Использование термоэлектрических генераторов для питания удаленных сельскохозяйственных датчиков

Введение: энергетический вызов в точном сельском хозяйстве

Современное сельское хозяйство опирается на плотную сеть датчиков, которые отслеживают влажность почвы, температуру, влажность листьев и даже уровни питательных веществ. Эти датчики образуют основу точного земледелия, позволяя принимать решения о орошениях, удобрениях и борьбе с вредителями. Тем не менее, одно постоянное препятствие ограничивает их развертывание: надежная мощность. В отдаленных полях, садах и пастбищах электроэнергия в энергосистеме часто недоступна или чрезмерно дорогая для расширения. Батареи требуют частой замены, создавая логистические головные боли и экологические отходы. Солнечные панели хорошо работают в солнечном климате, но не работают под облачным покровом, пылью или в затененных средах, таких как плотные навесы или подземные установки. Термоэлектрические генераторы (TEG) предлагают убедительную альтернативу, преобразуя естественные температурные градиенты непосредственно в электрическую энергию. В этой статье исследуется, как работают TEG, их преимущества и ограничения, реальные приложения для сельскохозяйственного зондирования и инновации, которые обещают сделать

Как работают термоэлектрические генераторы

Эффект Зеебека и архитектура TEG

Термоэлектрические генераторы представляют собой твердотельные устройства, которые используют эффект Зеебека, открытый в 1821 году Томасом Иоганном Зеебеком. Когда два несходных металла или полупроводника соединяются на двух переходах, разница температур между соединениями создает напряжение. В типичном модуле TEG многие пары полупроводниковых гранул p-типа и n-типа соединены электрически последовательно и термически параллельно. Одна сторона модуля подвергается воздействию горячего источника (например, нагретая солнцем поверхность почвы), другая - холодному источнику (например, более холодный воздух или радиатор). Полученное напряжение приводит в действие электрический ток через внешнюю цепь, питая датчик и его беспроводной передатчик.

Поскольку у ТЭГ нет движущихся частей — ни поршней, ни турбины, ни компрессоров — они по своей сути надежны и не требуют смазки или механического обслуживания. Это делает их идеальными для без присмотра работы в отдаленных сельскохозяйственных условиях, где посещение служб является дорогостоящим и редким. Стандартные модули ТЭГ доступны в диапазоне размеров и выходной мощности, от милливатт для небольших датчиков до ватт для более требовательного оборудования.

Температурные градиенты в сельскохозяйственной среде

Ключом к выходной мощности ТЭГ является разница температур (ΔT) между его двумя сторонами. В сельскохозяйственных полях существуют несколько естественных градиентов:

Хотя эти градиенты часто скромны (обычно 5-20 ° C), достижения в термоэлектрических материалах, таких как сплавы теллурида висмута, позволяют TEG генерировать полезную мощность даже при небольших перепадах температур. Например, ΔT 10 ° C может производить несколько милливатт на квадратный сантиметр, что достаточно для питания маломощных датчиков IoT, которые передают данные каждые несколько минут.

Преимущества термоэлектрических генераторов для дистанционных датчиков

Возобновляемые и всегда - на энергии

В отличие от солнечных панелей, которые требуют прямого солнечного света, TEG могут работать непрерывно, пока существует температурный градиент. Эта возможность днем и ночью является значительным преимуществом в сельском хозяйстве, где круглосуточно требуется регистрация данных. Градиенты почвы и воздуха сохраняются даже в пасмурные дни или под лесным пологом, обеспечивая устойчивый, если небольшой, источник энергии. Во многих приложениях TEG могут заряжать небольшой литий-ионный конденсатор или батарею в более теплые периоды и извлекать из него в более холодные периоды, обеспечивая бесперебойную мощность.

Низкий уровень обслуживания и длительный срок службы

Без движущихся частей, TEGs очень устойчивы к износу. Правильно спроектированная система TEG может работать в течение десятилетий без обслуживания, ограниченного только постепенным разрушением полупроводниковых материалов при высоких температурах. Этот срок службы намного превышает срок службы одноразовых батарей (которые нуждаются в замене каждые несколько месяцев) и даже много перезаряжаемых батарей (которые теряют емкость в течение 2-5 лет). Для датчика, похороненного в почвенно-влажной станции мониторинга или прикрепленного к стволу дерева, способность «устанавливать и забывать» является игровым механизмом для масштабируемости.

Экологическая устойчивость

Сельскохозяйственные среды суровы: пыль, влажность, пестициды, ультрафиолетовое излучение и экстремальные колебания температуры. TEG, когда инкапсулированы в прочных корпусах (например, эпоксидные или металлические корпуса), могут выдерживать эти условия. Они устойчивы к вибрации, могут работать в условиях высокой влажности и не страдают от коррозии так быстро, как открытые электрические контакты. Многие коммерческие модули TEG рассчитаны на промышленные температурные диапазоны от -40 ° C до + 200 ° C, охватывающие крайности большинства сельскохозяйственных регионов.

Эффективность затрат по шкале

Хотя первоначальная стоимость модуля TEG может быть выше, чем у небольшой солнечной панели, общая стоимость владения в течение нескольких лет часто ниже. Устранение замены батареи, сокращение рабочей силы для обслуживания и избегание инфраструктуры проводки способствуют снижению долгосрочных затрат. Для крупных развертываний, таких как сеть из тысячи датчиков почвы на ферме площадью 500 гектаров, экономия становится существенной. Кроме того, TEG могут быть интегрированы с другими источниками энергии (гибридные системы) для дальнейшего снижения износа батареи.

Практические применения: сенсорные сети с поддержкой TEG

Мониторинг влажности почвы

Одним из наиболее распространенных применений является питание датчиков влажности почвы на земле. Эти датчики часто устанавливаются на глубинах 10-30 см, где температура изменяется меньше, чем на поверхности. Помещая горячую сторону TEG рядом с датчиком (в почве) и холодную сторону, выступающую над землей или прикрепленную к радиатору, обычно доступен ΔT 5-15 ° C. Эта энергия работает на электронике датчика и его передатчике LoRaWAN или Zigbee. Несколько коммерческих прототипов продемонстрировали непрерывную работу в течение более года без какого-либо вмешательства батареи, даже в умеренном климате с сезонными изменениями.

Микроклимат и датчики здоровья растений

Беспроводные сенсорные узлы, которые контролируют температуру воздуха, относительную влажность, влажность листьев и атмосферное давление, могут питаться от TEG, использующих разницу температур между залитыми солнцем и затененными листьями или между растительным навесом и землей. Например, датчик, прикрепленный к решетке в винограднике, может использовать разницу температур между верхней частью горячего навеса и более прохладной землей ниже. Эти потоки данных помогают фермерам обнаруживать морозные условия, оптимизировать сроки орошения и прогнозировать вспышки заболеваний, такие как пухлая плесень.

Отслеживание скота и носимые вне сети

В операциях по выпасу скота или овец могут быть установлены GPS-ошейники или метки для мониторинга здоровья. Питание их батареями проблематично из-за веса и стоимости замены. TEG, интегрированный в ошейник, может собирать тепло из тела животного (≈37 ° C) и отбрасывать его в окружающий воздух, генерируя небольшой, но устойчивый ток. Исследования показали, что TEG с тепловым питанием тела может обеспечить достаточно энергии для GPS-фикса каждый час и ежедневной передачи данных, продлевая жизнь воротника до срока жизни животного.

Качество воды и мониторинг потока

Датчики, используемые в оросительных каналах, прудах или потоках, также могут извлечь выгоду из ТЭГ. Вода при постоянной температуре (например, 10-15 ° C в затененном канале) может служить холодной стороной, в то время как металлическая пластина с черным покрытием на солнце действует как горячая сторона. Полученное электричество питает мутность, рН и датчики растворенного кислорода, что позволяет непрерывно контролировать качество воды без подключения к сети.

Проблемы и ограничения

Низкая мощность

Наиболее значительным ограничением TEG является их относительно низкая плотность мощности. Типичный модуль размером 4 см × 4 см производит только 10-100 мВт с ΔT 20 ° C. Этого достаточно для датчиков IoT с прерывистой мощностью, но не для мощных устройств, таких как камеры или непрерывная беспроводная потоковая передача. Дизайнеры должны тщательно соответствовать энергетическому бюджету датчика и частоте передачи на выход TEG.

Ограничения эффективности

Термоэлектрическая эффективность регулируется безразмерной фигурой заслуг ZT. Коммерческие модули имеют значения ZT около 1-1,2, преобразуя только 5-8% теплового потока в электричество. Хотя это достаточно для маломощного зондирования, это означает, что большая часть тепла проходит через неиспользованные. Улучшение ZT через передовые материалы (например, скуттерудиты, полу-гейслеровые сплавы или наноструктурированный теллурид висмута) является активной областью исследований, но экономически эффективное массовое производство модулей с высоким ZT остается сложной задачей.

Непоследовательные температурные градиенты

Градиенты температуры в сельском хозяйстве варьируются в зависимости от погоды, сезона и времени суток. В пасмурные дни ΔT может упасть почти до нуля, в результате чего датчик может заснуть, если резервная батарея или суперконденсатор не обеспечивает резерв. Конструкция системы должна включать в себя накопитель энергии, рассчитанный на худшие условия, что добавляет стоимость и объем. Гибридные системы, которые сочетают ТЭГ с небольшим солнечным элементом или ветряной турбиной, могут смягчить эту прерывистость.

Интеграция и тепловое потопление

Для функционирования ТЭГ холодная сторона должна быть прохладной. Эффективное погружение в тепло является критическим - часто требует плавникового теплоотвода, который может быть громоздким. В захороненных в почве приложениях холодная сторона может нуждаться в выступе над землей или быть подключенной к большой тепловой массе. Это увеличивает отпечаток датчика и может мешать фермерским операциям (например, возделыванию или сбору урожая). Тщательное размещение и прочная механическая конструкция необходимы, чтобы избежать повреждения.

Будущие разработки и направления исследований

Продвинутые термоэлектрические материалы

Исследователи изучают материалы с более высокими значениями ZT, такие как монокристаллы оловянного селенида (SnSe), которые продемонстрировали ZT > 2,5 в оптимальных условиях. Другие перспективные направления включают органические термоэлектрики и печатные термоэлектрические чернила, которые могут обеспечить недорогие, гибкие TEG, которые соответствуют изогнутым поверхностям, таким как стебли растений или тела дронов. Эти материалы могут значительно увеличить выходную мощность из скромных градиентов.

Гибридные системы сбора энергии

Наиболее надежные системы дистанционного датчика сочетают в себе несколько технологий сбора урожая. Например, TEG может заряжать батарею в ночное время (с использованием градиентов почвы и воздуха), в то время как небольшая солнечная панель заряжает ее в течение дня. Пьезоэлектрический комбайн, прикрепленный к линии забора, может захватывать вибрации, вызванные ветром. Схемы управления энергией, которые разумно переключаются между источниками и хранят избыточную энергию, могут обеспечить 100% безотказную работу даже в сложных условиях.

Умное управление питанием и электроника с низким энергопотреблением

По мере того, как ИС становятся более энергоэффективными, пороговая мощность, необходимая для зондирования и связи, продолжает падать. Ультра-низкоэнергетические микроконтроллеры (например, ядра Arm Cortex-M0 + потребляют 1 мкА в спящем режиме) и радиостанции, которые передают при 0 дБм с резервными токами суб-мкА, теперь позволяют датчикам работать на порядка десятков микроватт. Это хорошо согласуется с выходом небольших ТЭГ. Будущие конструкции датчиков будут все чаще включать выделенное питание и дежурный цикл, чтобы соответствовать переменной выходной мощности комбайна.

Экологические и экономические исследования воздействия

Несколько университетов и агротехнических стартапов проводят полевые испытания для количественной оценки общей стоимости владения датчиками на TEG по сравнению с альтернативами на основе только батарей или солнечных батарей. Предварительные результаты испытаний в Центральной долине Калифорнии и бразильском Серрадо показывают, что системы на основе TEG могут оплачивать себя в течение 2-3 лет за счет сокращения замещающих рабочих и устраненных затрат на удаление. Поскольку учет углерода становится более важным, способность избегать сотен щелочных батарей на гектар каждый год также способствует показателям устойчивости.

Руководство по проектированию для внедрения датчиков с питанием от TEG

Для инженеров и менеджеров ферм, рассматривающих ТЭГ, рекомендуется выполнить следующие действия:

1. характеризует температурный градиент

Используйте регистраторы данных для измерения минимального, среднего и максимального ΔT, доступного в предполагаемом местоположении датчика в течение всего года. Это информирует бюджет мощности. Не полагайтесь только на средние значения - градиенты в худшем случае определяют требуемое хранение энергии.

2.Выберите правильный модуль TEG

Выберите модуль, размеры которого соответствуют имеющемуся тепловому потоку и механическим ограничениям. Коммерческие модули от таких производителей, как Marlow (II-VI), Kryotherm или Tegpro, предлагают диапазон размеров и температурных оценок. Для сельскохозяйственного использования хорошим отправным пунктом является модуль с максимальной рабочей температурой 150-200°C и интегрированным креплением радиатора.

3.Размер хранения энергии надлежащим образом

Суперконденсатор или небольшая литий-ионная батарея должны быть размером с датчик питания в периоды, когда ΔT незначительно (например, в ночное время, если градиент только днем или в пасмурные дни). Типичное правило заключается в хранении достаточного количества энергии в течение 24-48 часов работы на основе среднего потребления датчика.

4.Защитить систему

Инкапсулируйте ТЭГ и электронику в непогодный корпус (IP67 или выше). Используйте конформные покрытия на печатных платах. Убедитесь, что теплоотвод (холодная сторона) не изолирован обломками или грязью. Для датчиков, установленных на почве, перфорированная металлическая клетка или сетка могут защитить ТЭГ от грызунов и механических повреждений.

5.Проверка эффективности

Включите мониторинг напряжения и тока в прошивку датчика для отслеживания выхода комбайна и состояния батареи. Оповещения о низкой мощности или ухудшенной производительности TEG могут вызвать проверку технического обслуживания. Со временем сбор данных может информировать о лучшем дизайне системы для будущих установок.

Заключение

Термоэлектрические генераторы не являются универсальным решением, но для подавляющего большинства сценариев дистанционного сельскохозяйственного зондирования они предлагают надежный, низкообслуживаемый и все более экономичный источник энергии. Используя вездесущие температурные градиенты, которые существуют естественным образом в окружающей среде - между почвой и воздухом, солнцем и тенью, или животными и окружающей средой - ТЭГ позволяют непрерывные потоки данных без логистического и экологического бремени батарей или прерывистости солнечной энергии. По мере того, как прогресс в области термоэлектрических материалов и гибридных систем сбора урожая становится все более разумным, роль ТЭГ в точном сельском хозяйстве будет расти. Фермеры и агрономы, которые используют эту технологию сегодня, будут лучше расположены для создания устойчивых, управляемых данными сельскохозяйственных операций, которые оптимизируют воду, питательные вещества и труд при одновременном сокращении отходов. Для тех, кто хочет питать следующее поколение удаленных датчиков, ТЭГ заслуживают серьезного рассмотрения в качестве ключевого компонента устойчивого сельскохозяйственного будущего.

Для дальнейшего чтения см. Обзор Министерства энергетики США термоэлектрической генерации , обзор сбора энергии для сельскохозяйственного IoT в журнале Sensors и тематическое исследование на датчиках влажности почвы на основе TEG .