CN107091963B - 一种土壤温差发电实验装置 - Google Patents

Abstract

一种土壤温差发电实验装置，包括土槽、发热电缆、温控器、测温探头、吸热翅片、重力热管、温差发电片、电阻、热电偶、土壤温湿度传感器、电流变送器、数据采集及传输***；所述发热电缆可对土壤进行加热，结合温控器和测温探头对土壤的温度进行控制；所述实验装置可采集土壤温湿度、温度、电流电压数据，并通过GPRS网络将数据传输到物联网平台;本发明可促进土壤温差发电的相关研究，为在特殊环境下工作的低功率器件供电研究提供了基础实验平台。

Description

一种土壤温差发电实验装置

技术领域

本发明涉及一种土壤温差发电实验装置，适用于土壤温差发电实验和土壤传热机制研究。本土壤温差发电实验装置可以控制温差、湿度、电阻等实验参数，进行土壤温差发电实验，还可以获得温度、湿度、电流、电压实时数值，为土壤热电的研究提供数据基础。

背景技术

物联网技术的飞速发展使其在林业上得到大量应用，森林中布置大量的无线传感器来收集各种我们所需要的数据，由于森林环境的特殊性，无线传感器供电问题显得更加突出，很难获得持续稳定的电能，采用线路供电存在架线难和成本高的问题，采用电池供电存在更换困难、难以及时更换以及旧电池处理不当对林区造成污染的问题，制约了无线传感器在林区的应用。因此采用就地取材的原位供电方式成为必然选择。

相关监测和研究表明，土壤可以用来为林业无线传感器供电。具体思路如下：将重力热管埋入到森林土壤中，利用重力热管工质的循环相变将土壤中的热能传输到地表，然后在重力热管散热端贴上半导体温差发电片，温差发电片另一面与空气接触，利用两侧的温差进行发电供给传感器使用。根据上述思路，本发明设计了一套土壤温差发电实验装置。

发明内容

针对以上问题，本发明设计了一种土壤温差发电实验装置，包括一个木制土壤容器、土壤温度控制***、土壤发电***、数据采集传输***、土壤温湿度传感器、热电偶和电流变送器，其中：

所述木制土壤容器为实验装置基础平台，尺寸为50cm×50cm×40cm，使用时土壤容器中放置土壤，土壤中埋入土壤发电***和传感器。可根据实验需要更换不同土壤类型来研究其传热效果及其对土壤发电***电能输出的影响。

所述土壤温度控制***包括温控器、外置测温探头和发热电缆。发热电缆采用S形布置在木制土壤容器底部，模拟面热源对土壤进行加热，发热电缆通过温控器进行供电。外置测温探头布置在土壤中，靠近土壤发电***吸热翅片，温控器根据外置测温探头反馈的温度信号来控制发热电缆电源的连接与断开，将温度维持在设定固定值。

所述土壤发电***由吸热翅片、重力热管和8块温差发电片三部分组成，吸热翅片放置在重力热管吸热端处，增加重力热管的吸热效率；温差发电片通过套筒贴合在重力热管散热端处；8块温差发电片串联构成的电路中接入电阻形成电流回路，电阻阻值为10Ω。实验时吸热翅片和重力热管下半部分埋入土壤中，温差发电片和重力热管上半部分露出土壤表面。

所述数据采集传输***包括数据采集卡和GPRS数据传输模块，数据采集卡可采集温度、湿度、回路电流、回路电压等信号，GPRS通过2G、3G网络将数据发送到物联网数据存储终端。

所述土壤温湿度传感器用于测量土壤容器中土壤的温湿度，使用时放置在吸热翅片附近，将信号线连接至所述数据采集传输***。

所述热电偶用于测量吸热翅片、重力热管吸热端、重力热管腰板、重力热管散热端和温差发电片冷端温度，使用时分别放置到吸热翅片近热管端、吸热翅片远热管端、重力热管吸热端、重力热管中部腰板、重力热管上部散热端和温差发电片冷端处，做好相应的隔绝土壤或空气温度措施，信号线连接至所述数据采集传输***。

所述电流变送器用于测量土壤发电***电路回路电流，使用时串联到土壤发电***电流回路中，并连接至所述数据采集传输***。本实验装置结构合理，可改变土壤温度和湿度，可自动测量土壤温湿度、温差发电片两端温差和电流电压数据，通过GPRS将数据发送到物联网平台，装置可靠性高，传输稳定性好，为土壤温差发电研究和土壤传热机制研究具有巨大促进作用。

本发明的目的是：基于森林土壤温差发电研究的需要，利用该发明可以控制土壤温度高于空气温度，使实验不再受季节的限制，加快土壤温差发电的研究进程。去除掉土壤发电***后还可在实验室内进行土壤传热机制研究，弥补仿真研究的不足和野外试验的限制。对于森林土壤温差发电的研究、对于林区低功率元器件的供电研究具有极其重要的意义。

附图说明

附图1：土壤温差发电实验装置整体设计图

附图2：土壤传热机制研究示意图

附图3：土壤温度控制***示意图

附图4：温差发电片放置示意图

附图5：吸热翅片示意图

附图6：温差发电片连接示意图

附图标记：

S1-S2、S4、S6-S8——热电偶

S3——电流变送器

S5——土壤温湿度传感器

1——电阻

2——数据采集及发射***

3——土壤容器

4——测温探头

5——发热电缆

6——温控器

7——吸热翅片

8——重力热管

9——温差发电片

10——套筒

具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。附图中相同的号码代表相同或相类似的组件，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围。

如附图1所示，本发明提供了一种土壤温差发电实验装置，包括土壤容器（3）、土壤温度控制***（4、5、6）、土壤发电***（7,、8、9、10）、数据采集传输***（2）、电阻（1）、电流变送器（S3）、热电偶（S1-S2、S4、S6-S8）和土壤温湿度传感器（S5）。

木制土壤容器（3）为实验装置的基础平台，尺寸为50cm×50cm×40cm ，土壤容器中放置采集于森林的土壤，可根据实验需要更换不同类型土壤以及改变土壤湿度。土壤容器的长度和宽度主要是根据土壤热传递机制研究需求进行确定，高度主要根据研究土壤纵向传热与保温最佳尺寸确立。土壤温度控制***包括加热电缆（5）、温控器（6）和外置测温探头（4），发热电缆(5)采用S形布置在土壤容器（3）的底部（附图3），通过温控器（6）连接电源，可视为面热源对土壤进行加热，使土壤温度高于空气，打破季节对实验的限制，温控器外置测温探头（4）放置在吸热翅片（7）附近的土壤中，将土壤温度信号反馈给温控器（6），温控器（6）根据反馈的温度信号是否达到设定温度值来控制发热电缆（5）电源的连接与断开，将土壤加热到设定固定温度后保持温度恒定。

土壤发电***由重力热管（8）底部的吸热翅片7（附图5）、中间的重力热管（8）和上部8块串联在一起的温差发电片 （9）三部分组成。重力热管具有普通金属所不能比拟的优良导热性，重力热管分为吸热端、绝热腰板和散热端三部分，热管中为易发生相变的工作介质，液态工质在吸热端吸热蒸发，气态工质上升到散热端释放热量，凝结成液滴后再流回蒸发端，反复循环后实现热能自主传送。本发明采用常温型重力热管，长度为2m，外径40mm，重力热管的管壳、端盖和腰板材料为不锈钢，吸液芯为多孔材料，工质为无机盐。吸热翅片为一段铜管，外立面上固定有6块铜片，内立面与重力热管吸热端贴合进行传热，铜片与土壤接触进行吸热，铜管内径为40mm,长度也为40mm,铜片长度为250mm，厚度为1mm 。温差发电片的原理为塞贝克效应，作为热电能量转换技术的理论基础，塞贝克效应指出，在两种金属A和B组成的环路中，若是不同金属连接处的温度有差异，则环路中会导致电流产生，并引发相应的电动势，即热电势。已有材料中半导体材料的塞贝克效应最为明显，所以目前的温差发电片均采用半导体材料制成。本发明中使用的是由美国Marlow Industries公司生产的TG12-6-02型温差发电片，长度为44mm,宽度为40mm，厚度为3.3mm。温差发电片（9）和重力热管（8）之间用套筒（10）进行贴合（附图4），实现从柱面到平面的过渡，套筒为铜质或银质正方体，上下面之间有通孔与重力热管进行装配，另外四个面与温差发电片贴合；重力热管与套筒装配面、套筒与温差发电片贴合面以及重力热管与吸热翅片贴合面之间均涂抹有导热硅胶，提高传热效率。温差发电片贴在热管散热端外面，利用散热端与空气间的温度差进行发电。8块温差发电片串联成电流回路，电路中接入电阻（1）和电流变送器（S3）（附图6）。

为了减少热量损失，土壤发电***中重力热管除吸热端和散热端外，其余部分均缠绕石棉带进行保温。

【实施例1】

如附图1所示，将土壤发电***（7、8、9、10）放置到土壤容器（3）中，吸热翅片（7）和重力热管（8）吸热端埋入土壤，温差发电片（9）、套筒（10）和重力热管（8）散热端露出土壤表面，吸热翅片（7）与发热电缆（5）之间土层厚度为5cm，使土壤发电***和热源——即发热电缆（5）之间完全隔绝开，保证热管传输的热量是从土壤中吸收，而不是从热源直接吸收。实验装置上布置有传感器，在翅片上远离热管处（S6）、翅片上靠近热管处(S7)和重力热管吸热端(S8)布置热电偶，能够得到这些关键部位的温度变化数据，为土壤发电***的优化提供数据支持，热电偶与土壤之间用绝热胶带进行绝热处理，保证得到的温度数据是所测金属的温度，而非土壤温度。由于土壤湿度对土壤传热具有较大影响，是影响土壤热传递和***发电量的重要参数，所以在同一高度的土壤中再布置一个土壤温湿度传感器(S5)来获得该层土壤温度和湿度的变化情况。为了评价热管的热传输效率，检验腰板部分的绝热效果，在热管中部也布置一个热电偶(S4)，用石棉带缠绕以隔绝空气温度。最后在热管散热端(S2)和温差发电片冷端(S1)分别布置热电偶进行温度监测，热电偶上也同样贴上绝热胶带以隔绝空气温度。

8块温差发电片串联组成的电路中接入一个10Ω的电阻（1）形成电流回路，电流回路中另接入电流变送器(S3)采集电流数据（附图6），结合数据采集卡自带的电压测量功能，获得土壤发电***的输出功率，根据功率和温度数据对土壤发电***的性能作出评价。所有传感器连接到数据采集卡（2）后通过GPRS无线网络将数据发送到物联网数据存储终端。

接通温控器（6）电源，设定固定温度，发热电缆（5）开始对土壤加热，土壤温度开始升高，吸热翅片（7）从土壤中吸收热量传递给重力热管（8）吸热端，重力热管（8）对热量进行传输，到达散热端，通过套筒（10）将热量传输到温差发电片（9）热端，与温差发电片（9）冷端形成温差，温差发电片（9）中产生电能，通过电阻（1）和电流变送器（S3）构成电流回路；当测温探头（4）处温度达到预先设定的温度值时，温控器（6）断开发热电缆电源，停止对土壤加热，测温探头处温度低于设定温度时温控器（6）又接通发热电缆电源，对土壤进行循环加热，将土壤温度维持在设定固定值；最后断开温控器电源，土壤温度下降直至室温；整个过程中热电偶（S1-S2、S4、S6-S8）、土壤温湿度传感器（S5）和电流变送器（S3）将实时监测各位置的数据变化，并通过数据采集传输***（2）对数据进行采集和传输存储。后期可对发电量与土壤温度、温差发电片两端温差的关系进行分析。

【实施例2】

如附图2所示。去除掉土壤发电***，土壤容器中放置土壤，位于土壤容器对称面上的土壤温湿度传感器S5-1、S5-2、S5-3布置在同一高度，距离土壤容器底部距离为10cm，S5-4、S5-5、S5-6分别位于其正上方，距离土壤容器底部距离为20cm，S5-7、S5-8、S5-9位于其正上方距离土壤容器底部30cm处。所有土壤温湿度传感器均连接至所述数据采集传输***。

打开温控器（6）和监测***电源开始实验，加热到稳定状态——各位置温度不再变化后保温一段时间再关闭温控器（6）电源，待其冷却到室温，即可获得整个加热-保温-降温过程的数据，对各个温湿度传感器的数据进行分析可得出土壤的热传输规律。实验中不同组实验可在温控器（6）上设定不同温度以及控制土壤不同湿度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。

技术效果

本发明通过使用发热电缆对土壤进行加热，温控器和测温探头的使用可将土壤温度控制在不同的设定值。本实验装置具有多信号采集功能，可同时采集土壤温湿度、金属温度、电流和电压信号；通过GPRS无线网络向物联网数据存储终端发送数据，可在任何地点联网查看，可靠便捷。在土壤容器中可以通过更换土壤类型、改变土壤含水率等方式在室内进行土壤温差发电中土壤传热规律的研究。本发明还可以通过改变热管长度、土壤加热温度、温差发电片数量来研究上述因素对发电效果的影响。

Claims (4)

1.一种土壤温差发电实验装置，包括土壤容器(3)、土壤温度控制***、土壤发电***、数据采集及发射***(2)、电阻(1)、电流变送器(S3)、热电偶和土壤温湿度传感器(S5)，其特征在于：

土壤容器(3)中放置土壤；该土壤温度控制***包括发热电缆(5)、温控器(6)和外置测温探头(4)，发热电缆(5)采用S形布置在土壤容器(3)底部，通过温控器(6)连接电源，外置测温探头(4)放置在吸热翅片(7)附近；吸热翅片(7)、重力热管(8)、温差发电片(9)和套筒(10)组成土壤发电***，吸热翅片(7)与重力热管(8)吸热端配合，温差发电片(9)通过套筒(10)贴合重力热管(8)散热端，8块温差发电片(9)串联组成电流回路，回路中接入电阻(1)和电流变送器(S3)，吸热翅片(7)与重力热管(8)吸热端埋在土壤容器(3)中的土壤中，与发热电缆(5)之间距离5cm，温差发电片(9)和重力热管(8)散热端露出土壤表面；第一热电偶(S1)贴合到温差发电片(9)冷端，第二热电偶(S2)贴合到重力热管(8)散热端，第三热电偶(S4)贴合到重力热管(8)中部，第四热电偶(S6)贴合到吸热翅片(7)远离重力热管位置，第五热电偶(S7)贴合到吸热翅片(7)靠近重力热管位置；土壤温湿度传感器(S5)放置在吸热翅片(7)所在土壤中；热电偶、土壤温湿度传感器(S5)、电流变送器(S3)均连接到数据采集及发射***(2)；

接通温控器(6)电源，设定固定温度，发热电缆(5)开始对土壤加热，土壤温度升高，吸热翅片(7)从土壤中吸收热量传递给重力热管(8)吸热端，重力热管对热量进行传输，通过套筒(10)将热量传输到温差发电片(9)热端，与温差发电片(9)冷端形成温差，温差发电片(9)中产生电能，通过电阻(1)和电流变送器(S3)构成电流回路；当测温探头(4)处温度达到设定温度值时，温控器(6)断开发热电缆电源，停止对土壤加热，测温探头(4)处温度低于设定温度时温控器(6)又接通发热电缆电源，对土壤进行循环加热，将土壤温度维持在设定固定值，控制土壤温度高于空气温度；最后断开温控器(6)电源，土壤温度将下降直至室温；整个过程中各热电偶、土壤温湿度传感器(S5)和电流变送器(S3)将持续监测各位置的湿度、温度、电流、电压数据变化，数据采集及发射***(2)实时采集土壤温湿度、金属温度、回路电流、回路电压数据，并通过GPRS无线通信网络将所述数据发送到物联网数据存储终端存储。

2.根据权利要求1所述的一种土壤温差发电实验装置，其特征在于可以在土壤温度低于空气温度条件下进行温差发电实验。

3.根据权利要求1所述的一种土壤温差发电实验装置，其特征在于重力热管(8)吸热端上附有吸热翅片(7)，吸热翅片(7)为矩形片状结构，由中心向四周直线延伸。

4.根据权利要求1所述的一种土壤温差发电实验装置，其特征在于在重力热管(8)散热端和温差发电片(9)之间采用了套筒(10)，套筒材料为银或铜。