一种森林环境监测传感器供电装置

摘要

一种森林环境监测传感器供电装置，包括散热气流管、散热片、温差发电片、全玻璃真空太阳能集热管、导热片和电能收集模块，该供电装置结构合理，安装方便、可靠性高，传输稳定，通过温度传感器实时监测温差发电片冷热两端温度，热电转换模块实现温差产生的热能向电能的稳定转换，为林区的无线传感器网络进行供电支持。

权利要求

1.一种森林环境监测传感器供电装置，包括散热气流管(1)、散热片(2)、温差发电片(3)、全玻璃真空太阳能集热管(4)、导热片(5)和电能收集模块(6)，其特征在于：散热气流管(1)埋在土壤深处，呈U型状态；散热气流管(1)两端均直接露出土壤，与空气接触；散热气流管(1)左端端口略高于地面(7)；散热气流管(1)右端端口略高于凸出地面(7)的锥状土壤堆顶端，散热气流管(1)右端端口位置斜对散热片(2)；

全玻璃真空太阳能集热管(4)与地面(7)形成大于或等于30°夹角倾斜放置；全玻璃真空太阳能集热管(4)一端嵌入贴合导热片(5)；

导热片(5)与温差发电片(3)热端贴合，温差发电片(3)的冷端与散热片(2)贴合；

当光照到全玻璃真空太阳能集热管(4)，管内外表面温度升高，向导热片(5)迅速传热；导热片(5)将热量传递到温差发电片(3)热端，温差发电片(3)热端温度上升，热量从温差发电片(3)的热端通过温差发电片(3)热电偶臂转移到温差发电片(3)冷端；随着温差发电片(3)冷端热量累积，温差发电片(3)冷端及散热片(2)温度升高；

由于散热气流管(1)内流出的空气温度远低于散热片(2)温度，形成大温差热对流，热对流吹向散热片(2)，致使温差发电片(3)冷端温度下降，温差发电片(3)两端有效温差升高，当温差发电片(3)产生的温差电压达到电能收集模块(6)启动电压，电能收集模块(6)开始启动；

电能收集模块(6)向森林环境监测传感器供电，通过森林环境监测传感器采集空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度和风速环境数据信息，经过传感器通信网络以数字信号的形式传输至计算机数据通信端口，最终到达计算机终端，进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的森林环境监测传感器供电装置，其中散热气流管(1)、散热片(2)材质为易散热材料，导热片(5)材质为易导热材料，导热片(5)导热系数高于散热片(2)导热系数，散热气流管(1)传热系数高于散热片(2)的传热系数。

3.根据权利要求2所述的森林环境监测传感器供电装置，其中散热气流管(1)管口方位竖立向上，保证与散热片(2)空间位置侧向相对。

4.根据权利要求1所述的森林环境监测传感器供电装置，其中导热片(5)贴合安装于全玻璃真空太阳能集热管(4)管壁，保证所述导热片与所述全玻璃真空太阳能集热管(4)的良好传热。

5.根据权利要求1所述的森林环境监测传感器供电装置，所述散热片(2)空间方位处于全玻璃真空太阳能集热管(4)的轴线方向，保证与空气介质良好接触。

6.根据权利要求1所述的森林环境监测传感器供电装置，其中所述温差发电片(3)材质为两种不同半导体热电材料；温差发电片(3)位置固定在与全玻璃真空太阳能集热管(4)轴线方向，并通过粘性物质与相邻的导热片(5)以及散热片(2)良好贴合。

说明书

一种森林环境监测传感器供电装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种森林环境监测传感器供电装置，适合相关热电能量收集应用。本发明是一种尤其适用于森林环境能源转换利用的森林环境监测传感器供电装置。

背景技术

[0002] 布设在林区，特别是森林里的无线传感器网络等末端电子器件的供电问题一直一项难以解决的科学技术难题；特别是利用森林内微小热源发电的研究仍处于空白。因此，在复杂森林环境条件下，研制方便安装的、无需外加电源的森林环境监测传感器供电装置将具有十分有重要的应用价值。

发明内容

[0003] 本发明设计的森林环境监测传感器供电装置是一种基于绿色清洁能源循环再利用原则的能量转换收集装置。

[0004] 一种森林环境监测传感器供电装置，包括散热气流管、散热片、温差发电片、全玻璃真空太阳能集热管、导热片和电能收集模块，其中：

[0005] 散热气流管埋在土壤深处，呈U型状态；散热气流管两端均直接露出土壤，与空气接触；散热气流管左端端口略高于地面；散热气流管右端端口略高于凸出地面的锥状土壤堆顶端，散热气流管右端端口位置斜对散热片；

[0006] 全玻璃真空太阳能集热管与地面形成大于或等于30°夹角倾斜放置；全玻璃真空太阳能集热管一端嵌入贴合导热片；

[0007] 导热片与温差发电片左侧热端贴合，温差发电片的右侧冷端与散热片贴合；

[0008] 当光照到全玻璃真空太阳能集热管，管内外表面温度升高，向导热片迅速传热；导热片将热量传递到温差发电片热端，温差发电片热端温度上升，热量从温差发电片的热端通过温差发电片热电偶臂转移到温差发电片冷端；随着温差发电片冷端热量累积，温差发电片冷端及散热片温度升高；

[0009] 由于散热气流管内流出的空气温度远低于散热片温度，形成大温差热对流，热对流吹向散热片，致使温差发电片冷端温度下降，温差发电片两端有效温差升高，当温差发电片产生的温差电压达到电能收集模块启动电压，电能收集模块开始启动；

[0010] 电能收集模块向森林环境监测传感器供电，通过森林环境监测传感器采集空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度和风速等环境数据信息，经过传感器通信网络以数字信号的形式传输至计算机数据通信端口，最终到达计算机终端，进行数据处理。

[0011] 其中散热气流管、散热片和导热片材质均为易散热材料，导热片导热系数高于散热片导热系数，散热气流管传热系数高于散热片的传热系数。

[0012] 其中散热气流管管口方位竖立向上，保证与散热片空间位置侧向相对。

[0013] 其中导热片贴合安装于全玻璃真空太阳能集热管管壁，保证所述导热片与所述全玻璃真空太阳能集热管的良好传热。

[0014] 其中散热片空间方位处于全玻璃真空太阳能集热管的轴线方向，保证与空气介质良好接触。

[0015] 其中所述温差发电片材质为两种不同半导体热电材料；温差发电片位置固定在与全玻璃真空太阳能集热管轴线方向，并通过粘性物质与相邻的导热片以及散热片良好贴合。

[0016] 其中电能收集模块包括LTC3108转换器、LPR6235-752SML升压变压器和外接锂电池及存储电容器；电能收集模块与温差发电片两端接线柱相连，整个电能收集模块固定位置及连线方式不限，保证温差发电片两端连接LTC3108转换器，转换器连接LPR6235-752SML变压器，变压器为外接锂电池及存储电容器供电。

[0017] 该供电装置结构合理，安装方便、可靠性高，传输稳定，通过温度传感器实时监测温差发电片冷热两端温度，热电转换模块实现温差产生的热能向电能的稳定转换，为林区的无线传感器网络进行供电支持。

[0018] 本发明的目的是：基于解决森林环境使用的无线传感器的供电问题的要求，利用该发明可以实现利用全玻璃真空太阳能集热管、空气、浅层土壤使温差发电片两端形成有效温差，从而输出电能，并将电能存储在锂离子电池或者电容中，为无线传感器等微功耗器件提供电能。这对于解决布设在林区，特别是森林里的传感器等末端电子器件获得电能的供电问题具有及其重要的意义。

附图说明

[0019] 图1：本发明森林环境监测传感器供电装置整体安装示意图；

[0020] 图2：本发明森林环境监测传感器供电装置集热管与温差发电片安装示意图；

[0021] 图3：本发明森林环境监测传感器供电装置电能收集模块电路芯片引脚连接图；

[0022] 附图标记：

[0023] 1——散热气流管

[0024] 2——散热片

[0025] 3——温差发电片

[0026] 4——全玻璃真空太阳能集热管

[0027] 5——导热片

[0028] 6——电能收集模块

[0029] 7——地面

[0030] 8——土壤

[0031] 9——空气

[0032] 10——光

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及实施例，附图中相同的号码代表相同或相类似的组件，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围。

[0034] 如图1、图2所示，一种森林环境监测传感器供电装置包括散热气流管1、散热片2、温差发电片3、全玻璃真空太阳能集热管4、导热片5、电能收集模块6；散热气流管1埋在土壤深处，呈U型状态；散热气流管1两端均直接露出土壤，与空气接触；散热气流管1左端端口略高于地面7，保证气流顺利导入；散热气流管1右端端口略高于凸出地面7的锥状土壤堆顶端，散热气流管1右端端口位置斜对散热片2。

[0035] 其中散热气流管、散热片和导热片材质均为易散热材料，导热片导热系数高于散热片导热系数，散热气流管传热系数高于散热片的传热系数。

[0036] 如图1、图2所示，全玻璃真空太阳能集热管4与地面7形成30°夹角倾斜放置；全玻璃真空太阳能集热管4一端嵌入贴合导热片5；导热片5与温差发电片3左侧热端贴合，温差发电片3的右侧冷端与散热片2贴合；当光照到全玻璃真空太阳能集热管4，管内外表面温度升高，向导热片5迅速传热；导热片5将热量传递到温差发电片3热端，温差发电片3热端温度上升，热量从温差发电片3的热端通过温差发电片热电偶臂转移到温差发电片3冷端；随着温差发电片3冷端热量累积，温差发电片3冷端及散热片2温度升高；由于散热气流管1内流出的空气温度远低于散热片2温度，形成大温差热对流，热对流吹向散热片2，致使温差发电片3冷端温度下降，温差发电片3两端有效温差升高，当温差发电片3产生的温差电压达到电能收集模块6启动电压，电能收集模块6开始启动。

[0037] 电能收集模块6是森林环境监测传感器供电装置关键部件，如图3所示，作为一款高集成度的直流/直流转换器芯片，LTC3108用于控制热电发生器的电压输出；采用升压比为1∶100的LPR6235-752SML变压器，实现以20mV至500rmV的输入电压启动电路；输入电压通过变压器放大，为LTC3108芯片供电；LTC3108芯片通过VS1和VS2设置对VOUT输出电压进行调控；其中VS1管脚接VAUX，VS2管脚接GND，在输入电压为20mV时，VOUT输出3.3V；VOUT和VOUT2输出电能，向3.3V无线传感器供电；VOUT达到稳定值的93％后，LTC3108控制电能从VSTORE引脚向0.1F存储电容器充电；输入电压小于20mV，存储电容器中的电能反向为LTC3108芯片供能，继续向无线传感器供电。

[0038] 如图3所示，森林环境监测传感器Sensors是环境信息采集的核心部件；作为林区传感器网络的重要组成部分，森林环境监测传感器Sensors大幅度应用于森林环境数据信息的传输。森林环境监测传感器Sensors采用ZigBee、GPRS以及2G、3G数据传输方式；通过森林环境监测传感器Sensors采集到的空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度和风速等环境数据信息，经过ZigBee、GPRS以及2G、3G传感器通信网络，以数字信号形式，传输至计算机数据通信端口，最终到达计算机终端，进行数据分析处理。

[0039] 考虑到温差发电片内阻和周围环境影响，实际应用中，对驱动电能收集模块的输出效果设计实验进行测定：如附图3，将TEG温差发电片与电能收集模块相连接，用万用表分别测量温差发电片输出电压，输入电流和VOUT的电压。当温差发电片两端输出电压为35mV，输入电流为0.12mA时，VOUT输出4.32V，可以实现向4.3V无线传感器进行充电；当温差发电片两端输出电压低于20mV时，存储电容器继续向无线传感器供电。电能收集模块中的温差发电片最低输出功率约为4.2uW，在这种状态下，可以保证电能收集模块正常工作。
为森林环境监测中使用的无线传感器网络进行稳定供电。

[0040] 其中散热气流管1材质为易散热材料，如铝，铝铜合金等；散热气流管1管口方位竖立向上，保证与散热片空间位置侧向相对；

[0041] 其中导热片5材质为易导热材料，如银，铜等；导热片5贴合安装于全玻璃真空太阳能集热管4内管壁，保证其与全玻璃真空太阳能集热管4的良好传热；

[0042] 其中散热片2空间方位处于全玻璃真空太阳能集热管4的轴线方向，保证与空气介质良好接触；

[0043] 温差发电片3材质为两种不同半导体；温差发电片3位置固定在与全玻璃真空太阳能集热管4轴线方向，并通过粘性物质与相邻的导热片以及散热片良好贴合；

[0044] 全玻璃真空太阳能集热管4与地面所成夹角必须大于或等于30度；在上述角度条件下，光照在全玻璃真空太阳能集热管4上产生的能量才能保证满足温差发电需求；

[0045] 其中电能收集模块6包括LTC3108转换器、LPR6235-752SML升压变压器和外接锂电池及存储电容器；电能收集模块6与温差发电片3两端接线柱相连，整个电能收集模块6固定位置及连线方式不限；保证温差发电片3两端连接LTC3108转换器，转换器连接LPR6235-752SML变压器，变压器为外接锂电池及存储电容器供电。

[0046] 【实施例1】

[0047] 散热气流管1管身位于土壤内部，呈U型分布，管身最低端埋在的土壤中，两端端口暴露在空气中；散热气流管1一端端口作为低端，略高于地面7；另一端口作为高端，略高于凸出地面7的锥状土壤堆顶端；高端端口侧对散热片2，保证散热充足。

[0048] 全玻璃真空太阳集热管4倾斜放置，管身与水平面夹角为30度；将导热片5做成U型，导热片5的U型口嵌入全玻璃真空太阳热管4内管并用导热硅胶与其连接，导热片5底部用导热硅胶与温差发电片3的热端连接；温差发电片3冷端用导热硅胶与散热片2连接。全玻璃真空太阳集热管4和温差发电片3接口处采用气凝胶毡和绝热保温胶密封，减少温差发电片3热端热量散失。

[0049] 温差发电片3与电能收集模块6相连，电能收集模块6中温度传感器显示温差发电片3冷热两端温度数值；电能收集模块6为无线传感器充电；安装完成后按时分段记录温度传感器的输出值温度，实时监测，保证数据信息的稳定监测与传输。

[0050] 【实施例2】

[0051] 如附图1所示，全玻璃真空太阳集热管4倾斜放置在地面上，集热管4低端固定于水平面，集热管4高端固定在凸出地面7的锥状土壤堆顶端；锥状土壤堆顶端露出散热气流管1高端端口，进行散热；在土壤8和空气9的双重散热作用下，森林环境监测传感器供电装置开始进行能量转换与收集工作；

[0052] 将全玻璃真空太阳集热管4倾斜安装在地面7与土壤8顶端之间，集热管4低端固定于地面7，高端固定在锥状土壤堆顶端，保证其与地面7夹角等于30度；相关关系如图1所示。

[0053] 散热气流管1一端端口作为低端，略高于地面7；另一端口作为高端，略高于凸出地面7的锥状土壤堆顶端；高端端口侧对散热片2，保证散热充足。安装方式如附图1。

[0054] 导热片5一端用导热硅胶与全玻璃真空太阳热管4内管连接，另一端用导热硅胶与温差发电片3的热端连接；散热片2用导热硅胶与温差发电片3冷端连接。

[0055] 全玻璃真空太阳集热管4和温差发电片3接口处采用气凝胶毡和绝热保温胶密封；保证集热管4上的散热片3中心与散热气流管1高端端口中心处于在同一竖直方位，适当调整全玻璃真空太阳集热管4倾斜角度，保证在光照和风速稳定时，森林环境监测传感器供电装置可以进行持续工作。

[0056] 实验数据与能量的转换与收集：通过装置中的温度传感器实现实时显示装置中温差发电片3的冷热两端温度数据；通过连接到温差发电片3两端的电能收集模块收集能量，并将所收集能量传输到存储电容器中，进而为森林环境监测的无线传感器网络进行充电。

[0057] 技术效果

[0058] 本发明通过利用全玻璃真空太阳集热管、空气、浅层土壤的不同温度使温差发电片冷热两端形成大跨度温差，带动相关电路实现升压，并最终实现存储和输出电能，为林区的无线传感器网络稳定供电。温度传感器的温度监控和相关电路的升压以及电能的存储和输出均自动完成，不需要人工操作，减少了人为的误差和工作量，达到了安装方便，稳定可靠、安全环保、无需外接电能的要求。经过反复试验，通过温度传感器成功显示温差发电片冷热两端的实时温度变化数值，通过外接万用表的顺利显示得到的森林环境监测传感器供电装置的输出电压为4.3V。因此，通过该差森林环境监测传感器供电装置，在无外接电源的情况下，实现为林区的无线传感器网络进行稳定供电可以保证顺利实现。