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)點采用電池供電，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行時間受到電池的供電時間的制約,，此外,，大量的無線節(jié)點電池在井下進行維護也會浪費大量的人力資源。因此,，如何有效延長無線節(jié)點的供電時間,，是無線節(jié)點在井下大規(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)備工作時的振動能量等,。煤礦生產(chǎn)過程中，在工作面通常會集中大量的生產(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,，兩個連接點（點1和點2）溫度不同，即存在溫度梯度ΔT=(T₁-T₂),，則兩個連接點間的回路中會產(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),，但其表面溫度遠高于環(huán)境溫度,。在淄礦集團、山煤集團等煤礦調(diào)研時發(fā)現(xiàn),，工作面采煤機,、刮板輸送機的傳動系統(tǒng)表面溫度在停機2 h后，依然高達48 ℃,，開機工作時表面溫度可達60 ℃以上,，具有可觀的溫差能量。特別是刮板輸送機,、采煤機均具有水冷系統(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,，在實驗室搭建了溫度差能量的試驗測試平臺，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,。

    試驗平臺由加熱裝置、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)字溫度計進行測量,，輸出電壓通過數(shù)字示波器進行測量。

2.1 溫差發(fā)電模塊的輸出阻抗特性

    當溫差發(fā)電模塊冷熱兩端的溫差T一定時,，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表達式如式(3)所示：

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

    從表中可以看出,，在相同的溫差下，型號TEG-199-1.4-0.5的溫差發(fā)電片比型號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，所以之后的實驗采用的溫差發(fā)電模塊型號為TEG-199-1.4-0.5,，而且為了輸出最大功率,，進行負載匹配，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，兩端的溫差會不斷縮小,，直到和冷端的散熱達到一個平衡狀態(tài),，為了提高平衡時的溫差，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行實驗對比，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,。

    通過實驗對比得出，開始時采用普通散熱片散熱的TEG的輸出功率最高,，但隨著熱傳遞的進行,，達到平衡狀態(tài)時，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2 h后,，依然高達50 ℃，開機工作時表面溫度可達70 ℃,，井下環(huán)境溫度有20 ℃,，因此可利用的溫差為30 ℃～50 ℃。從圖2可以看出當溫差為30 ℃和50 ℃時,，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十幾到幾十毫瓦的量級,，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)生更大的溫差電動勢,；進行負載匹配R=r，以輸出最大功率,。

3 升壓電路及能量存儲方法

    溫差能轉(zhuǎn)換的電能主要用于無線傳感器節(jié)點的供電,，而無線傳感器節(jié)點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)換得到的電能瞬時功率有限,，不足以支持無線傳感器節(jié)點提供通信所需。因此,，有必要尋求合適的能量存儲方法,，存儲轉(zhuǎn)換的微弱電能。

    目前的能量存儲方法包括：(1)利用普通電容快速沖放電效應(yīng)收集并存儲產(chǎn)生的電能,；(2)利用可充電電池收集并存儲能量,。電池和超級電容器的主要區(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較低,，且隨著冷、熱端的熱平衡后,，輸出的電能為毫瓦級別,，輸出電壓為毫伏級別，因此,，需要設(shè)計升壓電路,，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行管理,。bq25505的工作啟動電壓為330 mV，電路啟動后只要100 mV以上的輸入電壓即可維持電路工作,，如表3所示,，當井下環(huán)境的溫差在20 ℃以上時,，TEG達到熱平衡狀態(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充電的時間較長，為保證充電期間無線節(jié)點的正常工作,，無線傳感器節(jié)點配置兩種儲能元件,，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對兩塊電池進行切換,，出廠設(shè)置的切換電壓分別為2.8 V和3 V，即當LIR鋰電池電壓低于2.8 V時,，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,；當鋰電池電壓高于3 V時,，TEG轉(zhuǎn)換的電能與鋰電池共同為無線節(jié)點供電。

    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間為T_c,，傳感器節(jié)點的工作周期為T_s（其中發(fā)送數(shù)據(jù)時間為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)點供電,，則可以工作的時間t_B為：

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

    當發(fā)送數(shù)據(jù)時,，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時間內(nèi)，鋰電池收集的能量可以使用的時間t_L為： 

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

4 實驗驗證及結(jié)果

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

    當bq25505升壓管理模塊的輸入端接入TEG進行能量采集,，則采集的熱能和鋰電池共同為負載供電,，從環(huán)境中采集的能量使鋰電池的供電時間延長，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,。

    放電實驗表明當鋰電池電壓降到2.8 V時，電壓跳動約5 min,，然后變?yōu)?.63 V,，這時鋰電池斷開并開始充電，備用電池啟動對負載供電,。以LIR1620鋰電池為例進行充電實驗,，充電過程如圖3所示，其中負載電阻為267 Ω,。

    從圖3中可以看出,，當鋰電池電壓上升至3 V左右時，鋰電池電壓發(fā)生跳變,，這時備用電池斷開,，鋰電池開始對負載供電，這與出廠設(shè)定的閾值完全吻合,。

    此外,，還可以看出，當輸入功率P_in=53 mW時,，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)芯片作為負載接入熱電能量轉(zhuǎn)換裝置進行測試,，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），采用備用電池型號為CR2477（容量為1 000 mAh）,，采用的儲能鋰電池型號為LIR2025（容量為30 mAh）,，在熱電能量收集裝置的輸入端接上TEG進行能量采集,，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,，實驗測得LIR2025充滿的時間周期約為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)點的工作時間提高了50%。

5 結(jié)論

    本文主要介紹礦山自動能量捕獲技術(shù)與裝置的初步研究成果,，研究井下設(shè)備表面熱能的自動捕獲與存儲,，對溫差發(fā)電片、儲能元件和bq25505超低功耗收集電源管理IC評估模塊進行實驗和測試,。試驗結(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間顯著提高，在溫差為50 ℃時,，采用水冷散熱方式,，可將CC2530無線傳感器節(jié)點的工作時間提高50%。

    為盡可能提高熱能收集及轉(zhuǎn)換效率,，本文進行以下幾方面的優(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)生更大的溫差電動勢；合理的熱路安排,，以產(chǎn)生盡可能大的溫度差T,；進行負載匹配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,；擴大散熱片面積,，將多個散熱片進行串并聯(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)化為振動能或者電磁能進行采集,。

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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)合工程實驗室,，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)集團有限責(zé)任公司信息中心，山東 淄博255199)