基于溫差發電的傳感器自供電系統設計

吳志東，張宏斌，馮宇琛，蔡有杰，包 麗

（1.齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.東北農業大學電氣與信息學院，哈爾濱 150030）

0 引言

在工廠、養殖場以及大型商場等環境中，通風監測系統是必不可少的。隨著無線傳感器技術、自動控制、信息采集等技術不斷發展，通風監測系統正朝著智能化、自動化發展［1-3］。在對不同環境進行通風監測過程中，無線傳感器作為通風監測系統重要組成部分，為通風狀態實時調控提供決策數據［4］，且安裝方便，不受數據有線傳輸的限制。無線傳感器以電池供電為主，該方法需經常更換電池，傳感器工作周期較短，系統維護費用較高，因此減少或替代電池使用成為完善通風監測系統研究方向之一［5-6］。若采用市電為傳感器系統供電則需要電壓轉換模塊，以滿足傳感器的低電壓需求，此種方式需額外投入成本，且電源轉換模塊線路存在較易損壞的問題。目前，研究者以自然環境中的能量為來源進行轉換、發電，多以環境中振動能為能量來源，通過壓電轉換可以為傳感器進行供電［6］；

利用太陽能發電可為發動機監測系統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］。北方冬季室內與室外溫差較大，多采用負壓軸流風機進行通風，風機工作狀態下，通風管道內、外壁產生較大溫差，且一直存在，而振動能量或太陽能等能量則無法保證持續存在，但其能量轉換處理的方法值得借鑒，結合溫差發電和自供電系統設計方法［10-12］，以通風管道內、外兩側溫差能為能量來源，本文設計一種可為傳感器供電的溫差發電系統。

1 系統方案設計

1.1 系統組成

如圖1 所示，系統由溫差發電片（40 mm × 40 mm）、電源管理電路和負載供電組成。冬季，軸流風機從室外抽取新風進入通風管道，將溫差發電片粘貼在通風管道外壁，管內新風溫度低于管外溫度，溫差發電片兩端產生溫度差進而發電。電源管理電路對不穩定、不連續電能進行濾波、電壓變換等處理后，輸出穩定連續直流電能至傳感器模塊。

1.2 溫差發電片功率分析

為確保溫差發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，描述溫差發電片熱端與管內冷空氣之間熱能流動［13-14］。圖中：Q為輸入該系統總熱能，TP0、TP1、TP2、TP3、TP4分別表示溫差發電片熱端溫度，即室內溫度、溫差發電片冷端溫度、管道溫度、管內空氣溫度、室外冷空氣溫度（初始管內空氣溫度）；Q溫耗為傳遞過程中溫差發電片的損耗熱能；Q溫傳為通過溫差發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空為管內空氣比熱容；m1為管內空氣質量。

Q溫傳可表示為

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

結合傅里葉方程，Q溫傳對應表達式為

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

根據塞貝克效應以及式（3），溫差發電片產生電壓為

式中：n為溫差發電片個數；α為塞貝克系數。

當溫差發電片外接負載R時，其實際輸出電壓u、電流i分別為

式中：r為溫差發電片內阻。則溫差發電片輸出功率P表達式為

綜上所述，可得出以下結論：TP3決定單組溫差發電片輸出電能大小；n決定系統整體輸出功率。

1.3 溫差發電能量測試

對單組溫差發電片輸出能量進行測試，從而確定溫差發電片數量。實驗時室外溫度為－18℃，表1 為測試過程中溫差發電片兩端溫度，溫差發電片熱端在2 min后溫度趨于穩定，冷端則在4 min 后趨于穩定，取4 min后有效數據。

圖3 為單組溫差發電片輸出電壓及輸出功率曲線，4 min后單組溫差發電片輸出電壓平均值198.85mV，輸出電流47.36 mA，單片溫差發電片內阻為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，增大發電量，需串聯三組溫差發電片。

表1 冷、熱兩端溫度

圖3 單組溫差發電片輸出電壓及輸出功率曲線

2 電源管理電路設計及仿真

溫差發電片輸出電壓較低，需對其進行升壓，同時其輸出電能易受管道周圍環境影響，造成輸出電壓不穩定，因此本文設計基于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一款高度集成DC／DC轉換器，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 軟件對設計電路進行仿真，通過監測輸出波形判斷電路設計正確性。電路各元件參數為：C3＝47 μF，C4＝470 μF，將參數輸入后進行仿真。

仿真輸出電壓曲線及結果如圖5 所示。

圖5 電路仿真曲線及結果

仿真結果顯示：LTC3108 電路可對輸入電能進行處理，并穩定輸出3.3 V電壓，電路設計合理。

3 現場測試

圖6 為系統現場測試，3 組溫差發電片進行串聯，熱端朝上，冷端與管道之間涂抹導熱硅膠，溫差發電片組正負極連接LTC3108 能量管理電路，電路輸出端連接傳感器模塊，萬用表并聯在電路輸出端監測系統輸出電壓。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。啟動風機，萬用表監測系統輸出電壓數據，變化曲線如圖7 所示，可知系統在約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據，說明溫差發電片輸出功率已滿足傳感器功耗需求。4 min 后，溫差發電片兩端溫差達到16 ℃，液晶屏亮度明顯變大，此時系統總輸出功率為28.16 mW，系統工作狀態穩定。

圖6 系統測試裝置

圖7 系統輸出電壓曲線

4 結語

以通風管道內、外溫差作為能量來源，設計一種溫差能量收集系統，適用于環境監測系統自供電需求。通過輸出功率分析，得知通風管道內空氣溫度和溫差發電片數量是決定系統輸出功率的主要因素。對單組溫差發電片進行測試，溫差為16 ℃時，單組溫差發電片輸出功率為9.42 mW，從而確定需串聯三組溫差發電片以滿足需求。設計完成基于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。對自供電系統進行現場測試，結果表明：系統輸出電壓3.3 V，功率為28.16 mW，供電穩定，滿足傳感器模塊用電需求。