基于溫差發電的無線管道信息變送裝置的設計

哈爾濱工業大學(威海) 盧奇麟 李岸楊 吳皓清

1.引言

在我國北方，為居民供暖是城市規劃建設的一項基本社會服務。目前，集中供暖是大多數城市選擇的供暖方式。據《中國城市建設統計年報》統計，目前我國已經有360多個城市采用集中供暖的方式進行取暖[1]。隨著城市規模的擴大和現代化步伐的加快，城市供熱管網越來越龐大，越來越復雜，用戶類型也越來越多，其管理和維護的要求也越來越高。由于供熱管網分布區域廣、敷設環境復雜、入戶節點多，及時獲取全管網運行的溫度、流量等數據存在比較大的困難，導致管網泄漏、損壞等故障無法及時發現，極易造成人員財產的損失。此外，熱力分配不均導致的供暖差異和部分用戶偷排供熱用水等問題，也會造成資源的嚴重浪費。因而，應用無線管道信息變送器來構建智能管道信息系統，幫助供暖企業及時獲取管網信息，建立管網系統的故障預警機制，可大大降低供熱管網的維護成本。

2.設計方案

2.1 總體結構

本裝置將管網檢測技術、無線傳輸技術以及溫差發電技術相結合，打造智能管網檢測。利用溫差發電，無需再步電線、信號線，能降低安裝成本，熱能調控合理化，從而達到節能減排的目的，符合當代中國節能減排趨勢和互聯網+的發展趨勢。用戶可根據需要從PC端的上位機程序獲取管網內的各種信息。

本裝置由上位機監控、溫差發電部分、通信控制部分以及傳感器部分四塊構成。溫差發電部分利用管道內的廢熱發電，供給傳感器部分，傳感器部分將獲取到的信號通過通信控制部分轉發至基站，再由基站發至用戶電腦。具體見圖1。

2.2 設備選型

2.2.1 溫差發電部分

采用TEC1-12706T200型半導體溫差發電片，該元件工作溫度范圍較大，價格較為低廉。將溫差發電片貼于吸熱端，并將紅黑兩端分別接入電路正負極即可實現發電。輸出電壓經過一個5V的DCDC開關電源給單片機及傳感器供電，電路連接如圖2所示。

圖1 系統結構組成

圖2 溫差發電部分電路連接示意圖

2.2.2 傳感器部分

溫度傳感器部分選用DS18B20芯片，與傳統的熱敏電阻不同，DSl8B20可直接將被測溫度轉換為串行數字信號，供單片機處理。通過編程, DSl8B20可以實現9～12位的溫度讀數。信息經過單線接口送入或送出DSl8B20，因此從單片機到DS18B20僅需連接一條信號線和地線。此外，每片DSl8B20都設有惟一的產品序列號，單片機通過簡單的協議就能識別這個序列號。故多個DSl8B20可以掛接于同一條單線總線上, 特別適合構成多點溫度測控系統[2]。

流速傳感器部分采用YT-B2渦輪流量計，工作電壓范圍較大，工作時的精度較高，能達到1～25LMIN±3%。渦輪流量計輸出為與流量成正比的脈沖數字信號。它具有在傳輸過程中準確度不降低、易于累積的優點[3]。

2.2.3 通信控制部分

通信及控制部分由數字控制器及無線收發裝置兩大部分組成。控制器部分采用ST公司的STM32F103C8T6單片機搭建,具有功能多性能強、功耗低價格廉等優點。無線收發裝置由2.4G無線模塊組成，實現管道檢測裝置與上位機的通訊功能。整個裝置由溫差發電部分供電，系統功耗低，可長期保持運行狀態。可使用主從模式，主機未發送詢問信號時，從機進入超低功耗模式工作，平均工作電流僅為10mA，當主機發送詢問請求時，控制器重新恢復到正常工作模式，此時工作電流為低功耗模式工作電流的4～6倍。

2.3 上位機監控程序

開發的上位機程序名為TubeOb，即管道觀察員。傳感器檢測到管道內的溫度、流量后，通過串口NR24L01模塊通信，向基站傳送信號。程序界面上可以實時顯示目前管道內部的溫度、流量，數據變化曲線等。應用程序界面如圖3所示。

圖3 TubeOb應用程序截圖

3.理論分析

3.1 節能計算分析

管道內流體熱量為Q1，半導體溫差發電片熱端獲取到的熱量為Q2，熱量傳輸過程效率為η，熱量傳輸示意圖如圖4所示。

圖4 熱量傳輸示意圖

以百萬千瓦發電機組的轉換效率42%為例，取煤的熱值q=29271.6KJ/Kg，m為煤的質量，可產生相當于燃燒標準煤的電能。

3.2 安裝成本分析

傳統暗埋布線成本包括2個部分。 1.銅材的成本；2.人工埋設的成本。

（1）銅的成本

以BV1平方的銅線為例，假如鋪設電線至基站的長度是500米，4線并行。那么這路電線中間銅絲的重量就是：

人工埋設成本埋設每米每平方電力線的價格根據鋪設難度及實際情況不同，下表1為幾種布線價格。

表1 布線成本

3.3 系統整體效率

基于以上的數據分析，采用溫差發電的無線管道信息變送裝置對供暖系統進行智能化運行監控，相比傳統的管道溫度、流量檢測，能提高節能率5%-15%。

4.工作原理及性能分析

4.1 工作原理

該模型裝置模擬部分供熱管道系統，以三通管道模擬檢測節點，水泵供水來模擬管道內的流體流動（包含模擬冷端和熱端）。此外，該裝置還有數字控制器、傳感器以及通信模塊等。溫差發電片受到吸熱端與散熱端的溫度差，由于塞貝克效應，形成電流，供系統工作。傳感器采集信息，轉換為電信號發送給數字控制器，經由2.4G無線模塊發送到用戶的電腦上。

圖6 帶載電壓與溫差關系

4.2 性能分析

為了驗證模型的溫度控制效果，進行了穩定性試驗，并選取了一次實驗的數據曲線。取溫差在25度與45度中間的八個點，進行發電片實驗，曲線如圖6所示。

圖7、圖8分別為pc端接收到的溫度、流速數據曲線。

圖7 溫度曲線

圖8 流速曲線

4.3 實驗結果分析

在溫差達到30度以上時，溫差發電片即可產生5V以上的帶載電壓，供給整個管道檢測裝置。由圖7、圖8可以看出，該裝置可以在較大的范圍內精準的檢測出溫度以及流量的變化。

該裝置不改變原有管道結構，僅需在現有管道上加裝溫差發電片與傳感器。若實現量產，可將電子控制器、傳感器及2.4G無線模塊進行整合，實現一體化、小型化，方便對原有管道進行，達到節能減排的目的。

5.結束語

本文設計一套基于溫差發電的無線管道信息變送裝置，該裝置利用節點處供水與回水管的溫差實現自發電，通過無線網絡傳送信號到基站，實現遠程管網信息的獲取，方便供暖企業對管網進行實時檢測并對系統進行熱力調控。因其安裝時無需再布電力線、信號線，具有安裝成本低，工作穩定可靠的特點。通過降低安裝成本、自發電及提供管網信息達到節能減排的目的。

本設計獲“神霧杯”第十屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽三等獎。