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)
在工廠(chǎng)、養(yǎng)殖場(chǎng)以及大型商場(chǎng)等環(huán)境中,通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必不可少的。隨著無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制、信息采集等技術(shù)不斷發(fā)展,通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正朝著智能化、自動(dòng)化發(fā)展[1-3]。在對(duì)不同環(huán)境進(jìn)行通風(fēng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,無(wú)線(xiàn)傳感器作為通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要組成部分,為通風(fēng)狀態(tài)實(shí)時(shí)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(xiàn)傳輸?shù)南拗?。無(wú)線(xiàn)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(cè)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(mǎn)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(xiàn)路存在較易損壞的問(wèn)題。目前,研究者以自然環(huán)境中的能量為來(lái)源進(jìn)行轉(zhuǎn)換、發(fā)電,多以環(huán)境中振動(dòng)能為能量來(lái)源,通過(guò)壓電轉(zhuǎn)換可以為傳感器進(jìn)行供電[6];
利用太陽(yáng)能發(fā)電可為發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)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(dòng)能量或太陽(yáng)能等能量則無(wú)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(jì)方法[10-12],以通風(fēng)管道內(nèi)、外兩側(cè)溫差能為能量來(lái)源,本文設(shè)計(jì)一種可為傳感器供電的溫差發(fā)電系統(tǒng)。
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(duì)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。
為確保溫差發(fā)電片輸出電能可供傳感器正常工作,對(duì)其進(jìn)行輸出功率分析。圖2 為熱能量流動(dòng)圖,描述溫差發(fā)電片熱端與管內(nèi)冷空氣之間熱能流動(dòng)[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(guò)程中溫差發(fā)電片的損耗熱能;Q溫傳為通過(guò)溫差發(fā)電片后輸入至管道的熱能;Q管傳為通過(guò)管道后輸入至管內(nèi)的空氣熱能。
圖2 熱能量流動(dòng)圖
TP3、TP4可通過(guò)溫度計(jì)測(cè)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(guò)溫度計(jì)可測(cè)得。
結(jié)合傅里葉方程,Q溫傳對(duì)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(gè)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(shí),其實(shí)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。
對(duì)單組溫差發(fā)電片輸出能量進(jìn)行測(cè)試,從而確定溫差發(fā)電片數(shù)量。實(shí)驗(yàn)時(shí)室外溫度為-18℃,表1 為測(cè)試過(guò)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(xiàn),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(shí)溫差為16 ℃。因此,為滿(mǎn)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(xiàn)
溫差發(fā)電片輸出電壓較低,需對(duì)其進(jìn)行升壓,同時(shí)其輸出電能易受管道周?chē)h(huán)境影響,造成輸出電壓不穩(wěn)定,因此本文設(shè)計(jì)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(guó)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(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真,通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出波形判斷電路設(shè)計(jì)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(xiàn)及結(jié)果如圖5 所示。
圖5 電路仿真曲線(xiàn)及結(jié)果
仿真結(jié)果顯示:LTC3108 電路可對(duì)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(jì)合理。
圖6 為系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(wàn)用表并聯(lián)在電路輸出端監(jiān)測(cè)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(dòng)風(fēng)機(jī),萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出電壓數(shù)據(jù),變化曲線(xiàn)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(shuō)明溫差發(fā)電片輸出功率已滿(mǎn)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(shí)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(cè)試裝置
圖7 系統(tǒng)輸出電壓曲線(xiàn)
以通風(fēng)管道內(nèi)、外溫差作為能量來(lái)源,設(shè)計(jì)一種溫差能量收集系統(tǒng),適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自供電需求。通過(guò)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(duì)單組溫差發(fā)電片進(jìn)行測(cè)試,溫差為16 ℃時(shí),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(mǎn)足需求。設(shè)計(jì)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(yàn)證電路的正確性。對(duì)自供電系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(mǎn)足傳感器模塊用電需求。