从3对到127对,制成的模块从面积3mm×3mm、厚度4mm到面积为60mm×60mm、厚度5mm。由于温度差很难固定,半导体温差模块产生的压差不稳定,不满足电池充电电路的要求,因此首先须对电压进行稳压处理,然后用稳定的电压给电池充电电路提供电能。

更为具体地,通过如下方式计算通过温差发电电路产生的直流电压,即温差电动势或塞贝克电动势:

u=αs×δt=αs×(th-tl)

其中,u表示直流电压值,αs表示塞贝克系数,其单位为v/k或μv/k,塞贝克系数由材料本身的电子能带结构决定,δt表示热冷两端温度差,th表示热端温度值,tl表示冷端温度值。

如图7所示,根据曲线1k的温差可以产生0.04v以上的电压。同时,在温差发电模块两端接上匹配电阻时,输出的功率随温度的变化情况如图7所示,根据曲线1k的温差可以产生0.01w的匹配功率。

更为具体来说,根据塞贝克效应,半导体温差发电模块两边的温差不稳定,输出电压也会不稳定。因为热源的温度很难控制在一个固定的温度,所以在充电系统中需一个稳压电路,本发明使用可调集成稳压器,具体地,稳压电路通过型号为lm317的稳压器搭建而成。通过如下方式计算通过稳压电路稳压后的电压,如图8所示,根据需要调整r1、r2的阻值,就可以得到所需的电压值:

其中,uo表示稳压后的电压值,radj-g表示稳压器调节端到地的阻值,radj-v表示稳压器调节端到输出端的阻值,iadj表示稳压器调节端的电流值。

一方面为了有效利用电池容量,需将电池充电至最大电压,但是过压充电会造成电池损坏,因此,充电电路要有较高的控制精度。另一方面,为了防止电池深度放电后进行快充造成损坏,需要对电压过低的电池进行预充。为满足电池充电的要求,采用如图9所示电路,电池充电电路通过型号为max1679的充电器搭建而成,该电池充电电路低压预充保护功能,在充电终止阶段控制电路不断的导通和截止来检查是否充电完毕,保证锂离子蓄电池充电至最大电压,且不会因为过压充电造成蓄电池组损坏。本发明的电池充电电路按照如下方式工作。

预充保护:当充电控制芯片max1679检测到待电池的电压低于2.5v时,则提供5ma的小电流预充。当电池电压大于2.5v且小于充电阀值电压(取4.2v)时,电池开始快速充电。

快速充电过程:在快充阶段,充电控制芯片max1679可打开外接的p沟道场效应管,充电电流由外部的电源提供的电流大小决定。管脚adj没有外接电阻,这种连接方式下快速充电的阀值电压vbr=4.2v。

终止判断:电流渐变型充电控制器在端电压接近设定的极限电压时,充电电流下降,串联在充电同路中的电阻形成的压降使电流下降提前,端电压上升的渐进过程显著变慢。这些控制器以电压达到规定最大值、电流下降到预置充电电流的1/10为准则判断充电是否完成。充电回路断开后串联电阻形成的压降同时消失,此时检测电压为实际的电池端电压。

状态指示:管脚chg与管脚in之间连接led作为充电状态指示灯。没有电池或电源时,led不亮;当快充或终止判断时,led亮;在预充阶段或时间超出预定时间时,led按50%的周期闪烁;充电结束时,led按12%的周期闪烁。

步骤3,如图5所示,将城市电网设备作为主电源,将温差发电设备作为备用电源,本发明通过主电源输出的第一电能和/或备用电源输出的第二电能为城市地下综合管廊供电。本实施例中,还包括通过主电源和/或备用电源为蓄电池组充电的步骤,通过蓄电池组为城市地下综合管廊供电;其中,主电源输出的220v交流电经过整流、滤波及直流直流变换后再为蓄电池组充电,备用电源输出的直流电经过上述处理后为蓄电池组充电。本实施例中,优先分配并使用备用电源输出的第二电能为蓄电池组充电,以进一步提高节能、环保的效果。

综上所述,本发明可利用多片温差发电模块工作在地下综合管廊内外输出14~20v不稳定的电源,解决了寒区地下综合管廊的供电问题。温差发电与电力电网组合构成系统供电电源,如图5所示。该供电电源在电网正常运行时,可利用管廊内外温差产生电能,供寒区地下综合管廊监测或检测系统使用,并可对蓄电池组进行充电,在停电时维持系统正常工作。同时该备用电源具有低压预充保护功能,在充电终止阶段控制电路不断的导通和截止来检查是否充电完毕,保证锂离子蓄电池充电至最大电压,且不会因为过压充电造成电池损坏。

此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中,参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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