[发明专利]模拟热堆热管取热与热电转换演示系统及其设计方法

权利要求书

1.一种模拟热堆热管取热与热电转换演示系统，其特征在于，包括：

感应加热模拟热堆结构，包括感应加热体以及设置于所述感应加热体外部的感应加热线圈，所述感应加热模拟热堆结构用于通过电磁感应加热模拟热堆产生热量；

多个热管，所述热管的一端嵌入所述感应加热体的内部，用于取出并传输由所述感应加热模拟热堆结构产生的热量；

集热器，所述热管的另一端嵌入所述集热器的内部，所述集热器用于扩展所述热管传输热量的散热面积；

绝热保温段，设置于所述感应加热模拟热堆结构与所述集热器之间且包裹多个所述热管，所述绝热保温段用于对所述热管进行保温隔热；

热电转换模块，设置于所述集热器的表面，用于将石墨集热器中的热能转换为电能；

电功率测量电路，与所述热电转换模块连接，用于测量所述热电转换模块的输出的电功率。

2.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述感应加热体的材料为铁基、镍基、铌基、钼基或钨基金属材料。

3.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述热管的管材为铁基、镍基、铌基、钼基或钨基金属材料。

4.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述热管的内部填充有金属导热工质，所述金属导热工质为锂、钠、钾、铷或铯。

5.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述绝热保温段的材料为玄武岩、莫来石、SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂纤维或气凝胶。

6.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述集热器的材料为石墨。

7.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述热电转换模块包括多个热电转换单元，多个所述热电转换单元在所述集热器表面呈阵列排布。

8.根据权利要求1所述的演示系统，其特征在于，所述电功率测量电路包括电功率消耗单元、电流表和电压表；

所述电功率消耗单元、所述电流表和所述热电转换模块之间形成回路，所述电流表用于测量回路电流，所述电压表用于测量所述电功率消耗单元两端的电压。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述的模拟热堆热管取热与热电转换演示系统的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：根据所述感应加热模拟热堆的标称功率及温度确定所述感应加热线圈的功率及所述感应加热体的材料；

步骤S2：根据所述感应加热模拟热堆的标称功率及所述感应加热体的材料的温度，选择所述热管的材料，并计算多个所述热管传输至所述集热器的热功率；

步骤S3：选择所述绝热保温段和所述集热器的材料；

步骤S4：根据所述热转换模块的热电转换效率和所述集热器的热辐射功率计算系统热电转换功率；

步骤S5：通过所述电功率测量电路测量系统的实际热电发电功率；

步骤S6：根据步骤S4计算得到的系统热电转换功率与步骤S5测得的实际热电发电功率，计算系统热电转换功率符合度；

步骤S7：若所述系统热电转换功率符合度满足误差要求，则固定所述热电转换模块的转换效率值，否则，修正所述热电转换模块的转换效率值，直至系统热电转换功率符合度满足误差要求，并更新系统热电转换模块的转换效率值。

10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述感应加热线圈的功率通过以下公式计算：

P_IC＝P₀·f_IC/η_IC

式中，P_IC为所述感应加热线圈的功率，P₀为模拟热堆的标称功率，η_IC为感应加热线圈与感应加热体之间的转换效率，f_IC为系统功率安全余量；

在所述步骤S2中，多个所述热管传输至所述集热器的热功率通过如下公式计算：

P_gr＝P₀·η_hp

式中，P_gr为多个所述热管传输至所述集热器的热功率，P₀为模拟热堆的标称功率，η_hp为多个热管的热传输效率；其中，所述集热体的热辐射功率等于多个所述热管传输至所述集热器的热功率P_gr；

在所述步骤S4中，所述系统热电转换功率通过以下公式计算：

P_h2e＝P_gr·η_te

式中，P_h2e为系统热电转换功率，P_gr为所述集热体的热辐射功率，η_te为所述热电转换模块的转换效率；

在所述步骤S6中，所述系统热电转换功率符合度通过以下公式计算：

C＝P_h2e/P_e×100％

式中，P_h2e为系统热电转换功率，P_e为所述电功率测量电路测量的实际热电发电功率。