0 引言

    隨著礦山物聯網技術的趨于成熟，越來越多的無線監測設備及裝置將應用到煤礦井下^[1]，以此滿足煤礦不斷增長的礦山安全監測需求，解決煤礦有線監測系統安裝不便、監測范圍窄的問題，從而提高煤礦的安全生產和安全監測水平。但絕大多數無線節點采用電池供電，系統的穩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點的供電時間，是無線節點在井下大規模應用的基礎。能量收集技術^[2]是一種將環境能量轉換成電能的方法，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境中各類能量較為集中的區域，如通風所需的風能、設備表面的熱能、設備工作時的振動能量等。煤礦生產過程中，在工作面通常會集中大量的生產和電氣設備，這些設備所產生的熱能非常可觀。因此，本文將對設備表面熱能的有效轉換方法展開研究。

1 井下溫差能轉換的基本原理

    溫差能到電能的轉換的基本原理是基于塞貝克效應，如圖1所示。在兩種不同導體或導電類型不同的半導體a和b構成的閉合回路中，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生電勢V，且在回路中有電流通過，該現象被稱之為塞貝克效應^[3]。塞貝克效應是溫差發電器（Thermal Electric Generator，TEG）熱電轉換的理論基礎，塞貝克效應可以由塞貝克系數α_ab來表征，表示為^[4]：

    礦井下工作環境中存在溫度的差異，可利用溫差發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、電力設備的發熱，雖然大型設備本身存在散熱系統，但其表面溫度遠高于環境溫度。在淄礦集團、山煤集團等煤礦調研時發現，工作面采煤機、刮板輸送機的傳動系統表面溫度在停機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，增加熱電材料的轉化輸出功率；井下工作面可利用的平均風速能夠達到3 m/s以上，因此，在工作面其余位置，則可利用風冷散熱裝置對熱電材料冷端進行散熱。

2 溫差能轉換特性分析

    基于上述調研和現場測試結果，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境，測試和分析了不同種類熱電材料的熱電轉換性能及不同冷卻方式的熱電轉換效率。

    試驗平臺由加熱裝置、散熱裝置、導熱部分、隔熱部分、溫差發電模塊和測量儀表組成。采用的溫差發電模塊型號為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，其作用是在發電模塊的冷熱兩端產生溫度差。上下銅板用于均熱，以確保其上放置的多個溫差發電模塊工作于相近的熱工況之下。溫差發電模塊冷熱端敷涂導熱硅脂，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，以保證冷熱端產生足夠的溫度差。冷熱端溫度通過TES-1320熱電偶數字溫度計進行測量，輸出電壓通過數字示波器進行測量。

2.1 溫差發電模塊的輸出阻抗特性

    當溫差發電模塊冷熱兩端的溫差T一定時，電壓與電流呈線性的關系，阻抗呈現純阻性。溫差發電模塊內阻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)計算溫差發電模塊的內阻特性，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的溫差發電片比型號SP1848-27145的發電片輸出電壓更大，能量轉換效率更高，而且內阻r更小更穩定，所以之后的實驗采用的溫差發電模塊型號為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，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，達到平衡狀態時，它的輸出功率不到1 mW，而風冷散熱和水冷散熱有幾十毫瓦的輸出，輸出功率顯著提高。結合井下條件，井下設備表面溫度在停機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，采用風冷散熱的TEG穩定輸出功率分別為8 mW和16 mW，采用水冷散熱的TEG穩定輸出功率分別為14 mW和50 mW。

    上述試驗表明，井下的應用環境中，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換效率，需要進行以下幾方面的優化考慮：合理的熱路安排，以產生盡可能大的溫度差T；采用賽貝克系數較大的溫差發電模塊，以產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

    溫差能轉換的電能主要用于無線傳感器節點的供電，而無線傳感器節點的電能消耗主要用于數據的發送和接收，即無線通信階段^[6]，而熱電轉換得到的電能瞬時功率有限，不足以支持無線傳感器節點提供通信所需。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收集并存儲產生的電能；(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。

    由于熱電轉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，當井下環境的溫差在20 ℃以上時，TEG達到熱平衡狀態后，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點的正常工作，無線傳感器節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，切換到備用電池供電，TEG轉換的能量全部為鋰電池充電；當鋰電池電壓高于3 V時，TEG轉換的電能與鋰電池共同為無線節點供電。

    此外，對于任何升壓轉換器，必須執行功率平衡：

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

    假設設備用電池的容量為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，傳感器節點的工作周期為T_s（其中發送數據時間為T_o），發送功率為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點供電，則可以工作的時間t_B為：

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

    當發送數據時，由鋰電池和TEG共同供電，結合能量收集裝置的轉換效率，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，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，傳感器節點的工作時間提高率x為：  

4 實驗驗證及結果

    按圖2所示試驗系統，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，然后變為2.63 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化效率η=67%。

    將CC2530無線傳感器網絡芯片作為負載接入熱電能量轉換裝置進行測試，其最大發送功率約為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，則該裝置的穩定輸入功率約為50 mW，bq25505的電池切換閾值設定為3.7 V，實驗測得LIR2025充滿的時間周期約為3 h，將上述數據代入式（4）～式（8），可以求得該傳感器節點的工作時間提高了50%。

5 結論

    本文主要介紹礦山自動能量捕獲技術與裝置的初步研究成果，研究井下設備表面熱能的自動捕獲與存儲，對溫差發電片、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無線傳感器節點的工作時間提高50%。

    為盡可能提高熱能收集及轉換效率，本文進行以下幾方面的優化考慮：采用賽貝克系數較大的溫差發電模塊，以產生更大的溫差電動勢；合理的熱路安排，以產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；利用力學等原理設計散熱片結構，調整風吹的方向找到最佳的散熱風向；擴大散熱片面積，將多個散熱片進行串并聯，根據發電效率的提升比例確定散熱片的最優個數；混合多種能量發電，除了溫差發電的熱能，還可以結合風電轉換，將風能轉化為振動能或者電磁能進行采集。

參考文獻

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[6] 王云承.低功耗在線監測裝置的環境取能方法研究[D].重慶：重慶大學，2015.

作者信息:

馮  凱1，2，郭  雨1，2，趙  端1，2，翟  勃3，王衛龍3

(1.礦山互聯網應用技術國家地方聯合工程實驗室，江蘇 徐州221008；

2.中國礦業大學物聯網（感知礦山）研究中心，江蘇 徐州221008；

3.山東能源淄博礦業集團有限責任公司信息中心，山東 淄博255199)