Giriş: Hassas Tarımda Güç Meydanlığı

Modern tarım, toprak nemi, sıcaklık, nem, yaprak ıslaklığı takip eden yoğun bir sensör ağına sahiptir ve hatta besleyici seviyelerdedir. Bu sensörler, hassas tarımın arka kemiğini oluşturur, sulama, gübreleme ve pestis kontrolü hakkında hassas kararlar verir. Ancak bir engeli olan bir engel, bulut örtüsü altında çalışır ve doğal olarak yeraltı suyu veya yeraltı suyu gibi soğuk ortamlardaki elektriksel yüklere veya doğal olarak yüklenebilir.

Termoelektrik Jeneratörleri Nasıl Çalışır

Seebeck Etkisi ve TEG Mimarisi

Termoelektrik jeneratörleri, Seebeck etkisini kullanan sağlam-devlet cihazlardır, 1821'de Thomas Johann Seebeck tarafından keşfedildi.İki dissimilar veya yarı iletkenler iki klübünde, eklemler arasındaki sıcaklık farkı, tipik bir TEG modülü, birçok çift p tipi ve n tipi yarı iletkenler, paralel olarak elektriksel olarak, bir elektriksel sensör sürücülerin bir tarafında sıcak bir güçle karşılanır.

TEG'lerin hareket eden parçaları yok - hiçbir piston, türbinler veya kompresörler - onlar doğal olarak güvenilir ve daha talep edilen ekipman için yağdırmaması gerekmez.Bu, uzaktan tarım ayarlarında, servis ziyaretlerinin pahalı ve yetersiz olduğu için ideal kılar. Standart TEG modülleri, küçük sensörler için miliwattlardan daha talep edilen ekipman için kullanılabilir.

Sıcaklık Tarım Ortamlarında Gradients

Bir TEG'nin güç çıkışının anahtarı, iki tarafı arasında sıcaklık farkı (345T)dir. Tarım alanlarında, birden çok doğal gradyan vardır:

  • [FONT:0)Soil-air gradient: Soil sıcaklığı genellikle hava sıcaklığından farklıdır, özellikle de geceleri. Toprak, havadan birkaç derece daha sıcak olabilir ve kullanılabilir 345T yaratır.
  • [FONT:0)Solar-shade gradient: Doğrudan güneş ışığına maruz kalan bir yüzey, gölgenin altındaki veya yakın soğuk bir lavabonun üzerindeki 20-30°C'ye ulaşabilir.
  • [FONT:0]Plant-air gradient: Leaves and kökler, özellikle transpirasyon veya erken sabah dew formasyon sırasında daha sıcak veya daha serin olabilir.
  • [FONT:0)Water-air gradient: Yakın sulama kanalları veya rezervuarlar, su ve hava arasındaki sıcaklık farkı kullanılabilir.

Bu gradientler genellikle mütevazı (tipik olarak 5-20C), termoelektrik malzemelerdeki gelişmeler - her birkaç dakikayı aktarabilecek olan iki adet IoT sensörü gibi.

Uzak Sensörler için termoelektrik jeneratörlerinin avantajları

Yenilenebilir ve Her Zaman Enerjide

Doğrudan güneş panelleri aksine, TEG'ler sürekli olarak sıcaklık seviyesi yüksek olduğu sürece çalışabilirler. Bu gün-ve gece kapasitesi tarımda önemli bir avantajdır, veri girişinin sıcak dönemlerde gerekli olduğu ve daha soğuk dönemlerden bile devam etmesi, kesintisiz bir güç sağlamak.

Düşük Bakım ve Uzun Yaşam

Hareket eden parçalarla, TEG'ler giymek için son derece dirençlidir. Düzgün tasarlanmış bir şekilde tasarlanmış bir TEG sistemi, sadece yüksek sıcaklıklardaki yarı iletken malzemelerin kademeli bozulmasıyla sınırlı olabilir.Bu yaşam boyu şarj edilebilir bataryalar (her birkaç ay yerine) ve hatta birçok şarj edilebilir bataryalar (bu da kapasiteyi 2 ila 5 yıl içinde kaybetmeye ihtiyaç duyar).

Çevre Dayanıklılığı

Tarımsal ortamlar serttir: toz, nem, pestisitler, UV radyasyonu ve aşırı sıcaklık salakları. TEG'ler, dayanıklı konutlarda (örneğin, epoxy veya metal kaplamalar), bu koşullara karşı dayanıklıdırlar. Yüksek nemde çalışabilirler ve maruz kalan elektrik kontaktları kadar korozyona maruz kalırlar.

Ölçekte Maliyeti

Bir TEG modülünün ön maliyeti küçük bir güneş panelinden daha yüksek olsa da, birkaç yıl boyunca sahip olmanın toplam maliyeti genellikle daha düşük. Elited batarya yedekleri, bakım için işçilik azaltılabilir ve tüm büyük dağıtımlara katkıda bulunmadan kaçının - 500-hectare çiftliğinde bin toprak sensörü gibi - tasarruflar önemli hale gelir.

Pratik Uygulamalar: TEG-Powered Sensör Ağları

Soil Moisture İzleme

En yaygın uygulamalardan biri, zeminin üzerinde veya ısıtıcı bir yere bağlı olarak, 5–15 °C'nin tipik olarak mevcut olduğu sıcaklık, sensör elektronik ve LoRaWAN veya Zigbee vericisinin sıcak tarafını yerleştirerek, birkaç tane daha fazla batarya müdahale etmeden sürekli bir operasyon göstermiştir.

Mikroclimate ve Ek Sağlık Sensörleri

Hava sıcaklığı, göreceli nem, yaprak ıslaklığı izleyen ve atmosferik bir basınç, aşağıdaki ısı farkının kullanılmasıyla desteklenebilir.Bu veriler çiftçilerin soğuk ve gölgeli yapraklar arasındaki sıcaklık farkını veya bitki kanopy ve zemini tahmin etmesi gibi hastalık salgınları arasında. Örneğin, bir üzümlü bir sisli üst ve daha soğuk zemin arasında sıcaklık farkı kullanabilir.

Livestock Takip ve Off-Grid Giyimables

Bu tür işlemlerde, sığır veya koyunlar GPS yakaları veya sağlık izleme kulak etiketleri ile donatılmış olabilir. Bu tür aküler ağırlık ve yedek maliyet nedeniyle sorunludur. Bir TEG, yakadan gelen bir elektrikle ısıyı, hayvanın vücudundan ( ⁇ 37°C) ve onu çevreye kadar reddedebilir.

Su Kalitesi ve Akış İzleme

Sular, havuzlarda veya akışlarda kullanılan sensörler, yağdıran elektrik santrallerinden de yararlanabilir (örneğin, pH ve oksijen sensörleri, ağ olmadan sürekli su kalitesinin izlenmesine izin verir).

Meydanlar ve Sınırlar

Low Power Çıkış

TEG'lerin en önemli sınırlamaları, nispeten düşük güç yoğunluğudır. Tipik bir modül 4 cm × 4 cm ölçüm cihazı, TEG'nin çıkışına sadece 10-100 mW'yi başarıyla eşleştirmelidir.Bu, geçici IoT sensörleri için yeterli, ancak kameralar veya sürekli kablosuz akış gibi yüksek güç cihazlar için değil.

Verimlilik Eksileri

Termoelektrik verimliliği, yüksek kullanımsız ZT değerlerinin büyüklüğüne göre yönetilmektedir (örneğin, yarı heusler alaşımları veya nanoyapılı bismuthin söyleyebileceği gibi) aktif bir araştırma alanıdır, ancak yüksek maliyetli betonların çoğu zorlu kalır.

Inconsistent Sıcaklık Gradients

Tarımsal sıcaklıkları, hava ile değişir, mevsim ve gün zaman.Kayıt günleri 345T'ye yakın düşebilir, bu sensörün bir yedek batarya veya süper kapasiteye sahip olmadığı sürece, bir rezerve edilmesi gerekir. Sistem tasarımı, en kötü koşullar için enerji depolama boyutunu içermelidir, ki bu da TEG'leri küçük bir güneş hücresi veya rüzgar türbini ile birleştirir.

Bütünleşme ve ısı Lavabo

Bir TEG için, soğuk taraf soğuk bir şekilde tutulacaktır. Etkili ısı batması kritiktir - komponentli bir ısıtılabilir veya hasat edilebilir.Yere kadar sert mekanik tasarım, hasardan kaçınmak için gereklidir.

Future Developments and Research

Gelişmiş termoelektrik malzemeleri

Araştırmacılar, bitki kökleri veya drone vücutları gibi eğri yüzeylere uygun olan yüksek ZT değerleri ile materyalleri keşfediyorlar.Bu malzemeler, mütevazı gradientlerden gelen gücü dramatik bir şekilde artırabilir.

Hibrit Enerji Tasarruf Sistemleri

Çoğu sağlam uzaktan sensör sistemleri birden çok hasat teknolojisini birleştirir. Örneğin, bir TEG gece boyunca bir batarya şarj edebilir (toplamalı topraklar) gün boyunca küçük bir güneş panelinde bile şarj eder.Bir pastazoelektrik toplayıcısı, rüzgar kaynaklı titreşimleri yakalayabilir.

Akıllı Güç Yönetimi ve Low-Power Electronics

ICs daha enerji verimli hale geldikçe, algılama ve iletişim için gerekli olan eşik gücü düşüyor. Ultra-low-power micro controller (e.g., Arm Cortex-M0+ çekirdekler, 1 μA'yı uyku modunda) ve alt ⁇ A standby şu anda, sensörlerin on milyonlarca mikrowattlık siparişinde çalışmasını sağlar.

Çevre ve Ekonomik Etki Çalışmaları

Birkaç üniversite ve ag-tech startups, TEG tabanlı sistemlerin sadece bataryaya kıyasla toplam mülk sahibi olma maliyetini ölçmek için saha denemeleri yürütüyor ve karbon muhasebesi daha önemli hale geliyor, Kaliforniya Merkez Vadisi'ndeki denemelerden yüzlerce litreden kaçınma yeteneği ve aynı zamanda TEG tabanlı sistemlerin de sürdürülebilirlik ölçümlerine katkıda bulunduğunu gösteriyor.

TEG-Powered Sensörleri Uygulamak için tasarım ilkeleri

TEG'leri dikkate alan mühendisler ve çiftlik yöneticileri için aşağıdaki adımlar önerilir:

1. Sıcaklık Gradientini Karakterize

Veri hazinelerini, en az ortalamayı ölçmek için kullanın ve tam bir yıl boyunca planlanan sensör konumunda maksimum {{T mevcuttur. Bu, güç bütçesini bilgilendirir. Yalnızca ortalama değerlere güvenmeyin - gerekli enerji depolamasını belirler.

2. Doğru TEG Modülünü seçin

Boyutların mevcut ısı flux ve mekanik kısıtlamalarla eşleşmesini seçin.Marlow (II-VI) gibi üreticilerden ticari modüller, Kryotherm veya Tegpro, 150-200°C maksimum işletim sıcaklığı ile bir modül sunar ve entegre bir ısısink eki iyi bir başlangıç noktasıdır.

3. Boyut Enerji Depolama Uygunluk

Süper kapasiteli veya küçük Li-ion bataryası, sensörün ortalama tüketimine dayanan süreler boyunca sensöre değer vermek için boyutlandırılmalıdır (örneğin, gece boyunca sadece veya aşırı günlerce). Tipik bir kural, sensörün ortalama tüketimine dayanan 24-48 saat boyunca yeterli enerji depolamak zorundadır.

4. Sistemi Korumak

Bir hava geçirmez bir muhafazada TEG ve elektronikleri (IP67 veya daha yüksek) Devre yönetim kurulunda uygun kaplamaları kullanın. ısıt (cold side) pis veya çamur tarafından belirlenmemesini sağlayın.Yere bağlı metal kafes veya ağ geçidi, TEG'yi çubuklardan ve mekanik hasarlardan koruyabilir.

5. Monitor Performans Performansı

Sensörin donanımında üretim ve batarya durumunu takip etmek için gerilim ve mevcut izleme ekleyin. Düşük güç veya yüksek lisanslanmış TEG performansı için uyarılar bir bakım kontrolüne yol açabilir. Zamanla, veri toplama gelecekteki yüklemeler için daha iyi bir sistem tasarımı bildirebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Termoelektrik jeneratörleri, doğal olarak çevrede olan ubiquitous sıcaklık gradyanlarına dokunmak için değil, güvenilir, düşük bakımlı sistemler sunmuş ve enerji kaynağına daha fazla maliyet kazandırıyor.Bu nedenle, termoelektrik materyalinin ilerlemesine ve karma hasat sistemlerinin rolü daha akıllı, güneş ve gölge, hayvan ve çevre kirliliğine sahip olacak -TEG’lerin lojistik ve çevresel yükleri, bu enerji kaynaklarını benimsemeye uygun hale getirecek şekilde, bir sonraki tarımda yer alan bir tarımın rolü haline gelecek.

Daha fazla okuma için, bkz.FLT:0)U.S. Enerji Genel Bakış termoelektrik nesli), aENFLT:2, Sensörler dergisinde tarımsal IoT için hasat eden enerji tasarrufu [DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD) ve TEG-güçlü toprak sensörleri [DÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ