一种基于温差发电的自供电系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于温差发电的自供电系统，属于电网自供电领域。

背景技术：

我国北方地区供热管网极其庞大，作用于供热管道上的电控阀、传感器、控制单元等数量巨大，改变热管网中的电动阀、传感器、控制单元等设备的供电方式一直是众多学者探寻研究的热点之一。目前供热管网上传感器、控制单元、电动阀等的供电方式主要有图1中的方式(一)与方式(二)，一种是采用市电，另一种则采用蓄电池。这两种供电方式主要存在如下问题：

1.建设220v市电线路需耗费大量人力、物力、财力，且一些地方施工困难甚至无法铺设220v供电线路；供电线路如出现故障将导致电动阀、传感器、控制单元等无法动作，严重影响供热管网运行的可靠性及安全性；而且，虽然电动阀供电计量设备众多，但电动阀每年耗电量并不是很大，所缴纳的电费与计量设备成本严重失衡，对电网公司来说，经济性较差。

2.蓄电池能量密度低、体积大、重量高，运输与安装极其不便；蓄电池容量有限需定期运输到指定地点进行充电，拆卸、运输、安装过程费时费力，运维成本过高；供热管道所处环境恶劣，蓄电池组故障率较高，给供热管网可靠安全持续的运行带来了隐患。

基于上述市电和蓄电池供电的弊端，目前，有供热管道开始尝试采用自供电系统供电，当前关于管道自供电问题主要集中在利用流体发电模块和压电发电模块两类。如《一种管道流体信息的远程自供电监控器》公开了：利用流体发电装置将流体动能-电能进行转换，并利用储能装置进行存储，实现了为系统智能控制板的自供电，达到了管道信息远程监视效果；《自供电海底管道在线检漏设备》公开了：利用管道内的水流带动叶片旋转，通过三级齿轮实现发电机高速旋转完成动能-机械能-电能的转换，经过整流模块蓄电池对电能进行实时存储以满足arm处理器、无线声学发送装置的供电，实现系统自供电的同时完成管道远程检漏；《流体管道自供电智能传感器》公开了：通过水流带动涡轮机旋转使发电机发出交流电能，经过电源单元满足计算机主板、网络连接器和传感器的功率需求后为蓄电池充电，实现了系统的自供电。《一种旋转式自供电的管道监测装置》公开了：在旋转轴上均匀合理布置磁铁与压电器，管道流体通过旋转轴并带动其转动时，在激励磁铁的作用下使压电器发电满足温度与压力等传感器需求，实现系统的自供电；《用于油气输送管道监测的自供电装置》公开了：利用管道油气动能通过叶片带动主轴转动，在圆孔内磁铁的作用下产生压力使压电模块发出电能，满足检测传感器的功率需求，实现了系统的自供电。上述自供电方法主要存在如下问题：

1.现有自供电系统中原始动力都来源于机械能(动能)，通过动态转换设备实现机械能(动能)-电能的转换，这样的自供电设备噪音大、寿命短、故障率高，严重影响系统安全稳定可靠运行，并且受应用环境及场所的限制；

2、现有管道自供电系统电源模块单元发出的功率较小，仅能满足传感器、控制单元等mw级(毫瓦级)的小功率负荷需求，并不能实现对w级(瓦级)功率的动力设备供能。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种基于温差发电的自供电系统，本案由此产生。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于温差发电的自供电系统，以实现管道系统中动力设备和弱电设备的自供电。

为了实现上述目的，本实用新型的解决方案是：

基于温差发电的自供电系统，包括控制单元、稳压单元、蓄电单元、升压单元，以及安装在供热管道上的温差发电单元；其中，所述温差发电单元热端汲取供热管道能量，冷端远离供热管道，冷热两端形成的温差将热能转换为电能，温差发电单元产生的电能通过稳压单元后存储在蓄电单元中，蓄电单元一方面为弱电设备提供电能，另一方面通过升压单元升压后为动力设备供电。

作为优选，所述温差发电单元包括热源存储器、温差发电模块和散热器，其中，所述热源存储器与供热管道相连通，提供热源，形成温差发电单元的热端；所述散热器与温差发电模块相连接，设置在远离热端的一侧，形成温差发电单元的冷端。

作为优选，所述温差发电单元还包括电路板，所述温差发电模块及外围电气元件安装在电路板上。

作为优选，所述温差发电单元还包括绝缘导热隔离垫，所述绝缘导热隔离垫设置在温差发电模块和热源存储器之间，避免温差发电模块、电路板直接与热源存储器接触而损坏。

作为优选，所述温差发电模块包括n个串联的温差发电片，以及m个并联的温差发电片。利用供热管道热水与空气之间的温差发电，满足电动调节阀、传感器等设备功率需求与电压需求。

作为优选，所述散热器采用铝质散热器或塑料散热器。

作为优选，所述蓄电单元采用超级电容器组或锂电池组。

作为优选，所述控制单元采用微处理器控制。

上述基于温差发电的自供电系统，所述温差发电单元通过供热管道热水与空气的温差实现热能-电能的转化；所述稳压单元将温差发电单元输出电压稳定于一数值，使温差发电单元电能注入蓄电单元中且满足控制单元、供热管道系统内的传感器和执行单元等弱电设备的供能，蓄电单元则实时汇集存储温差发电单元的电能，当电动调节阀等动力设备需要动作时，蓄电单元将电能集中释放保证动力设备可靠动作；升压单元将蓄电单元端口输出电压升于动力设备(如电动调节阀伺服电机)额定电压，确保升压单元输出端口电压始终稳定于动力设备额定电压值。控制单元实时采集监控温差发电单元、蓄电单元、稳压单元、升压单元，以及与之相连的弱电设备、动力设备的信息，并根据系统运行工况实时发出指令给系统各个单元，确保各个单元安全运行的基础上，满足动力设备及控制单元等弱电负荷需求。

以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细描述。

附图说明

图1为现有技术中供热管网供电方式示意图；

图2为本实施例的自供电系统控制原理图；

图3为本实施例的温差发电单元结构示意图；

图4为本实施例的温差发电单元结构分解示意图；

图5为本实施例的温差发电片模块的等效电路；

图6为本实施例的超级电容组等效电路图；

图7为本实施例的自供电系统等效电路图；

图8为本实施例的自供电系统操作过程图。

具体实施方式

如图2所示，基于温差发电的自供电系统，包括控制单元1、稳压单元2、蓄电单元3、升压单元4，，以及安装在供热管道7上的温差发电单元6。整个自供电系统可以统一封装在一起，然后安装在供热管道7上，也可以单独将温差发电单元6安装在供热管道7上，不论哪种安装方式，所述温差发电单元6热端必须靠近供热管道7，以汲取供热管道7能量，冷端远离供热管道7，使冷端和热端形成较大的温差，冷热两端形成的温差将热能转换为电能，温差发电单元6产生的电能通过稳压单元2后存储在蓄电单元3中，所述稳压单元2将温差发电单元6输出电压稳定于一数值，使温差发电单元6电能注入蓄电单元3中且满足控制单元1、供热管道系统内的传感器(如供热管道的温度传感器8、压力传感器9等)和执行单元5(如电动调节阀的触动开发等)等弱电设备的供能，蓄电单元3则实时汇集存储温差发电单元6的电能，当电动调节阀10等动力设备需要动作时，蓄电单元3将电能集中释放保证动力设备可靠动作；升压单元4将蓄电单元3端口输出电压升于动力设备(如电动调节阀伺服电机)额定电压，确保升压单元4输出端口电压始终稳定于动力设备额定电压值。控制单元1实时采集监控温差发电单元6、蓄电单元3、稳压单元2、升压单元4，以及与之相连的弱电设备(如温度传感器8、压力传感器9)、动力设备(如电动调节阀10)的信息，并根据系统运行工况实时发出指令给系统各个单元，确保各个单元安全运行的基础上，满足动力设备及控制单元1等弱电负荷需求。

所述蓄电单元3采用充电快的超级电容器组，除超级电容器组外，还可以采用锂电池等蓄电设备。所述控制单元1采用微处理器控制，通过控制单元1使温差发电单元6等效阻抗实时匹配负载阻抗，实现温差发电单元6最大功率的输出。所述稳压单元2和升压单元4采用dc-dc模块。

如图3-4所示，本实施例中所述温差发电模块单元6包括热源存储器61、温差发电模块62和散热器63，其中，所述热源存储器61与供热管道7相连通，为热水提供存储空间，确保热源充足，形成温差发电单元的热端，热源存储器61一般固定安装在供热管道7上，也可以为温差发电模块单元6中的其他部件提供固定支撑点；所述散热器63与温差发电模块62相连接，设置在远离热端的一侧，形成温差发电单元6的冷端。所述散热器63采用导热性好的材料，具体可以采用铝质散热器或塑料材质的散热器。散热器63主要将温差发电模块62由热端传输到冷端的热量及时有效散发，防止温差发电模块62冷端温度升高、影响温差发电模块62功率与电压最优输出，其大小与温差发电模块62功率强相关，即温差发电模块62额定功率越大散热器63尺寸越大，为达到更好的散热效果，温差发电模块62的外壳一般采用导热性能好的材料。

所述温差发电模块62包括n个串联的温差发电片，以及m个并联的温差发电片。利用供热管道热水与空气之间的温差发电，满足电动调节阀、传感器等设备功率需求与电压需求，温差发电模块62可以做成圆柱或方形，这样便于多个温差发电片稳定连接于一起。

所述温差发电单元6还包括电路板65，所述温差发电模块62及外围电气元件(如dc-dc模块、电容、电感等)安装在电路板上，电路板集成了dc-dc模块、电容、电感、温差发电模块等电气元件，可确保各电气元件之间可靠稳定焊接，实现对电动阀、传感器等设备稳定可靠的供电。

为避免温差发电模块62和电路板65直接与热源存储器61接触而损坏，所述温差发电单元6还包括绝缘导热隔离垫64，所述绝缘导热隔离垫64设置在温差发电模块62和热源存储器61之间。绝缘导热隔离垫64可做成方形或圆形保证温差热电模块62均匀受热。

所述散热器63、温差发电模块62、电路板65、绝缘导热隔离垫64和热源存储器61、依次叠置通过螺栓66固定在供热管道7上。

本实施例所述的温差发电模块62由多个串并联的温差单片优化组合组成，利用管道热水与管道外空气的温差产生适合电路需求的端电压，在控制单元1的控制下温差发电单元始终输出最大功率；超级电容器组对温差发电单元产生的电能进行实时汇集与存储，满足传感器等单元及电动调节阀的负荷需求，完全实现了电能的自给自足。不仅克服了现有电动调节阀、传感器的供电需铺设220v供电线路及安装大量电能计量设备问题，同时也克服了市电无法到达的地方热网电动调节阀、传感器等设备供电问题。

所述自供电系统完全可以实现电能的自我供给、无需为电池或超级电容器等储能设备定期充电，且运行安全可靠。克服了电动调节阀、传感器等设备采用蓄电池时需定期拆卸、安装、运输、充电等问题，同时也解决了蓄电池故障率高、体积大导致的安装运维困难等问题。

所述自供电系统内所有设备均为静态电气设备，体积小、噪音小、故障率低、寿命长，自供电电源运行安全可靠。克服了采用传动方式实现系统自供电导致的噪声大、故障率高、设备易损坏、体积大、运行可靠性较差等不利问题。

所述自供电系统通过温差发电单元与超级电容容量的优化组合配置，不仅可以满足为传感器、控制单元等mw级负荷需求，同时也可以实现电动阀等w级负荷的供能，打破了现有管道自供电电源输出功率小等技术壁垒。

图5为温差发电片模块的等效电路，由图5可知，温差发电模块采用n个温差发电片串联，m个温差发电片并联组成。其中，rij与vij分别为第i行、j列温差发电片等效电阻与电压，i＝1、2、…(n-1)、n，j＝1、2、…(m-1)、m。

对温差发电模块等效电路进行量化分析。第i行、j列温差发电片由于管道热水与空气的温差所产生的电压为

vij＝σpn(t热水-t空气)(1)

式中：σpn为温差发电片pn结的贝塞克系数；t热水、t空气分别为管道中热水温度与管道外空气温度。

第j列n个串联的温差发电片的等效电压与电阻可以表示为：

i行并联的温差发电片对外输出的等效总电流与总导纳为

因此可以推导出温差发电片的戴维南等效电路中等效电压与等效电阻为

图6为超级电容器组等效电路，由图6可知，超级电容器组由a个串联、b个并联的超级电容单体组成。其中，rcij与cij分别为第i行、j列超级电容器单体等效电阻与电压，i＝1、2、…(a-1)、a，j＝1、2、…(b-1)、b。

采用将超级电容器单体等效为一阶电容+电阻的形式。因此，第j列a个串联的超级电容器单体的等效电容与电阻可以表示为：

i行并联的超级电容器单体对外输出的等效总电容与总电阻为(即戴维南等效电路中的电容与电阻)

图7为自供电系统等效电路，其中，e等效、r等效分别为温差发电单元6的等效电压与等效电阻，i温差与u温差分别为温差发电单元6端口电压与输出电流；l稳压、s稳压、c1及i稳出分别为稳压模块的电感、控制信号、稳压电容及输出电流；i控制与rk控制分别为控制等效负荷单元的负荷电流与控制单元、传感器、执行模块等所有弱电等效负荷；c等效、rc等效分别为超级电容器组的等效电容与等效电阻，i超级充、i超级放及u超级分别为超级电容器组的充电电流、放电电流与端电压；ldc、sdc、c2及idc进分别为dc-dc模块(本实施例以非隔离型为例给出了dc-dc模块示意图，实际产品也可根据需要采用非隔离型。)的电感、控制信号、稳压电容及流进电流；i电阀与u电阀分别为流进电动调节阀的电流与其端电压。

为了剖析自供电系统的各个单元之间的具体关系，现对该自供电系统进行量化分析。温差发电模块在热端与冷端温差的作用下实现对外电能的输出，具体输出的功率为

p温差＝u温差×i温差(7)

控制单元、传感器等所有弱电等效负荷消耗的功率为

温差发电单元6实时为超级电容器组充电，一段时间后超级电容器组汇集的电能为

式中：u超级充2为充电后的超级电容器组端电压，u超级充1为充电前的超级电容器组的端电压，i超级充为超级电容器组的充电电流。

超级电容器组的充电功率为

温差发电模块输出的功率满足弱电负荷功率需求后全部注入到超级电容器组之中，即

p温差＝p弱电l+p超级充(11)

电动调节阀中伺服电机及控制模块的功率需求为

p电阀＝u电阀×i电阀(12)

当电动调节阀需要动作时，超级电容器组放电满足其功率需求，一段时间后超级电容器组释放的能量为

式中：u超级放1为放电前的超级电容器组端电压，u超级放2为放电后的超级电容器组的端电压，i超级放为超级电容器组的放电电流。

超级电容器组的放电功率为

超级电容器组放电功率与电动调节阀负荷功率关系为

p电阀＝p超级放(15)

以下为上述基于温差发电的自供电系统的一种操作过程，如图8所示，具体包括如下步骤：

1)控制单元1首先判断系统是否处于具备运行条件，如果不具备则发送信息给主控系统并进行原因排查，自供系统此时处于停运状态；如果控制单元1判断自供系统具备运行条件，则进行如下处理过程。

2)控制单元2通过传感器采集供热管道7热水温度、压力、空气温度等必要物理量；通过变送器采集温差发电单元6、稳压单元2、蓄电单元3、升压单元3及电动调节阀9电流、电压等电气量；同时也采集蓄电单元3荷电状态等系统约束量。如果自供系统满足

采集量异常(16)

此时控制单元1发出警报并针对异常量采取相应措施，避免自供系统出现安全隐患，确保自供电系统的安全性及各设备寿命。

如果自供电系统满足

采集量正常(17)此时控制单元1通过接收到的主控系统命令判断电动阀是否动作，如

电动阀不动作(18)自供电系统给温差发电单元6、超级电容器组等设备发送功率指令，温差发电单元6及超级电容器组等设备则实时接收控制单元1指令并按照指令发出/接收功率，具体为

式中：p温差为温差发电单元发出的功率；p蓄电充为蓄电单元(即本实施例的超级电容器)充电功率；p弱电l为弱电设备(如本实施例传感器等弱电设备)功需求功率；p动力为动力设备(如电动阀中伺服电机)所需功率。

温差发电单元6实时运行于最大功率跟踪模式，发出功率额满足控制单元、传感器、执行单元等弱电负荷功率需求后为超级电容器组进行充电，超级电容器组实时汇集电能并进行存储。

自供电系统如判断系统满足

电动阀动作(20)

此时自供电系统给温差发电单元、超级电容器组等设备发送功率指令，温差发电单元及超级电容器组等设备则实时接收控制单元指令并按照指令发出/接收功率，具体为

温差发电单元实时运行于最大功率跟踪模式，发出功率满足控制单元、传感器、执行单元等弱电负荷功率需求后为超级电容器组进行充电，超级电容器组实时汇集电能并进行存储，同时超级电容器将存储的能量集中释放，满足电动调节阀的动作需求。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其他实施例。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由权利要求指出。