[发明专利]一种应用于超导电气设备测量的温差微电源

说明书

技术领域

本发明涉及一种为超导电气设备测量用传感器供电的电源。

背景技术

为了提高超导电气设备的使用寿命和运行的可靠性，需要对其在运行过程中的参数进行实时的状态监测。超导电气设备状态监测中使用很多与高压导体直接接触的传感器或处于高压浮电位的传感器，例如温度传感器、压力传感器、液位传感器等，传感器的供电问题是整个测量系统的难点之一。对于超导电气设备高压侧测量用的传感器，采用高压隔离变压器供电需要非常庞大的空间和非常高的成本，因而很难实施；由于电流波动以及过电流或过电压等问题的存在，采用从母线中取能的方式也难以推广，对于直流超导设备更是无法实施；采用激光供能或无线供能等方式，也存在很多技术和成本上的问题。采用电池可以实现高压侧传感器的供电，但是电池容量有限，对于需要实时监测的场合，需要经常更换电池。中国专利200910092869.2提出一种电气设备杂散能供电电源。杂散能供电电源利用电气设备在运行过程中自身产生的机械振动能或热能或漏磁能转变为电能，经电能变换和存储后为无线传感器节点供电。杂散能供电电源尽管也具有和高电压隔离的特点，但是功率级别和稳定性比较差，比较适合于耗能小、不需要连续供电的场合。

采用热电模块制成的温差发电机已应用于航天和废热利用等领域。美国目前已将放射性同位素温差发电系统用在深海中或航天器上。美国和日本等国家采用热电材料将汽车尾气产生的余热收集起来加以利用，节省了整个汽车的燃油消耗。上述基于热电模块的温差发电机和供电电源都没有用于高电压电气设备和超导电气设备领域；并且上述温差发电机都致力于大功率电源，并没有涉及为传感器供电的微型电源；另外，上述发明都是应用设备发热与环境温度之间的温差，温差不固定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术供电方式的不足，以及超导电气设备测试系统高压侧供电技术的缺点，提出一种利用热电模块为超导电气设备高压侧供电的电源。本发明利用超导电气设备低温容器盖板或低温电流引线的漏热进行供电，热电模块两侧的温差可达200K以上，且非常稳定，因此可以输出较大的发电功率，适应不同的传感器需求。

本发明提出的高压侧供电电源，灵活、易实施，能提供稳定的电能输出，可应用于各种不同超导电气设备状态监测领域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明温差微电源由P型半导体器件、N型半导体器件、片状电极、电源线接线柱、信号线接线柱、绝缘绝热密封件、绝缘导热件、电能变换和电能存储电路组成。单个P型半导体器件和单个N型半导体器件由片状电极相连接，构成一个PN结。多个PN结由片状电极串联和并联连接组成一个温差发电模块，以获得所需的电压和电流。P型半导体器件和N型半导体器件采用BiSb、Bi2Te3等可应用于较低温区的热电材料制成。为了降低低温容器或低温电流引线的漏热，P型半导体器件和N型半导体器件附近的空间采用绝缘绝热密封件进行密封。电源线接线柱和信号线接线柱可与温差发电模块制作成一体，通过嵌入绝缘绝热密封件中的引线与温差发电模块的片状电极相连接；电源线接线柱和信号线接线柱或制作成独立插头安装在低温容器盖板上。电源线接线柱和信号线接线柱附近的空间采用绝缘绝热密封件进行密封，电源线接线柱和信号线接线柱均采用较细导线以降低漏热。绝缘绝热密封件采用耐低温的低热导率和绝缘的环氧树脂或发泡材料。第一绝缘导热件位于P型半导体器件和N型半导体器件的下面、低温容器盖板下部，低温容器盖板的下方为低温环境，此绝缘导热件或直接贴在低温电流引线表面。第二绝缘导热件位于P型半导体器件和N型半导体器件的上面、低温容器盖板上部，低温容器盖板的上方为常温环境。P型半导体器件和N型半导体器件通过片状电极与绝缘导热件紧密接触，以增加温差发电模块两端的温差，绝缘导热件采用耐低温的高热导率和绝缘的氮化铝、氧化铝等材料。电能变换和电能存储模块位于低温容器盖板上方的常温环境中，温差发电模块所产生的电能由电源线接线柱输出后由导线连接到电能变换模块，经变换和调整后可以直接通过导线接入信号线接线柱给传感器电路供电。为了防止突然断电以及电源器件的故障，温差发电模块输出的电能还可采用电能存储模块进行存储后为传感器电路供电。

本发明应用超导电气设备低温容器内部低温介质与环境之间的温差发电，与现有技术相比，具有如下优点：

1）本发明提出的基于热电模块的温差微电源，可以有效解决超导电气设备高压侧传感器的长期供电问题；

2）本发明提出的温差微电源的使用环境常温端和低温端的温差很大且比较稳定，因此电源的输出功率大且稳定；