王立舒，李欣然，蘇繼恒，張 旭，孫士達(dá)

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基于溫差電池的溫室地埋供熱金屬管道陰極保護(hù)改進(jìn)

王立舒，李欣然，蘇繼恒，張 旭，孫士達(dá)

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

北方溫室為種植反季節(jié)植物以及南方植物，普遍采用地埋供熱金屬管道供熱。陰極保護(hù)技術(shù)可以有效控制土壤對(duì)管道的電化學(xué)腐蝕，但常規(guī)的外接電流陰極保護(hù)方式成本高、占地大，犧牲陽極方式的保護(hù)壽命過短。為了給溫室地埋供熱金屬管道提供可靠的陰極保護(hù)，該文利用地埋供熱金屬管道表面余熱，基于溫差電池，對(duì)地埋供熱金屬管道提供外接電流方式的陰極保護(hù)。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該裝置溫差電池正常工作時(shí)冷熱兩端溫差為33.2 ℃，當(dāng)該裝置提供的保護(hù)電位為–1 100 mV時(shí)，管道保護(hù)度達(dá)到了92.79%。該研究為溫室地埋供熱金屬管道的保護(hù)提供了一種較為可行的方案，同時(shí)也對(duì)外接電流方式的短距離管道保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了初步探索。

溫度；發(fā)電；溫差；能量轉(zhuǎn)換；陰極保護(hù)

0 引 言

以運(yùn)輸石油、熱水、天然氣為主的管道運(yùn)輸己經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)的命脈[1-2]，但在運(yùn)輸過程中管道會(huì)發(fā)生腐蝕導(dǎo)致泄漏，造成經(jīng)濟(jì)損失以及環(huán)境污染。當(dāng)前的管道腐蝕影響因素眾多，如溫度因素、土壤環(huán)境變化因素等。地埋金屬管道的主要防護(hù)措施之一就是陰極保護(hù)，能夠保障管道運(yùn)輸?shù)目煽啃訹3]。為了緩解管道腐蝕速度，在地埋金屬管道布置期間，普遍采取管道外防腐絕緣層與陰極保護(hù)聯(lián)合使用的方式[4-5]，這是經(jīng)濟(jì)性最好、最為合理的防腐蝕措施。陰極保護(hù)能夠讓金屬不必遭受環(huán)境介質(zhì)（如土壤）的腐蝕，也就是使用犧牲陽極材料或者輔助陽極材料的腐蝕來對(duì)被保護(hù)部分的腐蝕進(jìn)行替代[6-8]，進(jìn)一步延長(zhǎng)被保護(hù)管道的使用壽命，使安全性與經(jīng)濟(jì)性得以提高。

陰極保護(hù)的方法主要有2種：一是比較常規(guī)的犧牲陽極的陰極保護(hù)[9]，但是陽極在土壤中逐漸會(huì)被鈍化層包裹，失去犧牲陽極的保護(hù)效果，且陽極材料本身也會(huì)不斷消耗，需要經(jīng)常更換[10-11]；二是外接電流的陰極保護(hù)，中國曾經(jīng)在西氣東輸工程中使用以天然氣為燃料的溫差電池作為輸氣管道陰極保護(hù)電源[12]，但目前的外接電流保護(hù)方式只適用于長(zhǎng)距離管道，需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓，占地面積大，設(shè)備昂貴[11]。如苗圃實(shí)驗(yàn)室的地埋供熱金屬管道，溫室蔬菜大棚的地埋供熱金屬管道等需要保護(hù)的管道過短，無法使用常規(guī)的外接電流陰極保護(hù)方式。

因此本文提出了一種基于溫差電池，以地埋供熱金屬管道表面熱量作為熱源，以土壤自然冷卻作為冷端散熱方式的陰極保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)地埋供熱金屬管道進(jìn)行外接電流方式的陰極保護(hù)。最后通過試驗(yàn)，對(duì)裝置提供的保護(hù)度進(jìn)行測(cè)試研究。

1 陰極保護(hù)原理及溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

1.1 陰極保護(hù)原理

環(huán)境介質(zhì)會(huì)使金屬發(fā)生反應(yīng)，從原子變?yōu)殡x子，也就是不斷的失去電子，這一過程稱為腐蝕。如果給金屬補(bǔ)充大量電子，使被保護(hù)的金屬電子過剩，金屬不易變成離子，這就是陰極保護(hù)技術(shù)[11]。溫室使用的地埋供熱金屬管道過短，如果選擇外接電流方式的陰極保護(hù)，需要的電能很微弱，電能的大量消耗會(huì)導(dǎo)致管道析氫斷裂[11]，所以使用溫差電池作為外接電源是一個(gè)理想的選擇。

1.2 溫差陰極保護(hù)系統(tǒng)組成

溫差電池以半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)換[13-14]。溫差電池的電學(xué)性能與直流電源相同，內(nèi)阻不會(huì)隨著兩端溫差變化而明顯變化[15]，在陰極保護(hù)系統(tǒng)中溫差電池具有很好的穩(wěn)定性[15-16]。

溫差陰極保護(hù)系統(tǒng)由溫差能量收集器、最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）電路、穩(wěn)壓電路和陰極保護(hù)部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 溫差陰極保護(hù)系統(tǒng)框圖

實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)所的大小以及所需電量來決定系統(tǒng)使用的溫差電池?cái)?shù)量。該系統(tǒng)將溫差電池采集到的能量通過MPPT電路進(jìn)行高效管理，再經(jīng)過穩(wěn)壓電路輸出，對(duì)溫室內(nèi)的地埋供熱金屬管道進(jìn)行外接電流方式的陰極保護(hù)。

1.3 溫差電池供電試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證通過地埋供熱金屬管道與周圍土壤間的溫差轉(zhuǎn)換出的電能供給管道進(jìn)行陰極保護(hù)的可行性，于2018年1月28日進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)所為黑龍江省齊齊哈爾市泰來縣宏程村明欣蔬菜合作社（N46°40￠，E123°46￠）。

該合作社共有5座溫室，每座溫室間隔10 m，各座溫室之間的土壤下埋有供熱金屬管道以及回水管道，管道埋于地下1.5 m深處。該溫室的地埋供熱金屬管道熱水來自于附近的生物質(zhì)能發(fā)電廠，一年四季都持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。溫室地埋供熱金屬管道具體參數(shù)如表1所示。

表1 溫室地埋供熱金屬管道參數(shù)

注：數(shù)據(jù)來源于工程參數(shù)。

Note: Data is derived from engineering parameters.

根據(jù)塞貝克效應(yīng)，當(dāng)半導(dǎo)體組件兩端存在溫差時(shí)，組件即可產(chǎn)生持續(xù)的直流電能，并且組件兩端的溫差越大，所產(chǎn)生的直流電能越大[17-19]。本文選擇的溫差電池型號(hào)為SP1848-27145，該溫差電池由碲化鉍材料制成，是目前應(yīng)用較普遍的型號(hào)。

本文首先對(duì)溫差電池兩端的溫度進(jìn)行測(cè)量，該試驗(yàn)在溫室外進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為當(dāng)天的12:00。試驗(yàn)中將一段底邊長(zhǎng)度為 900 mm的Q235鋼彎管橫穿過裝滿溫室土壤的塑料桶，在管道上包裹一層保溫層，將采用的SP1848-27145型號(hào)溫差電池嵌入于保溫層內(nèi)，熱端與金屬管道直接接觸。溫差電池?zé)岫伺c金屬管之間縫隙填入導(dǎo)熱硅膠，之后將包裹住溫差電池四周的保溫層進(jìn)行密封處理。溫差電池冷端通過導(dǎo)熱硅膠與鋁制散熱片貼 合[20-21]，散熱片與土壤充分接觸，對(duì)溫差電池冷端進(jìn)行散熱。將溫度計(jì)的金屬探頭埋于保溫層內(nèi)，實(shí)時(shí)測(cè)量鋼管的表面溫度，另一溫度計(jì)金屬探頭插入散熱片貼近溫差電池冷端的位置，實(shí)時(shí)測(cè)量溫差電池冷端溫度。同時(shí)為了測(cè)量溫差電池的實(shí)際輸出，在兩片溫差電池串聯(lián)后，通過導(dǎo)線連接萬用表，測(cè)量溫差電池的開路電壓以及內(nèi)阻。試驗(yàn)裝置如圖2a所示。

試驗(yàn)時(shí)用土壤將鋼管充分掩埋后，從鋼管向上彎曲的一端開始持續(xù)灌入68 ℃的熱水，鋼管出水口安裝有出水閥門，可以控制鋼管出水量。鋼管注入的水溫，以及鋼管出水口的水溫定時(shí)通過溫度計(jì)檢測(cè)，保證鋼管中的水溫至少達(dá)到57 ℃。測(cè)量試驗(yàn)如圖2b所示。

a. 測(cè)量裝置

a. Measurement device

b. 測(cè)量試驗(yàn)

試驗(yàn)中分別在注水0、1、5、10、15、20、25和30 min時(shí)測(cè)出溫差電池工作時(shí)的兩端溫度。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 溫差電池兩端溫度

在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，10 min時(shí)，溫差電池?zé)岫藴囟纫呀?jīng)開始趨于穩(wěn)定。20 min時(shí)，冷熱兩端溫差基本保持不變，兩端溫差為33.2 ℃。通過對(duì)溫室室內(nèi)裸露供熱金屬管道表皮溫度以及管道周圍溫室土壤溫度進(jìn)行測(cè)量，管道表皮溫度為53.4 ℃，溫室內(nèi)土壤溫度為20.1 ℃，二者溫差為33.3 ℃。該數(shù)據(jù)證明供熱金屬管道與周圍土壤之間能夠達(dá)到33.2 ℃的溫差，所以取試驗(yàn)20 min時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)較為可靠，可以作為溫差電池正常工作時(shí)的兩端溫差。

通過萬用表測(cè)量出串聯(lián)的兩片溫差電池在正常工作時(shí)的開路電壓與內(nèi)阻，算出平均值，得出單片溫差電池在實(shí)際工作時(shí)的數(shù)值。在20 min時(shí)，單片溫差電池開路電壓為1.248 V，內(nèi)阻為2.12 Ω。使用該組數(shù)據(jù)作為電路設(shè)計(jì)時(shí)的仿真參數(shù)。

1.4 溫差電池性能參數(shù)

溫差電池的性能主要指在冷熱兩端之間具有溫度差以及連接有負(fù)載情況下的電輸出性能[22]。開路電壓、伏安特性、輸出功率、熱電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)是描述溫差電池性能的主要參數(shù)[23]。而輸出功率與熱電轉(zhuǎn)換效率則是眾多參數(shù)中評(píng)述溫差電池性能的最重要的2個(gè)參數(shù)。因?yàn)楸疚难b置設(shè)計(jì)是為了給陰極保護(hù)提供足夠直流電能，所以主要對(duì)輸出功率進(jìn)行研究，對(duì)溫差電池進(jìn)行一維分析就足夠滿足設(shè)計(jì)需求[23]。

1.4.1伏安特性

根據(jù)塞貝克效應(yīng)，溫差電池的開路電壓，即為回路中的塞貝克電動(dòng)勢(shì)。

式中為塞貝克電動(dòng)勢(shì)，V；表示溫差電偶對(duì)的串聯(lián)個(gè)數(shù)；為塞貝克系數(shù)，V/K；T為溫差電池?zé)岫藴囟?，K；T為溫差電池冷端溫度，K。

因?yàn)楸狙b置在實(shí)際應(yīng)用中，溫差電池與鋼管間隙使用導(dǎo)熱硅脂填充，會(huì)有一定的損耗，所以存在導(dǎo)熱效率，在0~1區(qū)間取值。

當(dāng)溫差電池串聯(lián)外接負(fù)載電阻R時(shí)，溫差電池內(nèi)阻和外接負(fù)載電阻R串聯(lián)支路兩端就會(huì)外加塞貝克電動(dòng)勢(shì)，負(fù)載電阻R兩端的電壓即為實(shí)際的輸出電壓。

式中R為負(fù)載電阻，Ω；為溫差電池內(nèi)阻，Ω。

回路中的輸出電流表達(dá)式見式（3）。

1.4.2 輸出功率

溫差電池串聯(lián)外接負(fù)載電阻R后，根據(jù)式（1）和式（2）得出輸出功率out的表達(dá)式見式（4）。

由式（4）可知，當(dāng)溫差電池內(nèi)阻與負(fù)載電阻R數(shù)值相等時(shí)，輸出功率為最大值。溫差電池提供給負(fù)載的最大輸出功率out(max)見式（5）。

2 陰極保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案

2.1 溫差電池管理電路設(shè)計(jì)

基于溫差電池的溫室地埋供熱金屬管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的能量采集和管理電路主要是由芯片BQ25504、LM317以及它們相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。能量采集芯片BQ25504和降壓穩(wěn)壓芯片LM317一起實(shí)現(xiàn)了能量的高效利用和管理使用的多重功能。

在本文中，BQ25504芯片能夠以超低功耗從溫差電池中提取能量，通過電阻比例分壓法實(shí)現(xiàn)MPPT功能，對(duì)能量進(jìn)行高效管理。LM317芯片僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓，使用簡(jiǎn)單，負(fù)載調(diào)整率較好。

溫差電池的輸出電壓與兩端溫差成正比關(guān)系，但由于熱電材料自身的限制，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很小[24]。因此為獲得本試驗(yàn)使用的BQ25504芯片所需輸入電壓（限制5V以下），將3片型號(hào)為SP1848-27145的溫差電池串聯(lián)為一組，這種連接方式在外界溫度波動(dòng)時(shí)，會(huì)留有一定裕度。同時(shí)為了提高發(fā)電量再將兩組并聯(lián)，共6片溫差電池為后端提供直流電能，進(jìn)行陰極保護(hù)。

2.2 最大功率點(diǎn)跟蹤功能電路設(shè)計(jì)

MPPT是一種對(duì)發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電能最大化利用的技術(shù)[25-26]。通過對(duì)電氣模塊的調(diào)節(jié)，改變溫差電池的輸出電壓與開路電壓的比值，從而實(shí)現(xiàn)最大化的功率輸出。根據(jù)式（5）可以得知，當(dāng)溫差電池輸出的電壓為開路電壓的一半時(shí)，溫差電池輸出了最大功率。DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的動(dòng)態(tài)改變可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫差電池最大功率的提取，因此本文采用了BQ25504芯片[27]，通過該芯片設(shè)置溫差電池輸出電壓為開路電壓的50%，就能實(shí)現(xiàn)溫差電池的最大功率輸出。

圖3為溫差陰極保護(hù)系統(tǒng)的整體電路圖，在電壓輸入引腳VIN_DC和采樣引腳VOC_SAMP處分別連接分壓電阻12。VIN_DC引腳通過1接VOC_SAMP引腳，VOC_SAMP引腳通過2接地[27]。溫差電池的電壓輸出端為VIN_DC引腳，通過1和2分壓，實(shí)現(xiàn)了MPPT功能，VOC_SAMP引腳電壓見式（6）。

式中VOC_SAMP為MPPT采樣電壓，V；IN為輸入電壓，V。

由式（5）和式（6）可知，當(dāng)輸入電壓為開路電壓一半時(shí)，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了溫差電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。所以根據(jù)BQ25504的芯片手冊(cè)，1和2的阻值選擇10 MΩ。

本設(shè)計(jì)中所采用的BQ25504芯片每16 s采樣1次VOC_SAMP的電壓值[27]，芯片能夠?qū)夭铍姵氐妮敵鲭妷嚎刂圃诓蓸又蹈浇?，保證在溫差電池的輸出功率變化的情況下，可以短時(shí)間內(nèi)對(duì)溫差電池輸出的最大功率點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，實(shí)現(xiàn)電能的高效采集。BQ25504的其他引腳是用來設(shè)置外接電容的低壓和過壓閾值，本設(shè)計(jì)中使用BQ25504只是為了它的MPPT功能，通過VBAT端對(duì)后續(xù)電路進(jìn)行直接供電，所以其他引腳只是外接電阻之后接地。

溫差陰極保護(hù)系統(tǒng)的電路仿真過程中選用了TINA-TI軟件。將實(shí)際測(cè)量出的33.2 ℃溫差下的溫差電池開路電壓與內(nèi)阻參數(shù)輸入仿真軟件中，得到BQ25504空載輸出的仿真結(jié)果，進(jìn)行仿真后得到的BQ25504芯片的空載輸出電壓為3.69 V，如圖4所示。

注：R1~R16為電阻，Ω；L1為電感，μH；C1~C4為電容，μF；D1為二極管；VF1、VF2為正向電壓，V；P1為滑動(dòng)變阻器，Ω。

圖4 BQ25504仿真輸出

2.3 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

根據(jù)塞貝克原理可知，溫差電池的電壓輸出會(huì)受到冷熱兩端溫度變化的影響[13]。實(shí)際應(yīng)用中，冷熱兩端溫度難以保證恒定不變，所以在溫差供電系統(tǒng)中需要使用穩(wěn)壓電路。本文采用LM317作為可調(diào)穩(wěn)壓器。

LM317可以為低電壓電路提供穩(wěn)壓電源，該芯片的輸出電壓準(zhǔn)確度較高，而且輸出電壓的紋波較低，輸出范圍為1.25～37 V。仿真得到的BQ25504芯片的空載輸出電壓為3.69 V，根據(jù)LM317的特性，輸出比輸入電壓至少小2 V。同時(shí)也是根據(jù)管道陰極保護(hù)方面專家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在內(nèi)蒙古采用過1.6 V的恒定電位輸出進(jìn)行遠(yuǎn)距離管道陰極保護(hù)，其效果良好。所以本裝置降壓電壓輸出設(shè)置為1.6 V。根據(jù)芯片手冊(cè)查找，LM317芯片的輸出電壓表達(dá)式見式（7）。

式中FB為基準(zhǔn)電壓，V；R為滑動(dòng)變阻器阻值，Ω。

根據(jù)芯片手冊(cè)，LM317的基準(zhǔn)電壓為1.25 V，因此取R為56 Ω，3為200 Ω。最終裝置的空載輸出電壓為1.59 V，如圖5所示。

圖5 LM317仿真輸出

3 陰極保護(hù)實(shí)地試驗(yàn)

本裝置采用溫差電池將熱能轉(zhuǎn)換為電能，電能通過BQ25504的MPPT接口實(shí)現(xiàn)電功率的最大化利用，再經(jīng)過降壓穩(wěn)壓芯片LM317進(jìn)行穩(wěn)壓，最后輸出端通過導(dǎo)線外接地埋供熱金屬管道以及地埋金屬構(gòu)建的陽極床，對(duì)管道實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)[11]。

為了驗(yàn)證該裝置在實(shí)際中的應(yīng)用情況，本試驗(yàn)使用裝有熱水的燒杯作為熱源，對(duì)一段700 mm長(zhǎng)的Q235材質(zhì)的溫室地埋供熱金屬管道提供陰極保護(hù)。

溫差電池?zé)岫伺c燒杯之間涂有導(dǎo)熱硅脂，溫差電池冷端則是與涂滿導(dǎo)熱硅脂的散熱片相連。將兩片溫差電池串聯(lián)作為電源，為本文設(shè)計(jì)的溫差陰極保護(hù)裝置進(jìn)行供電。通過實(shí)際測(cè)量與計(jì)算得出，當(dāng)水溫為87 ℃時(shí)，兩片溫差電池的輸出功率為0.46W，能夠等效33.2 ℃溫差下工作的6片溫差電池輸出。因此，實(shí)際檢驗(yàn)中使用熱水作為熱源。

在陰極保護(hù)試驗(yàn)中將一段長(zhǎng)700 mm的Q235供熱金屬管道埋入溫室土壤中。在被保護(hù)管道的水平距離0.1 m處埋入一根長(zhǎng)度相同的廢鋼條作為陰極保護(hù)中的陽極床。保護(hù)裝置的負(fù)極通過導(dǎo)線與需要保護(hù)的管道相連接，正極導(dǎo)線與陽極床相連接。陰極保護(hù)中，金屬是否得到保護(hù)需要通過飽和硫酸銅參比電極進(jìn)行測(cè)量，在硫酸銅電極內(nèi)注入清水，搖晃均勻，保持有晶體析出的飽和狀態(tài)，電極底端木質(zhì)透氣塞用清水浸濕，埋入被保護(hù)金屬附近的土壤當(dāng)中。飽和硫酸銅參比電極所帶線夾夾住萬用表黑線一端，萬用表紅線一端放在被保護(hù)金屬體上，進(jìn)行電位測(cè)量。

根據(jù)中華人民共和國現(xiàn)行的《SY-T 0036-2016_埋地鋼制管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》，新建管道陰極保護(hù)電位應(yīng)在– 0.85 ~ – 1.25 V之間。如圖6所示，陰極保護(hù)裝置已經(jīng)生效，保護(hù)電位低于– 0.85 V，金屬管道處于陰極保護(hù)狀態(tài)[11]。

圖6 陰極保護(hù)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)該裝置提供保護(hù)電位為多少時(shí)才能對(duì)管道提供最高的保護(hù)度，試驗(yàn)中將供熱鋼管切割成9份20 mm長(zhǎng)的半圓鋼環(huán)，通過砂紙對(duì)試樣打磨除銹，在當(dāng)前功率下，通過調(diào)整陽極床埋置的水平距離，改變接地阻抗，分別在無保護(hù)、–900、–950、–1 000、–1 050、–1 100、–1 150、–1 200和–1 250 mV保護(hù)電位條件下，埋在土壤中自然腐蝕90 d，最終陰極保護(hù)試樣結(jié)果如圖7所示。

注：從左到右順次為無保護(hù)、–900、–950、–1 000、–1 050、–1 100、–1 150、–1 200和–1 250 mV保護(hù)電位下的試樣腐蝕結(jié)果。

自然腐蝕90 d后的試樣經(jīng)過水洗，清理試樣腐蝕產(chǎn)物，干燥后測(cè)量質(zhì)量損失，最后通過試樣腐蝕速率的計(jì)算[28]，得出具體的保護(hù)度[29]。由表3可見，裝置在提供的保護(hù)電位為–1 100 mV時(shí)能取得最好的保護(hù)效果。當(dāng)保護(hù)電位達(dá)到–1 150 mV時(shí)，因?yàn)殡妷哼^高，試樣出現(xiàn)析氫現(xiàn)象[30]，破壞試樣表面，并且隨著電壓的繼續(xù)升高，保護(hù)度逐漸降低。

表3 不同保護(hù)電位試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文提供了一種基于溫差電池的地埋供熱金屬管道陰極保護(hù)系統(tǒng)，通過對(duì)溫差電池的性能參數(shù)分析，選用了電阻比例分壓法作為最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）的控制方法。通過選擇BQ25504以及LM317芯片，設(shè)計(jì)相關(guān)外圍電路，構(gòu)建了一個(gè)完整的溫差自供電系統(tǒng)。并且通過試驗(yàn)，證明了地埋供熱金屬管道作為熱源提供能量的可行性，測(cè)量出了該保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際工作溫差，并且通過仿真得出了輸出數(shù)據(jù)，最后通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1）本文提出了使用溫差發(fā)電原理改進(jìn)溫室地埋供熱金屬管道陰極保的思想，以BQ25504為核心的電路，提供較為穩(wěn)定的保護(hù)電位，使系統(tǒng)具備啟動(dòng)電壓低及最大功率點(diǎn)輸出的優(yōu)點(diǎn)。通過管道的溫差測(cè)量試驗(yàn)證明了溫差電池作為短距離管道的陰極保護(hù)電源的可行性。

2）對(duì)溫差陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了不同電位下的陰極保護(hù)試驗(yàn)。在水平埋置的陽極床與保護(hù)管道水平距離為1.69 m時(shí)，裝置提供的保護(hù)電位為–1 100 mV，對(duì)管道的保護(hù)度達(dá)到了92.79%，該保護(hù)度已經(jīng)滿足了實(shí)際應(yīng)用中的陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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Improvement of cathodic protection of greenhouse buried heat-supplymetal pipeline based on thermoelectric cell

Wang Lishu, Li Xinran, Su Jiheng, Zhang Xu, Sun Shida

(150030,)

With the development of the global economy and the improvement of people’s living standards, the demand for traditional energy is increasing, which has led to serious energy shortage, and increasingly serious environmental pollution. More and more attention has been paid to thermoelectric power generation technology which takes the industrial and automobile waste heat as heat source. In order to plant out-of-season plants and southern plants, the northern greenhouses generally use heating pipeline for heating. Cathodic protection, as the main protective measure for buried pipelines, plays an important role in pipeline protection. In order to alleviate the corrosion rate of heating pipelines, the method of joint use of external anti-corrosion insulation layer and cathodic protection is generally adopted during the deployment of metal pipelines. This is also the most economical and reasonable anti-corrosion measure. Cathodic protection protects the metal from being corroded by the environmental media (such as soil), protect pipeline or equipment by corrosion with auxiliary anode or sacrificial anode materials, thereby achieving the purpose of prolonging the service life of the protected pipeline and improving its safety and economy. However, the cost for conventional external-current cathodic protection method is high with large footprint, and the protection life of the sacrificial anode method is too short. Therefore, in order to provide reliable external-current cathodic protection for greenhouse heating pipelines, this article uses the waste heat from the surface of the underground heating pipelines, through direct conversion of thermal energy into electrical energy by a thermoelectric power plant, to provide the cathodic protection of the external current mode for the buried heating pipeline. The technology has the advantages of green, environmental protection, simple structure, safety and reliability. This article focuses on the research of thermoelectric power generation systems, introduces the basic theory of thermoelectric power generation and derives the relationship of characteristic parameters of the thermoelectric cell. Based on the output characteristics of the thermoelectric cell, this article designs a self-powered system based on BQ25504 chip. The system collects the thermoelectric energy and continuously supplies it in the maximum power point tracking mode during operation. The thermoelectric conversion energy is collected by the BQ25504 chip produced by TI, and then supplied by the step-down regulator chip LM317 to cathodically protect the buried heating pipeline. The design uses the temperature of the pipeline as a heat source, and it has the advantages of almost no land occupation, long-term use, flexible protection and energy saving. Through field tests, the temperature difference between the cold and the hot ends of the device was found to be 33.2 ℃, which proved that the greenhouse heating pipeline was a heat source worthy of utilization. Finally, through the natural corrosion test, it was found that when the horizontal distance of the anode bed was 1.69 m and the protective potential provided by the device was –1 100 mV, the degree of protection to the pipeline could reach 92.79%. This study provides a more feasible solution for the protection of greenhouse heating pipelines, and at the same time, the short-distance pipeline protection technology of external current mode is also explored.

temperature; power; temperature difference; energy conversion; cathodic protection

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.025

TM913

A

1002-6819(2018)-19-0195-07

2018-03-26

2018-08-12

黑龍江省教育廳科技課題（12521038）

王立舒，教授，博士，博導(dǎo)。研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化；電力新能源開發(fā)與利用。Email：wanglishu@neau.edu.cn

王立舒，李欣然，蘇繼恒，張 旭，孫士達(dá). 基于溫差電池的溫室地埋供熱金屬管道陰極保護(hù)改進(jìn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(19)：195－201. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.025 http://www.tcsae.org

Wang Lishu, Li Xinran, Su Jiheng, Zhang Xu, Sun Shida. Improvement of cathodic protection of greenhouse buried heat-supply metal pipeline based on thermoelectric cell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 195－201. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.025 http://www.tcsae.org