可实现参数精确调控与测量的水热循环型温差发电系统

摘要

本发明公开了一种可实现参数精确调控与测量的水热循环型温差发电系统，包括温差发电装置，温差发电装置的隔热外壳内安装有冷热端换热水箱，冷热端换热水箱之间夹层中安装有温差发电片；冷热端换热水箱的进水口与冷热水循环回路的出水管道相连通，出水口与冷热水循环回路的回水管道相连通；温差发电片通过引出电极线与外部的电量输出回路相连接，数据采集和显示系统通过信号线分别与温差发电装置和冷热水循环回路相连接。本发明可实现单个系统的精确调控及性能测试，从而实现高效能量转换，基于此可进一步按用户电器对输出电压和功率的需求进行大规模集成，以满足任何工程的实际需要；此系统结构简单、运行稳定且成本低廉。

权利要求

1.可实现参数精确调控与测量的水热循环型温差发电系统，其特征在于：包括温差发电装置（1）、冷热水循环回路、电量输出回路（2）、数据采集和显示系统；

所述温差发电装置（1）包括隔热外壳（3），隔热外壳（3）内安装有冷热端换热水箱，所述的冷热端换热水箱之间夹层中安装有温差发电片（4）；所述冷热端换热水箱的进水口与冷热水循环回路的出水管道相连通，出水口与冷热水循环回路的回水管道相连通；所述的温差发电片（4）通过引出电极线与外部的电量输出回路（2）相连接，所述数据采集和显示系统通过信号线分别与温差发电装置（1）和冷热水循环回路相连接；

所述冷热端换热水箱包括热端换热水箱（5）和两个冷端换热水箱，两个冷端换热水箱分别为冷端换热水箱Ⅰ（6）、冷端换热水箱Ⅱ（8）；两个冷端换热水箱分别位于热端换热水箱（5）的两侧；

所述的冷热水循环回路包括冷水循环回路和热水循环回路；所述的冷热水循环回路中的循环工质为纯净水、乙二醇水溶液、热空气任意一种；

所述热端换热水箱（5）设置在隔热外壳（3）的中心位置上并沿轴线安装，所述热端换热水箱（5）的两侧外壁面上对称贴覆有温差发电片（4），所述温差发电片（4）的另一端分别与两个冷端换热水箱侧面紧密贴合，所述温差发电片（4）与冷热端换热水箱之间设有第一薄膜热电阻（7）；所述热端换热水箱（5）、冷端换热水箱Ⅰ（6）和冷端换热水箱Ⅱ（8）的顶部和底部均设有螺纹引水口，所述热端换热水箱（5）顶部的螺纹引水进口通过接头与热水循环回路的出水管道（10）相连接，所述冷端换热水箱Ⅰ（6）和所述冷端换热水箱Ⅱ（8）顶部的螺纹引水出口通过接头与冷水循环回路的回水管道（11）相连接；

所述热端换热水箱（5）底部的螺纹引水出口通过接头与热水循环回路的回水管道（12）相连接，所述冷端换热水箱Ⅰ（6）和所述冷端换热水箱Ⅱ（8）底部的螺纹引水进口通过接头与冷水循环回路的出水管道（13）相连接，流经冷热端换热水箱的冷却循环水（27）和加热循环水（28）通过对流换热和导热的方式在所述温差发电片（4）的两端建立温差；同一夹层中的温差发电片（4）通过导线依次进行电串联，不同夹层的温差发电片（4）在首末两端通过导线以并联的方式相连接，温差发电片（4）首末两端的并联导线上设有引出电极线；

所述热水循环回路上依次设有热源储箱、第一循环水泵（14）、第一调节阀（15）、第一流量计（16），各组件之间通过水管相连接，所述热水循环回路通过控制热源储箱的运行状态可以调控加热循环水（28）的温度，所述热水循环回路通过控制第一调节阀（15）的开度调控加热循环水（28）的流量，所述热水循环回路通过第一循环水泵（14）进行水循环，用于在所述温差发电片（4）的热端建立稳定高温，所述热水循环回路上还设有第二薄膜热电阻（17），所述第二薄膜热电阻（17）与水管外壁紧密贴合，用于测量管壁壁温，所述第二薄膜热电阻（17）与水管外壁贴合的管道部分采用保温棉管进行包裹；

所述冷水循环回路上依次设有冷源储箱、第二循环水泵（18）、第二调节阀（19）、第二流量计（20），所述冷水循环回路通过控制冷源储箱的运行状态可以调控冷却循环水（27）的温度，所述冷水循环回路通过控制第二调节阀（19）的开度调控冷却循环水（27）的流量，所述冷水循环回路通过第二循环水泵（18）进行水循环，用于在所述温差发电片（4）的冷端建立稳定低温；所述热端换热水箱（5）外壁面与所述温差发电片（4）相贴合的接触表面上均匀涂抹有导热硅脂（23），两个所述冷端换热水箱外壁面与所述温差发电片（4）相贴合的接触表面上均匀涂抹有导热硅脂（23）；所述温差发电片（4）共采用2组，2组温差发电片以电并联的形式向外输出电量，每组温差发电片设有8片，每组温差发电片沿竖直方向按照8行×1列的方式线性排布，形成电串联、热并联的连接形式；

所述数据采集和显示系统包括数据记录仪（22），第二流量计（20）用于采集冷却循环水（27）的流量，第一流量计（16）用于采集加热循环水（28）的流量，第一薄膜热电阻（7）用于采集温差发电片（4）两端温度，第二薄膜热电阻（17）用于采集热水循环管道壁温，热电阻（21）用于采集室温，各传感元件采集的流量及温度信号通过信号线传输到所述数据记录仪（22），所述数据记录仪（22）用于显示数据并存储数据；

所述的电量输出回路（2）包括电路开关（24）和电子负载（25），所述电子负载（25）通过电路开关（24）与温差发电装置（1）的引出电极线相连接，所述电子负载（25）设定不同的外部负载值，采用电子负载（25）实现对不同电量参数的测量，电量参数包括所述温差发电装置（1）输出的电压、电流和功率。

说明书

可实现参数精确调控与测量的水热循环型温差发电系统

技术领域

[0001] 本发明属于热电发电领域，具体涉及是一种可实现参数精确调控与测量的水热循环型温差发电系统。

背景技术

[0002] 石油危机以来，因能源短缺不断引发的社会、经济问题，使人们逐渐认识到单纯依靠化石燃料、石油资源已不足以支撑人类社会的发展。此外，近年来持续爆发的生态危机更加剧了世界人民对于传统燃料的担忧，迫使各国不断投入大量的资本用以开发绿色的、可持续发展的、环境友好型能源。地热能是来自地球深处的可再生热能，具有储量大、分布广、清洁能源、稳定可靠等特点，是一种极具竞争力的清洁能源。美国能源部在2009年的地热能技术报告中指出，每兆瓦时地热能发电成本为266～437元，其经济性优于风能发电、太阳能发电和光伏太阳能发电等其它可再生能源发电利用方式。

[0003] 温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术。当材料的两端形成温差时，在温度梯度驱动下，高温端电子向低温端扩散，从而形成电动势，进而产生电压，输出电能，实现将热能转换成电能的过程。

[0004] 我国现有的温差发电技术，相对来说还处于起步阶段。已存在的许多温差发电装置或系统，还存在各种各样的缺陷，一些系统只考虑温差而忽视了其他影响因素，进而只实现基本的发电功能，但并未实现高效的能量转换。

发明内容

[0005] 为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种可实现精确调控各项参数的水热循环型温差发电系统，通过精确调控系统中的各项参数，维持其高效能量转换的工况。

[0006] 具体的技术方案为：

[0007] 可实现参数精确调控与测量的水热循环型温差发电系统，包括温差发电装置、冷热水循环回路、电量输出回路、数据采集和显示系统；

[0008] 所述温差发电装置包括隔热外壳，隔热外壳内安装有冷热端换热水箱，所述的冷热端换热水箱之间夹层中安装有温差发电片；所述冷热端换热水箱的进水口与冷热水循环回路的出水管道相连通，出水口与冷热水循环回路的回水管道相连通；所述的温差发电片通过引出电极线与外部的电量输出回路相连接，所述数据采集和显示系统通过信号线分别与温差发电装置和冷热水循环回路相连接。

[0009] 进一步，所述冷热端换热水箱包括热端换热水箱和两个冷端换热水箱，两个冷端换热水箱分别为冷端换热水箱Ⅰ、冷端换热水箱Ⅱ；两个冷端换热水箱分别位于热端换热水箱的两侧；

[0010] 所述的冷热水循环回路包括冷水循环回路和热水循环回路；所述冷热水循环回路中的循环工质为纯净水、乙二醇水溶液、热空气任意一种。

[0011] 所述热端换热水箱设置在隔热外壳的中心位置上并沿轴线安装，所述热端换热水箱的两侧外壁面上对称贴覆有温差发电片，所述温差发电片的另一端分别与两个冷端换热水箱侧面紧密贴合，所述温差发电片与冷热端换热水箱之间设有第一薄膜热电阻；所述热端换热水箱、冷端换热水箱Ⅰ和冷端换热水箱Ⅱ的顶部和底部均设有螺纹引水口，所述热端换热水箱顶部的螺纹引水进口通过接头与热水循环回路的出水管道相连接，所述冷端换热水箱Ⅰ和所述冷端换热水箱Ⅱ顶部的螺纹引水出口通过接头与冷水循环回路的回水管道相连接；

[0012] 所述热端换热水箱底部的螺纹引水出口通过接头与热水循环回路的回水管道相连接，所述冷端换热水箱Ⅰ和所述冷端换热水箱Ⅱ底部的螺纹引水进口通过接头与冷水循环回路的出水管道相连接，流经冷热端换热水箱的冷却循环水和加热循环水通过对流换热和导热的方式在所述温差发电片的两端建立温差；同一夹层中的温差发电片通过导线依次进行电串联，不同夹层的温差发电片在首末两端通过导线以并联的方式相连接，温差发电片首末两端的并联导线上设有引出电极线。

[0013] 优选的，所述热水循环回路上依次设有热源储箱、第一循环水泵、第一调节阀、第一流量计，各组件之间通过水管相连接，所述热水循环回路通过控制热源储箱的运行状态可以调控加热循环水的温度，所述热水循环回路通过控制第一调节阀的开度调控加热循环水的流量，所述热水循环回路通过第一循环水泵进行水循环，用于在所述温差发电片的热端建立稳定高温，所述热水循环回路上还设有第二薄膜热电阻，所述第二薄膜热电阻与水管外壁紧密贴合，用于测量管壁壁温，所述第二薄膜热电阻与水管外壁贴合的管道部分采用保温棉管进行包裹；

[0014] 所述冷水循环回路上依次设有冷源储箱、第二循环水泵、第二调节阀、第二流量计，所述冷水循环回路通过控制冷源储箱的运行状态可以调控冷却循环水的温度，所述冷水循环回路通过控制第二调节阀的开度调控冷却循环水的流量，所述冷水循环回路通过第二循环水泵进行水循环，用于在所述温差发电片的冷端建立稳定低温。

[0015] 所述加热循环水从所述热端换热水箱的顶部流入其内部的流体通道，所述冷却循环水从所述冷端换热水箱的底部流入其内部的流体通道，所述加热循环水和所述冷却循环水在冷、热端换热水箱的流体通道内以逆流的方式流动。

[0016] 所述热端换热水箱外壁面与所述温差发电片相贴合的接触表面上均匀涂抹有导热硅脂，两个所述冷端换热水箱外壁面与所述温差发电片相贴合的接触表面上均匀涂抹有导热硅脂。

[0017] 优选的，所述温差发电片共采用2组，2组温差发电片以电并联的形式向外输出电量，每组温差发电片设有8片，每组温差发电片沿竖直方向按照8行×1列的方式线性排布，形成电串联、热并联的连接形式。

[0018] 进一步，所述数据采集和显示系统包括数据记录仪，第二流量计用于采集冷却循环水的流量，第一流量计用于采集加热循环水的流量，第一薄膜热电阻用于采集温差发电片两端温度，第二薄膜热电阻用于采集热水循环管道壁温，热电阻用于采集室温，各传感元件采集的流量及温度信号通过信号线传输到所述数据记录仪，所述数据记录仪用于显示数据并存储数据。

[0019] 所述的电量输出回路包括电路开关和电子负载，所述电子负载通过电路开关与温差发电装置的引出电极线相连接，所述电子负载设定不同的外部负载值，采用电子负载实现对不同电量参数的测量，电量参数包括所述温差发电装置输出的电压、电流和功率。

[0020] 电子负载包括负载模块、A/D转换模块、D/A转换模块、单片机MCU和显示模块，单片机MCU根据要求设定负载的数字量，经D/A模块控制负载模块，使其工作在指定负载状态。电量输出回路中的被测电压与被测电流经A/D转换模块读入单片机MCU，单片机MCU控制显示模块将被测电压、被测电流和被测功率进行显示输出。

[0021] 该温差发电系统通过控制冷源储箱、热源储箱的状态可以实现对不同温度参数的调控，所述温差发电系统通过控制调节阀的开度可以实现对不同流量参数的调控，所述温差发电系统采用热电阻可以实现对不同温度参数的测量，所述温差发电系统采用流量计可以实现对不同流量参数的测量。

[0022] 该温差发电系统采用单独的一个温差发电装置进行温差发电并通过精确调控各项参数准确测试其发电性能；进一步的，所述温差发电系统支持多个温差发电装置大规模集成，满足不同用户电器对输出电压和功率的需求。

[0023] 本发明提供的可实现参数精确调控与测量的水热循环型温差发电系统，通过多项仪器仪表，对温差发电装置循环系统实现精准调控，从而得出温差发电装置的发电功率和最优的发电效率，进而在苛刻的条件下依旧可以保持高效能量转换的工况。

附图说明

[0024] 图1为本发明的系统结构示意图。

[0025] 图2为本发明所用的温差发电装置结构示意图。

[0026] 图3为本发明的电量输出图。

[0027] 图4为本发明所用的温差发电装置内部温差发电片排布示意图。

[0028] 图5为本发明所用的温差发电片两侧热电阻布置示意图。

[0029] 图6为实施例1所得温差发电装置输出功率特性曲线。

[0030] 图7为实施例1所得温差发电装置转换效率特性曲线。

[0031] 图8为实施例2所得温差发电装置输出功率特性曲线。

[0032] 图9为实施例2所得温差发电装置转换效率特性曲线。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚、明白，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。

[0034] 如图1所示，可实现参数精确调控与测量的水热循环型温差发电系统，包括温差发电装置1、冷热水循环回路、电量输出回路2、数据采集和显示系统；

[0035] 所述温差发电装置1包括隔热外壳3，隔热外壳3内安装有冷热端换热水箱，所述的冷热端换热水箱之间夹层中安装有温差发电片4；所述冷热端换热水箱的进水口与冷热水循环回路的出水管道相连通，出水口与冷热水循环回路的回水管道相连通；所述的温差发电片4通过引出电极线与外部的电量输出回路2相连接，所述数据采集和显示系统通过信号线分别与温差发电装置1和冷热水循环回路相连接。

[0036] 如图2所示，所述冷热端换热水箱包括热端换热水箱5和两个冷端换热水箱，两个冷端换热水箱分别为冷端换热水箱Ⅰ6、冷端换热水箱Ⅱ8；两个冷端换热水箱分别位于热端换热水箱5的两侧；

[0037] 所述的冷热水循环回路包括冷水循环回路和热水循环回路；所述冷热水循环回路中的循环工质为纯净水、乙二醇水溶液、热空气任意一种。

[0038] 如图4所示，所述热端换热水箱5设置在隔热外壳3的中心位置上并沿轴线安装，所述热端换热水箱5的两侧外壁面上对称贴覆有温差发电片4，所述温差发电片4的另一端分别与两个冷端换热水箱侧面紧密贴合，所述温差发电片4与冷热端换热水箱之间设有第一薄膜热电阻7；所述热端换热水箱5、冷端换热水箱Ⅰ6和冷端换热水箱Ⅱ8的顶部和底部均设有螺纹引水口，所述热端换热水箱5顶部的螺纹引水进口通过接头与热水循环回路的出水管道10相连接，所述冷端换热水箱Ⅰ6和所述冷端换热水箱Ⅱ8顶部的螺纹引水出口通过接头与冷水循环回路的回水管道11相连接；

[0039] 所述热端换热水箱5底部的螺纹引水出口通过接头与热水循环回路的回水管道12相连接，所述冷端换热水箱Ⅰ6和所述冷端换热水箱Ⅱ8底部的螺纹引水进口通过接头与冷水循环回路的出水管道13相连接，流经冷热端换热水箱的冷却循环水27和加热循环水28通过对流换热和导热的方式在所述温差发电片4的两端建立温差；同一夹层中的温差发电片4通过导线依次进行电串联，不同夹层的温差发电片4在首末两端通过导线以并联的方式相连接，温差发电片4首末两端的并联导线上设有引出电极线。

[0040] 本实施例的接头均为螺纹接头9。

[0041] 所述热水循环回路上依次设有热源储箱、第一循环水泵14、第一调节阀15、第一流量计16，各组件之间通过水管相连接，所述热水循环回路通过控制热源储箱的运行状态可以调控加热循环水28的温度，所述热水循环回路通过控制第一调节阀15的开度调控加热循环水28的流量，所述热水循环回路通过第一循环水泵14进行水循环，用于在所述温差发电片4的热端建立稳定高温，所述热水循环回路上还设有第二薄膜热电阻17，所述第二薄膜热电阻17与水管外壁紧密贴合，用于测量管壁壁温，所述第二薄膜热电阻17与水管外壁贴合的管道部分采用保温棉管进行包裹；

[0042] 所述冷水循环回路上依次设有冷源储箱、第二循环水泵18、第二调节阀19、第二流量计20，所述冷水循环回路通过控制冷源储箱的运行状态可以调控冷却循环水27的温度，所述冷水循环回路通过控制第二调节阀19的开度调控冷却循环水27的流量，所述冷水循环回路通过第二循环水泵18进行水循环，用于在所述温差发电片4的冷端建立稳定低温。

[0043] 所述加热循环水28从所述热端换热水箱5的顶部流入其内部的流体通道，所述冷却循环水27从所述冷端换热水箱的底部流入其内部的流体通道，所述加热循环水28和所述冷却循环水27在冷、热端换热水箱的流体通道内以逆流的方式流动。

[0044] 如图5所示，所述热端换热水箱5外壁面与所述温差发电片4相贴合的接触表面上均匀涂抹有导热硅脂23，两个所述冷端换热水箱外壁面与所述温差发电片4相贴合的接触表面上均匀涂抹有导热硅脂23。

[0045] 所述温差发电片4共采用2组，2组温差发电片以电并联的形式向外输出电量，每组温差发电片设有8片，每组温差发电片沿竖直方向按照8行×1列的方式线性排布，形成电串联、热并联的连接形式。

[0046] 所述数据采集和显示系统包括数据记录仪22，第二流量计20用于采集冷却循环水27的流量，第一流量计16用于采集加热循环水28的流量，第一薄膜热电阻7用于采集温差发电片4两端温度，第二薄膜热电阻17用于采集热水循环管道壁温，热电阻21用于采集室温，各传感元件采集的流量及温度信号通过信号线传输到所述数据记录仪22，所述数据记录仪
22用于显示数据并存储数据。

[0047] 如图3所示，所述的电量输出回路2包括电路开关24和电子负载25，所述电子负载25通过电路开关24与温差发电装置1的引出电极线相连接，所述电子负载25设定不同的外部负载值，采用电子负载25实现对不同电量参数的测量，电量参数包括所述温差发电装置1输出的电压、电流和功率。

[0048] 电子负载包括负载模块、A/D转换模块、D/A转换模块、单片机MCU和显示模块，单片机MCU根据要求设定负载的数字量，经D/A模块控制负载模块，使其工作在指定负载状态。电量输出回路中的被测电压与被测电流经A/D转换模块读入单片机MCU，单片机MCU控制显示模块将被测电压、被测电流和被测功率进行显示输出。

[0049] 温差发电装置性能测试及校正时，电子负载25工作在定电压模式，将消耗足够的电流来使输入电压维持在设定的电压值上。同时，温差发电装置可以看作为电源，由欧姆定律可知，当负载阻值等于电源内阻时，即负载两端电压等于开路电压的一半时负载的输出功率为最大值。所以可直接将定电压模式下的电压设定值调节为开路电压的一半，便能得到该工况下温差发电装置的最大输出功率。

[0050] 根据相关理论公式，可通过输出功率与热量的比值计算得出温差发电系统的转换效率。热量是通过温差发电装置内部热端换热水箱5的进出口温差与第一流量计16采集的热水流量计算所得，并通过热源储箱的输入功率与热水循环管道散热量进行校准。其中热端换热水箱5进口温度由进口处温差发电片热端的薄膜热电阻所测，出口温度由出口处温差发电片热端的薄膜热电阻所测。热水循环管道散热量通过传热学自然对流换热量理论计算公式所得，式中环境温度采用热电阻进行测量，管壁温度可通过管道外壁面上的薄膜热电阻测量得出。

[0051] 实施例1

[0052] 热源于热源储箱底部出口流出，经第一调节阀15、第一流量计16调控流速为0.5m3/h流入温差发电装置内部热端换热水箱5，经对流换热使热端换热水箱5进口温度为
90.0℃，波动范围为±0.5℃，随后从热端换热水箱5底部出口流出，此时热端换热水箱5出口温度为88.5～88.8℃，随冷水流量变化，然后从热源储箱底部进口流回热源储箱。

[0053] 冷源于冷源储箱底部出口流出，经第二调节阀19、第二流量计20调控流速分别为0.06m3/h、0.10m3/h、0.15m3/h、0.20m3/h、0.30m3/h、0.40m3/h、0.50m3/h流入发电装置内部两个冷端换热水箱，经对流换热使两个冷端换热水箱进口温度为20.0℃，波动范围为±0.5℃，随后从冷端换热水箱上部出口流出，此时冷端换热水箱出口温度为22.7～36.5℃。冷热端换热水箱内部因冷热水的循环作用使温差发电片4两端温差维持在70℃，同时热端换热水箱5进出口温差为1.2～1.5℃。

[0054] 待系统稳定后在电量输出回路中测量温差发电装置的发电性能。电子负载25处于OFF状态时，所测装置两端开路电压27.578～33.074V。电子负载25切换至定电压模式，电压值设为开路电压的1/2后使电子负载处于ON状态，测得装置的最大输出功率为14.33～22.15W，参见图6。热量校准由环境温度与管壁薄膜热电阻所测温度实现，环境温度为24℃，波动范围±0.5℃，管壁温度为86.3～87.7℃。基于相关理论公式得出所测温差发电系统转换效率为2.07％～2.65％，参见图7。

[0055] 实施例2

[0056] 参照实施例1，具体的热源于热源储箱底部出口流出，经第一调节阀15、第一流量计16调控流速为0.4m3/h流入温差发电装置内部热端换热水箱5，经对流换热使热端换热水箱5进口温度为50℃，波动范围为±0.5℃，随后从热端换热水箱5底部出口流出，此时热端换热水箱5出口温度为48.9～49.2℃，随冷水流量变化，然后从热源储箱底部进口流回热源储箱。

[0057] 冷源于冷源储箱底部出口流出，经第二调节阀19、第二流量计20调控流速分别为0.06m3/h、0.10m3/h、0.20m3/h、0.30m3/h、0.40m3/h、0.50m3/h流入发电装置内部冷端换热水箱，经对流换热使冷端换热水箱进口温度为20.0℃，波动范围为±0.5℃，随后从冷端换热水箱上部出口流出，此时冷端换热水箱出口温度为22.7～26.5℃。冷热端换热水箱内部因冷热水的循环作用使温差发电片4两端温差维持在30℃，同时热端换热水箱5进出口温差为
0.7～1.0℃。

[0058] 待系统稳定后在电量输出回路中测量温差发电装置的发电性能。电子负载25处于OFF状态时，所测装置两端开路电压10.649～13.513V。电子负载25切换至定电压模式，电压值设为开路电压的1/2后使电子负载处于ON状态，测得装置的最大输出功率为2.36～4.99W，参见图8。热量校准由环境温度与管壁薄膜热电阻所测温度实现，环境温度为24℃，波动范围±0.5℃，管壁温度为44.7～46.3℃。基于相关理论公式得出所测温差发电系统转换效率为0.70％～0.96％，参见图9。