森林土壤温差发电热传递规律及其对系统输出的影响机制

Wireless sensor is an important foundation for monitoring information in forest . But, power supply is the key constraint for its application in forest. At present, due to the limitations of the other power supply , it is mainly powered by batteries. The battery replacement is not timely and impact monitoring network. Therefore, it is urgent to find a power supply obtained from the near surrounding environment in situ. Soil is a huge body of heat storage. If it can be exploited for generating electricity based on the temperature difference between the upper and lower layer soil in forest, it would be a good solution for the power problem of wireless sensors in forest. Heat source is a major factor affecting the efficiency of the thermoelectric power generation. Due to the complex composition and large thermal resistance of forest soil , its thermal characteristics change in time and space. Based on thermodynamic theory , thermoelectric conversion technology and numerical simulation method, this project focuses on the heat characteristics and system transfer law in forest soil thermoelectric power generation system. The main contents include: (1) temporal changing law of the thermal characteristics of forest soil, (2) the heat transfer law and modeling of the thermoelectric power generation system, (3) effects of heat transfer law and thermal characteristics on electrical output, (4)forest soil thermoelectric power generation unit development, (5)experimental verification of the theoretical model.The research project will provide a basic theory and optimization methods for thermoelectric conversion in forest soil, and provide a new power supply for wireless sensors.

无线传感器是林内信息精准监测的重要技术基础，而电源是制约其在林内应用的关键。由于其他供电方式的局限，目前，林内使用的无线传感器主要由电池供电，电池更换不及时而影响监测网络。因此，迫切需要寻找一种新的就地取材的原位供电技术。土壤是一个巨大的储热体，如果能利用森林土壤上下温差发电，将是解决林中无线传感器供电问题的新途径。热源是影响温差发电效率的关键因素，森林土壤成分复杂，热阻较大，其热源特性随时空变化，本项目基于热力学理论和热电转换理论，重点研究森林土壤温差发电的热传递规律及其对系统输出的影响机制，包括：（1）森林土壤热源特性及其时空变化规律；（2）森林土壤温差发电系统热传递规律；（3）森林土壤热源特性与热传递规律对系统电输出的影响；（4）森林土壤温差发电装置的技术实现；(5) 温差发电系统理论模型的实验验证。研究成果将为森林土壤温差发电提供基础理论，为森林监测无线传感器提供一种新的供电方法。

森林监测无线传感器是实现精准林业监测的重要技术支撑，但其受限于电源供电方式，很难完成长时间、无间断的工作模式，如何利用森林环境能量为传感器提供连续可靠的电能是待于解决的问题。本项目旨在研究森林土壤温差发电模型机理及其装置的技术实现，为林用传感器提供可行的供电方案。项目研究了森林土壤热源特性；设计了一种森林土壤温差发电系统，研究系统内热传递的规律；通过改变系统中土壤、热管等参数，研究系统内各部分对电输出的影响规律；提出土壤温差发电模型，并研制了森林土壤温差发电装置，对其进行了测试。本项目研究成果为林用传感器低功耗监测设备提供了一种可行的供电方案，为土壤温差发电系统在林区的应用提供理论与技术支撑。.主要成果摘要如下：.1. 对森林土壤热物性和随时间的变化规律进行研究。通过研究得到关于森林多层土壤温度和湿度的经验公式；通过土壤质量含水率和干密度这两个土壤热物性影响因素结合土壤的三相特性，提出了一种基于土壤三组分随机混合的重构模型，根据此模型提出了计算土壤有效导热系数的数学方法；.2. 对森林土壤温差发电系统中热传递规律进行了研究。建立了土壤与重力热管间热阻模型、重力热管—土壤界面温度场及热交换模型、重力热管传热模型、温差发电片热电转换模型；.3. 研究得到土壤参数、热管工作倾角、系统传热等因素对土壤温差发电系统的电输出影响机理和规律;.4. 研制了基于物联网技术的森林土壤温差发电装置及远程实时监测装置。该装置能对森林土壤温差发电系统的发电量和环境参数进行长期、连续的监测;.5. 研制了森林土壤温差发电系统能量收集装置。分别设计了两套独立的DC/DC转换电路与存储电路，对上述装置进行性能对比测试及能耗分析，实验表明能量收集系统的最大能耗占总输入能量的33.8%，具有较好的适用性。.