基于溫差/風振復合式發(fā)電的傳感器自供電系統(tǒng)設計*

吳志東， 馮宇琛， 汪光亞

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

0 引 言

傳感器應用在惡劣工作環(huán)境，供電周期縮短，因此，改進傳感器供電方式成為研究熱點[1]。傳感器多采用化學電池供電，該方式需對電池經(jīng)常性更換，維護費用較高[2]。若采用市電為傳感器供電，則需電源轉(zhuǎn)換模塊，成本增加；同時，轉(zhuǎn)換模塊由較多電子元件組成，易受腐蝕，更易導致故障。為克服接線供電、電池供電的缺點，以太陽能和溫差能為能量來源，均可為傳感器供電[3]。根據(jù)電磁原理，設計微型風力發(fā)電機可為風速監(jiān)測模塊供電[4]，但供電狀態(tài)受環(huán)境影響較大，穩(wěn)定性差。利用壓電元件對手機振動能量收集已經(jīng)廣泛應用于各領域中，但輸出電壓大、電流小，需要電路處理才能為負載穩(wěn)定供電，又因發(fā)電性能受頻率影響較大，所以工作條件受到限制[5,6]。以上研究過程中均以單一能量實現(xiàn)供電，但應用環(huán)境受限，單一能量的不穩(wěn)定性直接影響供電效率和穩(wěn)定性，因此,有研究者設計環(huán)境混合能量收集系統(tǒng)，如收集射頻電磁能和振動能為傳感器供電，該裝置只適用于電磁能量較大的場景，且其輸出功率相對較小，無法滿足多組傳感器工作[7]；壓電/光伏復合式供電系統(tǒng)輸出功率大大提升，同時應用場所較為廣泛[8]。

溫差能在環(huán)境中廣泛存在，如通風口風能必然存在，同時由于通風致使室內(nèi)外溫差進一步加大，溫差能的收集可以為低功耗電路供電[9～11]。因此，本文提出一種溫差能和風能復合式供電方案，為傳感器電路、控制電路等低功耗系統(tǒng)穩(wěn)定供電。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

如圖1所示，系統(tǒng)由復合俘能結(jié)構(gòu)、電源管理電路和負載供電組成。風振能量收集器將風能轉(zhuǎn)換為交流電能，經(jīng)過全橋整流、電壓變換和濾波處理后為傳感器供電；溫差能量收集器可將溫差能轉(zhuǎn)換為直流電壓，經(jīng)過DC-DC電壓變換電路后為傳感器供電。傳感器負載前端增加二極管，利用二極管單向?qū)ㄌ匦?，防止風振能采集端與溫差能采集端形成回路。

圖1 系統(tǒng)組成

1.2 復合俘能結(jié)構(gòu)

根據(jù)風致振動原理，利用壓電元件收集風能；利用溫差發(fā)電片收集溫差能[12，13]。復合俘能結(jié)構(gòu)如圖2所示，復合俘能結(jié)構(gòu)主體部分由壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)和質(zhì)量塊組成，質(zhì)量塊中心偏上固定，其前端粘貼溫差發(fā)電片，二者構(gòu)成組合式質(zhì)量塊。

圖2 復合俘能結(jié)構(gòu)示意

分析組合質(zhì)量塊受力情況，確定復合俘能結(jié)構(gòu)具體參數(shù)。根據(jù)伯努利方程以及公式p=F/S，得到組合質(zhì)量塊上下兩端面受力F1,F2

(1)

式中ρ為風密度，C為常數(shù)，v1,v2為質(zhì)量塊上、下兩端面風速，gn為重力加速度，h1,h2為組合質(zhì)量塊上下兩端分別距地面高度，因組合質(zhì)量塊高度與其對地面高度相比小得多，所以,h1,h2可以近似看作相等，S為組合質(zhì)量塊上、下兩端面面積。作用在懸臂梁合外力Fc為

Fc=F2-F1-G

(2)

式中G為組合質(zhì)量塊重力。參數(shù)F1和F2由俘能結(jié)構(gòu)上下兩端面風速v1,v2決定。

風機啟動后，若使懸臂梁結(jié)構(gòu)上、下擺動，則需組合質(zhì)量塊向上運動，因此需滿足F2>(F1+G)。

1.3 復合俘能結(jié)構(gòu)分析與性能測試

1.3.1 結(jié)構(gòu)建模分析

圖2對應質(zhì)量塊—彈簧—阻尼機電耦合模型如圖3所示[14]分析對復合俘能結(jié)構(gòu)輸出功率。

圖3 風振能量收集器等效物理模型

根據(jù)牛頓第二定律，系統(tǒng)數(shù)學模型為

kZ(t)+cZ(t)+m(t)+F=Fc

(3)

式中k為彈簧勁度系數(shù)，c為阻尼系數(shù)，m為組合質(zhì)量塊質(zhì)量，Z(t)為系統(tǒng)振幅，F(xiàn)為作用在壓電元件上外力，F(xiàn)c為作用在懸臂梁合外力。

組合質(zhì)量塊質(zhì)量m直接影響作用在壓電元件上外力F。 壓電元件輸出電能與外力F關系可表示為

(4)

式中UM為壓電元件輸出電壓峰值，IM為輸出電流峰值，t為外力F作用時間，ke為機電耦合系數(shù)，M為壓電元件截面上彎矩，B,D為積分常數(shù)，kz為壓電元件抗彎剛度。

輸出功率與輸出電壓、電流峰值關系為

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3)可得懸臂梁合外力Fc與輸出功率PW關系

(6)

因此，風振能量收集器輸出功率PW為

(7)

上述分析表明，風振能量收集器輸出功率PW與合外力Fc呈正比例關系，與外力F作用在壓電元件的時間t成反比例關系，增大懸臂梁擺動幅度或增加懸臂梁擺動頻率均可提高輸出功率PW。

對于溫差能量收集器，根據(jù)塞貝克效應，溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓為

U=nαT

(8)

式中U為溫差發(fā)電片輸出電壓，n為溫差發(fā)電片串聯(lián)個數(shù)，α為塞貝克系數(shù)，T為發(fā)電片散熱端與吸熱端的溫度差。

當溫差發(fā)電片外接負載RL時，該裝置實際輸出電壓以及實際輸出電流為

(9)

(10)

式中r為溫差發(fā)電片內(nèi)阻。則溫差發(fā)電片實際輸出功率為

(11)

溫差發(fā)電片輸出功率與溫差發(fā)電片數(shù)量n和溫度差T相關，增加溫差發(fā)電片數(shù)量或加大溫差發(fā)電片兩端溫度差可提高輸出功率PT。該俘能裝置所輸出總功率P為

P=PW+PT=

(12)

綜上所述，復合俘能結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：單晶壓電片尺寸為70 mm×20 mm，整體尺寸為210 mm×200 mm×30 mm，開口尺寸為150 mm，質(zhì)量塊尺寸102 mm×23 mm×37 mm，溫差發(fā)電片尺寸120 mm×40 mm×3 mm，3組溫差發(fā)電片串聯(lián)，組合質(zhì)量塊重60 g。復合俘能結(jié)構(gòu)實物如圖4所示，結(jié)構(gòu)整體呈“山”形，左右兩端為固定端。

圖4 復合俘能結(jié)構(gòu)實物

1.3.2 發(fā)電性能測試

圖5為復合俘能結(jié)構(gòu)測試裝置，使用250FZY6—D型號軸流風機模擬室內(nèi)外通風口處風速。復合俘能結(jié)構(gòu)距離風機30 mm處，距離桌面高35 mm，使用DS1102E型號監(jiān)測壓電片輸出電壓，使用萬用表監(jiān)測溫差發(fā)電片輸出電壓和電流。在溫差發(fā)電片兩端放置溫度傳感器監(jiān)測溫度變化，冬季窗外冷空氣作為冷源，測試時刻室外溫度為-18 ℃。啟動風機，間隔10 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄30組，間隔1 min記錄一次電壓表、溫度傳感器顯示數(shù)據(jù)，測試時間為5 min。

圖5 復合俘能結(jié)構(gòu)測試

圖6為風振能量收集器輸出電壓及對應輸出功率曲線，輸出有效電壓在11～21 V之間波動，有效電壓平均值為15.52 V，輸出功率平均值為14.37 mW。

圖6 風振能量收集器輸出電壓和功率曲線

圖7為輸出電壓和電流曲線，溫差發(fā)電片在4 min后穩(wěn)定發(fā)電，輸出電壓為355.5 mV，輸出電流為28.3 mA，平均輸出功率為10.07 mW。

圖7 溫差能量收集器輸出電壓/電流曲線

根據(jù)測試結(jié)果，可得到復合結(jié)構(gòu)輸出功率如圖8所示，復合俘能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時輸出功率為24.44 mW，滿足功耗為22.7 mW的傳感器模塊用電需求。

圖8 復合俘能結(jié)構(gòu)輸出功率

2 管理電路設計與仿真

2.1 管理電路設計

采用LTC3588—1芯片對壓電片輸出電能進行處理,采用LTC3108芯片對溫差發(fā)電片輸出能電能進行處理[15,16]。圖9為電源管理電路，在電路中設置二極管D1,D2，可避免兩能量管理電路同時工作時形成回路。二極管導通時存在正向壓降，為保證兩電路最終輸出端電壓一致，壓電能量管理電路選擇輸出電壓為3.6 V，D1設置為0.3 V鍺二極管；溫差能量收集管理電路選擇輸出電壓為4.1 V，D2設置為0.8 V硅二極管。本文設計以低功耗常用3.3 V電壓為例進行設計。

圖9 電源管理電路

2.2 電路仿真

利用LTspice軟件對風振能量管理電路和溫差能量管理電路進行仿真，仿真結(jié)果如圖10所示。風振電源管理電路OUT處輸出電壓3.6 V，經(jīng)過D1后，輸出電壓即為 3.3 V；溫差能量管理電路OUT處輸出電壓4.1 V，經(jīng)過D2后，輸出電壓即為3.3 V，電路設計合理。

圖10 電源管理電路仿真結(jié)果

3 發(fā)電性能現(xiàn)場測試

在黑龍江省某企業(yè)廠房進行測試。該地區(qū)夏季平均最高氣溫27.3 ℃，平均最低氣溫18 ℃；冬季平均最高氣溫-10.7 ℃，平均最低氣溫-21.7 ℃，測試時刻室外溫度為-11 ℃。墻體裝有36寸(96 cm×96 cm)定速軸流風機。通風時，通過傳感器模塊對進風溫度、濕度等參數(shù)進行監(jiān)測，以控制通風時間。傳感器模塊包括：STC12LE5412AD單片機、LCD1602液晶屏、DHT11溫濕度傳感器，模塊總功耗為22.7 mW。

復合俘能結(jié)構(gòu)自供電系統(tǒng)安裝在風機防護網(wǎng)上，風振能量收集器與溫差能量收集器輸出端分別連接風振電源管理電路與溫差電源管理電路，使用萬用表監(jiān)測系統(tǒng)輸出電壓，LCD液晶屏顯示傳感器監(jiān)測結(jié)果，圖11(a)為測試裝置組成。風機啟動，俘能結(jié)構(gòu)所在位置風速為4.50 m/s，溫差發(fā)電片兩端溫差為22 ℃，測試現(xiàn)象如圖11(b)所示，液晶屏顯示當前通風口處內(nèi)側(cè)溫度為6 ℃，濕度為55 %RH。每間隔1 min記錄萬用表示數(shù)，圖12為數(shù)據(jù)變化曲線，系統(tǒng)總輸出功率為62.61 mW。結(jié)果表明：系統(tǒng)輸出電壓曲線在3.28～3.3 V，系統(tǒng)供電穩(wěn)定。

圖11 測試裝置及現(xiàn)象

圖12 電路輸出電壓

4 結(jié) 論

本文以風致壓電振動能量與溫差能作為能量來源，提出一種溫差/壓電復合式自供電系統(tǒng)設計方法，設計完成復合俘能結(jié)構(gòu),對其進行建模分析及實驗測試，驗證結(jié)構(gòu)合理性，并得到以下結(jié)論：

1)溫差/壓電復合式俘能結(jié)構(gòu)與溫差能或風致壓電振動能量的單一能量收集結(jié)構(gòu)相比較，輸出功率明顯提高，可達24.44 mW。

2)基于LTC3588—1和LTC3108的能量管理電路可以有效地對風振能量和溫差能量進行處理，保證復合式自供電系統(tǒng)穩(wěn)定輸出3.3 V。

3)現(xiàn)場測試，系統(tǒng)輸出電壓為3.28～3.3 V，系統(tǒng)供電穩(wěn)定，自供電系統(tǒng)輸出功率可達62.61 mW，滿足溫濕度監(jiān)測模塊用電需求。復合式發(fā)電系統(tǒng)也可為其他低功耗電路供電。