利用轨道结构温度差的热电发电装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种利用轨道结构温度差的热电发电装置，所述热电发电装置设置在钢轨和地面之间，自上而下包括上导热垫、热电发生器、下导热垫、铜散热器和铝散热器，上导热垫紧贴钢轨底面，铝散热器插入地面土壤中。本发明专利技术提出了一种利用轨道温度梯度产生电能的热电发电装置，具有较高的输出电流，可满足负载电路的需要；作为可再生能源，为离网和偏远地区的铁路沿线传感器供电，以便对铁路轨道进行可持续的健康监测；且价格低廉，能够大规模推广应用。

Thermoelectric Power Generation Device Using Temperature Difference of Track Structure

【技术实现步骤摘要】
利用轨道结构温度差的热电发电装置
本专利技术属于轨道工程领域，具体涉及一种利用轨道结构温度差的热电发电装置。
技术介绍
为保障列车的运行安全和人们乘坐的舒适度，需要在轨道旁设置监控设备，以便对轨道的状态进行有效的管理。然而，在偏远地区和离网地区，铁路沿线监测设备的供电仍然难以保证。因此，有必要对铁路沿线的相关能源采集转化技术进行深入的研究。对于在轨道交通领域已经设计和应用的能量发电装置，如太阳能，风能和基于轨道振动技术的能量发电装置。经对比分析可知，太阳能和风能可以产生大量的电能，然而，太阳能高度依赖于天气条件，因此不能在隧道内或地下轨道交通中使用。风能则需要大量投资。基于振动的方法有成本低廉的优势，且易于部署，但输出电流通常非常有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用轨道结构温度差的热电发电装置，可为离网或偏远地区铁路轨道的传感器供电或充电，以便对轨道的所处的状态进行监测。本专利技术所采用的技术方案为：利用轨道结构温度差的热电发电装置，其特征在于：所述热电发电装置设置在钢轨和地面之间，自上而下包括上导热垫、热电发生器、下导热垫、铜散热器和铝散热器，上导热垫紧贴钢轨底面，铝散热器插入地面土壤中。热电发生器接入转换电路，继而连接监测设备为其供电。转换电路包括DC-DC变换器和蓄电池充放电模块。蓄电池充放电模块包括锂电池、增压器和电池管理芯片。热电发生器接入DC-DC变换器的输入端，DC-DC变换器的输出端接入电池管理芯片的输入端，电池管理芯片的输出端接入锂电池的充电接口，锂电池放电接口接入增压器升压，再接入监测设备提供电能。本专利技术具有以下优点：本专利技术采用塞贝克效应，提出了一种利用轨道温度梯度产生电能的热电发电装置，具有较高的输出电流，可满足负载电路的需要。作为可再生能源，为离网和偏远地区的铁路沿线传感器供电，以便对铁路轨道进行可持续的健康监测。且价格低廉，能够大规模推广应用。附图说明图1为本专利技术轨道安装平面图。图2为本专利技术轨道安装立面图。图3为发电装置组成图。图4为TEG组成图。图5为转换电路图。图6为铜散热器与铝散热器组装图。图7为铝散热器图。图中，1.轨道，2.发电装置，3.扣件，4.轨枕，5.钢轨，6.上导热垫，7.热电发生器，8.下导热垫，9.铜散热器，10.铝散热器，11.轨道底层或土壤，12.转换电路，13.传感器或监测设备，14.热电材料，15.DC-DC变换器，16.锂电池，17.增压器，18.电池管理芯片。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细的说明。本专利技术涉及一种利用轨道结构温度差的热电发电装置，所述热电发电装置设置在钢轨5和地面之间，自上而下包括上导热垫6、热电发生器（TEG）7、下导热垫8、铜散热器9和铝散热器10，上导热垫6紧贴钢轨5底面，铝散热器10插入地面土壤中。上导热垫6易使钢轨底部的热量向下传递到TEG的顶部，下导热垫8能够显著降低铜散热器与TEG底部表面之间的接触热阻。热电发生器7接入转换电路12，继而连接监测设备为其供电。钢轨是通过太阳辐射加热，铝散热器延伸至土壤中，随着时间的推移具有了一个相对恒定的温度，同时消散通过TEG传递的热量。散热器使TEG的底面温度接近土壤的温度。需要说明的是：TEG顶面也可以连接到其他轨道结构，如轨枕；TEG底面也可以连接到其他轨下基础，如轨道板、道砟、混凝土基础等。只有TEG顶面和底面直接的轨道结构存在温度梯度，本装置即可有效工作。TEG由热电材料14、热电模块和热电系统组成。热电材料将热流(温度梯度)直接转化为电压。通过连接两种热电材料14(即n型和p型)的端部来构建热电模块。具体结构参见图3，三种应用广泛的热电材料是锗硅、碲化铅和碲化铋。这些材料都具有导热系数低、功率因数高的特点。TEG7常用型号：型号1：高效能半导体温差发电片TEG1-241-1.4-1.2大功率，热面耐温200度；型号2：耐高温工业级，温差发电片TEG1-199-1.4-0.544*40mm；型号3：TGM-287-1.4-1.5发电15V1.65A24W温差发电片，耐温230度热电模块。转换电路12包括DC-DC变换器15和蓄电池充放电模块。DC-DC变换器15由前级电路和后级电路组成。前级电路根据输入电压自动切换后级电路。后级电路主要由两个低压后处理电路和一个高压后处理电路组成。低压后处理电路主要用作升压电路。高压后处理电路主要用作升降压电路。蓄电池充放电模块包括锂电池16、增压器17和电池管理芯片18。热电发生器7接入DC-DC变换器15的输入端，DC-DC变换器15的输出端接入电池管理芯片18的输入端，电池管理芯片18的输出端接入锂电池16的充电接口，锂电池16放电接口接入增压器17升压，电压提升到特定值，再对传感器或电池负载13供电。具体结构参见图4，DC-DC变换器可以在低启动电压下启用，并将可变TEG电压转换为稳定的电压，为锂电池充电，然后进行升压为传感器或监测设备等负载电路供电。转换电路常用型号为LTC3105。铜散热器9有不同高度等级，以便连接TEG和铝散热器，对TEG有一定的支撑作用，且具有导热系数高的特点，减小TEG下表面与铝散热器之间的热梯度。导热垫型号：热导率大于5W/m‧k的通用导热硅胶垫导热垫均可。铜散热器9有两个主要功能：1）在钢轨和铝散热器之间保持一定的距离；2）最小化TEG下表面和铝散热器之间的热梯度。具体结构参见图6，有不同高度等级，以便连接TEG和铝散热器，下部两边延伸出一定距离，设置螺栓孔，能够与铝散热器10紧密固定在一起。铝散热器10浸入轨道结构的下部基础中，随着时间的推移提供相对恒定的温度，同时耗散通过TEG传递的热量。散热器使TEG的底面保持在接近下部基础（混凝土、土壤、道砟等）的温度，与TEG上表面形成相对温度的热梯度。具体结构参见图7，铝散热器10一端为平板，上设螺栓孔，方便与铜散热器9连接，另外一端设置成长锯齿状，能够与下部基础充分接触。本专利技术的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本专利技术说明书而对本专利技术技术方案采取的任何等效的变换，均为本专利技术的权利要求所涵盖。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.利用轨道结构温度差的热电发电装置，其特征在于：所述热电发电装置设置在钢轨（5）和地面之间，自上而下包括上导热垫（6）、热电发生器（7）、下导热垫（8）、铜散热器（9）和铝散热器（10），上导热垫（6）紧贴钢轨（5）底面，铝散热器（10）插入地面土壤中。

【技术特征摘要】
1.利用轨道结构温度差的热电发电装置，其特征在于：所述热电发电装置设置在钢轨（5）和地面之间，自上而下包括上导热垫（6）、热电发生器（7）、下导热垫（8）、铜散热器（9）和铝散热器（10），上导热垫（6）紧贴钢轨（5）底面，铝散热器（10）插入地面土壤中。2.根据权利要求1所述的利用轨道结构温度差的热电发电装置，其特征在于：热电发生器（7）接入转换电路（12），继而连接监测设备为其供电。3.根据权利要求2所述的利用轨道结构温度差的热电发电装置，其特征在于：转换电路（12）包括DC-DC变...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏成光，高鸣源，王平，杨帆，魏周春，张岷，刘杰，褚卫松，常卫华，
申请(专利权)人：中铁第一勘察设计院集团有限公司，西南大学，西南交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61