基于温差/风振复合式发电的传感器自供电系统设计*

吴志东， 冯宇琛， 汪光亚

(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，黑龙江 哈尔滨 150030)

0 引 言

传感器应用在恶劣工作环境，供电周期缩短，因此，改进传感器供电方式成为研究热点[1]。传感器多采用化学电池供电，该方式需对电池经常性更换，维护费用较高[2]。若采用市电为传感器供电，则需电源转换模块，成本增加；同时，转换模块由较多电子元件组成，易受腐蚀，更易导致故障。为克服接线供电、电池供电的缺点，以太阳能和温差能为能量来源，均可为传感器供电[3]。根据电磁原理，设计微型风力发电机可为风速监测模块供电[4]，但供电状态受环境影响较大，稳定性差。利用压电元件对手机振动能量收集已经广泛应用于各领域中，但输出电压大、电流小，需要电路处理才能为负载稳定供电，又因发电性能受频率影响较大，所以工作条件受到限制[5,6]。以上研究过程中均以单一能量实现供电，但应用环境受限，单一能量的不稳定性直接影响供电效率和稳定性，因此,有研究者设计环境混合能量收集系统，如收集射频电磁能和振动能为传感器供电，该装置只适用于电磁能量较大的场景，且其输出功率相对较小，无法满足多组传感器工作[7]；压电/光伏复合式供电系统输出功率大大提升，同时应用场所较为广泛[8]。

温差能在环境中广泛存在，如通风口风能必然存在，同时由于通风致使室内外温差进一步加大，温差能的收集可以为低功耗电路供电[9～11]。因此，本文提出一种温差能和风能复合式供电方案，为传感器电路、控制电路等低功耗系统稳定供电。

1 系统组成结构与工作原理

1.1 系统组成与工作原理

如图1所示，系统由复合俘能结构、电源管理电路和负载供电组成。风振能量收集器将风能转换为交流电能，经过全桥整流、电压变换和滤波处理后为传感器供电；温差能量收集器可将温差能转换为直流电压，经过DC-DC电压变换电路后为传感器供电。传感器负载前端增加二极管，利用二极管单向导通特性，防止风振能采集端与温差能采集端形成回路。

图1 系统组成

1.2 复合俘能结构

根据风致振动原理，利用压电元件收集风能；利用温差发电片收集温差能[12，13]。复合俘能结构如图2所示，复合俘能结构主体部分由压电悬臂梁结构和质量块组成，质量块中心偏上固定，其前端粘贴温差发电片，二者构成组合式质量块。

图2 复合俘能结构示意

分析组合质量块受力情况，确定复合俘能结构具体参数。根据伯努利方程以及公式p=F/S，得到组合质量块上下两端面受力F1,F2

(1)

式中ρ为风密度，C为常数，v1,v2为质量块上、下两端面风速，gn为重力加速度，h1,h2为组合质量块上下两端分别距地面高度，因组合质量块高度与其对地面高度相比小得多，所以,h1,h2可以近似看作相等，S为组合质量块上、下两端面面积。作用在悬臂梁合外力Fc为

Fc=F2-F1-G

(2)

式中G为组合质量块重力。参数F1和F2由俘能结构上下两端面风速v1,v2决定。

风机启动后，若使悬臂梁结构上、下摆动，则需组合质量块向上运动，因此需满足F2>(F1+G)。

1.3 复合俘能结构分析与性能测试

1.3.1 结构建模分析

图2对应质量块—弹簧—阻尼机电耦合模型如图3所示[14]分析对复合俘能结构输出功率。

图3 风振能量收集器等效物理模型

根据牛顿第二定律，系统数学模型为

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

(3)

式中k为弹簧劲度系数，c为阻尼系数，m为组合质量块质量，Z(t)为系统振幅，F为作用在压电元件上外力，Fc为作用在悬臂梁合外力。

组合质量块质量m直接影响作用在压电元件上外力F。 压电元件输出电能与外力F关系可表示为

(4)

式中UM为压电元件输出电压峰值，IM为输出电流峰值，t为外力F作用时间，ke为机电耦合系数，M为压电元件截面上弯矩，B,D为积分常数，kz为压电元件抗弯刚度。

输出功率与输出电压、电流峰值关系为

(5)

将式(4)、式(5)代入式(3)可得悬臂梁合外力Fc与输出功率PW关系

(6)

因此，风振能量收集器输出功率PW为

(7)

上述分析表明，风振能量收集器输出功率PW与合外力Fc呈正比例关系，与外力F作用在压电元件的时间t成反比例关系，增大悬臂梁摆动幅度或增加悬臂梁摆动频率均可提高输出功率PW。

对于温差能量收集器，根据塞贝克效应，温差发电片产生的电压为

U=nαT

(8)

式中U为温差发电片输出电压，n为温差发电片串联个数，α为塞贝克系数，T为发电片散热端与吸热端的温度差。

当温差发电片外接负载RL时，该装置实际输出电压以及实际输出电流为

(9)

(10)

式中r为温差发电片内阻。则温差发电片实际输出功率为

(11)

温差发电片输出功率与温差发电片数量n和温度差T相关，增加温差发电片数量或加大温差发电片两端温度差可提高输出功率PT。该俘能装置所输出总功率P为

P=PW+PT=

(12)

综上所述，复合俘能结构参数如下：单晶压电片尺寸为70 mm×20 mm，整体尺寸为210 mm×200 mm×30 mm，开口尺寸为150 mm，质量块尺寸102 mm×23 mm×37 mm，温差发电片尺寸120 mm×40 mm×3 mm，3组温差发电片串联，组合质量块重60 g。复合俘能结构实物如图4所示，结构整体呈“山”形，左右两端为固定端。

图4 复合俘能结构实物

1.3.2 发电性能测试

图5为复合俘能结构测试装置，使用250FZY6—D型号轴流风机模拟室内外通风口处风速。复合俘能结构距离风机30 mm处，距离桌面高35 mm，使用DS1102E型号监测压电片输出电压，使用万用表监测温差发电片输出电压和电流。在温差发电片两端放置温度传感器监测温度变化，冬季窗外冷空气作为冷源，测试时刻室外温度为-18 ℃。启动风机，间隔10 s记录一次数据，共记录30组，间隔1 min记录一次电压表、温度传感器显示数据，测试时间为5 min。

图5 复合俘能结构测试

图6为风振能量收集器输出电压及对应输出功率曲线，输出有效电压在11～21 V之间波动，有效电压平均值为15.52 V，输出功率平均值为14.37 mW。

图6 风振能量收集器输出电压和功率曲线

图7为输出电压和电流曲线，温差发电片在4 min后稳定发电，输出电压为355.5 mV，输出电流为28.3 mA，平均输出功率为10.07 mW。

图7 温差能量收集器输出电压/电流曲线

根据测试结果，可得到复合结构输出功率如图8所示，复合俘能结构稳定时输出功率为24.44 mW，满足功耗为22.7 mW的传感器模块用电需求。

图8 复合俘能结构输出功率

2 管理电路设计与仿真

2.1 管理电路设计

采用LTC3588—1芯片对压电片输出电能进行处理,采用LTC3108芯片对温差发电片输出能电能进行处理[15,16]。图9为电源管理电路，在电路中设置二极管D1,D2，可避免两能量管理电路同时工作时形成回路。二极管导通时存在正向压降，为保证两电路最终输出端电压一致，压电能量管理电路选择输出电压为3.6 V，D1设置为0.3 V锗二极管；温差能量收集管理电路选择输出电压为4.1 V，D2设置为0.8 V硅二极管。本文设计以低功耗常用3.3 V电压为例进行设计。

图9 电源管理电路

2.2 电路仿真

利用LTspice软件对风振能量管理电路和温差能量管理电路进行仿真，仿真结果如图10所示。风振电源管理电路OUT处输出电压3.6 V，经过D1后，输出电压即为 3.3 V；温差能量管理电路OUT处输出电压4.1 V，经过D2后，输出电压即为3.3 V，电路设计合理。

图10 电源管理电路仿真结果

3 发电性能现场测试

在黑龙江省某企业厂房进行测试。该地区夏季平均最高气温27.3 ℃，平均最低气温18 ℃；冬季平均最高气温-10.7 ℃，平均最低气温-21.7 ℃，测试时刻室外温度为-11 ℃。墙体装有36寸(96 cm×96 cm)定速轴流风机。通风时，通过传感器模块对进风温度、湿度等参数进行监测，以控制通风时间。传感器模块包括：STC12LE5412AD单片机、LCD1602液晶屏、DHT11温湿度传感器，模块总功耗为22.7 mW。

复合俘能结构自供电系统安装在风机防护网上，风振能量收集器与温差能量收集器输出端分别连接风振电源管理电路与温差电源管理电路，使用万用表监测系统输出电压，LCD液晶屏显示传感器监测结果，图11(a)为测试装置组成。风机启动，俘能结构所在位置风速为4.50 m/s，温差发电片两端温差为22 ℃，测试现象如图11(b)所示，液晶屏显示当前通风口处内侧温度为6 ℃，湿度为55 %RH。每间隔1 min记录万用表示数，图12为数据变化曲线，系统总输出功率为62.61 mW。结果表明：系统输出电压曲线在3.28～3.3 V，系统供电稳定。

图11 测试装置及现象

图12 电路输出电压

4 结 论

本文以风致压电振动能量与温差能作为能量来源，提出一种温差/压电复合式自供电系统设计方法，设计完成复合俘能结构,对其进行建模分析及实验测试，验证结构合理性，并得到以下结论：

1)温差/压电复合式俘能结构与温差能或风致压电振动能量的单一能量收集结构相比较，输出功率明显提高，可达24.44 mW。

2)基于LTC3588—1和LTC3108的能量管理电路可以有效地对风振能量和温差能量进行处理，保证复合式自供电系统稳定输出3.3 V。

3)现场测试，系统输出电压为3.28～3.3 V，系统供电稳定，自供电系统输出功率可达62.61 mW，满足温湿度监测模块用电需求。复合式发电系统也可为其他低功耗电路供电。