0 引言

    隨著礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的趨于成熟，越來越多的無線監(jiān)測設(shè)備及裝置將應(yīng)用到煤礦井下^[1]，以此滿足煤礦不斷增長的礦山安全監(jiān)測需求，解決煤礦有線監(jiān)測系統(tǒng)安裝不便、監(jiān)測范圍窄的問題，從而提高煤礦的安全生產(chǎn)和安全監(jiān)測水平。但絕大多數(shù)無線節(jié)點(diǎn)采用電池供電，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間受到電池的供電時(shí)間的制約，此外，大量的無線節(jié)點(diǎn)電池在井下進(jìn)行維護(hù)也會(huì)浪費(fèi)大量的人力資源。因此，如何有效延長無線節(jié)點(diǎn)的供電時(shí)間，是無線節(jié)點(diǎn)在井下大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。能量收集技術(shù)^[2]是一種將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換成電能的方法，對解決井下電池容量有限的問題有著重要的意義。

    煤礦工作面是井下環(huán)境中各類能量較為集中的區(qū)域，如通風(fēng)所需的風(fēng)能、設(shè)備表面的熱能、設(shè)備工作時(shí)的振動(dòng)能量等。煤礦生產(chǎn)過程中，在工作面通常會(huì)集中大量的生產(chǎn)和電氣設(shè)備，這些設(shè)備所產(chǎn)生的熱能非?？捎^。因此，本文將對設(shè)備表面熱能的有效轉(zhuǎn)換方法展開研究。

1 井下溫差能轉(zhuǎn)換的基本原理

    溫差能到電能的轉(zhuǎn)換的基本原理是基于塞貝克效應(yīng)，如圖1所示。在兩種不同導(dǎo)體或?qū)щ婎愋筒煌陌雽?dǎo)體a和b構(gòu)成的閉合回路中，兩個(gè)連接點(diǎn)（點(diǎn)1和點(diǎn)2）溫度不同，即存在溫度梯度ΔT=(T₁-T₂)，則兩個(gè)連接點(diǎn)間的回路中會(huì)產(chǎn)生電勢V，且在回路中有電流通過，該現(xiàn)象被稱之為塞貝克效應(yīng)^[3]。塞貝克效應(yīng)是溫差發(fā)電器（Thermal Electric Generator，TEG）熱電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)，塞貝克效應(yīng)可以由塞貝克系數(shù)α_ab來表征，表示為^[4]：

    礦井下工作環(huán)境中存在溫度的差異，可利用溫差發(fā)電來為無線傳感器提供能量^[5]，井下熱源主要集中在大型開采、動(dòng)力、電力設(shè)備的發(fā)熱，雖然大型設(shè)備本身存在散熱系統(tǒng)，但其表面溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。在淄礦集團(tuán)、山煤集團(tuán)等煤礦調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)表面溫度在停機(jī)2 h后，依然高達(dá)48 ℃，開機(jī)工作時(shí)表面溫度可達(dá)60 ℃以上，具有可觀的溫差能量。特別是刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)均具有水冷系統(tǒng)可以加以利用，能夠有效提高熱電材料兩端的溫度差，增加熱電材料的轉(zhuǎn)化輸出功率；井下工作面可利用的平均風(fēng)速能夠達(dá)到3 m/s以上，因此，在工作面其余位置，則可利用風(fēng)冷散熱裝置對熱電材料冷端進(jìn)行散熱。

2 溫差能轉(zhuǎn)換特性分析

    基于上述調(diào)研和現(xiàn)場測試結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室搭建了溫度差能量的試驗(yàn)測試平臺(tái)，用以模擬井下工作面環(huán)境，測試和分析了不同種類熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換性能及不同冷卻方式的熱電轉(zhuǎn)換效率。

    試驗(yàn)平臺(tái)由加熱裝置、散熱裝置、導(dǎo)熱部分、隔熱部分、溫差發(fā)電模塊和測量儀表組成。采用的溫差發(fā)電模塊型號(hào)為TEG-199-1.4-0.5和SP1848-27145，芯片尺寸為44 mm×40 mm×3 mm，最大耐溫為200 ℃。加熱裝置和散熱裝置分別用作熱源和熱沉，其作用是在發(fā)電模塊的冷熱兩端產(chǎn)生溫度差。上下銅板用于均熱，以確保其上放置的多個(gè)溫差發(fā)電模塊工作于相近的熱工況之下。溫差發(fā)電模塊冷熱端敷涂導(dǎo)熱硅脂，以填充模塊兩端陶瓷基板和銅板之間的微小空氣間隙，提高熱傳遞效率。試驗(yàn)在增加散熱面積的條件下采用自然對流散熱和風(fēng)冷、水冷散熱，冷熱端的均熱銅板通過橡塑隔熱材料進(jìn)行隔熱處理，以保證冷熱端產(chǎn)生足夠的溫度差。冷熱端溫度通過TES-1320熱電偶數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行測量，輸出電壓通過數(shù)字示波器進(jìn)行測量。

2.1 溫差發(fā)電模塊的輸出阻抗特性

    當(dāng)溫差發(fā)電模塊冷熱兩端的溫差T一定時(shí)，電壓與電流呈線性的關(guān)系，阻抗呈現(xiàn)純阻性。溫差發(fā)電模塊內(nèi)阻r表達(dá)式如式(3)所示：

其中，U_o是開路電壓，U_R是負(fù)載R上的電壓，I_R是負(fù)載R上的電流。試驗(yàn)測量了不同冷熱端溫差ΔT情況下的開路電壓和負(fù)載電壓并通過式(3)計(jì)算溫差發(fā)電模塊的內(nèi)阻特性，如表1、表2所示，其中負(fù)載電阻R=51 Ω。

    從表中可以看出，在相同的溫差下，型號(hào)TEG-199-1.4-0.5的溫差發(fā)電片比型號(hào)SP1848-27145的發(fā)電片輸出電壓更大，能量轉(zhuǎn)換效率更高，而且內(nèi)阻r更小更穩(wěn)定，所以之后的實(shí)驗(yàn)采用的溫差發(fā)電模塊型號(hào)為TEG-199-1.4-0.5，而且為了輸出最大功率，進(jìn)行負(fù)載匹配，即R=r，約等于5 Ω。

2.2 不同散熱方式的輸出功率特性

    由于TEG冷端和熱端之間的熱傳遞，兩端的溫差會(huì)不斷縮小，直到和冷端的散熱達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，為了提高平衡時(shí)的溫差，需要增加散熱裝置。分別使用普通散熱片、風(fēng)冷散熱和水冷散熱裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，如圖2所示。熱平衡下采用風(fēng)冷（U₁）和水冷（U₂）散熱的TEG輸出電壓如表3所示。

    通過實(shí)驗(yàn)對比得出，開始時(shí)采用普通散熱片散熱的TEG的輸出功率最高，但隨著熱傳遞的進(jìn)行，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，它的輸出功率不到1 mW，而風(fēng)冷散熱和水冷散熱有幾十毫瓦的輸出，輸出功率顯著提高。結(jié)合井下條件，井下設(shè)備表面溫度在停機(jī)2 h后，依然高達(dá)50 ℃，開機(jī)工作時(shí)表面溫度可達(dá)70 ℃，井下環(huán)境溫度有20 ℃，因此可利用的溫差為30 ℃～50 ℃。從圖2可以看出當(dāng)溫差為30 ℃和50 ℃時(shí)，采用風(fēng)冷散熱的TEG穩(wěn)定輸出功率分別為8 mW和16 mW，采用水冷散熱的TEG穩(wěn)定輸出功率分別為14 mW和50 mW。

    上述試驗(yàn)表明，井下的應(yīng)用環(huán)境中，溫差熱能收集的輸出功率可達(dá)十幾到幾十毫瓦的量級(jí)，且屬于低阻換能器件。為盡可能提高熱能收集及轉(zhuǎn)換效率，需要進(jìn)行以下幾方面的優(yōu)化考慮：合理的熱路安排，以產(chǎn)生盡可能大的溫度差T；采用賽貝克系數(shù)較大的溫差發(fā)電模塊，以產(chǎn)生更大的溫差電動(dòng)勢；進(jìn)行負(fù)載匹配R=r，以輸出最大功率。

3 升壓電路及能量存儲(chǔ)方法

    溫差能轉(zhuǎn)換的電能主要用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電，而無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電能消耗主要用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，即無線通信階段^[6]，而熱電轉(zhuǎn)換得到的電能瞬時(shí)功率有限，不足以支持無線傳感器節(jié)點(diǎn)提供通信所需。因此，有必要尋求合適的能量存儲(chǔ)方法，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的微弱電能。

    目前的能量存儲(chǔ)方法包括：(1)利用普通電容快速?zèng)_放電效應(yīng)收集并存儲(chǔ)產(chǎn)生的電能；(2)利用可充電電池收集并存儲(chǔ)能量。電池和超級(jí)電容器的主要區(qū)別在于容量曲線，電池通常在低于特定電壓的情況下具有很小或者不具有容量，而電容器在較低電壓下具有容量。由于轉(zhuǎn)換輸入電流較小，電容電壓建立過程將十分緩慢或無法建立電壓，因此，本文采用鋰離子電池收集并存儲(chǔ)能量。表4是選取的鋰電池的充放電特性參數(shù)。

    由于熱電轉(zhuǎn)換后得到的電能等級(jí)較低，且隨著冷、熱端的熱平衡后，輸出的電能為毫瓦級(jí)別，輸出電壓為毫伏級(jí)別，因此，需要設(shè)計(jì)升壓電路，以滿足鋰電池的充電電壓需求。本文采用bq25505升壓變壓器對微弱電能進(jìn)行管理。bq25505的工作啟動(dòng)電壓為330 mV，電路啟動(dòng)后只要100 mV以上的輸入電壓即可維持電路工作，如表3所示，當(dāng)井下環(huán)境的溫差在20 ℃以上時(shí)，TEG達(dá)到熱平衡狀態(tài)后，輸出電壓高于100 mV，滿足bq25505的井下工作需求。

    但鋰離子電池通過bq25505充電的時(shí)間較長，為保證充電期間無線節(jié)點(diǎn)的正常工作，無線傳感器節(jié)點(diǎn)配置兩種儲(chǔ)能元件，一塊大容量備用電池，一塊小容量的LIR系列鋰電池。通過分壓電阻控制bq25505對兩塊電池進(jìn)行切換，出廠設(shè)置的切換電壓分別為2.8 V和3 V，即當(dāng)LIR鋰電池電壓低于2.8 V時(shí)，斷開供電狀態(tài)，切換到備用電池供電，TEG轉(zhuǎn)換的能量全部為鋰電池充電；當(dāng)鋰電池電壓高于3 V時(shí)，TEG轉(zhuǎn)換的電能與鋰電池共同為無線節(jié)點(diǎn)供電。

    此外，對于任何升壓轉(zhuǎn)換器，必須執(zhí)行功率平衡：

其中，P_in是bq25505升壓管理模塊的輸入功率，P_out是相對應(yīng)的輸出功率，η是bq2550模塊的能量轉(zhuǎn)化效率。

    假設(shè)設(shè)備用電池的容量為C_B，儲(chǔ)能鋰電池的容量為C_Li，熱電能量收集裝置的輸入功率為P_in，鋰電池通過該裝置充滿一次電的時(shí)間為T_c，傳感器節(jié)點(diǎn)的工作周期為T_s（其中發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間為T_o），發(fā)送功率為P_o（其中工作電壓為V_o，電流為I_o）。

    如果只用備用電池對傳感器節(jié)點(diǎn)供電，則可以工作的時(shí)間t_B為：

    現(xiàn)加上熱電能量收集裝置，在t_B時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)能鋰電池總共可以收集的能量C_L為：

    當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由鋰電池和TEG共同供電，結(jié)合能量收集裝置的轉(zhuǎn)換效率，TEG可以提供的功率為P_in×η，所以鋰電池需要提供的功率P_Li為：

    在t_B時(shí)間內(nèi)，鋰電池收集的能量可以使用的時(shí)間t_L為： 

    則通過使用該能量收集裝置，相對于備用電池單獨(dú)供電，傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間提高率x為：  

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

    按圖2所示試驗(yàn)系統(tǒng)，將TEG接入bq25505升壓電路，對其性能進(jìn)行測試。為了方便測試和比較，使用電壓源（Keysight 5705B）模擬TEG的輸出。

    當(dāng)bq25505升壓管理模塊的輸入端接入TEG進(jìn)行能量采集，則采集的熱能和鋰電池共同為負(fù)載供電，從環(huán)境中采集的能量使鋰電池的供電時(shí)間延長，具體如表5所示，其中鋰電池的初始電壓為4.2 V，負(fù)載電阻為267 Ω，放電終止電壓為2.8 V，P_in是bq25505模塊的輸入功率。

    放電實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)鋰電池電壓降到2.8 V時(shí)，電壓跳動(dòng)約5 min，然后變?yōu)?.63 V，這時(shí)鋰電池?cái)嚅_并開始充電，備用電池啟動(dòng)對負(fù)載供電。以LIR1620鋰電池為例進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，充電過程如圖3所示，其中負(fù)載電阻為267 Ω。

    從圖3中可以看出，當(dāng)鋰電池電壓上升至3 V左右時(shí)，鋰電池電壓發(fā)生跳變，這時(shí)備用電池?cái)嚅_，鋰電池開始對負(fù)載供電，這與出廠設(shè)定的閾值完全吻合。

    此外，還可以看出，當(dāng)輸入功率P_in=53 mW時(shí)，鋰電池的電壓基本不變，由此和式（3）可以算出bq25505升壓管理模塊的能量轉(zhuǎn)化效率η=67%。

    將CC2530無線傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片作為負(fù)載接入熱電能量轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行測試，其最大發(fā)送功率約為100 mW（工作電壓為3.3 V，電流約為30 mA），采用備用電池型號(hào)為CR2477（容量為1 000 mAh），采用的儲(chǔ)能鋰電池型號(hào)為LIR2025（容量為30 mAh），在熱電能量收集裝置的輸入端接上TEG進(jìn)行能量采集，采用水冷散熱，則該裝置的穩(wěn)定輸入功率約為50 mW，bq25505的電池切換閾值設(shè)定為3.7 V，實(shí)驗(yàn)測得LIR2025充滿的時(shí)間周期約為3 h，將上述數(shù)據(jù)代入式（4）～式（8），可以求得該傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間提高了50%。

5 結(jié)論

    本文主要介紹礦山自動(dòng)能量捕獲技術(shù)與裝置的初步研究成果，研究井下設(shè)備表面熱能的自動(dòng)捕獲與存儲(chǔ)，對溫差發(fā)電片、儲(chǔ)能元件和bq25505超低功耗收集電源管理IC評(píng)估模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該裝置收集溫差熱能，可使鋰電池的放電工作時(shí)間顯著提高，在溫差為50 ℃時(shí)，采用水冷散熱方式，可將CC2530無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間提高50%。

    為盡可能提高熱能收集及轉(zhuǎn)換效率，本文進(jìn)行以下幾方面的優(yōu)化考慮：采用賽貝克系數(shù)較大的溫差發(fā)電模塊，以產(chǎn)生更大的溫差電動(dòng)勢；合理的熱路安排，以產(chǎn)生盡可能大的溫度差T；進(jìn)行負(fù)載匹配R=r，以輸出最大功率。此外，還可以把導(dǎo)熱硅膏換成熱傳遞性能更好的石墨烯材料，并且把它涂抹在散熱片上，加快散熱；利用力學(xué)等原理設(shè)計(jì)散熱片結(jié)構(gòu)，調(diào)整風(fēng)吹的方向找到最佳的散熱風(fēng)向；擴(kuò)大散熱片面積，將多個(gè)散熱片進(jìn)行串并聯(lián)，根據(jù)發(fā)電效率的提升比例確定散熱片的最優(yōu)個(gè)數(shù)；混合多種能量發(fā)電，除了溫差發(fā)電的熱能，還可以結(jié)合風(fēng)電轉(zhuǎn)換，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能或者電磁能進(jìn)行采集。

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作者信息:

馮  凱1，2，郭  雨1，2，趙  端1，2，翟  勃3，王衛(wèi)龍3

(1.礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221008；

2.中國礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心，江蘇 徐州221008；

3.山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司信息中心，山東 淄博255199)