CN204761332U - 一种利用管道温差发电向设备供电的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用管道温差为设备供电系统，具体涉及一种供热或空调系统供、回水管道内流体存在温差，利用该温差发电为设备供电的系统。由于在供热，空调循环水系统的供水管道和回水管道存在着稳定的温差，通过将高低温流体引入发电片发电系统的冷热循环腔，使得发电片冷热面维持稳定的温差并稳定发电，再通过控制电路给设备供电或给蓄电装置蓄电。循环腔内流体的循环动力来源供热或空调系统供、回水管道存在的压力差以及同一管道上下游一定距离内存在的压力差。

Description

一种利用管道温差发电向设备供电的系统

技术领域

本发明属于能源技术领域，涉及一种利用管道温差发电向设备供电的系统，具体涉及一种供热或空调系统供、回水管道内流体存在温差，利用该温差发电为设备供电的系统。

背景技术

在供热、空调领域，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，现在很多供热或空调系统诸如压力、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设备供电，这种方式理论上虽然可以实现发电，但存在下述缺点：一是发电片热面与管道壁面采用直接接触，由于管道外壁面不可避免存在凹凸不平，甚至于锈蚀等问题，发电片壁面接触热阻较大，难以充分利用流体的温度；二是其采用环境温度维持冷面的方法，一般来说，油气等管道埋在地下，土壤导热性能较差，其作为其外界环境的土壤随着发电过程的进行，温度会逐步升高，很容易使得发电片冷热面的温差消失，失去发电能力；三是发电过程中，管道内的热量散失到土壤中，造成了能源“质”和“量”的同时损失。如何提供长期的可持续的温差是发电片工作并实现设备供电的重要条件。而对于供热和空调系统，采用的供回水双管道的供能方式，其管道内循环流体存在较为稳定的的供、回水温差，这为实施采用温差发电提供了必要条件。本发明即提出一种利用这种较为稳定的温差，实现设备电力供应的系统。

发明内容

本发明针对具备较为稳定温差的场合，提出一种利用管道温差发电向设备供电的系统。

本发明采用的技术方案是：一种利用管道和流体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、第一管道和第二管道组成。

其特征在于：温差发电系统的冷热温差来源于具有一定温差的第一管道流体和第二管道壁面。高温或低温流体自第一管道流出并通过循环腔的入口进入循环腔，自循环腔的出口流出；循环腔与温差发电片组的其中一面进行热交换，稳定维持温差发电片的一面处于高温或低温状态；紧贴第二管道的外壁面温差发电片组的另一面与第二管道外壁面进行热交换，稳定维持温差发电片的另一面处于低温或高温状态；温差发电片冷热两面温差的稳定存在，便会进行发电，发电片组通过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：所述第一管道和第二管道为供热系统的供、回水管道或空调的供、回水管道或其他具有稳定温差的管道。

其特征还在于：所述设备为仪器，仪表或其他常规供电方式不易实现的设备。

其特征还在于：所述控制电路还与蓄电装置相连，控制电路可以将电极输出的电能蓄存于蓄电装置。

其特征还在于：所述控制电路可以进行控制，从而令电极输出的电能蓄存在蓄电装置与供应到用电设备之间进行切换。

其特征还在于：所述蓄电装置与需要供电的设备相连，以便向所述设备供电。

控制电路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，并在蓄电，用电之间进行平衡和调度。

其特征还在于：为了保证流体循环腔壁面与发电片组之间紧密接触，减少热阻，还可以在所述流体循环腔与发电片组之间增加紧密性导热材料。

其特征还在于：为了保证第二管道壁面与发电片组之间紧密接触，减少热阻，还可以在所述在第二管道壁面与发电片组的接触面之间增加紧密性导热材料。

所述流体循环腔内流体的流动动力来源于所述第一管道的上下游一定距离内存在的压力差。

其特征还在于：所述流体循环腔内流体的流动动力来源于所述第一管道的上下游一定距离内存在的压力差。流体在循环腔内的流动需要克服一定的阻力，其动力来源是否方便是该系统能否应用的一个重要影响因素。而对于输送流体的管道，流体在管内流动，其沿着流动方向上，管道的上下游之间本身存在着压力差，这种压力差就可以方便提供流体循环腔流体流动所需要的动力。所述流体循环腔的入口与第一管道的位于流体流向上的上游的一点相连，流体循环腔的出口与第一管道的位于流体流向上的下游的一点相连，所述上游和下游的两点之间相距一定距离；在确定所述距离时，应本着由所述两点间的距离产生的流体压力差能够克服流体流过流体循环腔及流体循环腔前后管路的阻力的原则进行选择，若流体流过流体循环腔及其前后管路的阻力较大，则可以在管路上选择较大的一段距离来连接到流体循环腔的进出口，因而能够通过这种方式方便地提供大小可变的流动动力，这也是本发明提供的供电设备的重要特点。

其特征还在于：所述流体循环腔内流体的流动动力来源于所述第一管道和第二管道之间的压力差。某些情况下，所述第一管道与第二管道二者之间存在压力差，从而流体在循环腔内的流动需要的动力还可以来源这种第一管道和第二管道之间的压力差。所述流体循环腔的入口与第一管道的一点相连，流体循环腔的出口与第二管道的一点相连，所述第一管道上的所述一点处的流体压力大于第二管道上的所述一点处的流体压力，且两点之间的流体压力差需克服流体流过流体循环腔、流体循环腔前后管路以及安装的设备如过滤器等的阻力。

其特征还在于：所述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：为了增强发电片与流体循环腔的换热效果，提高发电效率，所述流体循环腔的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。

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

其特征还在于：为了防止管道内的污物流入、堵塞流体循环腔，可以在所述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。

其特征还表现在：所述温差发电系统的不同功能层采用多层同心圆环结构，由内层紧密性导热材料层，温差发电片布置腔及温差发电片组,中间紧密导热材料层，流体循环腔，电极，流体循环腔的进口，流体循环腔的出口组成。紧密性导热材料层、温差发电片布置腔、中间紧密性导热材料层以及流体循环腔均采用同心圆环结构，其为同心圆环或者圆环的一部分。

其特征还表现在：当所述温差发电系统采用多层圆环结构时，其在管道上的固定可以采用但不限制于预制相对应角度的环状结构装置的紧固对偶环，与紧固对偶环一起采用螺栓结构固定在管道上。所述紧固对偶环为圆环或圆环的一部分，其中心角与温差发电系统的中心角之和为360°，并与温差发电系统同心，外部形状与温差发电系统相似，仅中心角不同。

紧固对偶环与圆环结构的温差发电系统端部均设置向外凸出翼片，采用螺栓或其他方式固定。圆环结构的温差发电系统端部设置的向外凸出翼片除用于在上面布置螺栓结构外，还可以但不限于从内部引出电极或引出流体循环腔的进/出口。

其特征还表现在：所述温差发电系统的中心角在0°至360°之间变化，从而设置不同数量的温差发电片组。当所述温差发电系统采用多层圆环结构时，可以通过采用不同中心角度的圆环结构达到调整发电片组数量的目的。由于不同设备的需求电压，电流和功率的不同，以及考虑在不同场合管道内流体温差不同，可以选择不同圆环中心角度大小的温差发电系统，从而通过并或串联不同数量的温差发电片进行灵活调整。

其特征还表现在：所述温差发电片布置腔内的发电片组可以预制固定，也可以现场灵活安装。

其特征还表现在：对于已经确定的某个中心角度的圆环结构温差发电系统，当温差发电片布置腔内发电片的组数少于圆环中预制的最大数量时，可以但不限于装设伪温差发电片填充，还可以直接空置，所述伪温差发电片形状大小与发电片完全一样的但不具备发电功效，主要用于支撑温差发电片组所在腔体不因为空置发生形变。从而实现温差发电片组数量的灵活调整。

本发明具有以下优点及突出性效果：

(一)在系统流程设计上：温差发电片一侧紧贴管道壁面，一侧采用直接导入流体进入循环腔的做法，充分利用了供热、空调系统内冷热流体存在的可持续、较稳定的温差，使得发电片两侧能够实现稳定的冷热面，保证了发电片的高效稳定工作，从而能够持续发电并实现设备供电的需求。

(二)在连接方式上，充分利用了供回水管道的压力差，同一管道上下游之间的压力差。使得循环腔内流体的流动不需要额外的动力，安装实现方便，同时还实现了灵活多样的接口方式。

(三)在装置的结构设计上，采用多层同心圆环的结构设计，为生产、安装提供了极大方便，同时不同圆环中心角度的设计和伪温差发电片的设计为发电片组数量的灵活调整提供了方便，从而实现了电能灵活多样的输出，兼顾了不同场合温差差异，满足了不同设备的电力需求。

(四)在装置的固定方式上，采用紧固对偶环的创造性设计，使得固定安装方便，并易于保证紧密接触。

(五)从能量利用看，温差发电片高低温面之间的热量除发电外，基本还散发到管道里，除了降低了能源的品位，损失了能源的“质”外，并没有损失能源“量”，对于诸如锅炉或电厂供热系统，在能源利用上几乎没有能量损失。

附图说明

图1一种利用管道温差向设备供电的系统示意图(中心角180°)

图2一种利用管道温差向设备供电的系统示意图(三维180°)

图3一温差发电系统循环腔与管道连接示意图一

图4一种利用管道温差向设备供电的系统示意图(中心角90°)

图5温差发电系统循环腔与管道连接示意图二

其中：1—温差发电系统，1a—内层紧密性导热材料层，1b—温差发电片布置腔，1c—温差发电片组，1d—伪温差发电片组,1e—发电片内部连接电极，1f—中间紧密性导热材料层,1g—流体循环腔，1h—流体循环腔的进口，1i—流体循环腔的出口，1j—温差发电片组电能输出电极，2—控制电路；3—蓄电装置；4—需要供电的设备；5—第一管道；6—第二管道；7—紧固对偶环；8—紧固螺栓；

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

参见图1、图2，图3。

一种利用管道温差发电向设备供电的系统，包括温差发电系统1，控制电路2、蓄电装置3、需要供电的设备4、第一管道5和第二管道6，紧固对偶环7，紧固螺栓8组成。

温差发电系统1由内层紧密性导热材料层1a，温差发电片布置腔1b，温差发电片组1c，伪温差发电片组1d,发电片内部连接电极1e，中间紧密性导热材料层1f,流体循环腔1g，流体循环腔的进口1h，流体循环腔的出口1i，温差发电片组电能输出电极1j组成。紧密性导热材料层1a、温差发电片布置腔1b、中间紧密性导热材料层1f以及流体循环腔1g均采用180°同心圆环结构，在流体循环腔1g的端部设置向外凸起翼片，该翼片作用有三个：一用于从内部引出发电片电极，二用于从内部引出流体循环腔的进/出口，三用于在上面布置螺栓等紧固结构，与紧固对偶环共同将温差发电系统固定并紧密接触在第二管道6上。应当理解，这并不意味这电极一定要从翼片引出，循环腔进出口一定要从翼片引出，也不意味着一定要采用螺栓结构固定。

紧固对偶环与温差发电片为同心圆环，外部形状与温差发电系统完全一样，仅中心角不同，保证二者中心角之和为360°，因此，本实施例中紧固对偶环中心角为180°。

第一管道5内为供热系统供水(高温流体)，第二管道6内为供热系统回水(低温流体)。温差发电系统1通过上述紧固对偶环结构紧贴第二管道6外壁面，并与第二管道6外壁面进行换热，保证了温差发电片组冷面的温度。流体循环腔的进口1h与第一管道A点连接，流体循环腔的出口1i与第一管道B点连接，A点位于流体流向的上游，管道的连接点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流体循环腔及其前后管路阻力的原则进行选择，当供热系统运行时，AB两点的压差保证了循环腔内流体的稳定流动，保证了温差发电片组热面的温度，从而在温差发电片冷热面形成稳定的温差，使得电极1j有电流输出，控制电路2首先将电流电压转化为设备4所需的电流电压并给设备4供电，当设备不需要供电时，控制电路2将温差发电系统产生的电能储存在蓄电装置3中。当温差较小，无法发电或者发电片故障时，由蓄电装置3给设备4供电。也可以根据需要，控制电路2首先给蓄电装置3供电，由蓄电装置3直接给设备4供电。紧密性导热材料1a，1f采用导热硅脂，保证发电片组1c与第一管道外壁面以及循环腔体1g的壁面之间良好的换热性能。

应当注意到，此案例中如果将温差发电系统1紧贴在第一管道5外壁面，流体循环腔进、出口连接第二管道6相距一定距离的上，下游，仍然可以达到同样的效果，差别只是电极输出的电流方向不同。

实施例2：

参见图4和图5。

一种利用流体温差发电向设备供电的系统，包括温差发电系统1，控制电路2、蓄电装置3、需要供电的设备4、第一管道5和第二管道6，紧固对偶环7，紧固螺栓8组成。

温差发电系统1由内层紧密性导热材料层1a，温差发电片布置腔1b，温差发电片组1c，伪温差发电片组1d,发电片内部连接电极1e，中间紧密性导热材料层1f,流体循环腔1g，流体循环腔的进口1h，流体循环腔的出口1i，温差发电片组电能输出电极1j组成。内层紧密性导热材料层1a、温差发电片布置腔1b、中间紧密性导热材料层1f以及流体循环腔1g均采用90°同心圆环结构，在流体循环腔1g的端部设置向外凸起翼片，该翼片作用有三个：一用于从内部引出发电片电极，二用于从内部引出流体循环腔的进/出口，三用于在上面布置螺栓结构，用于与紧固对偶环将温差发电系统固定并紧密接触在第二管道6外壁面上。紧固对偶环中心角为270°。应当理解，这并不意味这电极一定要从翼片引出，循环腔进、出口一定要从翼片引出，也不意味着一定要采用螺栓结构固定。

第一管道5内为供热系统供水(高温流体)，第二管道6内为供热系统回水(低温流体)，第一管道5内的流体压力大于第二管道6内流体的压力。温差发电系统1通过上述紧固对偶环结构紧贴第二管道6外壁面，并与第二管道6外壁面进行换热，保证了温差发电片组冷面的温度。流体循环腔的进口1h与第一管道5上的C点连接，流体循环腔的出口1i与第二管道6上的D点连接，供热新系统运行期间，第一管道5和第二管道6之间的压力差给流体循环腔内流体的流动提供了动力，若压力差太大，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，流体由压力较高的第一管道经流体循环腔的进口进入，在从流体循环腔的出口排除，进入第二管道6，保证了温差发电片组热面的温度，从而在温差发电片冷热面形成稳定的温差，使得电极1j有电流输出，控制电路2首先将电流电压转化为设备4所需的电流电压并给设备4供电，当设备不需要供电时，控制电路2将温差发电系统产生的电能储存在蓄电装置3中。当温差较小，无法发电或者发电片故障时，由蓄电装置3给设备4供电。也可以根据需要，控制电路2首先给蓄电装置3供电，由蓄电装置3直接给设备4供电。紧密性导热材料1a，1f采用导热硅脂，保证发电片组1c与第一管道外壁面以及循环腔体1g的壁面之间良好的换热性能。

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，接口位置、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。

Claims (19)

1.一种利用管道温差发电为设备供电的系统，包括温差发电系统，控制电路，及需要供电的设备，其特征在于：温差发电系统的冷热温差来源于具有一定温差的第一管道流体和第二管道壁面；所述温差发电系统包括温差发电片组、电极、流体循环腔及第一管道和第二管道，高温或低温流体自第一管道流出并通过循环腔的入口进入循环腔，自循环腔的出口流出；循环腔与发电片组的其中一面进行热交换，发电片组的另一面紧贴第二管道外壁并与其进行热交换；发电片组通过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。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述温差发电系统的发电片组及流体循环腔为同心圆环或者圆环的一部分。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：设置紧固对偶环实现温差发电系统在管道上的固定。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述紧固对偶环为圆环或圆环的一部分，其中心角与温差发电系统的中心角之和为360°，所述紧固对偶环与温差发电系统同心。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述温差发电系统的中心角在0°至360°之间变化，从而设置不同数量的温差发电片组。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述温差发电片组包括伪发电片组，其不具有发电功效，用于支撑温差发电片组所在腔体不因为空置发生形变。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第一管道和第二管道为供热管道或空调管道。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述控制电路还与蓄电装置相连，控制电路将电极输出的电流或电压蓄存于蓄电装置。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述控制电路在蓄电与供电之间进行切换。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述蓄电装置与需要供电的设备相连，以便向所述设备供电。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述流体循环腔与发电片组的接触面之间具有紧密性导热材料。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第二管道壁面与发电片组的接触面之间具有紧密性导热材料。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述流体循环腔内流体的流动动力来源于所述第一管道的上下游一定距离内存在的压力差，所述流体循环腔的入口与第一管道的位于流体流向上的上游的某一点相连，流体循环腔的出口与第一管道的位于流体流向上的下游的某一点相连，所述上游和下游的两点之间相距的距离需使得产生的流体压力差能够克服流体流过流体循环腔及流体循环腔前后管路的阻力。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述流体循环腔内流体的流动动力来源于所述第一管道和第二管道之间的压力差，所述流体循环腔的入口与第一管道的一点相连，流体循环腔的出口与第二管道的一点相连，所述第一管道上的所述一点处的流体压力大于第二管道上的所述一点处的流体压力，且两点之间的流体压力差需克服流体流过流体循环腔及流体循环腔前后管路的阻力。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述流体循环腔的入口前和/或出口后具有泵或引射装置类、活塞动力装置类动力设备。

16.根据权利要求1所述的一种系统，其特征在于：所述流体循环腔的与发电片组的接触面采用波纹结构和/或涂刷增强换热的涂料。

17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述发电片组为一组发电片，或多组发电片串联或并联。

18.根据权利要求1所述系统，其特征在于：所述流体循环腔的进口前加装流体过滤装置。

19.根据权利要求8所述的一种系统，其特征在于：所述蓄电设备为蓄电池、超级电容、电容、蓄电池与干电池的组合体中的一种或多种。