基于溫差/風(fēng)振復(fù)合式發(fā)電的傳感器自供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳志東， 馮宇琛， 汪光亞

(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，黑龍江 哈爾濱 150030)

0 引 言

傳感器應(yīng)用在惡劣工作環(huán)境，供電周期縮短，因此，改進(jìn)傳感器供電方式成為研究熱點(diǎn)[1]。傳感器多采用化學(xué)電池供電，該方式需對(duì)電池經(jīng)常性更換，維護(hù)費(fèi)用較高[2]。若采用市電為傳感器供電，則需電源轉(zhuǎn)換模塊，成本增加；同時(shí)，轉(zhuǎn)換模塊由較多電子元件組成，易受腐蝕，更易導(dǎo)致故障。為克服接線供電、電池供電的缺點(diǎn)，以太陽(yáng)能和溫差能為能量來(lái)源，均可為傳感器供電[3]。根據(jù)電磁原理，設(shè)計(jì)微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可為風(fēng)速監(jiān)測(cè)模塊供電[4]，但供電狀態(tài)受環(huán)境影響較大，穩(wěn)定性差。利用壓電元件對(duì)手機(jī)振動(dòng)能量收集已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域中，但輸出電壓大、電流小，需要電路處理才能為負(fù)載穩(wěn)定供電，又因發(fā)電性能受頻率影響較大，所以工作條件受到限制[5,6]。以上研究過程中均以單一能量實(shí)現(xiàn)供電，但應(yīng)用環(huán)境受限，單一能量的不穩(wěn)定性直接影響供電效率和穩(wěn)定性，因此,有研究者設(shè)計(jì)環(huán)境混合能量收集系統(tǒng)，如收集射頻電磁能和振動(dòng)能為傳感器供電，該裝置只適用于電磁能量較大的場(chǎng)景，且其輸出功率相對(duì)較小，無(wú)法滿足多組傳感器工作[7]；壓電/光伏復(fù)合式供電系統(tǒng)輸出功率大大提升，同時(shí)應(yīng)用場(chǎng)所較為廣泛[8]。

溫差能在環(huán)境中廣泛存在，如通風(fēng)口風(fēng)能必然存在，同時(shí)由于通風(fēng)致使室內(nèi)外溫差進(jìn)一步加大，溫差能的收集可以為低功耗電路供電[9～11]。因此，本文提出一種溫差能和風(fēng)能復(fù)合式供電方案，為傳感器電路、控制電路等低功耗系統(tǒng)穩(wěn)定供電。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

如圖1所示，系統(tǒng)由復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)、電源管理電路和負(fù)載供電組成。風(fēng)振能量收集器將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為交流電能，經(jīng)過全橋整流、電壓變換和濾波處理后為傳感器供電；溫差能量收集器可將溫差能轉(zhuǎn)換為直流電壓，經(jīng)過DC-DC電壓變換電路后為傳感器供電。傳感器負(fù)載前端增加二極管，利用二極管單向?qū)ㄌ匦裕乐癸L(fēng)振能采集端與溫差能采集端形成回路。

圖1 系統(tǒng)組成

1.2 復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)

根據(jù)風(fēng)致振動(dòng)原理，利用壓電元件收集風(fēng)能；利用溫差發(fā)電片收集溫差能[12，13]。復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)如圖2所示，復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)主體部分由壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)和質(zhì)量塊組成，質(zhì)量塊中心偏上固定，其前端粘貼溫差發(fā)電片，二者構(gòu)成組合式質(zhì)量塊。

圖2 復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)示意

分析組合質(zhì)量塊受力情況，確定復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)具體參數(shù)。根據(jù)伯努利方程以及公式p=F/S，得到組合質(zhì)量塊上下兩端面受力F1,F2

(1)

式中ρ為風(fēng)密度，C為常數(shù)，v1,v2為質(zhì)量塊上、下兩端面風(fēng)速，gn為重力加速度，h1,h2為組合質(zhì)量塊上下兩端分別距地面高度，因組合質(zhì)量塊高度與其對(duì)地面高度相比小得多，所以,h1,h2可以近似看作相等，S為組合質(zhì)量塊上、下兩端面面積。作用在懸臂梁合外力Fc為

Fc=F2-F1-G

(2)

式中G為組合質(zhì)量塊重力。參數(shù)F1和F2由俘能結(jié)構(gòu)上下兩端面風(fēng)速v1,v2決定。

風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，若使懸臂梁結(jié)構(gòu)上、下擺動(dòng)，則需組合質(zhì)量塊向上運(yùn)動(dòng)，因此需滿足F2>(F1+G)。

1.3 復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)分析與性能測(cè)試

1.3.1 結(jié)構(gòu)建模分析

圖2對(duì)應(yīng)質(zhì)量塊—彈簧—阻尼機(jī)電耦合模型如圖3所示[14]分析對(duì)復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)輸出功率。

圖3 風(fēng)振能量收集器等效物理模型

根據(jù)牛頓第二定律，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

kZ(t)+cZ(t)+m(t)+F=Fc

(3)

式中k為彈簧勁度系數(shù)，c為阻尼系數(shù)，m為組合質(zhì)量塊質(zhì)量，Z(t)為系統(tǒng)振幅，F(xiàn)為作用在壓電元件上外力，F(xiàn)c為作用在懸臂梁合外力。

組合質(zhì)量塊質(zhì)量m直接影響作用在壓電元件上外力F。 壓電元件輸出電能與外力F關(guān)系可表示為

(4)

式中UM為壓電元件輸出電壓峰值，IM為輸出電流峰值，t為外力F作用時(shí)間，ke為機(jī)電耦合系數(shù)，M為壓電元件截面上彎矩，B,D為積分常數(shù)，kz為壓電元件抗彎剛度。

輸出功率與輸出電壓、電流峰值關(guān)系為

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3)可得懸臂梁合外力Fc與輸出功率PW關(guān)系

(6)

因此，風(fēng)振能量收集器輸出功率PW為

(7)

上述分析表明，風(fēng)振能量收集器輸出功率PW與合外力Fc呈正比例關(guān)系，與外力F作用在壓電元件的時(shí)間t成反比例關(guān)系，增大懸臂梁擺動(dòng)幅度或增加懸臂梁擺動(dòng)頻率均可提高輸出功率PW。

對(duì)于溫差能量收集器，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓為

U=nαT

(8)

式中U為溫差發(fā)電片輸出電壓，n為溫差發(fā)電片串聯(lián)個(gè)數(shù)，α為塞貝克系數(shù)，T為發(fā)電片散熱端與吸熱端的溫度差。

當(dāng)溫差發(fā)電片外接負(fù)載RL時(shí)，該裝置實(shí)際輸出電壓以及實(shí)際輸出電流為

(9)

(10)

式中r為溫差發(fā)電片內(nèi)阻。則溫差發(fā)電片實(shí)際輸出功率為

(11)

溫差發(fā)電片輸出功率與溫差發(fā)電片數(shù)量n和溫度差T相關(guān)，增加溫差發(fā)電片數(shù)量或加大溫差發(fā)電片兩端溫度差可提高輸出功率PT。該俘能裝置所輸出總功率P為

P=PW+PT=

(12)

綜上所述，復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：?jiǎn)尉弘娖叽鐬?0 mm×20 mm，整體尺寸為210 mm×200 mm×30 mm，開口尺寸為150 mm，質(zhì)量塊尺寸102 mm×23 mm×37 mm，溫差發(fā)電片尺寸120 mm×40 mm×3 mm，3組溫差發(fā)電片串聯(lián)，組合質(zhì)量塊重60 g。復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖4所示，結(jié)構(gòu)整體呈“山”形，左右兩端為固定端。

圖4 復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)實(shí)物

1.3.2 發(fā)電性能測(cè)試

圖5為復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)測(cè)試裝置，使用250FZY6—D型號(hào)軸流風(fēng)機(jī)模擬室內(nèi)外通風(fēng)口處風(fēng)速。復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)距離風(fēng)機(jī)30 mm處，距離桌面高35 mm，使用DS1102E型號(hào)監(jiān)測(cè)壓電片輸出電壓，使用萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)溫差發(fā)電片輸出電壓和電流。在溫差發(fā)電片兩端放置溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度變化，冬季窗外冷空氣作為冷源，測(cè)試時(shí)刻室外溫度為-18 ℃。啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，間隔10 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄30組，間隔1 min記錄一次電壓表、溫度傳感器顯示數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)間為5 min。

圖5 復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)測(cè)試

圖6為風(fēng)振能量收集器輸出電壓及對(duì)應(yīng)輸出功率曲線，輸出有效電壓在11～21 V之間波動(dòng)，有效電壓平均值為15.52 V，輸出功率平均值為14.37 mW。

圖6 風(fēng)振能量收集器輸出電壓和功率曲線

圖7為輸出電壓和電流曲線，溫差發(fā)電片在4 min后穩(wěn)定發(fā)電，輸出電壓為355.5 mV，輸出電流為28.3 mA，平均輸出功率為10.07 mW。

圖7 溫差能量收集器輸出電壓/電流曲線

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可得到復(fù)合結(jié)構(gòu)輸出功率如圖8所示，復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)輸出功率為24.44 mW，滿足功耗為22.7 mW的傳感器模塊用電需求。

圖8 復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)輸出功率

2 管理電路設(shè)計(jì)與仿真

2.1 管理電路設(shè)計(jì)

采用LTC3588—1芯片對(duì)壓電片輸出電能進(jìn)行處理,采用LTC3108芯片對(duì)溫差發(fā)電片輸出能電能進(jìn)行處理[15,16]。圖9為電源管理電路，在電路中設(shè)置二極管D1,D2，可避免兩能量管理電路同時(shí)工作時(shí)形成回路。二極管導(dǎo)通時(shí)存在正向壓降，為保證兩電路最終輸出端電壓一致，壓電能量管理電路選擇輸出電壓為3.6 V，D1設(shè)置為0.3 V鍺二極管；溫差能量收集管理電路選擇輸出電壓為4.1 V，D2設(shè)置為0.8 V硅二極管。本文設(shè)計(jì)以低功耗常用3.3 V電壓為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖9 電源管理電路

2.2 電路仿真

利用LTspice軟件對(duì)風(fēng)振能量管理電路和溫差能量管理電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10所示。風(fēng)振電源管理電路OUT處輸出電壓3.6 V，經(jīng)過D1后，輸出電壓即為 3.3 V；溫差能量管理電路OUT處輸出電壓4.1 V，經(jīng)過D2后，輸出電壓即為3.3 V，電路設(shè)計(jì)合理。

圖10 電源管理電路仿真結(jié)果

3 發(fā)電性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在黑龍江省某企業(yè)廠房進(jìn)行測(cè)試。該地區(qū)夏季平均最高氣溫27.3 ℃，平均最低氣溫18 ℃；冬季平均最高氣溫-10.7 ℃，平均最低氣溫-21.7 ℃，測(cè)試時(shí)刻室外溫度為-11 ℃。墻體裝有36寸(96 cm×96 cm)定速軸流風(fēng)機(jī)。通風(fēng)時(shí)，通過傳感器模塊對(duì)進(jìn)風(fēng)溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以控制通風(fēng)時(shí)間。傳感器模塊包括：STC12LE5412AD單片機(jī)、LCD1602液晶屏、DHT11溫濕度傳感器，模塊總功耗為22.7 mW。

復(fù)合俘能結(jié)構(gòu)自供電系統(tǒng)安裝在風(fēng)機(jī)防護(hù)網(wǎng)上，風(fēng)振能量收集器與溫差能量收集器輸出端分別連接風(fēng)振電源管理電路與溫差電源管理電路，使用萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出電壓，LCD液晶屏顯示傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖11(a)為測(cè)試裝置組成。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，俘能結(jié)構(gòu)所在位置風(fēng)速為4.50 m/s，溫差發(fā)電片兩端溫差為22 ℃，測(cè)試現(xiàn)象如圖11(b)所示，液晶屏顯示當(dāng)前通風(fēng)口處內(nèi)側(cè)溫度為6 ℃，濕度為55 %RH。每間隔1 min記錄萬(wàn)用表示數(shù)，圖12為數(shù)據(jù)變化曲線，系統(tǒng)總輸出功率為62.61 mW。結(jié)果表明：系統(tǒng)輸出電壓曲線在3.28～3.3 V，系統(tǒng)供電穩(wěn)定。

圖11 測(cè)試裝置及現(xiàn)象

圖12 電路輸出電壓

4 結(jié) 論

本文以風(fēng)致壓電振動(dòng)能量與溫差能作為能量來(lái)源，提出一種溫差/壓電復(fù)合式自供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)完成復(fù)合俘能結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行建模分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)合理性，并得到以下結(jié)論：

1)溫差/壓電復(fù)合式俘能結(jié)構(gòu)與溫差能或風(fēng)致壓電振動(dòng)能量的單一能量收集結(jié)構(gòu)相比較，輸出功率明顯提高，可達(dá)24.44 mW。

2)基于LTC3588—1和LTC3108的能量管理電路可以有效地對(duì)風(fēng)振能量和溫差能量進(jìn)行處理，保證復(fù)合式自供電系統(tǒng)穩(wěn)定輸出3.3 V。

3)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)輸出電壓為3.28～3.3 V，系統(tǒng)供電穩(wěn)定，自供電系統(tǒng)輸出功率可達(dá)62.61 mW，滿足溫濕度監(jiān)測(cè)模塊用電需求。復(fù)合式發(fā)電系統(tǒng)也可為其他低功耗電路供電。