0 引言

    隨著礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的趨于成熟,，越來(lái)越多的無(wú)線監(jiān)測(cè)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(zhǎng)的礦山安全監(jiān)測(cè)需求，解決煤礦有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝不便,、監(jiān)測(cè)范圍窄的問(wèn)題,，從而提高煤礦的安全生產(chǎn)和安全監(jiān)測(cè)水平。但絕大多數(shù)無(wú)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(wú)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(zhǎng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)的供電時(shí)間，是無(wú)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(duì)解決井下電池容量有限的問(wèn)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(guò)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)生的熱能非常可觀,。因此,，本文將對(duì)設(shè)備表面熱能的有效轉(zhuǎn)換方法展開(kāi)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(shì)V，且在回路中有電流通過(guò),，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(lái)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(lái)為無(wú)線傳感器提供能量^[5],，井下熱源主要集中在大型開(kāi)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(kāi)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(duì)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(chǎng)測(cè)試結(jié)果,，在實(shí)驗(yàn)室搭建了溫度差能量的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),，用以模擬井下工作面環(huán)境，測(cè)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(cè)量?jī)x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(duì)流散熱和風(fēng)冷,、水冷散熱，冷熱端的均熱銅板通過(guò)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(guò)TES-1320熱電偶數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，輸出電壓通過(guò)數(shù)字示波器進(jìn)行測(cè)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(kāi)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(cè)量了不同冷熱端溫差ΔT情況下的開(kāi)路電壓和負(fù)載電壓并通過(guò)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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出,，開(kāi)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(kāi)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(shì)；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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電，而無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)程將十分緩慢或無(wú)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(duì)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(guò)bq25505充電的時(shí)間較長(zhǎng),，為保證充電期間無(wú)線節(jié)點(diǎn)的正常工作,，無(wú)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(guò)分壓電阻控制bq25505對(duì)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(kāi)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(wú)線節(jié)點(diǎn)供電,。

    此外,，對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(guò)使用該能量收集裝置,，相對(duì)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(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試,。為了方便測(cè)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(zhǎng),，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_(kāi)并開(kāi)始充電,，備用電池啟動(dòng)對(duì)負(fù)載供電,。以LIR1620鋰電池為例進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn),，充電過(guò)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_(kāi),，鋰電池開(kāi)始對(duì)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(wú)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(cè)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L(zhǎng)IR2025（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(cè)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(duì)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(cè)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(wú)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(shì),；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(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221008,；

2.中國(guó)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)