CN110186959A - 一种用于热伏发电的实验测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热伏发电的实验测试仪，包括：发电装置，所述发电装置包括：热端热沉、冷端热沉、设置于所述热端热沉和所述冷端热沉之间的热电模块，其中所述热电模块包括夹在热电材料两侧的陶瓷板；与所述热端热沉连接的热源装置；与所述冷端热沉连接的冷源装置；与所述热端热沉或所述冷端热沉的进出口处的测压孔连接的测压装置；与所述陶瓷板连接的测温装置；与所述发电装置的电能输出端连接的所述电测试装置；用于显示、设置、分析实验参数的所述集控装置；以及供电装置。本发明所述用于热伏发电的实验测试仪能够实现模拟地热水在热伏发电机中的发电情况。

Description

一种用于热伏发电的实验测试仪

技术领域

本发明涉及发电测试领域，尤其涉及一种用于热伏发电的实验测试仪。

背景技术

地球地热能的贮量巨大，为煤炭资源的1.7亿倍(王铸金. 再议地热资源[J]. 地球, 2013(1):62-65.)。电厂锅炉、汽车尾气等高温热源中的废热直接排入大气，造成能量的浪费。通过热伏发电可对上述热能进行开发与回收（赵付舟,汪秀敏,梁荣, 等.汽车热电废热回收的现状及关键技术分析[J].小型内燃机与摩托车,2013,42(2):93-96.）。

热伏发电效率主要取决于热电材料的ZT值，当前室温热电材料的ZT值约1.2，热电转换效率仅约3.6%（D.K. Aswal et al. /Energy Conversion and Management 114(2016) 50-67）。为提高热电转换效率，必须改进热沉结构组成的发电装置，并在实验室对不同热电材料进行大量实验测试。

然而，当前尚没有一种能够实现集中显示精确调控功能、智能冷热水源功能、自动实时测量功能的用于热伏发电的实验测试装置。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于热伏发电的实验测试仪，旨在解决现有技术中用于热伏发电的实验测试装置不具有集中显示调控功能、智能冷热水源功能、自动实时测量功能的问题。

一种用于热伏发电的实验测试仪，其中，包括：

发电装置，所述发电装置包括：热端热沉、冷端热沉、设置于所述热端热沉和所述冷端热沉之间的热电模块、在所述热端热沉与所述热电模块之间以及所述冷端热沉与所述热电模块之间均设置有陶瓷板；

发电装置，所述发电装置包括：热端热沉、冷端热沉、设置于所述热端热沉和所述冷端热沉之间的热电模块，其中所述热电模块包括夹在热电材料两侧的陶瓷板；与所述热端热沉连接的热源装置；

与所述冷端热沉连接的冷源装置；

与所述热端热沉或所述冷端热沉的进出口处的测压孔连接的测压装置；

与所述陶瓷板连接的测温装置；

与所述发电装置的电能输出端连接的电测试装置；

与所述热源装置、所述冷源装置、所述测压装置、所述测温装置、所述电测试装置分别连接用于显示、设置、分析实验参数的集控装置；

与所述热源装置、所述冷源装置、所述测压装置、所述电测试装置、所述集控装置分别连接的供电装置。

所述的用于热伏发电的实验测试仪，其中，所述热端热沉和所述冷端热沉均为一块内部有流道的金属板。

所述的用于热伏发电的实验测试仪，其中，所述热源装置包括：高温变频泵、与所述高温变频泵的一端通过管道连接的热源水箱、与所述高温变频泵的另一端通过管道分别连接的第一高温电动阀和第二高温电动阀、与所述第一高温电动阀通过管道连接的变频加热器；所述变频加热器通过管道与热源水箱连接；所述第二高温电动阀通过管道与所述热端热沉连接，所述热端热沉通过管道与所述热源水箱连接。

所述的用于热伏发电的实验测试仪，其中，所述冷源装置包括：低温变频泵、与所述低温变频泵的一端连接的冷源水箱、与所述低温变频泵的另一端通过管道分别连接的第一低温电动阀和第二低温电动阀、与所述第一低温电动阀通过管道连接的变频制冷机；所述变频制冷机通过管道与冷源水箱连接；所述第二低温电动阀通过管道与所述冷端热沉连接，所述冷端热沉通过管道与所述冷源水箱连接。

所述的用于热伏发电的实验测试仪，其中，所述测温装置包括：若干热电偶、与所述热电偶连接的集线器；

所述热电偶与分布在所述陶瓷板上的测温点连接。

所述的用于热伏发电的实验测试仪，其中，所述电测试装置包括：与所述发电装置的电能输出端连接的功率计。

所述的用于热伏发电的实验测试仪，其中，所述测压装置包括：与所述热端热沉的进出口处的测压孔连接的压差变送器。

所述的用于热伏发电的实验测试仪，其中，所述集控装置包括NI数据采集器和显示器。

所述的用于热伏发电的实验测试仪，其中，所述供电装置包括总配电柜和直流电源。

所述的用于热伏发电的实验测试仪，其中，所述热电偶的数量为2-50个。

有益效果：本发明所述的用于热伏发电的实验测试仪，可以模拟地热水在热伏发电机中的发电情况，获得热电模块两侧各个位置的温度、热沉进出口的压差等热力学参数以及发电机输出的电学参数，并能够在集控装置对上述参数进行统一显示和调控。

附图说明

图1为本发明所述用于热伏发电的实验测试仪中各装置的关系示意图。

图2为本发明所述用于热伏发电的实验测试仪的结构示意图。

图3为本发明所述用于热伏发电的实验测试仪中的热源装置结构示意图。

图4为本发明所述用于热伏发电的实验测试仪中的冷源装置结构示意图。

图5为本发明所述用于热伏发电的实验测试仪中的发电装置、测压装置、测温装置和电测试装置的结构示意图。

图6为所述用于热伏发电的实验测试仪的三维立体图。

图中：1-热源装置，11-热源水箱，12-高温变频泵，13-第一高温电动阀，14-变频加热器，1.-第二高温电动阀，16-热源流量计，17-热源温度计，18-热源配电箱，19-热源控制器；

2-冷源装置，21-冷源水箱，22-低温变频泵，23-第一低温电动阀， 241-蒸发器，242-变频压缩机，243-冷凝器，244-节流阀，25-第二高温电动阀，26-热源流量计，27-热源温度计，28-热源配电箱，29-热源控制器；

3-发电装置，31-热端热沉，311/312-测压孔，32-冷端热沉， 331-热电材料，332陶瓷板；

4-测压装置，41-压差变送器；

5-测温装置，51-热电偶，52-集线器；

6-电测试装置，61-功率计；

7-集控装置，71-NI数据采集器，72-显示器；

8-供电装置，81-总配电柜，82-直流电源。

具体实施方式

本发明提供一种用于热伏发电的实验测试仪，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-6所示，本发明提供一种用于热伏发电的实验测试仪，其中，包括：

发电装置3，所述发电装置3包括：热端热沉31、冷端热沉32、设置于所述热端热沉31和冷端热沉32之间的热电模块，其中所述热电模块包括夹在热电材料331两侧的陶瓷板332，所述发电装置3用于利用发电模块33两端的温差进行发电；

热源装置1，所述热源装置1与所述热端热沉31连接，用于调控所述热端热沉31的温度；

冷源装置2，所述冷源装置2与所述冷端热沉32连接，用于调控所述冷端热沉32的温度；

与所述热端热沉31或所述冷端热沉32的进出口处的测压孔连接的测压装置4；

测温装置5，所述测温装置5与所述陶瓷板332连接，用于测量热电材料两侧的温度；

电测试装置6，所述电测试装置6与所述发电装置3的电能输出端连接，用于测量所述发电装置3的电学参数；

与所述热源装置1、所述冷源装置2、所述测压装置4、所述测温装置5、所述电测试装置6分别连接用于显示、设置、分析实验参数的集控装置7；

与所述热源装置1、所述冷源装置2、所述测压装置4、所述电测试装置5、所述集控装置7分别连接的供电装置8。

优选地，所述实验参数包括：热源装置1和冷源装置2的温度和流量，以及发电装置3的热力学参数和电学参数。

本发明所述用于热伏发电的实验测试仪包括热源装置1、冷源装置2、发电装置3、测温装置5、电测试装置6、集控装置7和供电装置8。所述热源装置1和所述冷源装置2是可为发电装置3提供精确温度、流量的热源和冷源。所述发电装置3利用热源和冷源的温差将热能转化为电能。所述测压装置4、所述测温装置5分别测量发电装置中的压力、温度等热力学参数。所述电测量装置6测量发电装置3输出的电压、电流、功率等电学参数。集控装置7分别连接热源装置1、冷源装置2、测压装置4、测温装置5和电测量装置6，可以集中显示并调控热源冷源的温度和流量，也可以显示发电装置的热力学参数和电学参数。供电装置8可为整个装置提供相应电压的交流电源和直流电源。本发明所述用于热伏发电的实验测试仪，可以模拟70~100℃地热水在热伏发电机中的发电情况，并获得热电模块两侧各个位置的温度、热沉进出口的压差等热力学参数以及发电机输出的电学参数，并在集控装置7进行统一显示和调控。

优选地，所述热电模块包括：P型半导体、N型半导体和陶瓷板332，也即是所述热电材料331包括：P型半导体、N型半导体。所述P型半导体和N型半导体按一定规则连接（如P型半导体与N型半导体交替排列），所述P型半导体和N型半导体的两侧由所述陶瓷板332夹紧。本发明所述用于热伏发电的实验测试仪通过替换所述热电模块中的热电材料331实现对不同的热电材料331进行热电性能实验测试。

本发明所述热沉（热端热沉31和冷端热沉32）为小型换热器。优选地，所述热端热沉31和所述冷端热沉32均为一块内部有流道的金属板。进一步地，所述热端热沉31和所述冷端热沉32的进出口（热沉的进口和出口）分别设置在所述金属板的两端，所述进出口实现将所述金属板中流道与外部导通。

优选地，所述陶瓷板332由导热材料制成，如氧化铝陶瓷材料、氮化铝陶瓷材料。其中，所述发电模块33可以放置不同的热电材料，从而实现对热电材料的热电性能进行测试。

本发明所述测温装置4用于测量所述热端热沉31或所述冷端热沉32的进出口处的测压孔311/312的压力参数。所述测压装置4通过测量热端热沉31或冷端热沉进出口处的压力，进而获取热端热沉31或冷端热沉32的进出口处的压差。热沉进出口压差表征了热沉内部流动阻力损失的大小，是评判热沉性能的重要指标之一。本发明所述实验测试仪通过对热沉进行改进来提升发电装置的效率，因此热沉进出口压差是本测试装置的重要测量参数。

优选地，所述测压装置4与所述热端热沉31的进出口处的测压孔311/312连接。之所以只需要测量所述热端热沉31进出口压差，是因为所述冷端热沉32和所述热端热沉31的结构和流量都基本相同，理论上压力损失基本相同。但是对于所述冷端热沉32和所述热端热沉31的结构或流量不一致的发电装置3，需要对所述冷端热沉32和所述热端热沉31的进出口压差都进行测量。

具体地，所述测压装置4包括：压差变送器41，所述压差变送器41与所述热端热沉31的进出口处的测压孔311/312连接。也就是说， 测压装置4中的压差变送器41连接热端热沉31进出口处的测压孔311/312，可测得热端热沉31进出口的压差，并将压差信号传递给集控装置7。所述测压装置4需要压差变送器41的个数取决于需要测量压差位置的数量，例如在热端热沉31进出口处多个（如4个）需要测压的位置，可以开多个（如4个）测压孔311/312，并相应设置多个（如4个）压差变送器。优选地，所述测压装置只需要一个压差变送器41测量热端热沉31进出口两端的压力差。

优选地，所述热源装置1包括：高温变频泵12、与所述高温变频泵12的一端连接的热源水箱11、所述高温变频泵12的另一端通过管道分别连接的第一高温电动阀13和第二高温电动阀15、与所述第一高温电动阀13通过管道连接的变频加热器14；所述变频加热器12通过管道与热源水箱11连接；所述第二高温电动阀15通过管道与所述热端热沉31连接，所述热端热沉31通过管道与所述热源水箱11连接。

本发明所述热源装置1包括两条支路管道，即高温内部支路管和高温外部支路管道，其中，所述高温内部支路管是由高温变频泵12依次经所述第一高温电动阀13和变频加热器14连接到热源水箱11，所述高温内部支路管道能够通过变频加热器14对流经的液体进行加热；所述高温外部支路管道是由高温变频泵12依次经所述第二高温电动阀15和热端热沉31连接到热源水箱11，所述高温外部支路管道能够控制流经热端热沉31的液体的温度、流量等参数。

优选地，与所述热源装置1相对应地，所述冷源装置2包括：低温变频泵22、与所述低温变频泵22的一端连接的冷源水箱21、与所述低温变频泵22的另一端通过管道分别连接的第一低温电动阀23和第二低温电动阀、与所述第一低温电动阀23通过管道连接的变频制冷机；所述变频制冷机通过管道与冷源水箱21连接；所述第二低温电动阀25通过管道与所述冷端热沉32连接，所述冷端热沉32通过管道与所述冷源水箱21连接。

本发明所述冷源装置2包括两条支路管道，即低温内部支路管和低温外部支路管道，其中，所述低温内部支路管是由低温变频泵22依次经所述第一低温电动阀23和变频制冷机连接到冷源水箱21，所述低温内部支路管道能够通过变频制冷机对流经的液体进行制冷；所述低温外部支路管道是由低温变频泵22依次经所述第二低温电动阀25和变频制冷机连接到冷源水箱21，所述低温外部支路管道能够控制流经冷端热沉32的液体的温度、流量等参数。其中，所述变频制冷机包括蒸发器241，变频压缩机242，冷凝器243，节流阀244。

本发明中热源装置1与发电装置3的热端热沉31进出口连接形成热水回路，冷源装置2与发电装置3的冷端热沉32进出口连接形成冷水回路，发电装置3中的热电模块利用热端热沉31和冷端热沉32的温差将热能转化为电能。对于热源装置1如图3所示，图中粗实线表示两个回路，分为水回路（下）与制热回路（上）。对于冷源装置2如图4粗实线构成两个回路，分为水回路（下）与制冷回路（上），对于冷源装置2如图4所示，图中实线表示两个回路，分为水回路（下）与制冷回路（上）。

本发明所述热源装置1，用于精确控制热源供水温度和流量，调控所述热端热沉31的温度；对应地，所述冷源装置2，用于精确控制冷源供水温度和流量，调控所述冷端热沉32的温度。

所述冷源装置2中，制冷回路与家用变频空调制冷原理相同，只不过本专利中将冷量传入水中而非空气中。具体为：有机工质在蒸发器241中吸收水中的热量而蒸发制冷，出来的蒸汽通过变频压缩机242被压缩为高压蒸汽，高压蒸汽在在冷凝器243中将热量释放给室外的空气而冷凝，出来的液体经过节流阀244降压回到蒸发器241中。所述有机工质为家用变频空调制冷剂，如R410A，R134A等。

所述节流阀244即电子膨胀阀，用于有机工质降压与流量调节，受到冷源控制器29的控制，无需手动控制。

优选地，所述测温装置5包括：若干热电偶51、与所述热电偶51连接的集线器52；所述热电偶51设置于分布在所述陶瓷板332预留的测温点上。所述测温装置5用于测量热电模块两端的温度分布，并将温度参数信号传输集控装置7。

具体地，所述陶瓷板332上设置有多个测温点，对应地测温装置5包括多个热电偶51，测量陶瓷板332上各个测温点的温度。所述热电偶数量与实验设计要求有关，优选地，所述热电偶的数量为2-50个。

优选地，所述电测试装置6包括：与所述发电装置3的电能输出端连接的功率计。所述电测试装置6，用于测量发电装置3在不同负载时的电学输出特性，包括电压、电流和功率。具体地，所述电测试装置6通过导线接在发电装置3的电能输出端上，测得电压、电流和功率等电学参数，并将电学参数信号传递给集控装置7。

优选地，所述集控装置7包括NI数据采集器71和显示器72。所述集控装置7，用于调控并显示热源冷源的温度和流量，计算（分析）并显示热量传递和发电效率，并且显示发电装置3的温度压力和输出的电压、电流和功率。其中，所述NI数据采集器71是一个有数据采集与输出功能的服务器。

本发明供电装置8为热源装置1、冷源装置2、测压装置4和集控装置7供电。具体地，供电装置8包括总配电柜81和直流电源82。优选地，总配电柜81向直流电源82供电，直流电源82向压差变送器41供电。总配电柜81向热源配电箱18和冷源配电箱28供电，热源配电箱18和冷源配电箱28分别向热源装置1和冷源装置2内其他设备供电。总配电柜81向NI数据采集器71和显示器72供电。

实施例1

一种用于热伏发电的实验测试仪，包括热源装置1、冷源装置2、发电装置3、测压装置4、测温装置5、电测试装置6、集控装置7和供电装置8。热源装置1与发电装置3的热端热沉31进出口连接形成热水回路，冷源装置2与发电装置3的冷端热沉32进出口连接形成冷水回路，发电装置3中的热电模块利用热端热沉31和冷端热沉32的温差将热能转化为电能。测压装置4中的压差变送器41连接热端热沉31进出口处的测压孔311/312，可测得热端热沉31进出口的压差，并将压差信号传递给集控装置7。测温装置5包括20个热电偶51，所述热电偶51的测温点分布在热电模块两端的陶瓷板332上，并将温度信号传递给集控装置7。电测试装置6接在发电装置3的电能输出端上，测得电压、电流和功率等电学参数，并将电学参数信号传递给集控装置7。供电装置8为热源装置1、冷源装置2、测压装置4和集控装置7供电。

热源装置中：高温变频泵12一端与热源水箱11连接，为整个热水循环提供动力，另一端分流至高温内部支路与高温外部支路。高温内部支路依次连接第一高温电动阀13和变频加热器14后回到热源水箱11，高温外部支路依次连接第二高温电动阀15、热源流量计16和热源温度计17后进入热端热沉31。热源控制器（Siemens PLC CPU套件6AV6651-7HA01-3AA4型）19接收热源流量计16的流量测定值，运行内置程序，控制高温变频泵12的转速和第一高温电动阀13、第二高温电动阀15的开度，使热源供水流量接近用户集控装置7的流量设定值。热源控制器19接收热源温度计17的温度测定值，运行内置程序，控制变频加热器14的加热功率，使热源供水温度接近用户集控装置7的温度设定值。

所述冷源装置2中：低温变频泵22一端与冷源水箱21连接，为整个冷水循环提供动力，另一端分流至低温内部支路与低温外部支路。低温内部支路依次连接第一低温电动阀23和蒸发器241后回到冷源水箱21，低温外部支路依次连接第二低温电动阀25、冷源流量计16和冷源温度计27后进入冷端热沉32。冷源控制器29接收冷源流量计16的流量测定值，运行内置程序，控制低温变频泵22的转速和第一低温电动阀23、第二低温电动阀25的开度，使冷源供水流量接近用户集控装置7的流量设定值。变频制冷机包括蒸发器241、变频压缩机242、冷凝器243和节流阀244，有机工质（R410A）通过制冷循环从蒸发器241中吸收水中的热量。冷源控制器29接收冷源温度计27的温度测定值，运行内置程序，控制变频制冷器的制冷量使冷源供水温度接近用户集控装置7的温度设定值。

所述发电装置3包括热端热沉31、冷端热沉32、热电模块和固定装置34。热端热沉31进出口处预留测压孔311/312，热电模块的陶瓷板332上布有测温点。

所述测压装置4由压差变送器41构成。压差变送器41连接热端热沉31进出口处的测压孔311/312，将测得的压力通过电信号传到集控装置7中显示。

所述测温装置5包括20个热电偶51与集线器52。所述热电偶51分布在热电模块的陶瓷板332预留的测温点上，电信号经过集线器52后传到集控装置7中显示。

所述电测试装置6由功率计61构成。功率计61连接发电装置3的电能输出端，通过改变功率计61内阻可测量发电装置3在不同负载下输出的电压、电流和功率，并将测得的参数传到集控装置7中显示。

所述集控装置7包括NI数据采集器71和显示器72。NI数据采集器71连接热源控制器19和冷源控制器29，热源控制器19和冷源控制器29分别控制热源装置1和冷源装置2的供水温度与流量。NI数据采集器71也可以接收以下信号：热源装置1和冷源装置2的供水温度与流量、热端热沉31进出口的压力和压差、热电模块两端测温点处的温度、功率计61测得的电压、电流和功率。NI数据采集器71利用以上信息计算出热端热沉31与冷端热沉32的换热量以及热电转换效率并在显示器723中显示出以上测得的和计算出的全部参数。

所述供电装置8包括总配电柜81和直流电源82。总配电柜81向直流电源82供电，直流电源82向压差变送器41供电。总配电柜81向热源配电箱18和冷源配电箱28供电，热源配电箱18和冷源配电箱28分别向热源装置1和冷源装置2内其他设备供电。总配电柜81向NI数据采集器71和显示器72供电。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于热伏发电的实验测试仪，其特征在于，包括：

发电装置，所述发电装置包括：热端热沉、冷端热沉、设置于所述热端热沉和所述冷端热沉之间的热电模块，其中所述热电模块包括夹在热电材料两侧的陶瓷板；

与所述热端热沉连接的热源装置；

与所述冷端热沉连接的冷源装置；

与所述热端热沉或所述冷端热沉的进出口处的测压孔连接的测压装置；

与所述陶瓷板连接的测温装置；

与所述发电装置的电能输出端连接的电测试装置；

与所述热源装置、所述冷源装置、所述测压装置、所述测温装置、所述电测试装置分别连接用于显示、设置、分析实验参数的集控装置；

与所述热源装置、所述冷源装置、所述测压装置、所述电测试装置、所述集控装置分别连接的供电装置。

2.根据权利要求1所述的用于热伏发电的实验测试仪，其特征在于，所述热端热沉和所述冷端热沉均为一块内部有流道的金属板。

3.根据权利要求1所述的用于热伏发电的实验测试仪，其特征在于，所述热源装置包括：高温变频泵、与所述高温变频泵的一端通过管道连接的热源水箱、与所述高温变频泵的另一端通过管道分别连接的第一高温电动阀和第二高温电动阀、与所述第一高温电动阀通过管道连接的变频加热器；所述变频加热器通过管道与热源水箱连接；所述第二高温电动阀通过管道与所述热端热沉连接，所述热端热沉通过管道与所述热源水箱连接。

4.根据权利要求1所述的用于热伏发电的实验测试仪，其特征在于，所述冷源装置包括：低温变频泵、与所述低温变频泵的一端连接的冷源水箱、与所述低温变频泵的另一端通过管道分别连接的第一低温电动阀和第二低温电动阀、与所述第一低温电动阀通过管道连接的变频制冷机；所述变频制冷机通过管道与冷源水箱连接；所述第二低温电动阀通过管道与所述冷端热沉连接，所述冷端热沉通过管道与所述冷源水箱连接。

5.根据权利要求1所述的用于热伏发电的实验测试仪，其特征在于，所述测温装置包括：若干热电偶、与所述热电偶连接的集线器；

所述热电偶与分布在所述陶瓷板上的测温点连接。

6.根据权利要求1所述的用于热伏发电的实验测试仪，其特征在于，所述电测试装置包括：与所述发电装置的电能输出端连接的功率计。

7.根据权利要求1所述的用于热伏发电的实验测试仪，其特征在于，所述测压装置包括：与所述热端热沉的进出口处的测压孔连接的压差变送器。

8.根据权利要求1所述的用于热伏发电的实验测试仪，其特征在于，所述集控装置包括NI数据采集器和显示器。

9.根据权利要求1所述的用于热伏发电的实验测试仪，其特征在于，所述供电装置包括总配电柜和直流电源。

10.根据权利要求1所述的用于热伏发电的实验测试仪，其特征在于，所述热电偶的数量为2-50个。