CN111525840B - 基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置；包括热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块、参数采集模块、通信模块；热能半导体温差发电模块包括冷接触面和热接触面；冷接触面与环境接触；热接触面与热传导端接触；热传导端贴于热力管道表面或探入热力管道内；参数采集模块具有探入热力管道内的参数采集探测端，参数采集模块通过参数采集探测端端获取热力管道内的各参数；通信模块；所述通信模块用于将参数采集模块所采集的参数发送至外部接收端；热能半导体温差发电模块将热力管道内的高温热能转化为电能、为参数采集模块和通信模块供电。本发明利用热力管道内部的热能发电，适用于无法取电的场景，不受环境条件影响。

Description

基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置

技术领域

本发明属于工业互联网领域，具体涉及一种基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置

背景技术

热力管道中的压力和温度变化反映了供热的质量和供热系统运行的健康状况，因此在使用过程中需要对热力管道内的参数进行采集、进而实现监控和优化调控的目的，并为实现供热系统的仿真模拟打下基础。此外，对于集中供暖来说还存在调控不善、能源浪费大以及供暖收费困难等问题，为了解决上述问题现有技术中增加了一种可以在线监测供热参数的装置，在完成参数采集之后经过通信模块将信息发送到供暖企业，进而对供热参数进行调节减少能源浪费；而通过监测也可以准确掌握用户的热负荷，避免因供热是否达标问题而发生的收费难题。

但是无论是供热参数的监测还是信息发送都需要供电，现有技术中要么采用定期更换电池，这就需要定期查看电池的电量情况；再有就是外接电源，直接安装在用户家里，这虽然可以解决用电问题，但用户往往不愿意负担额外产生的电费从而使该方案无法实施；另外，对于户外供热管道内参数的采集和监测测点无法外接电源，例如：在楼口或单元口、或是野外、地下室、竖井等场合；对于无法外接电源的监测装置来说，还有一种是使用流体动能发电装置，依赖管道内流动的液体或是气体发电，但是此种装置整体结构复杂，对于后期维护来说增加成本，且当测点过多时会增加管道输送的阻力，对于供热系统的运行有负面影响。发明内容

发明内容

本发明的目的是提供一种基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：

基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置，其特征在于：包括热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块、参数采集模块、通信模块；

热能半导体温差发电模块包括冷接触面和热接触面；冷接触面与环境接触；热接触面与热传导端接触；

所述热传导端贴于热力管道表面或探入热力管道内将热能传递到热能半导体温差发电模块的热接触面；

热能半导体温差发电模块通过恒压模块稳定电压；

所述参数采集模块具有探入热力管道内的参数采集探测端，所述参数采集模块通过参数采集探测端获取热力管道内的各参数；

通信模块；所述通信模块用于将参数采集模块所采集的参数发送至外部接收端；

所述热能半导体温差发电模块将热力管道内的高温热能转化为电能、为所述参数采集模块和通信模块供电。

在本发明中参数采集模块和通信模块的供电通过热力管道内的温度来实现，通过设置的热能半导体温差发电模块实现热能发电，节省能量的同时，本装置不受供电的影响，可以在任意热力管道上安装使用。

集中供暖的供热水温通常在50℃-60℃，在用户家里换热使用户的室内温度要求是18℃以上，因此上述参数采集装置安装位置的温度在我国的一般的北方地区（例如黄河流域附近）供暖季节是10℃左右；而在我国东三省或是新疆等地的供暖季节是-30℃左右；在采用蒸汽供热时的温度120℃以上；由于目前的研究情况表明，通常的半导体温差发电模块每提供摄氏1度的温差可相应产生约0.03V电压。因此完全具备利用热力管道内的热能进行温差半导体发电的条件。

在本发明中安装在用户室内的话的每一组半导体温差发电模块至少可以稳定的提供1V左右的电压，在室外的话最少可以稳定提供2V左右的电压，根据实际的情况进行多组串联或是并联可以稳定的提供所需电源。

本装置主要是使用场景是无法有效提供稳定电源的户外，本装置不受环境影响可以稳定使用。

在本发明中热能半导体温差发电模块本身的结构来说不做限定，热能发电是基于半导体温差发电技术，在半导体模块两端形成稳定的温差，从而进行温差发电。在没有电源供电的情况下，本模块可以为温度采集和信号发送提供稳定的电能。

在本发明中的参数采集模块对于本领域的技术人员是熟知装置，根据具体需要采集的数据（例如温度、压力、流量等）的需要选择使用；通信模块对于本领域的技术人员是熟知装置，根据通信的需要选择使用。

有些时候为了检修，其中参数采集模块可以增加显示屏，这样检修工作人员记录每一次数据值以便与远程接收端做校对。

在这里以上各个模块可以封装在同一壳体内，或是分为两个壳体分别封装。其壳体的具体结构同样不做限定，但是至少要保证参数采集模块、通信模块、热能半导体温差发电模块的安全性，尤其是在户外使用时，以保证其可以稳定的工作。至于各模块的安装位置根据实际使用的需要做调整选择。

另外壳体与热力管道的固定方式不做限定，例如可以焊接或是卡接或是其他方式固定，壳体上设置螺旋连接端，对应的管道上钻螺纹孔，螺旋连接之后密封，各种连接方式只要能保证管道不漏即可。

然后热传导端贴于热力管道表面或是通过在管道上钻孔伸入管道内部获取热量，然后将该孔密封；参数采集探测端主要是通过在管道上钻孔伸入管道内部获取所需要的参数，然后将该孔密封。

壳体与热力管道的连接可以参考常用的供热管内温度压力测量方法。

进一步的，所述热传导端为热管或柱状金属块。

热管的导热性能优异，可以直接贴于热力管道表面进行热传导。金属块的导热性能也很好，安装固定会更简单。

在这里具有两种结构，一种是分体结构，另一种是全部封装在一个壳体内。

分体结构如下，分体结构在与热力管道连接方面更简单，数据采集和通信共同安装使用，而供电另外安装，两个方面互相不影响安装和使用，通过导线将电力传输到数据采集模块和通信模块，安装距离可以任意。

进一步的，所述热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块封装在第一壳体中，所述第一壳体包括第一容纳腔，第一容纳腔上方铰接有第一盖；所述热传导端底端贴于第一壳体下表面或伸出第一壳体，热能半导体温差发电模块的热接触面通过导热硅脂粘贴在热传导端上端面，热能半导体温差发电模块的冷接触面与第一盖贴合；所述恒压模块安置在热传导端的一侧。

进一步的，参数采集模块和通信模块封装在第二壳体中，所述第二壳体包括第一容纳腔，第一容纳腔上铰接有第二盖；所述参数采集探测端从第二壳体下表面伸出第二壳体；所述参数采集模块和通信模块通过导线与恒压模块连接。

采用上述的结构，数据采集模块可以根据使用的需要任意替换，并且同一个热能半导体温差发电模块可以为管道上多个数据采集模块供电，同一段管路可以完成多个数据采集，使用更加方便，提高数据采集效率的同时可以做相互校准。

还有另外一种就是将所有模块都封装在同一壳体内。所述热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块、参数采集模块、通信模块封装在一个壳体中，所述壳体包括第一容纳腔、第二容纳腔、上盖； 热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块封装在第一容纳腔内；参数采集模块、 通信模块封装在第二容纳腔内；所述参数采集探测端从第二容纳腔下表面伸出第二容纳腔；所述热传导端底端贴于第一容纳腔下表面或伸出第一容纳腔，热能半导体温差发电模块的热接触面通过导热硅脂粘贴在热传导端上端面，热能半导体温差发电模块 的冷接触面与上盖贴合；所述恒压模块安置在热传导端的一侧；参数采集模块、通 信模块分别通过导线与恒压模块电联接。

采用上述结构的装置，携带方便，不容易发生丢失的情况。

进一步的：所述参数采集模块为温度采集模块、压力采集模块、压力差采集模块、流量采集模块中的一种或是多种组合。根据实际的使用需要对所需要采集的参数进行选择。在这里由于各个参数的采集是比较常见的了，在现有技术中存在各种各样的传感器可以用于上述参数的采集，在此不对型号或是种类做出限定。

进一步的：所述热能半导体温差发电模块包括热传导管路和半导体发电单元，热传导管路与热传导端连接，直接将热能输送到半导体发电单元用于发电。

在这里提供一种简单可用的热发电模块的具体结构，在这里结构简单，使用可靠。

在这里提供一种壳体与热力管道的具体连接方式。进一步的：所述壳体底部设置螺纹，在待测数据的热力管道壁上开设螺纹孔，所述壳体与待测数据的热力管道螺旋连接。

进一步的：架空热力管道或埋地热力管道或整栋楼的进出户热力管道中的一种。这里主要将本参数采集装置安装在电力无法供应的场所使用，便于热力管道内部数据的获得。

根据热力管道内的流体种类就可以通过科学数据推算出供暖温度是多少。为了进一步验证供暖温度，可以在供暖的回水管上安装一采集温度装置，与进水温度做对比。

进一步的：还包括蓄电池，所述蓄电池与热能半导体温差发电模块联接，所述蓄电池用于存储多余电能。蓄电池可以进一步的提高热能的利用率；有效的避免供暖温度低时，热能半导体温差发电模块发电量不足的情况发生。

进一步的：所述参数采集模块和通信模块集成为数据采集模块。在现有技术中存在很多这种集成模块，例如将温度采集模块和通信模块相结合的有：K型温度采集模块N型温度采集PLC扩展模块；多路K型热电偶采集输入模块热电偶温度变送器modbus协议 RS485等，可以直接作为温度采集使用，提高整体模块化。其他相应模块也可以做成此种集成模块。

本发明的技术效果是：

本发明使用无需额外供电装置或是电源，利用热力管道内部的热能发电，可以持续稳定供电，整体结构简单可靠。根据统计数据的需要选择安装位置，为供热企业提供稳定的供热过程中各参数（温度、压力、压力差等）的数据，便于供热企业根据该参数进行温度调整供热计划，节约能源；根据压力等参数及时检修避免损失；对于无法取电供电的场景也可以适用；而对于采样频率高、通讯功耗大的场景实际调节发电模块来配合使用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是本发明的总体安装结构示意图；

图2是图1中基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置的一种结构示意图；

图3是图2的使用状态示意图；

图4是图1中基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置的另一种结构示意图；

图5是图4的使用状态示意图；

图6是实施例二示意图；

图7是实施例三示意图；

图8是实施例五示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

以上附图中箭头方向是供暖流动方向；

热力管道参数采集装置1，总进户进水管2，总出户出水管3，用户进水管4。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置；包括热能半导体温差发电模块5、热传导端6、恒压模块7、参数采集模块8、通信模块9。

热能半导体温差发电模块5包括冷接触面502和热接触面501；冷接触面与环境接触（贴于壳体壁或是直接裸露在空气中）；热接触面501与热传导端6接触。

所述热传导端贴于热力管道表面或探入热力管道内将热能传递到热能半导体温差发电模块的热接触面。

热能半导体温差发电模块5通过恒压模块7稳定电压。

所述参数采集模块8具有探入热力管道内的参数采集探测端801，所述参数采集模块通过参数采集探测端获取热力管道内的各参数（温度、压力、流量等）。

通信模块9；所述通信模块用于将参数采集模块所采集的参数发送至外部接收端；

所述热能半导体温差发电模块5将热力管道内的高温热能转化为电能、为所述参数采集模块8和通信模块9供电。

在本发明中热能半导体温差发电模块通过供热管道内的热量进行发电（根据半导体发电技术），为参数采集模块和通信模块供电。

在参数探测过程中直接伸入供热管道内接收第一参数（温度、压力等相关参数），热能接收过程是直接贴于热力管道表面（无保温层的管道表面）或是探入热力管道内，热能的接收也可以更直接，提高热能的利用率。

本发明可以准确及时的获取热力管道内的参数，保证供热的稳定性、合理性、计划性；在符合供热温度要求的规定下，可以大幅度的减少能源的浪费，经济节约；同时可保证热力管道使用的安全性。

在某些实施例中：热能半导体温差发电模块包括热传导管路和半导体发电单元，热传导管路与热传导端连接，直接将热能输送到半导体发电单元用于发电。半导体发电单元可以根据供电的需要做出多个串联或是并联。

在某些实施例中：热传导端包括所述热传导端为热管或柱状金属块。其导热快、经济成本低、稳定性好。

如图4所示，在某些实施例中：所述热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块封装在第一壳体中，所述第一壳体包括第一容纳腔，第一容纳腔上方铰接有第一盖；所述热传导端底端贴于第一壳体下表面或伸出第一壳体，热能半导体温差发电模块的热接触面通过导热硅脂粘贴在热传导端上端面，热能半导体温差发电模块的冷接触面与第一盖贴合；所述恒压模块安置在热传导端的一侧。

在这里由于温差发电可能存在不稳定的情况，增加恒压模块主（恒压模块具体不做限定，例如恒压变压器）；恒压模块可以直接通过支架固定在第二壳体侧壁。

如图4所示，参数采集模块和通信模块封装在第二壳体中，所述第二壳体包括第二容纳腔，第二容纳腔上铰接有第二盖；所述参数采集探测端从第二壳体下表面伸出第二壳体；所述参数采集模块和通信模块通过导线与恒压模块连接。

导线的连接是在第一壳体和第二壳体都安装之后，根据距离长短，对导线进行截取，或是直接在导线的两端设置插接头，插接端都位于第一壳体或是第二壳体内部，保证使用的安全性。

如图5所示，在这里分为第一壳体和第二壳体，第一壳体和第二壳体与热力管道的连接安装相互独立，彼此不影响。

第一壳体可以直接焊接在热力管道上，然后热传导端底端直接贴于热力管道表面（去掉热力管道外表面的保温层）；此发电供电模块就可以完成安装；热能半导体温差发电模块的热接触面在热传导端的作用下基本与热力管道温度相同，而热能半导体温差发电模块的冷接触面与环境温度相同（冬天的环境温度），两端的温差非常适合发电。

采用此种安装方式，结构简单、安装方便。可以为一至多个其他模块使用。

而相反的由于数据采集模块需要采集热力管道内的数据参数，因此必须在热力管道上开孔让参数采集探测端进入热力管道内部；第二壳体与热力管道的连接方式例如可以焊接或是卡接或是在第二壳体上设置螺旋连接端，对应的管道上钻螺纹孔，螺旋连接之后密封保证管道不漏。

如图2、图3所示；在某些实施例中：所述热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块、参数采集模块、通信模块封装在一个壳体101中，所述壳体包括第一容纳腔102、第二容纳腔103、上盖104。201是热力管道壁，202是热力管道壁的保温层。

热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块封装在第一容纳腔内。参数采集模块、通信模块封装在第二容纳腔内。

所述参数采集探测端从第二容纳腔下表面伸出第二容纳腔；所述热传导端底端贴于壳体下表面或伸出壳体，热能半导体温差发电模块的热接触面通过导热硅脂粘贴在热传导端上端面，热能半导体温差发电模块的冷接触面与上盖贴合；所述恒压模块安置在热传导端的一侧；参数采集模块、通信模块分别通过导线与恒压模块电联接。

第一壳体可以焊接或是卡接或是在第一壳体上设置螺旋连接端，对应的管道上钻螺纹孔，螺旋连接之后密封（这里采用密封垫105，随着螺旋向下压力越来越大）保证管道不漏。对于螺纹连接方式，在第一壳体底部连接体上设置螺纹，在待测温的热力管道壁上开设螺纹孔，壳体与待测的热力管道螺旋连接。相比于其他的连接方式，采用此种连接方式将热力管道上的螺纹孔既作为连接孔，又作为参数采集模块和热能半导体温差发电模块获取温度热量的探测口；可以最大程度的降低对供热管道的改造，无需通过其他介质就可以直接获取供热管道内的参数，参数测量结果更准确。

另外，此参数采集装置安装之后无需取下，可以直接做固定连接使用。

如图1所示，在某些实施例中：热力管道为集中供暖的进楼道或是进户供暖管道。

这是由于供热的流体介质是确定的，供热距离确定外加上对流换热系数比可以确定，因此供暖温度是可以计算出来的。

假如发生哪位用户的供热温度不够，那么可以确定的是总管道没有问题，只需要检修与该用户相关的进户供热管道就可以确定供热情况。如此就可以做到降低检修排查的难度，提高检修时间，服务到位。

在某些实施例中：还包括蓄电池，蓄电池与恒压模块联接，蓄电池用于存储多余电能。

这是为了保证电能的稳定供应，避免由于供热温度的变化影响电量、电压等的稳定产生，这里增加了蓄电池，热能半导体温差发电模块将产生的电能部分储藏在蓄电池中，在供电不稳的情况下，蓄电池可以为参数采集模块和通信模块稳定供电；既保证了使用的稳定性，同时也保证了整个装置的安全性。

在某些实施例中：参数采集模块和通信模块集成为数据采集模块。

由于在现有技术中此种数据集成模块比较常见，因此可以根据实际的需要做适当的选择，提高整体装置的装配时间、降低装配难度。

下面几个实施例是以测量热力管道内的温度为例，阐述本发明的使用；本发明不限于下面的温度测量，还可以同时测量压力、压力差或是流量等参数；上述参数可以单独测量或是共同测量，在此不做进一步的限定。

实施例一

如图1所示，将本装置所有模块封装在同一壳体中。整体安装在每一栋供暖的管道的总进户水管2上，这样根据进水温度、换热比以及行程等条件确定回水的温度。

在实际使用过程中，不但可以准确获得供热温度，还可以进一步提高检修的效率。也可以降低管理成本。

实施例二

如图6所示，将本装置所有模块封装在同一壳体中。整体安装在每一栋供暖的管道的总出户出水管3上，这样根据出水温度、换热比以及行程等条件确定供暖的进户水的温度。

在总回水温度没有问题的情况下，也可以进一步的提高检修效率。降低管理成本。

实施例三

如图7所示，将本装置所有模块封装在同一壳体中。整体安装在每一用户的用户进水管4上，这样根据进水管的温度、换热比以及行程等条件确定供暖的回水的温度。

这样可以让供热精确到每一户进行网格化管理，提高管理效率。根据每一户的供暖温度，可以确定供暖是否稳定，也可以第一时间对供暖不达标的用户第一时间进行维护。

实施例四

区别于上述实施例，在本实施例中，将本发明中的装置所有模块封装在同一壳体中。整体安装在野外环境下的架空热力管道或是地埋热力管道上（焊接或是通过支架固定），首先将热力管道的保温层按照本装置的连接部大小进行去除露出管道的表面；将热力探测端贴于热力管道表面（或是在热力管道表面钻孔，用螺柱带着热力探测进入热力管道，之后再将螺柱与热力管道之间密封）；再在热力管道表面钻参数探测孔，参数探测孔用于第二螺柱将参数探测端伸入到热力管道内部获取相关参数。

这样在维护热力管道的安全性上，可以大大的节约人工成本。

实施例五

如图8所示，区别于上述实施例，在本实施例中，所述热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块封装在第一壳体中。参数采集模块和通信模块封装在第二壳体中。第一壳体对应多个第二壳体，多个第二壳体并联。

在使用的过程中，第二壳体与热力管道直接焊接，热传导端贴于热力管道表面。

参数采集探测端从第二壳体下表面伸出第二壳体；在对应的热力管道上开设通孔，让参数采集探测端进入热力管道之后再对该通孔进行密封。第一壳体直接焊接在热力管道上。

此种方式可以减少对热力管道的改造，同时又能利用其温度实现温差发电。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置，其特征在于：包括热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块、参数采集模块、通信模块；

热能半导体温差发电模块包括冷接触面和热接触面；冷接触面与环境接触；热接触面与热传导端接触；

所述热传导端贴于热力管道表面或探入热力管道内将热能传递到热能半导体温差发电模块的热接触面；

热能半导体温差发电模块通过恒压模块稳定电压；

所述参数采集模块具有探入热力管道内的参数采集探测端，所述参数采集模块通过参数采集探测端获取热力管道内的各参数；

通信模块；所述通信模块用于将参数采集模块所采集的参数发送至外部接收端；

所述热能半导体温差发电模块将热力管道内的高温热能转化为电能、为所述参数采集模块和通信模块供电；

所述热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块封装在第一壳体中；

所述第一壳体包括第一容纳腔，第一容纳腔上方铰接有第一盖；所述热传导端底端贴于第一壳体下表面或伸出第一壳体，热能半导体温差发电模块的热接触面通过导热硅脂粘贴在热传导端上端面，热能半导体温差发电模块的冷接触面与第一盖贴合；所述恒压模块安置在热传导端的一侧；

参数采集模块和通信模块封装在第二壳体中；

所述第二壳体包括第二容纳腔，第二容纳腔上铰接有第二盖；所述参数采集探测端从第二壳体下表面伸出第二壳体；所述参数采集模块和通信模块通过导线与恒压模块连接；

所述热力管道为架空热力管道或埋地热力管道或整栋楼的进出户热力管道中的一种。

2.根据权利要求1所述的基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置，其特征在于：所述热传导端为热管或柱状金属块。

3.根据权利要求1或2所述的基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置，其特征在于：所述热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块、参数采集模块、通信模块封装在一个壳体中，所述壳体包括第一容纳腔、第二容纳腔、上盖；

热能半导体温差发电模块、热传导端、恒压模块封装在第一容纳腔内；参数采集模块、

通信模块封装在第二容纳腔内；所述参数采集探测端从第二容纳腔下表面伸出第二容

纳腔；所述热传导端底端贴于第一容纳腔下表面或伸出第一容纳腔，热能半导体温差

发电模块的热接触面通过导热硅脂粘贴在热传导端上端面，热能半导体温差发电模块

的冷接触面与上盖贴合；所述恒压模块安置在热传导端的一侧；参数采集模块、通

信模块分别通过导线与恒压模块电联接。

4.据权利要求1所述的基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置，其特征在于：所述参数采集模块为温度采集模块、压力采集模块、压力差采集模块、流量采集模块中的一种或是多种组合。

5.根据权利要求1所述的基于半导体温差发电的热力管道状态参数采集装置，其特征在于：还包括蓄电池，所述蓄电池与热能半导体温差发电模块联接，所述蓄电池用于存储多余电能。

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