基于溫差發(fā)電的傳感器自供電系統(tǒng)設(shè)計

吳志東，張宏斌，馮宇琛，蔡有杰，包 麗

（1.齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

0 引言

在工廠、養(yǎng)殖場以及大型商場等環(huán)境中，通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)是必不可少的。隨著無線傳感器技術(shù)、自動控制、信息采集等技術(shù)不斷發(fā)展，通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)正朝著智能化、自動化發(fā)展［1-3］。在對不同環(huán)境進(jìn)行通風(fēng)監(jiān)測過程中，無線傳感器作為通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)重要組成部分，為通風(fēng)狀態(tài)實時調(diào)控提供決策數(shù)據(jù)［4］，且安裝方便，不受數(shù)據(jù)有線傳輸?shù)南拗?。無線傳感器以電池供電為主，該方法需經(jīng)常更換電池，傳感器工作周期較短，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用較高，因此減少或替代電池使用成為完善通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)研究方向之一［5-6］。若采用市電為傳感器系統(tǒng)供電則需要電壓轉(zhuǎn)換模塊，以滿足傳感器的低電壓需求，此種方式需額外投入成本，且電源轉(zhuǎn)換模塊線路存在較易損壞的問題。目前，研究者以自然環(huán)境中的能量為來源進(jìn)行轉(zhuǎn)換、發(fā)電，多以環(huán)境中振動能為能量來源，通過壓電轉(zhuǎn)換可以為傳感器進(jìn)行供電［6］；

利用太陽能發(fā)電可為發(fā)動機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行供電［7］；利用冬季供熱管道處溫差能，可以替代傳統(tǒng)電源在陰極保護(hù)中使用［8］；利用余熱回收方法，可以收集冷卻水管處的溫差能［9］。北方冬季室內(nèi)與室外溫差較大，多采用負(fù)壓軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)下，通風(fēng)管道內(nèi)、外壁產(chǎn)生較大溫差，且一直存在，而振動能量或太陽能等能量則無法保證持續(xù)存在，但其能量轉(zhuǎn)換處理的方法值得借鑒，結(jié)合溫差發(fā)電和自供電系統(tǒng)設(shè)計方法［10-12］，以通風(fēng)管道內(nèi)、外兩側(cè)溫差能為能量來源，本文設(shè)計一種可為傳感器供電的溫差發(fā)電系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1 所示，系統(tǒng)由溫差發(fā)電片（40 mm × 40 mm）、電源管理電路和負(fù)載供電組成。冬季，軸流風(fēng)機(jī)從室外抽取新風(fēng)進(jìn)入通風(fēng)管道，將溫差發(fā)電片粘貼在通風(fēng)管道外壁，管內(nèi)新風(fēng)溫度低于管外溫度，溫差發(fā)電片兩端產(chǎn)生溫度差進(jìn)而發(fā)電。電源管理電路對不穩(wěn)定、不連續(xù)電能進(jìn)行濾波、電壓變換等處理后，輸出穩(wěn)定連續(xù)直流電能至傳感器模塊。

1.2 溫差發(fā)電片功率分析

為確保溫差發(fā)電片輸出電能可供傳感器正常工作，對其進(jìn)行輸出功率分析。圖2 為熱能量流動圖，描述溫差發(fā)電片熱端與管內(nèi)冷空氣之間熱能流動［13-14］。圖中：Q為輸入該系統(tǒng)總熱能，TP0、TP1、TP2、TP3、TP4分別表示溫差發(fā)電片熱端溫度，即室內(nèi)溫度、溫差發(fā)電片冷端溫度、管道溫度、管內(nèi)空氣溫度、室外冷空氣溫度（初始管內(nèi)空氣溫度）；Q溫耗為傳遞過程中溫差發(fā)電片的損耗熱能；Q溫傳為通過溫差發(fā)電片后輸入至管道的熱能；Q管傳為通過管道后輸入至管內(nèi)的空氣熱能。

圖2 熱能量流動圖

TP3、TP4可通過溫度計測得。Q管傳為

式中：c空為管內(nèi)空氣比熱容；m1為管內(nèi)空氣質(zhì)量。

Q溫傳可表示為

式中：c管為管道比熱容（材料為PVC）；m2為管道質(zhì)量；TP2通過溫度計可測得。

結(jié)合傅里葉方程，Q溫傳對應(yīng)表達(dá)式為

式中：k為溫差發(fā)電片熱傳導(dǎo)率；A 為溫差發(fā)電片面積；d為溫差發(fā)電片厚度（5 mm），均為已知量，因此溫差發(fā)電片兩端溫度差可求。

根據(jù)塞貝克效應(yīng)以及式（3），溫差發(fā)電片產(chǎn)生電壓為

式中：n為溫差發(fā)電片個數(shù)；α為塞貝克系數(shù)。

當(dāng)溫差發(fā)電片外接負(fù)載R時，其實際輸出電壓u、電流i分別為

式中：r為溫差發(fā)電片內(nèi)阻。則溫差發(fā)電片輸出功率P表達(dá)式為

綜上所述，可得出以下結(jié)論：TP3決定單組溫差發(fā)電片輸出電能大??；n決定系統(tǒng)整體輸出功率。

1.3 溫差發(fā)電能量測試

對單組溫差發(fā)電片輸出能量進(jìn)行測試，從而確定溫差發(fā)電片數(shù)量。實驗時室外溫度為－18℃，表1 為測試過程中溫差發(fā)電片兩端溫度，溫差發(fā)電片熱端在2 min后溫度趨于穩(wěn)定，冷端則在4 min 后趨于穩(wěn)定，取4 min后有效數(shù)據(jù)。

圖3 為單組溫差發(fā)電片輸出電壓及輸出功率曲線，4 min后單組溫差發(fā)電片輸出電壓平均值198.85mV，輸出電流47.36 mA，單片溫差發(fā)電片內(nèi)阻為2.10 Ω，輸出功率為9.42 mW，此時溫差為16 ℃。因此，為滿足傳感器模塊正常工作，增大發(fā)電量，需串聯(lián)三組溫差發(fā)電片。

表1 冷、熱兩端溫度

圖3 單組溫差發(fā)電片輸出電壓及輸出功率曲線

2 電源管理電路設(shè)計及仿真

溫差發(fā)電片輸出電壓較低，需對其進(jìn)行升壓，同時其輸出電能易受管道周圍環(huán)境影響，造成輸出電壓不穩(wěn)定，因此本文設(shè)計基于LTC3108 芯片的溫差能量管理電路進(jìn)行處理，電路如圖4 所示。LTC3108 芯片是美國凌力特爾公司生產(chǎn)一款高度集成DC／DC轉(zhuǎn)換器，可在最低20 mV輸入電壓下工作，有2.35、3.3、4.1 或5 V 4 種輸出電壓可選擇［15-16］。根據(jù)常用傳感器的供電需求，本文選擇3.3 V電壓輸出。

圖4 能量管理電路

使用LTspice 軟件對設(shè)計電路進(jìn)行仿真，通過監(jiān)測輸出波形判斷電路設(shè)計正確性。電路各元件參數(shù)為：C3＝47 μF，C4＝470 μF，將參數(shù)輸入后進(jìn)行仿真。

仿真輸出電壓曲線及結(jié)果如圖5 所示。

圖5 電路仿真曲線及結(jié)果

仿真結(jié)果顯示：LTC3108 電路可對輸入電能進(jìn)行處理，并穩(wěn)定輸出3.3 V電壓，電路設(shè)計合理。

3 現(xiàn)場測試

圖6 為系統(tǒng)現(xiàn)場測試，3 組溫差發(fā)電片進(jìn)行串聯(lián)，熱端朝上，冷端與管道之間涂抹導(dǎo)熱硅膠，溫差發(fā)電片組正負(fù)極連接LTC3108 能量管理電路，電路輸出端連接傳感器模塊，萬用表并聯(lián)在電路輸出端監(jiān)測系統(tǒng)輸出電壓。傳感器模塊由STC12LE5412AD 單片機(jī)、LCD1602液晶屏、DHT11 溫濕度傳感器組成，模塊總功耗為22.7 mW。啟動風(fēng)機(jī)，萬用表監(jiān)測系統(tǒng)輸出電壓數(shù)據(jù)，變化曲線如圖7 所示，可知系統(tǒng)在約40 s 后可輸出3.3 V。3 min 后傳感器模塊液晶屏亮起并顯示溫度和濕度數(shù)據(jù)，說明溫差發(fā)電片輸出功率已滿足傳感器功耗需求。4 min 后，溫差發(fā)電片兩端溫差達(dá)到16 ℃，液晶屏亮度明顯變大，此時系統(tǒng)總輸出功率為28.16 mW，系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定。

圖6 系統(tǒng)測試裝置

圖7 系統(tǒng)輸出電壓曲線

4 結(jié)語

以通風(fēng)管道內(nèi)、外溫差作為能量來源，設(shè)計一種溫差能量收集系統(tǒng)，適用于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)自供電需求。通過輸出功率分析，得知通風(fēng)管道內(nèi)空氣溫度和溫差發(fā)電片數(shù)量是決定系統(tǒng)輸出功率的主要因素。對單組溫差發(fā)電片進(jìn)行測試，溫差為16 ℃時，單組溫差發(fā)電片輸出功率為9.42 mW，從而確定需串聯(lián)三組溫差發(fā)電片以滿足需求。設(shè)計完成基于LTC3108 芯片的能量管理電路，使用LTspice 軟件進(jìn)行仿真，從而驗證電路的正確性。對自供電系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果表明：系統(tǒng)輸出電壓3.3 V，功率為28.16 mW，供電穩(wěn)定，滿足傳感器模塊用電需求。