一种利用热管温差发电的系统的制作方法

本发明属于能源技术领域，特别涉及一种依靠高温管道内流体温度和热管装置向冷源环境排放热量从而形成温差，并利用该温差进行发电为设备供电的系统。

背景技术：

在供热领域，传统水系统的压力，温度，流量等参数的测量大多采用机械仪表，通过表盘显示，人工读数，纸笔记录的方式实现测量数据的读取、采集和记录，运行人员再根据这些读取或记录的数据管理系统的运行。随着自控技术的发展，现在很多供热系统诸如压力、温度、流量等参数的测量和采集都采用自动化仪表，测量数据自动采集，并实现数据远程传输。这种方式一方面使得数据能够实时采集，是系统实现自控的必要环节，另一方面实现了高频率的电子化数据，方便管理人员运行管理和故障的诊断、处理等功能，然而这种自控仪表无一例外都需要供电，这成为其广泛应用的一个重要制约因素，要么放置在方便接电的电源附近，如布置在热力站内；要么花费较大的代价安装单独线路进行供电，代价较大，甚至于受限现场条件的制约无法实现；要么设置电池供电，但电池电量和寿命都有限，定期更换繁琐，成本也较高。随着移动通讯技术的发展以及智慧城市发展的需求，未来的供热、空调等市政系统的实时监测性要求提高，仪表的安装位置不仅仅限于热力站内，对于道路、荒野上的管道可能都需要安装有关仪表，显然仪表和设备的供电制约了其大范围的应用与发展。

中国专利“利用输油气管道表面温差发电进行供电的装置(中华人民共和国，申请号：201420195588.6)”提出了一种利用输油气管道表面温差发电进行供电的装置，其利用油气管道表面与外界环境温度的温差来发电给仪表供电，这种方式理论上虽然可以实现发电，但存在不能保持较高的温差，无法解决发电效率低，发电稳定等问题，因此，需要一种能够创造稳定温差，高效发电的系统，即能够将半导体热量最迅速最高效地传导至冷源环境，从而保证发电半导体两端尽可能大尽可能稳定的温差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用热管温差发电并向设备供电的系统，用于解决现有利用管道温差发电系统不能保持较高温差，无法解决发电效率低下的问题。

本发明采用的技术方案是：一种利用热管温差发电向设备供电的系统，包括温差发电系统，控制电路、需要供电的设备、高温管道和冷源环境。

所述温差发电系统包括：温差发电片组、温差发电片组电能输出电极、高温流体循环腔及热管装置。所述温差发电片组是温差发电的半导体器件，利用冷热两面的温差进行发电；所述高温流体循环腔与温差发电片组的热面接触，从高温管道接入而来的具有一定温度的高温流体自高温管道流出并通过高温流体循环腔的入口进入高温流体循环腔，自高温流体循环腔的出口流出再次进入高温管道；所述热管装置主要包括：蒸发腔、管道、工质和冷凝腔。蒸发腔和冷凝腔通过管道连接。所述蒸发腔的一面与温差发电片紧密接触，工质在该壁面蒸发；所述热管装置的冷凝腔位于冷源环境中，管内工质在冷凝腔放热冷凝，从而实现热量向冷源环境转移；高温流体循环腔与温差发电片组的热面进行热交换，蒸发腔与温差发电片组的冷面进行热交换，冷凝腔与冷源环境进行热交换；温差发电系统通过温差发电片组电能输出电极与控制电路相连，控制电路进一步与需要供电的设备相连从而向设备供电。

所述温差发电系统的另一方案，包括温差发电片组、温差发电片组电能输出电极、高温流体循环腔及热管装置。所述温差发电片组是温差发电的半导体器件，用来利用冷热两面的温差进行发电；所述高温流体循环腔与温差发电片组的热面接触，从高温管道接入而来的具有一定温度的高温流体自高温管道流出并通过高温流体循环腔的入口进入高温流体循环腔，选取与高温管道存在一定压差的另一管道的一点，将高温流体循环腔流出的流体引入另一管道；所述热管装置主要包括：蒸发腔、管道、工质和冷凝腔。蒸发腔和冷凝腔通过管道连接。所述蒸发腔的一面与温差发电片紧密接触，工质在该壁面蒸发；所述热管装置的冷凝腔位于冷源环境中，管内工质在冷凝腔放热冷凝，从而实现热量向冷源环境转移；高温流体循环腔与温差发电片组的热面进行热交换，蒸发腔与温差发电片组的冷面进行热交换，冷凝腔与冷源环境进行热交换；温差发电系统通过温差发电片组电能输出电极与控制电路相连，控制电路进一步与需要供电的设备相连从而向设备供电。

所述温差发电系统的另一方案：包括温差发电片组、温差发电片组电能输出电极和热管装置。所述温差发电片组是温差发电的半导体器件，用来利用冷热两面的温差进行发电；所述温差发电片组紧贴高温管道外壁面，管道内高温流体通过管道壁导热从而使发电片组热面获得一稳定高温环境；所述热管装置主要包括：蒸发腔、管道、工质和冷凝腔。蒸发腔和冷凝腔通过管道连接。所述蒸发腔的一面与温差发电片紧密接触，工质在该壁面蒸发；所述热管装置的冷凝腔位于冷源环境中，管内工质在冷凝腔内放热冷凝，从而实现热量向冷源环境转移。温差发电系统通过温差发电片组电能输出电极与控制电路相连，控制电路进一步与需要供电的设备相连从而向设备供电。

其特征还在于：热管装置还包括吸液芯。

其特征还在于：为了保证高温管道外壁面与温差发电片热面之间紧密接触，减少热阻，还可以在所述温差发电片组热面和高温管道外壁面之间增加紧密性导热材料。

其特征在于：所述热管装置管道可以自由布置；可以直走，可以转弯；可以在管道井内，也可以穿过土壤到达地面以及地面以上。

其特征还在于：所述热管装置的冷凝腔可以是热管管道的一部分，也可以设置专门的冷凝腔。冷凝腔的位置可以在管道井内和/或埋藏在土壤中和/或裸露在地面及以上。

其特征还在于：所述冷源环境为比高温管道流体内温度低的环境。

其特征还在于：所述热管装置冷凝腔具有散热翅片结构，从而加强热管冷凝腔与冷源环境的换热。

其特征还在于：为了保证高温流体循环腔与温差发电片组热面之间紧密接触，减少热阻，可以在所述高温流体循环腔与发电片组的接触面之间增加紧密性导热材料。

其特征还在于：为了保证蒸发腔与温差发电片组冷面之间紧密接触，减少热阻，在所述蒸发腔与温差发电片组的接触面之间增加紧密性导热材料。

其特征还在于：为了增强温差发电片组与高温流体循环腔和蒸发腔的换热效果，提高发电效率，所述高温流体循环腔、蒸发腔与发电片组的接触面还可以采用波纹结构和/或涂刷增强换热的涂料。

所述高温循环腔内流体的流动动力来源于所述高温管道流动方向上某段距离的压差，所述高温流体循环腔的入口与高温管道位于流体流向上的上游一点相连，高温流体循环腔的出口与高温管道位于流体流向上的下游另一点相连，且两点之间的流体压力差需能克服流体流过流体循环腔及流体循环腔前后管路的阻力。

所述高温循环腔内流体的流动动力还可以来源于所述高温管道以及与高温管道存在一定压差的另一管道，所述高温流体循环腔的入口与高温管道的一点相连，高温流体循环腔的出口与另一管道的一点相连，且两点之间的压力差需能克服流体流过流体循环腔及流体循环腔前后管路的阻力。

此外，所述高温流体循环腔内流体的流动动力还可以通过在流体循环腔的入口前和/或出口后增加泵或其他动力设备来提供。

其特征还在于：为了满足不同设备的供电需求，如供电电压、电流、功率和容量等不同，以及在不同场合管道内流体温差不同，所述温差发电片组可以是一组，也可以是多组串联或并联。

其特征还在于：为了防止管道内的污物流入、堵塞流体高温流体循环腔，在所述高温流体循环腔的进口前加装流体过滤装置。

其特征还在于：所述控制电路还与蓄电装置相连，控制电路可以将温差发电片组电能输出电极输出的电流或电压蓄存于蓄电装置。所述蓄电装置与需要供电的设备相连，蓄电装置可以向所述需要供电的设备供电。所述控制电路把所述温差发电系统产生的电能向所述需要供电的设备供电。

其特征还在于：所述控制电路还自动将不稳定或不满足蓄电或设备供电需求的电流和电压变为蓄电装置或设备所需的电压和电流，实现设备的稳定供电或蓄电装置的蓄电，并分别在蓄电与用电之间，系统发电供电与蓄电池供电之间进行平衡和调度。

其特征还在于：所述蓄电装置为但不限于蓄电池、超级电容、电容、蓄电池与干电池的组合体中的一种或多种。

根据本发明的一种利用热管温差发电的系统，利用热管装置及所在翅片能快速高效地把热量导出去，稳定维持发电片组冷热两面最大温差，极大提高发电效率。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为一种利用热管温差发电的系统原理图1

图2为温差发电系统高温流体循环腔与管道连接示意图1

图3为一种利用热管温差发电的系统原理图2

图4为温差发电系统高温流体循环腔与管道连接示意图2

图5为一种利用热管温差发电的系统原理图3

其中：1—温差发电系统，1a—高温流体循环腔，1b—高温流体循环腔1a的出口，1c—高温流体循环腔1a的进口，1d—紧密性导热材料,1e—紧密性导热材料，1f—温差发电片组电能输出电极，1g—温差发电片组，1h—热管，1i—蒸发腔，1j-冷凝腔，1k—工质，1m—翅片，2-回水管道，3—控制电路，4—蓄电装置，5—需要供电的设备，6-过滤装置，7—供水管道(高温管道)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例，仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

实施例1：参加图1和图2。

一种利用热管温差发电的系统，主要用于供热管道管井温度压力监测仪表的供电，包括：温差发电系统1、控制电路3、蓄电装置4、需要供电的设备5、高温管道7和冷源环境。高温管道7为供热系统供水管道，冷源环境为管井外的空气环境。其中温差发电系统的冷热温差来源于具有一定温差的高温管道和冷源环境。温差发电系统1通过控制电路3向设备5供电。

具体，如图1和图2所示，温差发电系统1包括温差发电片组1g、温差发电片组电能输出电极1f、高温流体循环腔1a和热管装置1h。温差发电片组1g是温差发电的半导体器件，利用冷热两面的温差进行发电；高温流体循环腔1a与发电片组1g的热面接触。供水管道7内的供水(高温流体)通过管道引出点A引出，从高温流体循环腔1a的进口1c进入，从高温流体循环腔1a的出口1b排出，从管道引入点B再次进入高温管道7；管道A,B之间的距离确定应本着其产生的流体压力差能够克服流体流过高温流体循环腔1a及流体循环腔前后管路的阻力的原则进行选择，利用A,B之间的压差实现循环腔内高温流体的流动。若在选择连接时，压力差太大，可以在进入循环腔的连接管上安装阀门调节；若压力差太小，可以增大循环腔连接管的管径，总之，应保证流体压力差能够克服流体流过流体循环腔及其前后管路阻力即可。

热管装置1h包括：蒸发腔1i、管道、工质1k和冷凝腔1j。蒸发腔1i和冷凝腔1j通过热管管道连接。蒸发腔1i的一面与温差发电片1g的冷面紧密接触，工质1k受热在该壁面蒸发；热管管道穿过土壤到达地面以上，露出地面，热管管道上部一部分作为冷凝腔1j，并布置散热翅片1m加强与井外空气的换热。从蒸发腔1i通过热管管道流入冷凝腔1j内的气态工质1k由于与井外冷空气换热，在冷凝腔1j中放热冷凝成液态，并通过重力回流或吸液芯回流至蒸发腔1i，从而实现热量从温差发电片组1g的冷面向井外空气的转移。高温流体循环腔1a与温差发电片组1g的热面进行热交换，蒸发腔1i与温差发电片组1g的冷面进行热交换，冷凝腔1j与井外空气进行热交换，从而维持了温差发电片组冷热面的温差实现稳定发电；

温差发电系统通过温差发电片组电能输出电极1f与控制电路3相连，控制电路3与蓄电装置4和需要供电的设备5相连，控制电路3将温差发电片组电能输出电极1f输出的的电流或电压蓄存于蓄电装置4中。蓄电装置4与需要供电的设备5相连，以便向需要供电的设备5供电。控制电路3把温差发电系统产生的电能提供给需要供电的设备5。控制电路3还自动将不稳定或不满足蓄电或设备供电需求的电流和电压变为蓄电装置4或需要供电的设备5所需的电压和电流，实现需要供电的设备5的稳定供电或蓄电装置4的蓄电，并分别在蓄电与用电之间，系统发电供电与蓄电池供电之间进行平衡和调度。如当需要供电的设备5在非工作期间或其他原因不需要供电时，控制电路3将电流电压转化为蓄电装置4所需的电流和电压给蓄电装置4蓄电。当温差较小，无法发电或者发电片故障时，由蓄电装置4给需要供电的设备5供电。也可以根据需要，控制电路3首先给蓄电装置4充电，再由蓄电装置4直接给需要供电的设备5供电。

蓄电装置采用蓄电池、超级电容、电容、蓄电池与干电池的组合体中的一种或多种。

为了保证高温流体循环腔1a与温差发电片组热面之间紧密接触，减少热阻，在高温流体循环腔与温差发电片组的热面之间增加紧密性导热材料1d。为了保证蒸发腔1i与温差发电片冷面之间紧密接触，减少热阻，在所述蒸发腔与温差发电片组的冷面之间增加紧密性导热材料1e。紧密性导热材料采用导热硅脂。同时为了增强发电片与高温流体循环腔1a和蒸发腔1i的换热效果，提高发电效率，在高温流体循环腔1a和蒸发腔1i与发电片组的接触面的各自内侧涂刷增强换热的涂料。为了防止管道内的污物流入、堵塞流体高温流体循环腔1a，在所述高温流体循环腔1a的进口1c前加装流体过滤装置。

实施例2：参加图3和图4。

一种利用热管温差发电的系统，主要用于供热管道管井温度压力监测仪表的供电，包括：温差发电系统1、控制电路3、蓄电装置4、需要供电的设备5、高温管道7，回水管道2和冷源环境。高温管道7为供热系统供水管道，冷源环境为管井外的空气环境。其中温差发电系统的冷热温差来源于具有一定温差的高温管道和冷源环境。温差发电系统1通过控制电路3向设备5供电。

具体，如图3和图4所示，温差发电系统1包括温差发电片组1g、温差发电片组电能输出电极1f、高温流体循环腔1a和热管装置1h。温差发电片组1g是温差发电的半导体器件，利用冷热两面的温差进行发电。高温流体循环腔1a与发电片组1g的热面接触，供水管道7内的供水(高温流体)通过管道引出点A引出，从高温流体循环腔1a的进口1c进入，从高温流体循环腔1a的出口1b排出，从供热系统回水管道2引入点C进入回水管道2，利用A,C之间的压差实现循环腔1a内流体的流动。供水管道与回水管道之间存在着一定压力，做流体学计算使得两点之间的压力能够克服流体流过低温流体循环腔及其前后管路的阻力，若在选择连接时，压力差太大，可以在进入循环腔的连接管上安装阀门调节；若压力差太小，可以增大循环腔连接管的管径，总之，保证流体压力差能够克服流体流过流体循环腔及其前后管路阻力即可。

热管装置1h包括：蒸发腔1i、管道、工质1k和冷凝腔1j。蒸发腔1i和冷凝腔1j通过热管管道连接。蒸发腔1i的一面与温差发电片1g的冷面紧密接触，工质1k受热在该壁面蒸发；热管管道穿过土壤到达地面以上，露出地面，上部设置冷凝腔1j，并布置散热翅片1m加强与井外空气的换热。从蒸发腔1i通过热管管道流入冷凝腔1j内的气态工质1k由于与井外冷空气换热，在冷凝腔1j中放热冷凝成液态，并通过重力回流或吸液芯回流至蒸发腔1i，从而实现热量从温差发电片组1g的冷面向井外空气的转移。高温流体循环腔1a与温差发电片组1g的热面进行热交换，蒸发腔1i与温差发电片组1g的冷面进行热交换，冷凝腔1j与井外空气进行热交换，从而维持了温差发电片组冷热面的温差实现稳定发电；

温差发电系统通过温差发电片组电能输出电极1f与控制电路3相连，控制电路3与蓄电装置4和需要供电的设备5相连，控制电路3将温差发电片组电能输出电极1f输出的的电流或电压蓄存于蓄电装置4中。蓄电装置4与需要供电的设备5相连，以便向需要供电的设备5供电。控制电路3还自动将不稳定或不满足蓄电或设备供电需求的电流和电压变为蓄电装置4或需要供电的设备5所需的电压和电流，实现需要供电的设备5的稳定供电或蓄电装置4的蓄电，并分别在蓄电与用电之间，系统发电供电与蓄电池供电之间进行平衡和调度。如当需要供电的设备5在非工作期间或其他原因不需要供电时，控制电路3将电流电压转化为蓄电装置4所需的电流和电压给蓄电装置4蓄电。当温差较小，无法发电或者发电片故障时，由蓄电装置4给需要供电的设备5供电。也可以根据需要控制电路3首先给蓄电装置4充电，再由蓄电装置4直接给需要供电的设备5供电。

蓄电装置采用蓄电池、超级电容、电容、蓄电池与干电池的组合体中的一种或多种。

为了保证高温流体循环腔1a与温差发电片组1g热面之间紧密接触，减少热阻，在高温流体循环腔与温差发电片组的热面之间增加紧密性导热材料1d。为了保证蒸发腔1i与温差发电片组1g冷面之间紧密接触，减少热阻，在所述蒸发腔与温差发电片组的冷面之间增加紧密性导热材料1e。紧密性导热材料采用导热硅脂。

为了防止管道内的污物流入、堵塞流体高温流体循环腔1a，在所述高温流体循环腔1a的进口1c前加装流体过滤装置。

实施例3：参加图5。

一种利用热管温差发电的系统，主要用于供热管道管井温度压力监测仪表的供电，包括：温差发电系统1、控制电路3、蓄电装置4、需要供电的设备5、高温管道7和冷源环境。高温管道7为供热系统供水管道，冷源环境为管井外的空气环境。其中温差发电系统的冷热温差来源于具有一定温差的高温管道和冷源环境。温差发电系统1通过控制电路3向设备5供电。具体，如图5所示，温差发电系统1包括温差发电片组1g、温差发电片组电能输出电极1f、热管装置1h、高温管道7和冷源环境。高温管道7为供热系统供水管道，冷源环境为管井外的空气环境。温差发电片组1g是温差发电的半导体器件，利用冷热两面的温差进行发电；将高温管道7外壁面与温差发电片组1g的热面紧密接触；热管装置1h包括：蒸发腔1i、管道、工质1k和冷凝腔1j。蒸发腔1i和冷凝腔1j通过管道连接。蒸发腔1i紧贴高温管道7外壁，腔内液态介质受热气化，带走热量；热管管道穿过土壤到达地面以上，露出地面，上部设置冷凝腔1j，并布置散热翅片1m加强与井外空气的换热。从蒸发腔1i通过热管管道流入冷凝腔1j内的气态工质1k由于与井外冷空气换热，在冷凝腔1j中放热冷凝成液态，并通过重力回流或吸液芯回流至蒸发腔1i，从而实现热量从温差发电片组1g的冷面向井外空气的转移。高温流体循环腔1a与温差发电片组1g的热面进行热交换，蒸发腔1i与温差发电片组1g的冷面进行热交换，冷凝腔1j与井外空气进行热交换，从而维持了温差发电片组冷热面的温差实现稳定发电；

温差发电系统1通过温差发电片组电能输出电极1f与控制电路3相连，控制电路3与蓄电装置4和需要供电的设备5相连，控制电路3将温差发电片组电能输出电极1f输出的的电流或电压蓄存于蓄电装置4中。蓄电装置4与需要供电的设备5相连，以便向需要供电的设备5供电。控制电路3还自动将不稳定或不满足蓄电或设备供电需求的电流和电压变为蓄电装置4或需要供电的设备5所需的电压和电流，实现需要供电的设备5的稳定供电或蓄电装置4的蓄电，并分别在蓄电与用电之间，系统发电供电与蓄电池供电之间进行平衡和调度。如当需要供电的设备5在非工作期间或其他原因不需要供电时，控制电路3将电流电压转化为蓄电装置4所需的电流和电压给蓄电装置4蓄电。当温差较小，无法发电或者发电片故障时，由蓄电装置4给需要供电的设备5供电。也可以根据需要控制电路3首先给蓄电装置4充电，再由蓄电装置4直接给需要供电的设备5供电。

蓄电装置采用蓄电池、超级电容、电容、蓄电池与干电池的组合体中的一种或多种。

为了保证供水管道7外壁面与温差发电片组1g热面之间紧密接触，减少热阻，在供水管道7外壁面与温差发电片组1g的热面之间增加紧密性导热材料1d。为了保证蒸发腔1i与温差发电片组1g冷面之间紧密接触，减少热阻，在所述蒸发腔与温差发电片组的冷面之间增加紧密性导热材料1e。紧密性导热材料采用导热硅脂。

热管管道可以自由布置；可以直走，可以转弯；可以在管道井内，也可以穿过土壤到达地面以及地面以上。

需要注意的是，垂直段的热管可以不需要吸液芯，在冷凝段冷凝的液态工质可以靠其自身重力回到热管的蒸发段。

应当理解，上述实施方式仅为本发明的较佳实施例而已，用来描述本发明原理的应用，在不背离本发明的精神或本质特性的情况下，本发明可以实施为其他的具体形式。所述实施方式无论从哪一方面来看都应当认为仅是作为说明性的，而不应认为是限制性的。因此，本发明的范围应当以所附权利要求为准，而不是以前述发明为准，根据权利要求的实质精神和等效手段所做的变型都落入其范围之内。

尽管已经利用与目前认为是本发明的最实用以及优选的实施方式相关的特性和细节全面地描述了本发明，但对于本领域技术人员来说显而易见的各种变化和/或改善，包括但不限制于大小，材料，形状，接口形式，功能和操作方式，组装和做出的使用上的改变，这些都不背离在权利要求中阐述的本发明的原理和概念。