一种土壤温差发电实验装置制造方法及图纸

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、数据采集及传输系统；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;本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种土壤温差发电实验装置
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术设计了一套土壤温差发电实验装置。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术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、土壤温度控制系统、土壤发电系统、数据采集传输系统、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系统和传感器。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系统电能输出的影响。所述土壤温度控制系统包括温控器、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，靠近土壤发电系统吸热翅片，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。所述土壤发电系统由吸热翅片、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。所述数据采集传输系统包括数据采集卡和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系统。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系统。所述电流变送器用于测量土壤发电系统电路回路电流，使用时串联到土壤发电系统电流回路中，并连接至所述数据采集传输系统。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。本专利技术的目的是：基于森林土壤温差发电研究的需要，利用该专利技术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。去除掉土壤发电系统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：土壤温度控制系统示意图附图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——数据采集及发射系统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专利技术的叙述更加详尽与完备，下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。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专利技术所涵盖的范围。如附图1所示，本专利技术提供了一种土壤温差发电实验装置，包括土壤容器（3）、土壤温度控制系统（4、5、6）、土壤发电系统（7,、8、9、10）、数据采集传输系统（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。土壤温度控制系统包括加热电缆（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。土壤发电系统由重力热管（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。本专利技术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。本专利技术中使用的是由美国MarlowIndustries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；重力热管与套本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土壤温差发电实验装置，包括土壤容器（3）、土壤温度控制系统、土壤发电系统、数据采集传输系统（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；该土壤温度控制系统包括加热电缆（5）、温控器（6）和外置测温探头（4），加热电缆（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；所述土壤发电系统由吸热翅片（7）、重力热管（8）、温差发电片（9）和套筒（10）组成，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，发电装置和重力热管（8）散热端露出土壤表面；热电偶贴合到温差发电片（9）冷端，热电偶贴合到重力热管（8）散热端，热电偶贴合到重力热管（8）中部，热电偶贴合到吸热翅片（7）远离重力热管位置，热电偶贴合到吸热翅片（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）均连接到数据采集传输系统（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；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，通过数据采集传输系统（2）对数据进行采集和传输存储。...

【技术特征摘要】
1.一种土壤温差发电实验装置，包括土壤容器（3）、土壤温度控制系统、土壤发电系统、数据采集传输系统（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；该土壤温度控制系统包括加热电缆（5）、温控器（6）和外置测温探头（4），加热电缆（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；所述土壤发电系统由吸热翅片（7）、重力热管（8）、温差发电片（9）和套筒（10）组成，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，发电装置和重力热管（8）散热端露出土壤表面；热电偶贴合到温差发电片（9）冷端，热电偶贴合到重力热管（8）散热端，热电偶贴合到重力热管（8）中部，热电偶贴合到吸热翅片（7）远离重力热管位置，热电偶贴合到吸热翅片（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）均连接到数据采集传输系统（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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文彬，黄永胜，徐道春，陈臣，王宁，嘎拉泰，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11