[发明专利]一种土壤温差发电实验装置

说明书

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。