森林与环境学报  2018, Vol. 38 Issue (1): 84-90   PDF    
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2018.01.014
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黄永胜, 徐道春, 李文彬, 张保卫
HUANG Yongsheng, XU Daochun, LI Wenbin, ZHANG Baowei
基于塞贝克效应的森林土壤温差发电
Study on forest soil thermoelectric power generation based on the Seebeck effect
森林与环境学报,2018, 38(1): 84-90.
Journal of Forest and Environment,2018, 38(1): 84-90.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2018.01.014

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收稿日期: 2017-08-05
修回日期: 2017-10-21
基于塞贝克效应的森林土壤温差发电
黄永胜1, 徐道春1, 李文彬1, 张保卫2     
1. 北京林业大学工学院, 北京 100083;
2. 栾川县林业局, 河南 栾川 471500
摘要:森林无线传感器的供电问题严重制约着物联网技术在林业上的运用,一种解决思路是利用土壤与空气之间的温度差,根据塞贝克效应进行温差发电,供给传感器使用。试验利用加热电缆对土壤进行加热,使之与空气之间形成温度差,验证利用基于塞贝克效应的森林土壤温差发电给林业无线传感网络节点供电的可行性。结果表明:在与自然状态下森林中土壤-空气温差一致时,输出电功率可达3.5 mW。通过引入温差传递效率系数η和滞后系数φ提出了土壤-空气温差与输出功率之间的关系模型,利用该关系模型可根据实际温差计算输出功率,对在特殊环境下工作的低功率器件供电研究具有重要意义。
关键词塞贝克效应    森林土壤    温差发电    关系模型    
Study on forest soil thermoelectric power generation based on the Seebeck effect
HUANG Yongsheng1, XU Daochun1, LI Wenbin1, ZHANG Baowei2     
1. School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;
2. Luanchuan Forestry Bureau of Henan Province, Luanchuan, Henan, 471500, China
Abstract: How to supply power to wireless sensor in forest is an enormous problem which severely restricts the application of internet of things to forestry.A solution idea is to use the temperature difference between air and forest soil to generate electricity to power those sensors based on the Seebeck effect.Using heating cable to heat soil so that the temperature of soil is higher than the air, an experiment of forest soil thermoelectric power generation based on the Seebeck effect was carried out to verify the feasibility of powering forestry sensors.The results showed that it could get about 3.5 mW of electrical power output when the temperature difference is in accordance to that of forestry soil in nature.A relational model between soil-air temperature difference and electrical power output was put forward by introducing temperature difference deliver coefficient η and lag coefficient φ. Based on actual temperature difference, electrical power output efficiency can be calculated. The result was important for the research on how to power low-power device under special circumstances.
Key words: Seebeck effect     forest soil     thermoelectric power generation     relational model    

森林无线传感网络是应用前景良好的新技术,能够在监控中心准确获取林内火灾早期[1]、病虫害[2]、树木生长、土壤墒情和野生动物活动等信息,是林业现代化的重要体现,对于解决森林与环境关系基础数据不完善的问题具有重要意义[3]。无线传感器是森林无线传感网络的主单元,其供电方式一直是不同的研究者所考虑的共同问题[4],因森林环境的特殊性,采用线路供电存在架线困难和成本高昂的问题;使用电池供电需要定期更换,人力成本较大,且废旧电池处理不当会对森林土壤及地下水造成巨大污染。因此采用就地取材的原位供电方式逐渐成为必然选择。

近年无线传感器原位供电的研究热点主要集中在振动能[5]、电磁波能[6]、声波能[7]和热电能[8]等收集和转换方面,其中热电能被认为是未来最具发展潜力的绿色能源之一[9],KALOGIROU[10]也指出热电发展的优势。对于森林环境,天然热能大量存在其中,在太阳能和地热作用下,土壤就是一个巨大的热能储备体。据南方江浙上海等地的统计资料显示,地面最冷的1月,地下2 m处温度高出地表温度可达10 ℃。北方气候使得土壤与地表之间温度差更大。根据德国科学家Seebeck发现的“塞贝克效应”——温差可以产生电势[11],若将森林中的土壤与地表之间的温度差收集起来,设计发电装置利用温差进行发电[12],可尝试用一种全新的方法来为森林中的无线传感器供电。

由于户外实地试验存在许多不可控因素,为了研究土壤与地表温差发电的影响因素,设计了一个室内土壤温差发电装置,利用该装置模拟土壤与地表温差环境,研究优化土壤温差发电系统,分析温差与输出电功率之间的关系,为后续的户外土壤温差发电技术应用提供基础。

1 材料与方法 1.1 试验材料及其原理

为了将热量从土壤中高效率地传输到地表以上,在试验中使用了重力热管。重力热管具有常规金属所不能比拟的优良传热性能[13],为土壤热能的高效传送提供了可能性。目前已有研究成功借助重力热管技术将下层土壤热能传送到上层[14]。重力热管工作原理如图 1所示,重力热管中放入易发生相变的工作介质,液态工质在蒸发端吸热蒸发,气态工质上升到凝结端释放热量,凝结成液滴后再流回蒸发端,反复循环后实现热能自主传送,使用时将热管竖直埋入土壤中,只将散热端露出地表。一根重力热管的吸热端和散热端长度一定,中间的腰板部分为绝热设计。重力热管的管壳、端盖和腰板材料可视重力热管的尺寸和用途采用不锈钢、铜及各种合金材料,吸液芯使用多孔材料,工质可采用液氨,也可使用无机盐专利配方。本试验装置采用常温型重力热管,长度为2 m,外径40 mm,由于尺寸过大,重力热管的管壳、端盖和腰板材料使用不锈钢,吸液芯为多孔材料,工质为无机盐。

图 1 重力热管工作原理 Fig. 1 Operating principle of heat pipe

为提高重力热管的热传输效率,本试验还在重力热管吸热端加上了吸热翅片。如图 2所示,吸热翅片为一段铜管,外立面上固定有6块铜片,内立面与重力热管吸热端贴合进行传热,铜片与土壤接触进行吸热。铜管内径为40 mm,长度也为40 mm,铜片长度为250 mm,厚度为1 mm。

图 2 吸热翅片装配图 Fig. 2 The assembly diagram of finned tube

热量从土壤中传送到地表以上后用温差发电片(thermoelectric generator,TEG)进行发电,TEG主要原理为塞贝克效应。塞贝克效应由德国国家实验室的Seebeck提出[11]。作为热电能量转换技术的理论基础,塞贝克效应(图 3)指出,在两种金属A和B组成的环路中,若是不同金属连接处的温度有差异,则环路中会导致电流产生,并引发相应的电动势,即热电势[15-19]。热电势E的计算公式为:

$ E=\int_{{{T}_{1}}}^{{{T}_{2}}}{[{{S}_{B}}\left( T \right)-{{S}_{A}}\left( T \right)]\text{d}T} $ (1)
图 3 塞贝克效应 Fig. 3 Seebeck effect

式中:SASB分别为两种材料的塞贝克系数,T1T2分别为连接处的温度。

$ E = \alpha \Delta T $ (2)

式中:α=|SA-SB|,可表征这一对材料的性能,称为Seebeck系数; △T为两连接处的温度差。

目前塞贝克系数最高的材料为半导体,所以目前TEG均采用半导体材料制成。

利用塞贝克效应制成的TEG原理如图 4所示。将P型和N型两种半导体材料连成一个PN结,将一端置于高温,另一端置于低温,在热激发作用下,P型半导体中的空穴(电子走后所留空壳)和N型半导体中的电子就开始向低温端扩散,从而形成电动势。单个PN结产生的电动势很小,一般将多个PN结串联起来构成一个TEG,目前TEG已有产业化的元件产品。本试验中使用的是由美国Marlow Industries公司生产的TG12-6-02型温差发电片,长度为44 mm,宽度为40 mm,厚度为3.3 mm。

图 4 温差发电片原理图 Fig. 4 Operating principle of TEG
1.2 试验方法

试验在特定的试验装置上进行(图 5图 6)。试验装置的发电部分由重力热管底部的吸热翅片、中间的重力热管和上部8块串联在一起的TEG三部分组成。为了在实验室里模拟林区的土壤环境,综合考虑试验的便捷性,试验装置的基础为一个木制土槽,尺寸为50 cm×50 cm×40 cm,土槽的长度和宽度主要是根据发电装置底部的吸热翅片尺寸进行设计,高度主要是依据重力热管吸热端长度确定。土槽中填满采集于森林中0~40 cm浅层的土壤,土壤的主要组成成分为粉土和黏土,热导率系数在0.4 W·m-1·K-1左右。试验时要求土壤温度高于空气温度,自然状态下只能在冬天进行试验,为了打破季节对试验的限制,在土槽底部布置上发热电缆,采用“S”形往返布置的方式,可视为面热源对土壤进行加热,使土壤温度高于空气,土壤温度可通过温控器和外置测温探头进行控制,加热到预设温度后保持温度恒定。吸热翅片和发热电缆之间有一定距离(5 cm),使发电装置和热源即发热电缆之间完全隔绝,保证热管传输的热量是从土壤中吸收,而不是从热源直接吸收。为了减少热量损失,发电装置中重力热管除吸热端和散热端外,其余部分均缠绕石棉带进行保温。

图 5 试验装置示意图 Fig. 5 Sketch map of experiment platform 注:S1-S3, S6-S8.热电偶Thermocouple;S4.电流变送器Current transmitter;S5.土壤温湿度传感器Soil temperature-moisture sensor;1.电阻Resistance;2.数据采集及发射系统Data capture and transmit system;3.土槽Soil bin;4.测温探头Temperature-measuring probe;5.发热电缆Heating cable;6.温控器Thermostat;7.吸热翅片Finned tube;8.重力热管Heat pipe;9.TEG.
图 6 试验装置 Fig. 6 Experiment platform 注:1.土槽Soil bin;2.TEG;3.重力热管Heat pipe;4.数据采集及发射系统Date capture and transmit system;5.温控器Thermostat;6.温度显示器Temperature displayer.

试验装置上布置有传感器。在翅片上远离热管处(S6)、翅片上靠近热管处(S7)和重力热管吸热端(S8)布置热电偶,能够得到这些关键部位的温度变化数据,为发电装置的优化提供数据支持,热电偶与土壤之间用绝热胶带进行绝热处理,保证得到的温度数据是所测金属的温度,而非土壤温度。土壤湿度对土壤传热具有较大影响,是影响土壤热传递和系统发电量的重要参数,所以在同一高度的土壤中再布置一个土壤温湿度传感器(S5)来获得该层土壤温度和湿度的变化情况。为了评价热管的热传输效率,检验腰板部分的绝热效果,在热管中部也布置一个热电偶(S3),用石棉带缠绕以隔绝空气温度。最后在热管散热端(S2)和TEG冷端(S1)分别布置热电偶进行温度监测,热电偶上也同样贴上绝热胶带以隔绝空气温度。

8块TEG组成的电路中接入一个10 Ω的电阻形成电流回路,电流回路中另接入电流变送器(S4)采集电流数据,结合数据采集卡自带的电压测量功能,获得发电装置的输出功率,根据功率和温度数据对发电装置的性能作出评价。所有传感器连接到数据采集卡后通过通用分组无线业务(general packet radio service, GPRS)将数据发送到物联网平台(图 7)。

图 7 电路连接图 Fig. 7 Circuit scheme
表 1 温差发电试验装置主要元器件 Table 1 Main components of platform
序号No. 名称Items 型号Model 规格Specification 数量Quantity
1 重力热管Heat pipe 定制Custom-made 1
2 温差发电片TEG TG12-6-02 -50~200 ℃ 8
3 土壤温湿度传感器
Soil temperature-moisture sensor
FDS-03 温度Temperature -30~70 ℃,
湿度Moisture 0~100%
1
4 热电偶Thermocouple TT-T-30-2000-SLE -200~200 ℃ 6
5 电流变送器Current transmitter TP A02DC-L 0~200 mA 1
6 发热电缆Heating cable 200 W 1
7 温控器Thermostat LX-089 -30~65 ℃ 1

打开温控器和监测系统电源开始试验,加热到稳定状态(各位置温度不再变化)后保温一段时间再关闭温控器电源,待其冷却到室温,即可获得整个加热-保温-降温过程的数据。

2 结果与分析 2.1 试验结果

由于研究的是土壤-空气温差与输出功率之间的动态关系,所以选取了升温和降温两个动态过程进行分析。图 8为重力热管吸热端处土壤(S5)、重力热管散热端(S2)、TEG冷端(S1)和室温在加热时的温度变化情况以及对应的发电装置输出功率。从2017年1月12日17:00由室温开始加热,图中显示了前30 h的变化情况。由于土壤刚从室外运到室内不久,所以土壤起始温度低于热管散热端温度。在开始加热2 h后土壤中部的温度开始上升,2.5 h后热管散热端温度也随之上升,土壤温度在加热25 h后达到稳定状态,温度为30 ℃左右,热管散热端温度则在加热26 h后也达到稳定状态,在24 ℃左右浮动。热管散热端温度在23~26 h之间由于西晒发生了较大波动。TEG冷端温度较散热端温度有一定延迟,但变化趋势基本一致,最终稳定时与散热端温度差保持在1.5 ℃左右。由于TEG是根据温差来工作,发电装置的输出功率在加热大约7 h后才有较大上升,但变化速度快,在太阳直射试验装置时出现了下降情况,最后稳定在4.40 mW左右。

图 8 加热曲线 Fig. 8 Heating curve

图 9为停止加热后的30 h内与图 8相对应位置的温度及输出功率的变化曲线。停止加热时间为2017年1月18日15:00,可以看出土壤温度也是在停止加热后2 h开始下降,与图 8保持了一致,热管散热端则马上开始下降,土壤和热管散热端均在停止加热约25 h后冷却到室温,与加热到稳定状态所用时间基本一致,同样由于西晒,热管散热端温度略高于土壤温度。TEG冷端温度在前期主要受热管散热端温度影响,与散热端温度变化趋势一致,大约在24 h以后主要受室温影响,与室温变化一致。输出功率在前8 h内几乎与土壤温度同步下降,10 h后下降速度较快,与TEG两端温度差值的变化趋势一致。

图 9 降温曲线 Fig. 9 Cooling curve
2.2 发电模型

对试验过程中的数据进行比较分析,并进行理论模型的推导和参数的确定,以期通过发电模型、根据实际森林土壤-空气温差即可计算输出功率的大小,判断利用基于塞贝克效应的森林土壤温差发电对林业无线传感网络节点供电的可行性,为后续研究提供参考。

2.2.1 发电模型建立

由回路中电压分配规律有:

$ U = \frac{R}{{R + r}}E $ (3)

式中:U为负载电阻上的电压,R为负载电阻阻值,r为TEG阻值。

根据欧姆定律有负载电阻上获得的电功率PR为:

$ {P_R} = UI = \frac{{{U^2}}}{R} $ (4)

将式(2)、式(3)代入式(4)得到负载电阻上获得的电功率:

$ {P_R} = {\left( {\frac{R}{{R + r}}E} \right)^2}\frac{1}{R} = {\left( {\frac{R}{{R + r}}\alpha \Delta T} \right)^2}\frac{1}{R} = \frac{{{\alpha ^2}R}}{{{{\left( {R + r} \right)}^2}}}\Delta {T^2} $ (5)

本试验研究的是土壤-空气温差与电功率输出之间的关系,在土壤-空气温差与TEG两端温差之间存在传递效率和传递滞后的问题,为此引入效率系数η和滞后系数φ,用于表征土壤-空气温差△TS-A与TEG两端温差△T之间的关系:

$ \Delta T = \eta \Delta {T_{S - A}} - \varphi $ (6)

将式(6)代入式(5)得:

$ {P_R} = \frac{{{\alpha ^2}R}}{{{{\left( {R + r} \right)}^2}}}\Delta {T^2} = \frac{{{\alpha ^2}R}}{{{{\left( {R + r} \right)}^2}}}{(\eta \Delta {T_{S - A}} - \varphi )^2} $ (7)

式(7)即为森林土壤温差发电中土壤-空气温差与电功率输出之间的关系模型,可以看出PR与△TS-A之间呈多项式分布。当负载电阻R与TEG内阻r相等时,系统获得最大功率输出:

$ {P_{R{\rm{max}}}} = \frac{{{\alpha ^2}}}{{4R}}{(\eta {\Delta _{S - A}} - \varphi )^2} $ (8)
2.2.2 参数确定及检验

由于本试验中使用了8块TEG,所以式(7)变为:

$ {P_R} = \frac{{64{\alpha ^2}R}}{{{{\left( {R + 8r} \right)}^2}}}{(\eta \Delta {T_{S - A}} - \varphi )^2} $ (9)

TG12-6-02型温差发电片内阻r为3.8 Ω,其塞贝克系数在常温下约为0.061 V·K-1,将已知数据代入式(9)得:

$ {P_R} = 1.459 \times {10^{ - 3}}{(\eta \Delta {T_{S - A}} - \varphi )^2} $ (10)

由于加热过程中受西晒影响较为明显,所以选取降温过程中的数据进行参数确定和检验。表 2为降温过程中的土壤-空气温差与输出功率的部分数据,选择第5、第11组的实测数据来确定效率系数η和滞后系数φ,通过解多项式方程组得出本试验的关系模型:

$ {P_R} = 1.459 \times {10^{ - 3}}{(0.113\Delta {T_{S - A}} + 0.421)^2} $ (11)
表 2 不同温差下的输出功率 Table 2 Electrical power output in various temperature difference
序号
No.
温差
TS-A/℃
输出功率Output electrical power/mW
实测数据
Measured data
计算数据
Calculated data
1 0.2 0.283 0.287
2 1.1 0.331 0.434
3 2.8 0.616 0.793
4 3.5 0.880 0.973
5 4.3 1.199 1.120
6 5.2 1.488 1.484
7 6.3 2.133 1.873
8 7.0 2.952 2.143
9 8.6 3.278 2.830
10 9.5 3.477 3.259
11 10.5 3.765 3.770
12 12.5 4.371 4.905

式中:输出功率PR单位为W,温差△TS-A单位为℃。

利用剩下10组数据对式(11)进行检验,经过统计分析发现,通过式(11)计算所得的功率数据与对应温差下实测值之间的相关系数R2=97.3%>95%,说明式(11)具有较高可信度。

随着无线传感器的不断微型化和控制算法的持续改进,一般林业无线传感网络节点的平均功率仅为几十微瓦,排除升压、存储电路等各种损耗,可以认为功率大于1 mW时能满足林业无线传感网路节点的用电需求。根据实测数据当土壤-空气温差约为3.8 ℃时输出功率可达1 mW,根据式(11)当土壤-空气温差为3.6 ℃时输出功率为1 mW。冬天时地表下2 m处土壤与空气温差可高达10 ℃,按照发电模型届时可获得约3.5 mW输出功率。因此可以得出结论,利用基于塞贝克效应的森林土壤温差发电可以满足林业无线传感网络节点的供电需求。

3 讨论与结论

通过试验研究了通过基于塞贝克效应的森林土壤温差发电来为林业无线传感网络节点供电的可行性,以及基于塞贝克效应的森林土壤温差发电中土壤-空气温差与输出功率之间的关系。发现当土壤-空气温差达到3.8 ℃左右时即可通过森林土壤温差发电实现对林业无线传感网络节点的供电。同时还提出了森林土壤温差发电中土壤-空气温差与电功率输出之间的关系模型,并进行了检验。在发电模型中引入了从土壤-空气温差到TEG两端温差之间的传递效率系数η和滞后系数φ,该模型指出土壤-空气温差与输出功率之间呈多项式分布,通过发电模型可以根据实际土壤-空气温差计算输出电功率。

试验中发现,随着土壤-空气温差的升高,输出功率的增长速度有减缓的趋势,可能是由于TEG冷端散热不充分,导致温度过高,所以在后期试验中应该特别注意采取散热措施;从图 8中可以发现,稳定状态下土壤温度与热管散热端之间的温差过大(可达6 ℃),说明热量在从土壤向TEG热端传递的过程中损耗较大,导致温差传递效率系数η偏小,可采取改变吸热翅片的形状和大小、改进热管的保温方式等措施进行改进。

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