基于溫差發(fā)電的無線管道信息變送裝置的設(shè)計(jì)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 盧奇麟 李岸楊 吳皓清

1.引言

在我國北方，為居民供暖是城市規(guī)劃建設(shè)的一項(xiàng)基本社會(huì)服務(wù)。目前，集中供暖是大多數(shù)城市選擇的供暖方式。據(jù)《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年報(bào)》統(tǒng)計(jì)，目前我國已經(jīng)有360多個(gè)城市采用集中供暖的方式進(jìn)行取暖[1]。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和現(xiàn)代化步伐的加快，城市供熱管網(wǎng)越來越龐大，越來越復(fù)雜，用戶類型也越來越多，其管理和維護(hù)的要求也越來越高。由于供熱管網(wǎng)分布區(qū)域廣、敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜、入戶節(jié)點(diǎn)多，及時(shí)獲取全管網(wǎng)運(yùn)行的溫度、流量等數(shù)據(jù)存在比較大的困難，導(dǎo)致管網(wǎng)泄漏、損壞等故障無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，極易造成人員財(cái)產(chǎn)的損失。此外，熱力分配不均導(dǎo)致的供暖差異和部分用戶偷排供熱用水等問題，也會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因而，應(yīng)用無線管道信息變送器來構(gòu)建智能管道信息系統(tǒng)，幫助供暖企業(yè)及時(shí)獲取管網(wǎng)信息，建立管網(wǎng)系統(tǒng)的故障預(yù)警機(jī)制，可大大降低供熱管網(wǎng)的維護(hù)成本。

2.設(shè)計(jì)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本裝置將管網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)以及溫差發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，打造智能管網(wǎng)檢測(cè)。利用溫差發(fā)電，無需再步電線、信號(hào)線，能降低安裝成本，熱能調(diào)控合理化，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的，符合當(dāng)代中國節(jié)能減排趨勢(shì)和互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展趨勢(shì)。用戶可根據(jù)需要從PC端的上位機(jī)程序獲取管網(wǎng)內(nèi)的各種信息。

本裝置由上位機(jī)監(jiān)控、溫差發(fā)電部分、通信控制部分以及傳感器部分四塊構(gòu)成。溫差發(fā)電部分利用管道內(nèi)的廢熱發(fā)電，供給傳感器部分，傳感器部分將獲取到的信號(hào)通過通信控制部分轉(zhuǎn)發(fā)至基站，再由基站發(fā)至用戶電腦。具體見圖1。

2.2 設(shè)備選型

2.2.1 溫差發(fā)電部分

采用TEC1-12706T200型半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，該元件工作溫度范圍較大，價(jià)格較為低廉。將溫差發(fā)電片貼于吸熱端，并將紅黑兩端分別接入電路正負(fù)極即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電。輸出電壓經(jīng)過一個(gè)5V的DCDC開關(guān)電源給單片機(jī)及傳感器供電，電路連接如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖2 溫差發(fā)電部分電路連接示意圖

2.2.2 傳感器部分

溫度傳感器部分選用DS18B20芯片，與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同，DSl8B20可直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)處理。通過編程, DSl8B20可以實(shí)現(xiàn)9～12位的溫度讀數(shù)。信息經(jīng)過單線接口送入或送出DSl8B20，因此從單片機(jī)到DS18B20僅需連接一條信號(hào)線和地線。此外，每片DSl8B20都設(shè)有惟一的產(chǎn)品序列號(hào)，單片機(jī)通過簡(jiǎn)單的協(xié)議就能識(shí)別這個(gè)序列號(hào)。故多個(gè)DSl8B20可以掛接于同一條單線總線上, 特別適合構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)[2]。

流速傳感器部分采用YT-B2渦輪流量計(jì)，工作電壓范圍較大，工作時(shí)的精度較高，能達(dá)到1～25LMIN±3%。渦輪流量計(jì)輸出為與流量成正比的脈沖數(shù)字信號(hào)。它具有在傳輸過程中準(zhǔn)確度不降低、易于累積的優(yōu)點(diǎn)[3]。

2.2.3 通信控制部分

通信及控制部分由數(shù)字控制器及無線收發(fā)裝置兩大部分組成。控制器部分采用ST公司的STM32F103C8T6單片機(jī)搭建,具有功能多性能強(qiáng)、功耗低價(jià)格廉等優(yōu)點(diǎn)。無線收發(fā)裝置由2.4G無線模塊組成，實(shí)現(xiàn)管道檢測(cè)裝置與上位機(jī)的通訊功能。整個(gè)裝置由溫差發(fā)電部分供電，系統(tǒng)功耗低，可長(zhǎng)期保持運(yùn)行狀態(tài)?？墒褂弥鲝哪Ｊ?，主機(jī)未發(fā)送詢問信號(hào)時(shí)，從機(jī)進(jìn)入超低功耗模式工作，平均工作電流僅為10mA，當(dāng)主機(jī)發(fā)送詢問請(qǐng)求時(shí)，控制器重新恢復(fù)到正常工作模式，此時(shí)工作電流為低功耗模式工作電流的4～6倍。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控程序

開發(fā)的上位機(jī)程序名為TubeOb，即管道觀察員。傳感器檢測(cè)到管道內(nèi)的溫度、流量后，通過串口NR24L01模塊通信，向基站傳送信號(hào)。程序界面上可以實(shí)時(shí)顯示目前管道內(nèi)部的溫度、流量，數(shù)據(jù)變化曲線等。應(yīng)用程序界面如圖3所示。

圖3 TubeOb應(yīng)用程序截圖

3.理論分析

3.1 節(jié)能計(jì)算分析

管道內(nèi)流體熱量為Q1，半導(dǎo)體溫差發(fā)電片熱端獲取到的熱量為Q2，熱量傳輸過程效率為η，熱量傳輸示意圖如圖4所示。

圖4 熱量傳輸示意圖

以百萬千瓦發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率42%為例，取煤的熱值q=29271.6KJ/Kg，m為煤的質(zhì)量，可產(chǎn)生相當(dāng)于燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤的電能。

3.2 安裝成本分析

傳統(tǒng)暗埋布線成本包括2個(gè)部分。 1.銅材的成本；2.人工埋設(shè)的成本。

（1）銅的成本

以BV1平方的銅線為例，假如鋪設(shè)電線至基站的長(zhǎng)度是500米，4線并行。那么這路電線中間銅絲的重量就是：

人工埋設(shè)成本埋設(shè)每米每平方電力線的價(jià)格根據(jù)鋪設(shè)難度及實(shí)際情況不同，下表1為幾種布線價(jià)格。

表1 布線成本

3.3 系統(tǒng)整體效率

基于以上的數(shù)據(jù)分析，采用溫差發(fā)電的無線管道信息變送裝置對(duì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行智能化運(yùn)行監(jiān)控，相比傳統(tǒng)的管道溫度、流量檢測(cè)，能提高節(jié)能率5%-15%。

4.工作原理及性能分析

4.1 工作原理

該模型裝置模擬部分供熱管道系統(tǒng)，以三通管道模擬檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，水泵供水來模擬管道內(nèi)的流體流動(dòng)（包含模擬冷端和熱端）。此外，該裝置還有數(shù)字控制器、傳感器以及通信模塊等。溫差發(fā)電片受到吸熱端與散熱端的溫度差，由于塞貝克效應(yīng)，形成電流，供系統(tǒng)工作。傳感器采集信息，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給數(shù)字控制器，經(jīng)由2.4G無線模塊發(fā)送到用戶的電腦上。

圖6 帶載電壓與溫差關(guān)系

4.2 性能分析

為了驗(yàn)證模型的溫度控制效果，進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)，并選取了一次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線。取溫差在25度與45度中間的八個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行發(fā)電片實(shí)驗(yàn)，曲線如圖6所示。

圖7、圖8分別為pc端接收到的溫度、流速數(shù)據(jù)曲線。

圖7 溫度曲線

圖8 流速曲線

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在溫差達(dá)到30度以上時(shí)，溫差發(fā)電片即可產(chǎn)生5V以上的帶載電壓，供給整個(gè)管道檢測(cè)裝置。由圖7、圖8可以看出，該裝置可以在較大的范圍內(nèi)精準(zhǔn)的檢測(cè)出溫度以及流量的變化。

該裝置不改變?cè)泄艿澜Y(jié)構(gòu)，僅需在現(xiàn)有管道上加裝溫差發(fā)電片與傳感器。若實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，可將電子控制器、傳感器及2.4G無線模塊進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)一體化、小型化，方便對(duì)原有管道進(jìn)行，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

5.結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一套基于溫差發(fā)電的無線管道信息變送裝置，該裝置利用節(jié)點(diǎn)處供水與回水管的溫差實(shí)現(xiàn)自發(fā)電，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送信號(hào)到基站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管網(wǎng)信息的獲取，方便供暖企業(yè)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力調(diào)控。因其安裝時(shí)無需再布電力線、信號(hào)線，具有安裝成本低，工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。通過降低安裝成本、自發(fā)電及提供管網(wǎng)信息達(dá)到節(jié)能減排的目的。

本設(shè)計(jì)獲“神霧杯”第十屆全國大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽三等獎(jiǎng)。