CN106549475A - 一种基于半导体温差发电模块的无线传感器供电单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于半导体温差发电模块的无线传感器供电单元。所述供电单元包括半导体温差发电模块，以及可存输电能的超级电容。热源通过导热块将热量传至半导体温差发电器热端，半导体温差发电器冷端热量通过散热器散出，半导体温差发电器冷热端会形成温差，基于塞贝克效应会产生温差电流。电能管理单元负责将供电单元输出的电能合理优化以便耗电装置使用，另负责根据实际环境情况切换半导体温差发电模块、超级电容，从中选取其一，作为无线传感器供电电源，并将半导体温差发电模块输出的空余电能为超级电容充电。半导体温差发电模块和超级电容的结合可为所连接的无线传感器提供几乎永久性的电源供应。

Description

一种基于半导体温差发电模块的无线传感器供电单元
技术领域
本发明涉及一种基于半导体温差发电模块的无线传感器供电单元，此供电单元还包括超级电容，属于无线传感器供电领域。半导体温差发电模块可为无线传感器供电，也可为超级电容充电，根据具体使用环境，利用半导体温差发电模块或超级电容其一为无线传感器供电。
背景技术
无线传感器无需供电导线，节省了昂贵的传感器线缆，可以在先前无法进入的位置轻松安装传感器，做到对每一个有用的测量点的信息采集。在国防安全、交通物流、工业、智能家居、生产现代化、医疗、节能应用等方面得到广泛应用。
一般情况下无线传感器的使用寿命要求长达数年甚至更长，无线传感器一般采用电池供电，但是电池可以使用的电量非常有限，如果电量耗尽得不到补充，无线传感器将自动退出使用。无线传感器的应用环境往往是非常复杂的，甚至是有害人体健康、人员难以到达的，另外，一个无线传感器网络可能会拥有成千上万无线传感器，在这种情况下，对电池的更换是非常困难的，甚至是不可能的。
许多无线传感器系统的平均消耗功率非常之低，而且传感器是以非常低的占空比工作的，从而可采集环境能量为其供电，避免了更换电池存在的不便，为无线传感器的工作提供长期稳定的电源。
半导体温差发电技术基于塞贝克效应，将热能直接转化为电能，其对环境要求非常低，半导体温差发电器冷热端只需有5℃温差，便可支撑一个无线传感器正常工作。超级电容较普通储蓄电池而言，具有充电速度快、使用寿命长、能量转换率高以及绿色环保的优点，如果将半导体温差发电模块和超级电容相结合作为无线传感器供电单元，当半导体温差发电模块与一个热源接触，温差足够时，便可以为无线传感器提供电能，空余电能为超级电容充电；当温差较小，半导体温差发电模块输出电能不足以支撑传感器工作时，由超级电容供电，半导体温差发电模块继续为超级电容充电；当半导体温差发电模块与热源脱离时，半导体温差发电器停止热电转换，此时便利用超级电容为无线传感器供电，半导体温差发电模块和超级电容的结合可消除热源供应中断或温差较小的影响，为所连接的无线传感器提供几乎永久 性的电源供应。
发明内容
本发明旨在利用半导体温差发电模块采集环境热量，结合超级电容，为无线传感器提供一种长期、稳定的供电单元，无需更换电池，从根本上解决了无线传感器的能量供应难题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：基于半导体温差发电模块的无线传感器，由供电单元、电能管理单元、处理器单元、传感器单元以及无线通信单元组成，见图1。所述供电单元包括半导体温差发电模块，以及可存输电能的超级电容。所述半导体温差发电模块包括半导体温差发电器(1)、导热片(2)、散热器(3)，导热块(5)。当半导体温差发电模块与一个热源接触，温差足够时，便可以为无线传感器提供电能，空余电能为超级电容充电；当温差较小，半导体温差发电模块输出电能不足以支撑传感器工作时，由超级电容供电，半导体温差发电模块继续为超级电容充电；当半导体温差发电模块与热源脱离时，半导体温差发电器停止热电转换，此时便利用超级电容为无线传感器供电，半导体温差发电模块和超级电容的结合可消除热源供应中断或温差较小的影响，为所连接的无线传感器提供几乎永久性的电源供应。
电能管理单元负责将半导体温差发电模块供应的电能转化为可供耗电装置使用的电能，另外负责决策半导体温差发电模块和超级电容之间充电线路的开通与否，以及半导体温差发电模块、超级电容的切换，从中选取其一，作为供电电源。
热源通过导热块(5)将热量传至半导体温差发电器(1)热端。所述热源包括管道、墙壁、设备壁面、暖气片、空调出风口等，但不局限于此，所述导热块(5)形状依据使用环境而定，可为柱形、环形、方形等，但不局限于此。
导热块需从PCB(4)穿过，故PCB(4)需开孔，开孔大小、形状依半导体温差发电器(1)、导热块(5)而定。半导体温差发电器(1)热端与导热块(5)的连接有三种实施方式，第一种，散热器(3)底板打通孔，导热块(5)开十字形槽，十字形固定条(7)打通孔，采用螺钉(6)夹紧固定，为了减小在螺钉(6)上的热损失，在满足机械性能的条件下，尽可能选用尺寸较小的螺钉(6)，此种方式之下，导热块(5)与半导体温差发电器(1)热端之间可加导热片(8)，以减小接触热阻，见图2；第二种，采用高导热性能的树脂粘结剂连接，见图3；第三种，将导热块(5)与半导体温差发电器(1)热端通过焊接方式连接，见图3。
半导体温差发电器(1)冷端热量需要及时散出，以使半导体温差发电器(1)冷热端具有足够温差，为此，半导体温差发电器(1)冷端附有散热器(3)，以加强散热。散热器(3)形式、尺寸根据使用环境、散热量、半导体温差发电器(1)尺寸等而定，其形状可为针形、齿形、翅形等，但不局限于此，目的在于提供最好散热性能。
导热片(2)布置于半导体温差发电器(1)冷端与散热器(3)之间，目的在于减小界面之间的接触热阻。
本发明的有益效果是：利用环境热量，采用半导体温差发电模块发电，结合超级电容为无线传感器供电，能实现无线传感器电能的长期、稳定供应，解决了目前无线传感器采用电池供电的情况下，电量少、供电不持久、更换电池困难、维护成本大的难题，做到对每一个有用的测量点的信息采集，可以在大范围内收集、处理和发布复杂的环境数据，提高了过程控制质量和能源管理效率。
附图说明
图1是一种基于半导体温差发电模块的无线传感器示意图
图2是采用螺钉紧固方式连接导热块与半导体温差发电器的示意图
图3是采用树脂粘结剂连接或采用焊接连接导热块与半导体温差发电器的示意图
具体实施方式
采用半导体温差发电模块的无线传感器主要包括供电单元、电能管理单元、处理器单元、传感器单元以及无线通信单元，见图1。所述供电单元包括半导体温差发电模块、超级电容，用于能量采集及存储。所述电能管理单元用于电能的处理、决策半导体温差发电模块和超级电容之间充电线路开通与否，以及半导体温差发电模块、超级电容的切换，从中选取其一，作为供电电源。所述处理器单元负责控制传感器单元、执行通信协议和处理传感数据。所述传感器单元用于采集环境的物理现象，并将其转化为电信号。所述无线通信单元用于信号的收发。
当半导体温差发电模块的导热块(5)与热源接触时，热源通过导热块(5)将热量传至半导体温差发电器(1)的热端，此时热端温度会上升，若半导体温差发电器(1)冷端温度比热端温度低，此时半导体温差发电器(1)冷热端会有一温差存在，基于塞贝克效应，半导体温差发电器(1)将采集的热能转化为电能。
导热块(5)需从PCB(4)穿过，故PCB(4)需开孔，开孔大小、形状依导热块、半导体温差发电器而定。半导体温差发电器(1)热端与导热块(5)的连接有三种实施方式， 第一种，散热器底板(3)打通孔，导热块(5)开十字形槽，十字形固定条(7)打通孔，采用螺钉(6)夹紧固定，为了减小在螺钉(6)上的热损失，在满足机械性能的条件下，尽可能选用尺寸较小的螺钉(6)，此种方式之下，导热块(5)与半导体温差发电器(1)热端之间可加导热片(8)，以减小接触热阻，见图2；第二种，采用高导热性能的树脂粘结剂连接，见图3；第三种，将导热块(5)与半导体温差发电器(1)热端通过焊接方式连接，见图3。
随着热源持续将热量通过导热块(5)传至半导体温差发电器(1)的热端，如果半导体温差发电器(1)冷端热量不及时排出，冷热端温差将会减小，发电效率下降，温差电流将不复存在。为了获得高质量、持续稳定的电能，要尽量增大半导体温差发电器(1)冷热端温差，因此冷端热量需要及时散出，冷端热量通过散热器(3)散出。
为了减小半导体温差发电器(1)冷端与散热器(3)的接触热阻，二者之间加有导热片(2)，其形状依据半导体温差发电器(1)、导热块(5)形状而定。并且在在合理的压缩范围内，散热器(3)、导热片(2)、半导体温差发电器(1)紧密贴合。
当半导体温差发电模块与一个热源接触，温差足够时，便可以为无线传感器提供电能，空余电能为超级电容充电；当温差较小，半导体温差发电模块输出电能不足以支撑传感器工作时，由超级电容供电，半导体温差发电模块继续为超级电容充电；当半导体温差发电模块与热源脱离时，半导体温差发电器停止热电转换，此时便利用超级电容为无线传感器供电，半导体温差发电模块和超级电容的结合可消除热源供应中断或温差较小的影响，可为所连接的无线传感器提供几乎永久性的电源供应。

Claims (10)

1.一种基于半导体温差发电模块的无线传感器供电单元，其特征在于，利用半导体温差发电模块采集环境热量为无线传感器供电。所述供电单元还包括超级电容。
2.根据权利要求1所述的无线传感器，包括：供电单元、电能管理单元、处理器单元、传感器单元以及无线通信单元。无线传感器电路集成于PCB(4)上。
3.根据权利要求1所述的电能管理单元，其特征在于，所述电能管理单元负责将供电单元输出的电能合理优化以便耗电装置使用，另负责根据实际环境情况从半导体温差发电模块、超级电容之中选取其一，作为无线传感器供电电源，并将半导体温差发电模块输出的多余电能为超级电容充电。所述的耗电装置，包括处理器单元、传感器单元以及无线通信单元，此外，电能管理单元也要消耗一部分电能，从属于耗电装置。
4.根据权利要求1所述的半导体温差发电模块，包括半导体温差发电器(1)、导热片(2)、散热器(3)，导热块(5)。
5.根据权利要求1所述的基于半导体温差发电模块的无线传感器供电单元，当半导体温差发电模块与一个热源接触，温差足够时，便可以为无线传感器提供电能，空余电能为超级电容充电；当温差较小，半导体温差发电模块输出电能不足以支撑传感器工作时，由超级电容供电，半导体温差发电模块继续为超级电容充电；当半导体温差发电模块与热源脱离时，半导体温差发电器停止热电转换，此时便利用超级电容为无线传感器供电，半导体温差发电模块和超级电容的结合可消除热源供应中断或温差较小的影响，为所连接的无线传感器提供几乎永久性的电源供应。
6.根据权利要求1所述的半导体温差发电模块，散热器(3)、导热片(2)、半导体温差发电器(1)、PCB(4)依次排列，散热器(3)底板打通孔、PCB(4)打通孔，用螺钉(6)紧固。
7.根据权利要求1所述的半导体温差发电模块，导热块需从PCB(4)穿过，故PCB(4)需开孔，开孔大小、形状依半导体温差发电器(1)、导热块(5)而定。半导体温差发电器(1)与导热块(5)热端连接有三种实施方式，第一种，散热器(3)底板打通孔，导热块(5)开十字形槽，十字形固定条(7)打通孔，采用螺钉(6)夹紧固定，为了减小在螺钉(6)上的热损失，在满足机械性能的条件下，尽可能选用尺寸较小的螺钉(6)，此种方式之下，导热块(5)与半导体温差发电器(1)热端之间可加导热片(8)，以减小接触热阻；第二种，采用高导热性能的树脂粘结剂连接；第三种，半导体温差发电器(1)热端与导热块(5)通过焊接方式连接。
8.根据权利要求4所述的导热片(2)，布置于半导体温差发电器(1)冷端与散热器(3)之间，界面紧密贴合，目的在于减小半导体温差发电器(1)与散热器(3)之间的接触热阻。 端通过导热块(5)从热源接收热量，提升热端温度，所述冷端通过导热片(2)、散热器(3)散出热量，降低冷端温度，热端比冷端温度高，冷热端有温差，基于塞贝克效应，发电器会产生温差电流，可作为无线传感器供电电源。
9.根据权利要求4所述的导热块(5)，将热源热量传至半导体温差发电器(1)的热端，为增强导热效果，优选导热系数大、价格相对低廉的金属作为导热块(5)，如铜、铝等，但不局限于此。导热块(5)形状可为柱形、环形、方形等，根据具体使用情形而定，但不局限于上述形状，目的在于在满足使用环境的情况下，最大程度的将热源热量传至半导体温差发电器(1)的热端。
10.根据权利要求4所述的散热器(3)，其作用是散出所述半导体温差发电器(1)冷端热量，使冷端维持较低温度，和所述半导体温差发电器(1)热端形成温差，进而形成温差电流。散热器(3)形状可为针形、翅形等，但不局限于此，根据使用环境、散热量、半导体温差发电器(1)规格而定，其目的在于提供最好散热性能。
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