基于温差发电的传感器自供电系统设计

吴志东，张宏斌，冯宇琛，蔡有杰，包 丽

（1.齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006；2.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

0 引言

在工厂、养殖场以及大型商场等环境中，通风监测系统是必不可少的。随着无线传感器技术、自动控制、信息采集等技术不断发展，通风监测系统正朝着智能化、自动化发展［1-3］。在对不同环境进行通风监测过程中，无线传感器作为通风监测系统重要组成部分，为通风状态实时调控提供决策数据［4］，且安装方便，不受数据有线传输的限制。无线传感器以电池供电为主，该方法需经常更换电池，传感器工作周期较短，系统维护费用较高，因此减少或替代电池使用成为完善通风监测系统研究方向之一［5-6］。若采用市电为传感器系统供电则需要电压转换模块，以满足传感器的低电压需求，此种方式需额外投入成本，且电源转换模块线路存在较易损坏的问题。目前，研究者以自然环境中的能量为来源进行转换、发电，多以环境中振动能为能量来源，通过压电转换可以为传感器进行供电［6］；

利用太阳能发电可为发动机监测系统中的传感器进行供电［7］；利用冬季供热管道处温差能，可以替代传统电源在阴极保护中使用［8］；利用余热回收方法，可以收集冷却水管处的温差能［9］。北方冬季室内与室外温差较大，多采用负压轴流风机进行通风，风机工作状态下，通风管道内、外壁产生较大温差，且一直存在，而振动能量或太阳能等能量则无法保证持续存在，但其能量转换处理的方法值得借鉴，结合温差发电和自供电系统设计方法［10-12］，以通风管道内、外两侧温差能为能量来源，本文设计一种可为传感器供电的温差发电系统。

1 系统方案设计

1.1 系统组成

如图1 所示，系统由温差发电片（40 mm × 40 mm）、电源管理电路和负载供电组成。冬季，轴流风机从室外抽取新风进入通风管道，将温差发电片粘贴在通风管道外壁，管内新风温度低于管外温度，温差发电片两端产生温度差进而发电。电源管理电路对不稳定、不连续电能进行滤波、电压变换等处理后，输出稳定连续直流电能至传感器模块。

1.2 温差发电片功率分析

为确保温差发电片输出电能可供传感器正常工作，对其进行输出功率分析。图2 为热能量流动图，描述温差发电片热端与管内冷空气之间热能流动［13-14］。图中：Q为输入该系统总热能，TP0、TP1、TP2、TP3、TP4分别表示温差发电片热端温度，即室内温度、温差发电片冷端温度、管道温度、管内空气温度、室外冷空气温度（初始管内空气温度）；Q温耗为传递过程中温差发电片的损耗热能；Q温传为通过温差发电片后输入至管道的热能；Q管传为通过管道后输入至管内的空气热能。

图2 热能量流动图

TP3、TP4可通过温度计测得。Q管传为

式中：c空为管内空气比热容；m1为管内空气质量。

Q温传可表示为

式中：c管为管道比热容（材料为PVC）；m2为管道质量；TP2通过温度计可测得。

结合傅里叶方程，Q温传对应表达式为

式中：k为温差发电片热传导率；A 为温差发电片面积；d为温差发电片厚度（5 mm），均为已知量，因此温差发电片两端温度差可求。

根据塞贝克效应以及式（3），温差发电片产生电压为

式中：n为温差发电片个数；α为塞贝克系数。

当温差发电片外接负载R时，其实际输出电压u、电流i分别为

式中：r为温差发电片内阻。则温差发电片输出功率P表达式为

综上所述，可得出以下结论：TP3决定单组温差发电片输出电能大小；n决定系统整体输出功率。

1.3 温差发电能量测试

对单组温差发电片输出能量进行测试，从而确定温差发电片数量。实验时室外温度为－18℃，表1 为测试过程中温差发电片两端温度，温差发电片热端在2 min后温度趋于稳定，冷端则在4 min 后趋于稳定，取4 min后有效数据。

图3 为单组温差发电片输出电压及输出功率曲线，4 min后单组温差发电片输出电压平均值198.85mV，输出电流47.36 mA，单片温差发电片内阻为2.10 Ω，输出功率为9.42 mW，此时温差为16 ℃。因此，为满足传感器模块正常工作，增大发电量，需串联三组温差发电片。

表1 冷、热两端温度

图3 单组温差发电片输出电压及输出功率曲线

2 电源管理电路设计及仿真

温差发电片输出电压较低，需对其进行升压，同时其输出电能易受管道周围环境影响，造成输出电压不稳定，因此本文设计基于LTC3108 芯片的温差能量管理电路进行处理，电路如图4 所示。LTC3108 芯片是美国凌力特尔公司生产一款高度集成DC／DC转换器，可在最低20 mV输入电压下工作，有2.35、3.3、4.1 或5 V 4 种输出电压可选择［15-16］。根据常用传感器的供电需求，本文选择3.3 V电压输出。

图4 能量管理电路

使用LTspice 软件对设计电路进行仿真，通过监测输出波形判断电路设计正确性。电路各元件参数为：C3＝47 μF，C4＝470 μF，将参数输入后进行仿真。

仿真输出电压曲线及结果如图5 所示。

图5 电路仿真曲线及结果

仿真结果显示：LTC3108 电路可对输入电能进行处理，并稳定输出3.3 V电压，电路设计合理。

3 现场测试

图6 为系统现场测试，3 组温差发电片进行串联，热端朝上，冷端与管道之间涂抹导热硅胶，温差发电片组正负极连接LTC3108 能量管理电路，电路输出端连接传感器模块，万用表并联在电路输出端监测系统输出电压。传感器模块由STC12LE5412AD 单片机、LCD1602液晶屏、DHT11 温湿度传感器组成，模块总功耗为22.7 mW。启动风机，万用表监测系统输出电压数据，变化曲线如图7 所示，可知系统在约40 s 后可输出3.3 V。3 min 后传感器模块液晶屏亮起并显示温度和湿度数据，说明温差发电片输出功率已满足传感器功耗需求。4 min 后，温差发电片两端温差达到16 ℃，液晶屏亮度明显变大，此时系统总输出功率为28.16 mW，系统工作状态稳定。

图6 系统测试装置

图7 系统输出电压曲线

4 结语

以通风管道内、外温差作为能量来源，设计一种温差能量收集系统，适用于环境监测系统自供电需求。通过输出功率分析，得知通风管道内空气温度和温差发电片数量是决定系统输出功率的主要因素。对单组温差发电片进行测试，温差为16 ℃时，单组温差发电片输出功率为9.42 mW，从而确定需串联三组温差发电片以满足需求。设计完成基于LTC3108 芯片的能量管理电路，使用LTspice 软件进行仿真，从而验证电路的正确性。对自供电系统进行现场测试，结果表明：系统输出电压3.3 V，功率为28.16 mW，供电稳定，满足传感器模块用电需求。