應用于光纖傳感網絡的熱電發生器設計與研究*

唐浩冕，梁 磊，3，袁銀權，2，宋力勰，杜尚明

（1.武漢理工大學 光纖傳感技術國家工程實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學三亞科教創新園，海南 三亞 572019）

0 引言

近年來，海洋資源和環境勘探受到重視［1］。光纖傳感器以其優越的性能被廣泛應用于海洋環境監測中［2］。日本NTT公司已在海底部署光纖布拉格光柵傳感器來檢測地震，預計使用壽命為20 年［3］，中國張偉團隊研制了一種抗干擾能力較好的三分量光纖海底地震儀［4］。在這些年的研究中，光纖傳感技術的引入已經成功解決了海底地震探測過程中傳感器使用壽命和環境噪聲干擾等問題［5，6］。但是海底地震節點中成百上千個傳感器的需要定期更換，大大增加了維護成本，降低了節點的可靠性。能量收集技術可以收集環境中產生的能量，以延長光纖傳感器網絡的使用壽命，增加節點的可靠性。

最近，熱電材料和能量收集技術的發展得到了積極的推動［7～10］，電子集成技術和納米技術的使用大大提高了熱電材料的熱電性能，實現了熱能的高效收集［11～13］；超低壓DC／DC轉換器和超級電容器也被提出用于熱電發電領域［14～16］，實現了熱電材料轉換的電能的有效利用。許多熱能收集裝置已被提出并應用于無線傳感器系統［17～19］。然而，關于光纖傳感器網絡的能量收集問題的研究很少。

本文設計并實現了用于光纖海底節點的熱電能量收集器，包括由先進熱電材料制成的熱電發生器（thermoelectric generator，TEG），和由升壓轉換器與超級電容器構成的能量管理電路，并采用恒溫加熱臺和水冷探頭搭建模擬海底實驗平臺，對熱電能量采集器的電能輸出和轉換效率等性能測試，以驗證采集器延長光纖海底節點使用壽命的可行性。

1 熱電能量采集裝置

1.1 TEG設計和模型建立

TEG可以利用兩端的溫度差將作用在上面的熱能直接轉換為電能。圖1 所示為所設計的TEG 示意，它由34 個P型和N型熱電晶粒組成，每個熱電晶粒長度為1.4 mm，寬度為1.4 mm，高度為1.6 mm，通過0.3 mm厚的銅片依次連接形成17對熱電偶并用陶瓷基板固定在熱電偶兩側，形成15 mm×15 mm×0.7 mm的TEG。在TEG末端連接2根導線來測量輸出電壓。由塞貝克效應可以得到，TEG 和負載構成電路后輸出的電壓為［20］

圖1 TEG示意

式中 N為熱電偶數量，αpn為P型晶粒和N型晶粒塞貝克系數差值，RTEG和RL分別為TEG 內阻和外接負載的阻值，ΔT′為熱電偶兩端的溫度差。

考慮到陶瓷基板和銅片的熱傳導，熱電偶兩端的實際溫度差ΔT′會略小于測量的溫差ΔT，如圖2 所示為熱量在TEG上的傳遞過程，此模型可以近似等效成多層平壁的一維穩態熱傳遞過程［21］，熱傳遞過程中總能量Q保持不變為

圖2 TEG上的熱能傳遞過程

式中 T1和Tn＋1為n 塊平板兩端的溫度，bi為第i 塊板的厚度，λi為第i塊板的導熱系數，A為平板的橫截面積。由此可得到熱電偶兩端實際溫度ΔT′和測量溫度ΔT 之間的關系為

式中 λ，λC和λS分別為熱電晶粒、銅片和陶瓷基底的導熱系數；L，HC和HS分別為熱電晶粒、銅片和陶瓷基底的高度。根據式（1）和式（3）可以得到，TEG的實際輸出電壓為

TEG內阻RTEG與熱電偶和銅片的數量、形狀、大小和性質等有關，根據基礎電學理論其阻值為［22］

式中 ρ，L，A 分別為熱電偶的電阻率、高度和截面積；ρC，LC，AC分別為銅片的電阻率、長度和截面積。根據式（4）和式（5），TEG的輸出功率為

1.2 能量管理電路的設計

能量管理電路是將TEG 輸出的電能收集和利用的部件，圖3所示為能量管理電路的原理。

圖3 能量管理電路原理

該電路主要由3部分組成：DC／DC升壓轉換器、超級電容器和升壓—降壓轉換器。TEG輸出的電壓和電流不穩定，不適合直接驅動負載，使用超級電容器和升壓轉換器等元件使TEG 輸出達到負載運行所需要求。TEG 將熱能轉換的電能通過第一級DC／DC升壓轉換器升壓至3 V左右，然后存儲在超級電容器中。由于電容器電壓與儲存的電荷成正比，輸出電壓會緩慢下降而導致負載無法正常工作，因此使用降壓—升壓轉換器保證超級電容器持續穩定的輸出。升壓轉換器為德州儀器BQ25504，啟動電壓為0.38 V，在輸入電壓大于0.13 V 時保持3.3 V 的輸出電壓。降壓—升壓轉換器為德州儀器TPS61021，可以在輸入電壓為0.7～6 V之間時保證3.3 V穩定輸出。

1.3 實驗裝置設計

通過改變TEG兩端的溫度和外部負載，測量熱電能量收集器各部分的輸出電壓和電流等參數來得到TEG 的輸出特性和能量管理電路的工作情況，實驗裝置示意如圖4所示，熱源采用恒溫加熱臺模擬光纖海底節點系統的發熱源，冷端采用4 ℃的恒溫水箱和水冷探頭來模擬海底環境。采用Pt—100溫度傳感器組成的溫度采集裝置測量陶瓷基板兩側的溫度，示波器測量TEG和能量管理電路的電壓和電流值。

圖4 熱電能量收集器的輸出特性實驗裝置

2 實驗結果分析

2.1 TEG熱電特性研究

TEG 的主要參數如表1 所示，P 型熱電晶粒為Bi0.5Sb1.5Te3，N 型熱電晶粒為Bi2Te2.7Se0.3，它們的塞貝克系數分別為220，－140 μV／K，電阻率均為8.3×10－6Ω／m，電導率均為1.5 W／m·K。晶粒尺寸、銅片尺寸和陶瓷基板尺寸分別為1.4 mm×1.4 mm×1.6 mm，4 mm×1.5 mm×0.3 mm和15 mm×15 mm×0.7 mm。

表1 TEG主要參數

將上述參數代入式（6）中可得到在不同溫差下TEG最大輸出功率與外接負載的關系并于實驗測量得到的擬合曲線進行對比，如圖5 所示。從圖中可以看出，在相同負載下，TEG輸出功率會隨兩端的溫度增加為增加，但在相同溫差下，輸出功率會有先增加而降低的趨勢，并在約0.23 Ω處出現峰值，峰值表示當外接負載和TEG 內阻阻值相等時，TEG 達到最大輸出功率，即TEG 理論內阻為0.23 Ω。實驗測量并進行擬合的結果和理論模型得到的關系曲線有相同的趨勢，經過計算可以得到實驗測得TEG 的內阻為（0.29 ±0.02）Ω，與理論計算結果相近。

圖5 TEG的功率輸出特性曲線理論和實驗對比

為更進一步分析理論模型可靠性，如圖6 所示，實驗測量的TEG不同溫差下最大輸出功率值和TEG 理論最大輸出功率特性曲線對比，結果證明TEG熱電模型與實測TEG電特性具有較好的一致性，最大輸出功率的理論值與測量值的偏差小于10%。

圖6 TEG最大輸出功率和溫度關系理論和實驗對比

2.2 熱電能量采集裝置的性能分析

根據分析后的TEG 的輸出特性設置能量管理電路參數并組裝構成熱電能量收集系統，將其應用在光纖海底節點中，如圖7 所示，鋰電池提供能量給光纖傳感系統工作，光纖解調儀中的窄帶光源發出光信號給光纖光柵傳感器，光電二極管等模塊處理反射回來的信號來實現對地震的檢測，但窄帶光源工作時大部分能量會以熱能形式散失，熱電能量采集裝置將光源散失的多余的熱量收集并供給數據存儲器，實現地震數據持續長期的儲存。

圖7 光纖海底地震節點工作和熱能回收示意

為驗證系統進行熱能回收的可行性，對該地震儀各部分性能進行測試，光源溫度經測量為46 ℃，另一側用4 ℃的水冷探頭進行冷卻以模擬海洋中的低溫環境，測試系統各個部分輸出情況以驗證此裝置的可行性。如圖8 所示，進行熱電能量采集時TEG 輸出電壓和儲能元件的電壓隨時間的變換情況。由于溫度差的存在TEG 輸出電壓保持在0.3 V左右，0 s 時，熱電能量收集系統開始工作，儲能元件的電壓開始增加，說明TEG熱電轉換的電能正被收集儲存在超級電容器中，直到350 s 后電容達到并維持在3.15 V，電路停止收集電能。收集能量期間在100 s和340 s處發生電壓的突變，這是由于DC／DC升壓轉換器工作時存在2 個閾值，輸入電壓達到閾值后升壓轉換器的工作效率會發生改變。

圖8 熱電能量采集器的收集能量過程

如圖9所示，為熱電能量收集系統釋放電能時儲能元件中電壓和系統末端輸出電壓隨時間的變換情況。在403 s時，儲能元件中存儲的電能通過升壓—降壓變換器以3.2 V的電壓輸出到的負載上，在434 s 時，儲能元件中的電壓降至1.6 V，收集器輸出電壓降低到1.5 V且外接負載不再工作，這是因為超級電容器中的電荷不足以支持升壓—降壓電路維持3.2 V的電壓輸出。系統各個部分都經過了重復性測試，證明了熱電能量采集器可以采集熱能并定時提供給其他器件工作。

圖9 熱電能量采集器的釋放能量過程

表2給出了熱電能量收集器在模擬環境下工作時各部分的平均功率和轉換效率。光纖海底節點正常工作時，放熱源為激光二極管，其功率為2.7 W，與低溫海水形成一個46 ℃溫度差的環境，在此溫差下TEG 的輸出功率為72.2 mW。能量通過降壓—升壓轉換器存儲在超級電容器中。超級電容器的平均充電功率為17.30 mW，存儲一段時間后驅動負載工作，平均放電功率為103.16 mW。降壓—升壓轉換器的輸出功率為99.48 mW。進一步計算表明TEG 的熱電轉換效率為2.67%。電路中的能量損失是來源于DC／DC升壓轉換器，該模塊的實測效率為23.94%，升壓—降壓轉換器的轉換效率為96.43%，超級電容器處在充電—放電的狀態可以不考慮電容自放電帶來的電能損失，整個能量管理電路的轉換效率約為23.09%。

表2 熱電能量收集器的輸出特性

3 結論

本文設計并制作了一種用于光纖海底節點的熱電能量采集器，它由TEG和能量管理電路組成。TEG 采用碲化鉍熱電材料制作實現熱電轉換，可產生72.24 mW 的輸出功率，轉換效率為2.67%。能量管理電路由升壓轉換器和超級電容器組成，以17.30 mW 的功率收集能量，效率為23.09%。實驗驗證了熱電能量采集器應用在光纖傳感節點中收集多余的熱能并使用方案的可行性，該裝置一定程度上延長了傳感節點的使用壽命，減少了維護成本，增加了系統的可靠性。