高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制系统及方法与流程

本发明涉及隧道热害控制，具体为高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、地下环境的地热会影响隧道内的环境以及隧道内的各类设备，以高地温为例，施工环境温度超过28℃的隧道即为高地温隧道，该温度会对隧道支护结构、工程机械与施工人员等产生不利影响，为了监测隧道实时的温度环境同时利用隧道热害资源，一些隧道会在二衬内安装温差发电片，利用地热资源产生电能，为隧道内的各类传感器或其他设备(例如温湿度传感器、应力应变传感器等)供电，能够在减少地热对隧道影响的同时，减少额外供电线路的建设成本。

3、隧道围岩温度频繁波动，而温差发电片工作过程中需要散热，以便于在热端和冷端产生足够的温差才能转换为可利用的电能。常见的散热方式为风冷散热和液冷散热，温差发电片通常依靠风冷散热，而隧道内部由于空气流通性较差，温差发电片的发电量经常由于散热不良导致冷热端之间没有达到足够的温差，继而导致发电量的不稳定。

4、一些隧道硐室含有大量冷水资源可作为水冷所需的冷却液，虽然水冷散热效果比风冷效果更加优良，但水冷需要水泵持续驱动冷却液的循环，温差发电片要获得良好的供电能力依赖水泵驱动冷却液，但水泵自身是耗能较高的设备，依靠温差发电具有的供电能力难以长时间满足水泵的运行，而额外安装供电线路则会增加隧道的建设成本和能源负担。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制系统及方法，通过当前已有设备实际需求的供电量，和温差发电模块的供电能力进行对比。在供电能力充足时，由温差发电模块供电，风冷模块单独工作，在供电能力不足时，采取风冷模块和液冷模块同时工作，温差发电模块和储能元件协同供电。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制系统，包括：

4、温差发电模块，包括串联的多组半导体制冷片，所有半导体制冷片的热端抵接隧道初衬，冷端连接导热板，导热板背部具有散热翅片；

5、液冷模块，包括水管，导热板的散热翅片被外壳密封包裹形成液冷微通道，液冷微通道出入口连接水管，水管上设有水泵；

6、风冷模块，包括风冷热管，风冷热管的一端与导热板连接并与导热板内部连通，另一端连接散热鳍片；

7、控制器，被配置为：根据所有半导体制冷片冷端和热端的温度，确定温差发电模块的最大平均温差以及对应的供电能力，根据温差发电模块的供电能力以及储能元件，控制风冷模块单独工作，或风冷模块和液冷模块共同工作。

8、进一步的，所有半导体制冷片均与温度传感器连接，温度传感器连接控制器。

9、进一步的，所有半导体制冷片均位于隧道二衬内，且热端紧贴隧道初衬的外表面。

10、进一步的，水管末端分别连接冷水源和蓄水池，水泵工作使冷水源沿水管经过液冷微通道到达蓄水池，水泵与控制器连接。

11、进一步的，风冷热管位于隧道散热面上，内部的工作介质穿过导热板吸收热量，在热动力的作用下流动至散热鳍片，通过散热鳍片与隧道内空气接触实现换热。

12、进一步的，还具有储能元件，储能元件分别与控制器和水泵连接。

13、本发明的第二个方面提供基于上述系统实现控制的方法，包括以下步骤：

14、获取系统内所有设备和传感器正常工作所需的总电压u和总电流i；

15、获取所有半导体制冷片冷端和热端的温度，得到温差发电模块的最大平均温差，确定温差发电模块的实际输出电压和实际输出电流，

16、若实际输出电压超过所需的总电压u，且实际输出电流超过所需的总电流i，则风冷模块单独工作，温差发电模块产生的多余发电量输送给储能元件。

17、若实际输出电压不超过所需的总电压u，或，实际输出电流不超过所需的总电流i，则水泵启动并通过储能元件供电，液冷模块和风冷模块共同工作。

18、进一步的，液冷模块和风冷模块共同工作的状态下，当实际输出电压超过所需的总电压u，并且实际输出电流超过所需的总电流i，水泵关闭，液冷模块停止，散热模式切入风冷散热，温差发电模块产生的多余发电量输送给储能元件。

19、进一步的，确定温差发电模块的实际输出电压和实际输出电流，具体为：根据温差发电模块的最大平均温差，确定温差发电模块产生的实际发电量u1，根据温差发电模块所连接的负载和半导体制冷片的内阻确定温差发电模块的实际输出电压u2和实际输出电流i1。

20、进一步的，当最大平均温差低于设定值，储能元件释放储存的电量，驱动水泵工作，液冷模块和风冷模块共同工作；当最大平均温差不低于设定值，水泵关闭，液冷模块停止运行，温差发电模块产生的多余电能转入储能模块保存。

21、与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

22、根据温差发电模块的最大平均温差确定其供电能力，通过系统内所有设备当前需求的供电量，和温差发电模块的供电能力进行对比，在供电能力充足时，由温差发电模块供电，风冷模块单独工作，在供电能力不足时，采取风冷模块和液冷模块同时工作，温差发电模块和储能元件协同供电，形成的液冷-风冷耦合控温的方式既保证了系统发电量的稳定，提升了发电性能，同时通过调控风冷以及风冷-水冷耦合的方式，控制水泵间歇性运行，减少了不必要的能耗，与此同时，储能元件的硬件成本远低于铺设供电线路。

技术特征：

1.高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制系统，其特征在于，所有半导体制冷片均与温度传感器连接，温度传感器连接控制器。

3.如权利要求1所述的高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制系统，其特征在于，所有半导体制冷片均位于隧道二衬内，且热端紧贴隧道初衬的外表面。

4.如权利要求1所述的高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制系统，其特征在于，所述水管分别连接冷水源和蓄水池，水泵工作使冷水源沿水管经过液冷微通道到达蓄水池，水泵与控制器连接。

5.如权利要求1所述的高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制系统，其特征在于，所述风冷热管位于隧道散热面上，内部的工作介质穿过导热板吸收热量，在热动力的作用下流动至散热鳍片，通过散热鳍片与隧道内空气接触实现换热。

6.如权利要求1所述的高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制系统，其特征在于，还具有储能元件，储能元件分别与控制器和水泵连接。

7.基于权利要求1-6任一项所述系统实现液冷-风冷耦合控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制方法，其特征在于，液冷模块和风冷模块共同工作的状态下，当实际输出电压超过所需的总电压u，并且实际输出电流超过所需的总电流i，水泵关闭液冷模块停止，散热模式切入风冷散热，温差发电模块产生的多余发电量输送给储能元件。

9.如权利要求7所述的高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制方法，其特征在于，确定温差发电模块的实际输出电压和实际输出电流，具体为：根据温差发电模块的最大平均温差，确定温差发电模块产生的实际发电量u1，根据温差发电模块所连接的负载和半导体制冷片的内阻确定温差发电模块的实际输出电压u2和实际输出电流i1。

10.如权利要求7所述的高地温隧道温差发电的液冷-风冷耦合控制方法，其特征在于，当最大平均温差低于设定值，储能元件释放储存的电量，驱动水泵工作，液冷模块和风冷模块共同工作；当最大平均温差不低于设定值，水泵关闭，液冷模块停止运行，温差发电模块产生的多余电能转入储能模块保存。

技术总结
本发明公开高地温隧道温差发电的液冷‑风冷耦合控制系统及方法，包括温差发电模块，包括串联的多组半导体制冷片，所有半导体制冷片的热端抵接隧道初衬，冷端连接导热板，导热板具有散热翅片；液冷模块，包括水管，导热板的散热翅片被水管包裹形成液冷微通道，水管上设有水泵；风冷模块，包括风冷热管，风冷热管的一端与导热板连接并与导热板内部连通，另一端连接散热鳍片；控制器，被配置为：根据所有半导体制冷片冷端和热端的温度，确定温差发电模块的最大平均温差以及对应的供电能力，根据温差发电模块的供电能力以及储能元件，控制风冷模块单独工作，或风冷模块和液冷模块共同工作。

技术研发人员：曹晓玲,任嘉诚,晏启祥,薛晖,冷子瑜,吴浪,曾艳华,孙亮亮
受保护的技术使用者：中国国家铁路集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24