【摘 要】
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无线传感器的供电问题制约着物联网技术在林业上的运用,一种解决思路是利用森林浅层土壤与空气之间的温度差,根据塞贝克效应进行温差发电,供给无线传感器使用。本文以土壤—翅片界面热传递规律及其对森林土壤温差发电系统输出的影响为研究对象,建立了土壤—翅片界面仿真模型,设计和搭建了森林土壤温差发电室内模拟装置,并在室内模拟试验的基础之上,进行了室外实地试验。为了更有效地从浅层土壤中收集微热量,分别通过仿真分析
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无线传感器的供电问题制约着物联网技术在林业上的运用,一种解决思路是利用森林浅层土壤与空气之间的温度差,根据塞贝克效应进行温差发电,供给无线传感器使用。本文以土壤—翅片界面热传递规律及其对森林土壤温差发电系统输出的影响为研究对象,建立了土壤—翅片界面仿真模型,设计和搭建了森林土壤温差发电室内模拟装置,并在室内模拟试验的基础之上,进行了室外实地试验。为了更有效地从浅层土壤中收集微热量,分别通过仿真分析、理论计算和试验验证等方法探索土壤—翅片管界面传热的时空规律。针对36种不同的工作条件进行了仿真分析,得到了翅片管上的温度和热通量的经验公式,根据土壤温度、土壤含水率和空气温度即可以通过公式获得温度和热通量。仿真分析还表明,热通量最高可达约0.30 mW/mm2,通过翅片管可获取能量约1 507.96 mW。理论计算表明,与单纯铜管相比,铜质翅片管可提高热传递效率76.77%,显著提高了热传递效率。仿真与计算结果还表明,当土壤含水率高于30%时,热传递效率显著增高,因此,发电装置的翅片管应布设在土壤含水率高于30%的位置,以便从土壤中获得更多热量。搭建了土壤温差发电室内模拟装置,该装置通过布设在土槽中的发热电缆实现土壤均匀加热,通过该装置在室内研究土壤温差发电特性,模拟试验结果表明:在森林中土壤—空气实际温差为10℃左右时,输出电功率达到3.5 mW。通过引入温差传递效率系数η和滞后系数φ提出了土壤—空气温差与输出功率之间的理论关系模型:PR=1.459×10-3(η7△TS-A-φ)2,利用该模型,可根据土壤与空气的实际温差计算温差发电装置输出功率。在室内模拟装置的基础上,研制了用于室外林地的土壤温差发电装置,并在北京和哈尔滨开展了为期9个月的森林土壤温差发电实地试验,土壤与空气之间温差达到13.8℃和28℃。最大输出功率分别达到2.3mW和3.7mW,整个发电期间可收集电能1 181.952J 和 5 209.92J。
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