CN104596671A - 基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表及其工作方法，由供电系统、智能控制系统、热量计量系统和通信系统组成，供电系统收集管道散失热能与流体动能给供热计量系统和通信系统工作，智能控制系统则是控制供电系统锂离子电路的充放电过程以及计量表不同季节工作模式的切换，通信系统则是负责将热计量系统得到的流量数据传输到用户终端接收。本发明在现有供热系统及计量系统基础上，将供暖系统工质与环境温度的温差发电技术和管道内流体带动轮叶转动驱动发电机发电技术并行使用，并加入无线远传功能，其低成本与节能特性迎合时代需求。

Description

基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种在加热系统中测量流动介质传递的热量的仪表，具体涉及一种基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表。

背景技术

家用热量表主要用于对家用热量表热网集中供热进行计量，是在入口和出口处之间测量温度差与测量介质流速相结合，从而计量所消费的热量，并作为收费数据。

传统热表通常采用内置电池的供电方式，虽成本低廉，但电池易损需维护，且由于供电功率不足以支持远程通信，需要人员上门抄表，造成管理不便。而带有无线装置的热计量装置常需要外接电源，或者需要外接信号线路，设计、施工工艺复杂，成本高，易发故障，且耗能大大增加。

而在智能控制方面，通用热表多数只有简单的热量计量功能以及数据存储功能，而不存在复杂的智能控制系统。然而，随着自动化机械产业的发展，测量仪表与自动控制系统的结合能够大幅度提高产品的工作性能与经济效益。

在通讯方式方面，上文提到，由于远程传输耗能较高，带有远传功能的热量表往往需要外接电源，而这种热量表尚未大范围推行。因此传统热表仍以人工抄表为通讯方式的主流。热量表多在北方城市有成熟的供热系统，但由于在北方城市用户分布面积广，人工抄表十分耗费人力物力。

经检索，中国专利文献CN202748176U公开了一种热电式热量表，包括计算器、温度传感器、流量传感器、热电组件，热电组件、温度传感器和流量传感器分别通过导线与计算器连接。热电组件由温差发电模块组和散热器组成。温差发电模块组由多块半导体温差发电模块串联而成，连接有用于输出温差发电总电能的电压输出接口。将半导体温差发电模块组的一侧与热源管道接触，另一侧与处于室内环境中的片式散热器接触，使得半导体温差发电模块组的两侧产生温度差，利用塞贝克原理，将管道内热源的热能转换为电能，以满足计算器的测量、计算、显示和存储的功耗需求。该方案单纯依赖温差发电所获得的电量有限，在管道内外温差不足时无法进行供电，而且也无法实现远程抄表功能。

中国专利文献CN102650555A一种基于热电及涡轮发电的供暖管网热量计，其由热电元件、涡轮发电元件、电能管理模块、微处理器、存储器和通讯芯片构成；热量计有两路能量来源，一是通过热电元件利用供回水温差产生电能；二是通过涡轮发电元件利用热水推动转子产生电能；电能管理模块对两路电能进行调理和存储；热量计采集两路信号，一路信号通过热电元件采集供回水温差，另一路信号由涡轮发电元件采集供回水流量；两路信号通过微处理器计算热量值，由存储器存储，并由通讯芯片进行传输。本发明一方面利用热电和涡轮发电元件采集供回水温差和流量信息以计算热量，另一方面转化热水热能及动能产生电能驱动系统运行。该热量计万全摒弃了现有的热量计结构，需要重新设计，相比现有的超声波热量计而言，计量的精度存在明显不足。而且在非供暖季就失去了系统的电源供给，再次使用时需要重新初始化，也未对温差发电部分做出具体设计。可见，设计一种适应已安装热量计，而且具备季节切换功能的智能远传热量表已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表，包括安装于供暖系统中的热量表，所述热量表连接到供电系统、智能控制系统和通信系统，所述供电系统包括充电电池、温差发电装置和管道式水力发电机，所述温差发电装置和管道式水力发电机安装于供暖系统的管道上；所述智能控制系统具有供暖模式和存储模式切换开关。

作为优选，为了实现远程自动抄表,所述通信系统是无线通信系统，具有无线串口和GPRS发射模块。

作为优选，为了提高温差发电的效率，所述温差发电装置包括作为热端的导热块、作为冷端的热管散热片，以及夹设于热端和冷端的工作平面之间的温差发电片；所述导热块贴合于供暖系统管道外壁。

为了提高导热速率，所述温差发电片是呈矩阵排列的四片，所述温差发电片与所述工作平面之间涂覆有导热硅胶层。

作为优选，为了更大限度地发挥散热片的性能，使温差发电的两侧具有足够的热量差，所述导热块是铜导热块，所述铜导热块具有紧贴供暖系统管道外壁的弧形部，所述铜导热块与除工作平面与户型部之外的其他表面外部包裹起有隔热外壳，所述热管散热片与温差发电片之间还设有铜散热片，所述热管散热片除工作平面的其他面外部包裹有铜网。所述热管散热片具有散热鳍片和封闭的U形热管，所述U形热管内填充有导热介质，所述U形热管包括竖直的散热部和水平的集热部，所述散热鳍片中穿设有散热部；所述集热部紧贴所述工作平面的背部，并与供热管道同向布置。

作为优选，所述供电系统还包括升压电路和充放电电路。

作为优选，所述热量表是超声波式热量表。

本发明同时提出上述基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表的工作方法：

在供暖季时，管道内流动的供热工质通过温差与叶轮互补发电系统进行供电，所述智能控制系统的模式切换开关切换到供电模式；

在非供暖季时，管道内无流动的供热工质，所述智能控制系统读取到统计流量数据不再变化时，切换到掉电存储模式，依靠电池存储电能维持供暖结束时装置的相关参数记录；

所述通信系统通过无线串口近距离传输热量累计数据和时间信息，并将所述信息加密后发送到远程终端的采集数据软件。

发明原理：本发明是在现有供热系统及计量系统基础上，将供暖系统工质与环境温度的温差发电技术和管道内流体带动轮叶转动驱动发电机发电技术并行使用，为热计量系统和通信系统提供长期稳定的电能供给。由温差和轮叶机械发电产生的直流电经升压稳压电路再通过充电电路给锂离子电池充电，锂离子电池再放电供给热计量系统和通信系统，其过程由智能充放电芯片控制。装置无需电源线，收集原热表安装位置的散失热能与流体动能为热量表长期、稳定供电。智能控制系统可以切换工作模式。在供暖季，选择供电模式。在非供暖季，切换到存储模式。通信系统使用GPRS传输模块实现远程传输功能，同时兼有无线蓝牙串口模块实现近距离实时的传输功能。

有益效果：

1、相对于需内置电池或外接电源的传统热表，本发明将其改为回收热表供暖管道表面散失的热量以及充分利用管道流体流动的机械能，为热计量系统和通讯系统供电，实现了“一次安装、终身供电”。减少热能浪费，无需其他电源，充分体现了节能思想，可观的经济和环境效益。

2、为了减少非供暖季不必要的能量损耗，本发明还在传统热表系统中增设了智能控制系统。在供暖季，选择供电模式，利用充放电电路通过 51 单片机控制热量统计、远程通讯等功能；在非供暖季，切换到存储模式：停止热量计量及数据通讯，由锂电池供电，保存系统的重要参数（通讯地址等）。设计出的热表可根据季节将工作模式与休眠模式进行智能切换，进一步实现了节能。

3、在安装与升级过程中，本发明无需破坏现有供热系统及计量系统结构，无需外接电源和信号线，工艺简单，制造成本低。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例的系统架构图；

图2是图1的结构示意图；

图3是图2中温差发电部分的结构示意图；

图4是图1中智能控制系统的架构图；

图5是图1中通信系统的架构图。

图中：温差发电部分1-1、叶轮发电部分1-2、充放电模块1-3-1、锂离子电池1-3-2、升压稳压模块1-3-3、智能控制系统2、温度传感器3-1、显示屏3-2、通信系统4、供暖系统管道1-1-1、铜导热块1-1-2、温差发电片1-1-3、铜散热板1-1-4、导热硅脂1-1-5、散热鳍片1-1-6。

具体实施方式

实施例：

如图1所示，本实施例的基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表包括供电系统、智能控制系统、热量计量系统及通信系统四部分。供电系统主要包括温差与叶轮互补发电系统，热量计量系统主要包括温度、流速传感器。  

如图2所示，本实施例的供电系统由温差发电部分1-1、叶轮发电部分1-2及稳压部分组成。稳压部分包括充放电模块1-3-1、锂离子电池1-3-2和升压稳压模块1-3-3。叶轮发电部分1-2采用HY-368管式微水流发电机，通过电磁感应现象，将供暖管道中工质流动的动能转化为电能。

温差与叶轮互补发电产生的电流经充放电模块1-3-1供给锂离子电池1-3-2。通过锂离子电池1-3-2的稳压作用以及升压稳压模块1-3-3的升压作用，智能控制系统2中单片机能够在供电系统下正常工作。受供暖工质温度与流速影响，当发电量大于用电量时，温差与叶轮互补发电系统的剩余发电量由锂离子电池储存；当发电量小于用电量时，锂离子电池将用于辅助供电。

本实施例的热量计量系统中温度传感器3-1收集进回水温度数据，沿用原有热量计量方式并将热量数据显示在显示屏3-2上。通信系统4中无线串口和GPRS发射模块将数据传输至终端。

如图3所示，本实施例的供电系统温差发电部分利用半导体温差发电技术实现，热端接收来自供暖系统管道1-1-1的散失热，冷端则与外界环境相连。温差发电装置可以直接安装在热量表计内与管道接触的位置，管道平均外径25mm。首先结合利用热管与铜导热块1-1-2高效收集管道1-1-1外部的热量，两根相同规格的U型热管长度为200mm、平均外径4mm，弯折半径15mm，平行布置于供暖管道表面。铜导热块1-1-2一面与管道外表面切合，另一面呈85×85平整矩形。平整一端与管道外表面最小垂直距离为2mm，最大垂直距离为15mm，与四块矩形排列的SP1848-27145SA温差发电片1-1-3的热端相接触。每块温差发电片尺寸为40×40×3.4，其冷端与90×90×2矩形铜散热板1-1-4相接触，将发电后的余热导出。为减小传热过程中的热阻，四块发电片及铜散热板两面均涂有导热硅脂1-1-5。接收到余热的铜散热板1-1-4另一面连接散热鳍片1-1-6。散热鳍片1-1-6内部加入4根长度300mm、外径6mm、弯折半径10mm的U型铜制热管，利用热管导热原理将散热铜板上热量收集在散热片内。散热鳍片1-1-6底座尺寸为80×35×7，采取间隔设置的多个散热鳍片(肋片）来增大表面积，加强散热效果，肋片尺寸为85×85×80。散热鳍片1-1-6的另一端固定四根弹簧，靠外壳支撑用以压紧导热铜块1-1-2、发电片1-1-3、散热铜板1-1-4三部分，以提高传热效率。

为保证整个温差发电过程传热的高效性并避免热短路的出现，将整个温差发电部分1-1下部包以塑料外壳，外壳内部用隔热材料充分填充间隙，实现传热过程的绝热处理。同时将温差发电模块上部包裹以铜网，加强温差发电片冷端的散热。

实际中，供暖工质温度处于波动状态，管道外部温度随之改变。运用以上温差发电装置，在不同管外温度条件下，测出半导体温差发电片的开路电压，得到不同温差（管道外部温度与室温的差值）梯度下的电压数据。所得数据如表1。

表1 不同温差梯度下发电片的开路电压数据表格

经实验可知，温差大于30℃时，温差发电装置可同时支持热量计量、无线通信等功能，装置开始工作。

由于西北五省冬季采暖锅炉水温度一般在60至80℃范围内，北方基本供暖室温为18℃。因此实验中将管道外部温度与室温间温差选为50℃，可分别测出单个发电片、四个串联发电片及四个两两串联再并联发电片的电压、电流及功率（发电片测量时所用负载为32.5Ω），以及在四个发电片串联情况下装置内各器件的电压、电流及功率，如表2。

由实验可知，四个发电片串联为优选方案。

表2 温差50℃条件下各器件电压、电流及功率数据表格

   

 如图4所示，智能控制系统采用单片机，可根据流量智能切换2种工作模式：

由于供暖具有季节性，在非供暖季，无需进行热量计量及数据通讯。因此，在系统中考虑加入一块较低容量的蓄电池（锂电池），用于非供暖季的数据保持。一旦供暖，系统能够自动切换到工作模式，开始进行温差发电、热量计量及无线通信。

（1）供电模式

在供暖季时，管道内有流动的供热工质，可利用温差与叶轮互补发电系统给整个装置供电。

实验表明，在温差大于30℃的情况下，温差和叶轮互补发电所得到的电能足够承担系统（主要是热计量系统、通信系统）的耗能开销，否则装置则需要锂离子电池辅助供电。而锂离子电池在充电或者放电过程中如果发生过充、过放和过流时，会造成电池的损坏或者降低电池的使用寿命，因此单片机用BQ2057充放电控制芯片标准充电电压对锂离子电池充电过程的各个参数进行准确控制。

（2）存储模式

在非供暖季时，管道内无流动的供热工质，能源供给停止。

单片机读取到统计流量数据不再变化时，自动进入掉电存储模式，此时整个装置处于最低功耗状态（mW级）。仅仅依靠锂离子电池存储电能维持供暖结束时装置的相关参数记录。

热量计量系统沿用热量表原有的热量计量方式。

如图5所示，通讯系统包括以下模块：

（1）数据传输：

通信系统选用蓝牙无线模块HC-06，通过无线串口可以近距离传输热量累计数据、时间等信息。其兼有GTM900通信模块可以在有GPRS信号的情况下，进行数据加密后再发送到终端的采集数据软件实现远程传输功能。

（2）终端数据采集处理：

上位机软件由LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程语言编写。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等等，可视化地编写一个标准的数据采集和仪器控制软件。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表，包括安装于供暖系统中的热量表，其特征在于：所述热量表连接到供电系统、智能控制系统和通信系统，所述供电系统包括充电电池、温差发电装置和管道式水力发电机，所述温差发电装置和管道式水力发电机安装于供暖系统的管道上；所述智能控制系统具有供暖模式和存储模式切换开关。

2.根据权利要求1所述的基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表，其特征在于：所述通信系统是无线通信系统，具有无线串口和GPRS发射模块。

3.根据权利要求1所述的基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表，其特征在于：所述温差发电装置包括作为热端的导热块、作为冷端的热管散热片，以及夹设于热端和冷端的工作平面之间的温差发电片；所述导热块贴合于供暖系统管道外壁。

4.根据权利要求3所述的基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表，其特征在于：所述温差发电片是呈矩阵排列的四片，所述温差发电片与所述工作平面之间涂覆有导热硅胶层。

5.根据权利要求3所述的基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表，其特征在于：所述导热块是铜导热块，所述铜导热块具有紧贴供暖系统管道外壁的弧形部，所述铜导热块与除工作平面与户型部之外的其他表面外部包裹起有隔热外壳，所述热管散热片与温差发电片之间还设有铜散热片，所述热管散热片除工作平面的其他面外部包裹有铜网；所述热管散热片具有散热鳍片和封闭的U形热管，所述U形热管内填充有导热介质，所述U形热管包括竖直的散热部和水平的集热部，所述散热鳍片中穿设有散热部；所述集热部紧贴所述工作平面的背部，并与供热管道同向布置。

6.根据权利要求1所述的基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表，其特征在于：所述供电系统还包括升压电路和充放电电路。

7.根据权利要求1所述的基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表，其特征在于：所述热量表是超声波式热量表。

8.一种如权利要求1所述的基于温差与叶轮互补发电技术的智能远传热量表的工作方法，其特征在于：

在供暖季时，管道内流动的供热工质通过温差与叶轮互补发电系统进行供电，所述智能控制系统的模式切换开关切换到供电模式；

在非供暖季时，管道内无流动的供热工质，所述智能控制系统读取到统计流量数据不再变化时，切换到掉电存储模式，依靠电池存储电能维持供暖结束时装置的相关参数记录；

所述通信系统通过无线串口近距离传输热量累计数据和时间信息，并将所述信息加密后发送到远程终端的采集数据软件。