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        基于溫差發(fā)電的傳感器自供電系統(tǒng)設(shè)計

        2020-12-11 05:12:30吳志東張宏斌馮宇琛蔡有杰
        實驗室研究與探索 2020年11期
        關(guān)鍵詞:輸出功率溫差發(fā)電

        吳志東,張宏斌,馮宇琛,蔡有杰,包 麗

        (1.齊齊哈爾大學(xué)機電工程學(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)維護費用較高,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)換可以為傳感器進行供電[6];

        利用太陽能發(fā)電可為發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器進行供電[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,多采用負壓軸流風(fēng)機進行通風(fēng),風(fēng)機工作狀態(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)、電源管理電路和負載供電組成。冬季,軸流風(fēng)機從室外抽取新風(fēng)進入通風(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)生溫度差進而發(fā)電。電源管理電路對不穩(wěn)定、不連續(xù)電能進行濾波、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、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,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 軟件進行仿真,從而驗證電路的正確性。對自供電系統(tǒng)進行現(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。

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