应用于光纤传感网络的热电发生器设计与研究*

唐浩冕，梁 磊，3，袁银权，2，宋力勰，杜尚明

（1.武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070；3.武汉理工大学三亚科教创新园，海南 三亚 572019）

0 引言

近年来，海洋资源和环境勘探受到重视［1］。光纤传感器以其优越的性能被广泛应用于海洋环境监测中［2］。日本NTT公司已在海底部署光纤布拉格光栅传感器来检测地震，预计使用寿命为20 年［3］，中国张伟团队研制了一种抗干扰能力较好的三分量光纤海底地震仪［4］。在这些年的研究中，光纤传感技术的引入已经成功解决了海底地震探测过程中传感器使用寿命和环境噪声干扰等问题［5，6］。但是海底地震节点中成百上千个传感器的需要定期更换，大大增加了维护成本，降低了节点的可靠性。能量收集技术可以收集环境中产生的能量，以延长光纤传感器网络的使用寿命，增加节点的可靠性。

最近，热电材料和能量收集技术的发展得到了积极的推动［7～10］，电子集成技术和纳米技术的使用大大提高了热电材料的热电性能，实现了热能的高效收集［11～13］；超低压DC／DC转换器和超级电容器也被提出用于热电发电领域［14～16］，实现了热电材料转换的电能的有效利用。许多热能收集装置已被提出并应用于无线传感器系统［17～19］。然而，关于光纤传感器网络的能量收集问题的研究很少。

本文设计并实现了用于光纤海底节点的热电能量收集器，包括由先进热电材料制成的热电发生器（thermoelectric generator，TEG），和由升压转换器与超级电容器构成的能量管理电路，并采用恒温加热台和水冷探头搭建模拟海底实验平台，对热电能量采集器的电能输出和转换效率等性能测试，以验证采集器延长光纤海底节点使用寿命的可行性。

1 热电能量采集装置

1.1 TEG设计和模型建立

TEG可以利用两端的温度差将作用在上面的热能直接转换为电能。图1 所示为所设计的TEG 示意，它由34 个P型和N型热电晶粒组成，每个热电晶粒长度为1.4 mm，宽度为1.4 mm，高度为1.6 mm，通过0.3 mm厚的铜片依次连接形成17对热电偶并用陶瓷基板固定在热电偶两侧，形成15 mm×15 mm×0.7 mm的TEG。在TEG末端连接2根导线来测量输出电压。由塞贝克效应可以得到，TEG 和负载构成电路后输出的电压为［20］

图1 TEG示意

式中 N为热电偶数量，αpn为P型晶粒和N型晶粒塞贝克系数差值，RTEG和RL分别为TEG 内阻和外接负载的阻值，ΔT′为热电偶两端的温度差。

考虑到陶瓷基板和铜片的热传导，热电偶两端的实际温度差ΔT′会略小于测量的温差ΔT，如图2 所示为热量在TEG上的传递过程，此模型可以近似等效成多层平壁的一维稳态热传递过程［21］，热传递过程中总能量Q保持不变为

图2 TEG上的热能传递过程

式中 T1和Tn＋1为n 块平板两端的温度，bi为第i 块板的厚度，λi为第i块板的导热系数，A为平板的横截面积。由此可得到热电偶两端实际温度ΔT′和测量温度ΔT 之间的关系为

式中 λ，λC和λS分别为热电晶粒、铜片和陶瓷基底的导热系数；L，HC和HS分别为热电晶粒、铜片和陶瓷基底的高度。根据式（1）和式（3）可以得到，TEG的实际输出电压为

TEG内阻RTEG与热电偶和铜片的数量、形状、大小和性质等有关，根据基础电学理论其阻值为［22］

式中 ρ，L，A 分别为热电偶的电阻率、高度和截面积；ρC，LC，AC分别为铜片的电阻率、长度和截面积。根据式（4）和式（5），TEG的输出功率为

1.2 能量管理电路的设计

能量管理电路是将TEG 输出的电能收集和利用的部件，图3所示为能量管理电路的原理。

图3 能量管理电路原理

该电路主要由3部分组成：DC／DC升压转换器、超级电容器和升压—降压转换器。TEG输出的电压和电流不稳定，不适合直接驱动负载，使用超级电容器和升压转换器等元件使TEG 输出达到负载运行所需要求。TEG 将热能转换的电能通过第一级DC／DC升压转换器升压至3 V左右，然后存储在超级电容器中。由于电容器电压与储存的电荷成正比，输出电压会缓慢下降而导致负载无法正常工作，因此使用降压—升压转换器保证超级电容器持续稳定的输出。升压转换器为德州仪器BQ25504，启动电压为0.38 V，在输入电压大于0.13 V 时保持3.3 V 的输出电压。降压—升压转换器为德州仪器TPS61021，可以在输入电压为0.7～6 V之间时保证3.3 V稳定输出。

1.3 实验装置设计

通过改变TEG两端的温度和外部负载，测量热电能量收集器各部分的输出电压和电流等参数来得到TEG 的输出特性和能量管理电路的工作情况，实验装置示意如图4所示，热源采用恒温加热台模拟光纤海底节点系统的发热源，冷端采用4 ℃的恒温水箱和水冷探头来模拟海底环境。采用Pt—100温度传感器组成的温度采集装置测量陶瓷基板两侧的温度，示波器测量TEG和能量管理电路的电压和电流值。

图4 热电能量收集器的输出特性实验装置

2 实验结果分析

2.1 TEG热电特性研究

TEG 的主要参数如表1 所示，P 型热电晶粒为Bi0.5Sb1.5Te3，N 型热电晶粒为Bi2Te2.7Se0.3，它们的塞贝克系数分别为220，－140 μV／K，电阻率均为8.3×10－6Ω／m，电导率均为1.5 W／m·K。晶粒尺寸、铜片尺寸和陶瓷基板尺寸分别为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主要参数

将上述参数代入式（6）中可得到在不同温差下TEG最大输出功率与外接负载的关系并于实验测量得到的拟合曲线进行对比，如图5 所示。从图中可以看出，在相同负载下，TEG输出功率会随两端的温度增加为增加，但在相同温差下，输出功率会有先增加而降低的趋势，并在约0.23 Ω处出现峰值，峰值表示当外接负载和TEG 内阻阻值相等时，TEG 达到最大输出功率，即TEG 理论内阻为0.23 Ω。实验测量并进行拟合的结果和理论模型得到的关系曲线有相同的趋势，经过计算可以得到实验测得TEG 的内阻为（0.29 ±0.02）Ω，与理论计算结果相近。

图5 TEG的功率输出特性曲线理论和实验对比

为更进一步分析理论模型可靠性，如图6 所示，实验测量的TEG不同温差下最大输出功率值和TEG 理论最大输出功率特性曲线对比，结果证明TEG热电模型与实测TEG电特性具有较好的一致性，最大输出功率的理论值与测量值的偏差小于10%。

图6 TEG最大输出功率和温度关系理论和实验对比

2.2 热电能量采集装置的性能分析

根据分析后的TEG 的输出特性设置能量管理电路参数并组装构成热电能量收集系统，将其应用在光纤海底节点中，如图7 所示，锂电池提供能量给光纤传感系统工作，光纤解调仪中的窄带光源发出光信号给光纤光栅传感器，光电二极管等模块处理反射回来的信号来实现对地震的检测，但窄带光源工作时大部分能量会以热能形式散失，热电能量采集装置将光源散失的多余的热量收集并供给数据存储器，实现地震数据持续长期的储存。

图7 光纤海底地震节点工作和热能回收示意

为验证系统进行热能回收的可行性，对该地震仪各部分性能进行测试，光源温度经测量为46 ℃，另一侧用4 ℃的水冷探头进行冷却以模拟海洋中的低温环境，测试系统各个部分输出情况以验证此装置的可行性。如图8 所示，进行热电能量采集时TEG 输出电压和储能元件的电压随时间的变换情况。由于温度差的存在TEG 输出电压保持在0.3 V左右，0 s 时，热电能量收集系统开始工作，储能元件的电压开始增加，说明TEG热电转换的电能正被收集储存在超级电容器中，直到350 s 后电容达到并维持在3.15 V，电路停止收集电能。收集能量期间在100 s和340 s处发生电压的突变，这是由于DC／DC升压转换器工作时存在2 个阈值，输入电压达到阈值后升压转换器的工作效率会发生改变。

图8 热电能量采集器的收集能量过程

如图9所示，为热电能量收集系统释放电能时储能元件中电压和系统末端输出电压随时间的变换情况。在403 s时，储能元件中存储的电能通过升压—降压变换器以3.2 V的电压输出到的负载上，在434 s 时，储能元件中的电压降至1.6 V，收集器输出电压降低到1.5 V且外接负载不再工作，这是因为超级电容器中的电荷不足以支持升压—降压电路维持3.2 V的电压输出。系统各个部分都经过了重复性测试，证明了热电能量采集器可以采集热能并定时提供给其他器件工作。

图9 热电能量采集器的释放能量过程

表2给出了热电能量收集器在模拟环境下工作时各部分的平均功率和转换效率。光纤海底节点正常工作时，放热源为激光二极管，其功率为2.7 W，与低温海水形成一个46 ℃温度差的环境，在此温差下TEG 的输出功率为72.2 mW。能量通过降压—升压转换器存储在超级电容器中。超级电容器的平均充电功率为17.30 mW，存储一段时间后驱动负载工作，平均放电功率为103.16 mW。降压—升压转换器的输出功率为99.48 mW。进一步计算表明TEG 的热电转换效率为2.67%。电路中的能量损失是来源于DC／DC升压转换器，该模块的实测效率为23.94%，升压—降压转换器的转换效率为96.43%，超级电容器处在充电—放电的状态可以不考虑电容自放电带来的电能损失，整个能量管理电路的转换效率约为23.09%。

表2 热电能量收集器的输出特性

3 结论

本文设计并制作了一种用于光纤海底节点的热电能量采集器，它由TEG和能量管理电路组成。TEG 采用碲化铋热电材料制作实现热电转换，可产生72.24 mW 的输出功率，转换效率为2.67%。能量管理电路由升压转换器和超级电容器组成，以17.30 mW 的功率收集能量，效率为23.09%。实验验证了热电能量采集器应用在光纤传感节点中收集多余的热能并使用方案的可行性，该装置一定程度上延长了传感节点的使用寿命，减少了维护成本，增加了系统的可靠性。