0 引言

    随着矿山物联网技术的趋于成熟，越来越多的无线监测设备及装置将应用到煤矿井下^[1]，以此满足煤矿不断增长的矿山安全监测需求，解决煤矿有线监测系统安装不便、监测范围窄的问题，从而提高煤矿的安全生产和安全监测水平。但绝大多数无线节点采用电池供电，系统的稳定运行时间受到电池的供电时间的制约，此外，大量的无线节点电池在井下进行维护也会浪费大量的人力资源。因此，如何有效延长无线节点的供电时间，是无线节点在井下大规模应用的基础。能量收集技术^[2]是一种将环境能量转换成电能的方法，对解决井下电池容量有限的问题有着重要的意义。

    煤矿工作面是井下环境中各类能量较为集中的区域，如通风所需的风能、设备表面的热能、设备工作时的振动能量等。煤矿生产过程中，在工作面通常会集中大量的生产和电气设备，这些设备所产生的热能非常可观。因此，本文将对设备表面热能的有效转换方法展开研究。

1 井下温差能转换的基本原理

    温差能到电能的转换的基本原理是基于塞贝克效应，如图1所示。在两种不同导体或导电类型不同的半导体a和b构成的闭合回路中，两个连接点（点1和点2）温度不同，即存在温度梯度ΔT=(T₁-T₂)，则两个连接点间的回路中会产生电势V，且在回路中有电流通过，该现象被称之为塞贝克效应^[3]。塞贝克效应是温差发电器（Thermal Electric Generator，TEG）热电转换的理论基础，塞贝克效应可以由塞贝克系数α_ab来表征，表示为^[4]：

    矿井下工作环境中存在温度的差异，可利用温差发电来为无线传感器提供能量^[5]，井下热源主要集中在大型开采、动力、电力设备的发热，虽然大型设备本身存在散热系统，但其表面温度远高于环境温度。在淄矿集团、山煤集团等煤矿调研时发现，工作面采煤机、刮板输送机的传动系统表面温度在停机2 h后，依然高达48 ℃，开机工作时表面温度可达60 ℃以上，具有可观的温差能量。特别是刮板输送机、采煤机均具有水冷系统可以加以利用，能够有效提高热电材料两端的温度差，增加热电材料的转化输出功率；井下工作面可利用的平均风速能够达到3 m/s以上，因此，在工作面其余位置，则可利用风冷散热装置对热电材料冷端进行散热。

2 温差能转换特性分析

    基于上述调研和现场测试结果，在实验室搭建了温度差能量的试验测试平台，用以模拟井下工作面环境，测试和分析了不同种类热电材料的热电转换性能及不同冷却方式的热电转换效率。

    试验平台由加热装置、散热装置、导热部分、隔热部分、温差发电模块和测量仪表组成。采用的温差发电模块型号为TEG-199-1.4-0.5和SP1848-27145，芯片尺寸为44 mm×40 mm×3 mm，最大耐温为200 ℃。加热装置和散热装置分别用作热源和热沉，其作用是在发电模块的冷热两端产生温度差。上下铜板用于均热，以确保其上放置的多个温差发电模块工作于相近的热工况之下。温差发电模块冷热端敷涂导热硅脂，以填充模块两端陶瓷基板和铜板之间的微小空气间隙，提高热传递效率。试验在增加散热面积的条件下采用自然对流散热和风冷、水冷散热，冷热端的均热铜板通过橡塑隔热材料进行隔热处理，以保证冷热端产生足够的温度差。冷热端温度通过TES-1320热电偶数字温度计进行测量，输出电压通过数字示波器进行测量。

2.1 温差发电模块的输出阻抗特性

    当温差发电模块冷热两端的温差T一定时，电压与电流呈线性的关系，阻抗呈现纯阻性。温差发电模块内阻r表达式如式(3)所示：

其中，U_o是开路电压，U_R是负载R上的电压，I_R是负载R上的电流。试验测量了不同冷热端温差ΔT情况下的开路电压和负载电压并通过式(3)计算温差发电模块的内阻特性，如表1、表2所示，其中负载电阻R=51 Ω。

    从表中可以看出，在相同的温差下，型号TEG-199-1.4-0.5的温差发电片比型号SP1848-27145的发电片输出电压更大，能量转换效率更高，而且内阻r更小更稳定，所以之后的实验采用的温差发电模块型号为TEG-199-1.4-0.5，而且为了输出最大功率，进行负载匹配，即R=r，约等于5 Ω。

2.2 不同散热方式的输出功率特性

    由于TEG冷端和热端之间的热传递，两端的温差会不断缩小，直到和冷端的散热达到一个平衡状态，为了提高平衡时的温差，需要增加散热装置。分别使用普通散热片、风冷散热和水冷散热装置进行实验对比，如图2所示。热平衡下采用风冷（U₁）和水冷（U₂）散热的TEG输出电压如表3所示。

    通过实验对比得出，开始时采用普通散热片散热的TEG的输出功率最高，但随着热传递的进行，达到平衡状态时，它的输出功率不到1 mW，而风冷散热和水冷散热有几十毫瓦的输出，输出功率显著提高。结合井下条件，井下设备表面温度在停机2 h后，依然高达50 ℃，开机工作时表面温度可达70 ℃，井下环境温度有20 ℃，因此可利用的温差为30 ℃～50 ℃。从图2可以看出当温差为30 ℃和50 ℃时，采用风冷散热的TEG稳定输出功率分别为8 mW和16 mW，采用水冷散热的TEG稳定输出功率分别为14 mW和50 mW。

    上述试验表明，井下的应用环境中，温差热能收集的输出功率可达十几到几十毫瓦的量级，且属于低阻换能器件。为尽可能提高热能收集及转换效率，需要进行以下几方面的优化考虑：合理的热路安排，以产生尽可能大的温度差T；采用赛贝克系数较大的温差发电模块，以产生更大的温差电动势；进行负载匹配R=r，以输出最大功率。

3 升压电路及能量存储方法

    温差能转换的电能主要用于无线传感器节点的供电，而无线传感器节点的电能消耗主要用于数据的发送和接收，即无线通信阶段^[6]，而热电转换得到的电能瞬时功率有限，不足以支持无线传感器节点提供通信所需。因此，有必要寻求合适的能量存储方法，存储转换的微弱电能。

    目前的能量存储方法包括：(1)利用普通电容快速冲放电效应收集并存储产生的电能；(2)利用可充电电池收集并存储能量。电池和超级电容器的主要区别在于容量曲线，电池通常在低于特定电压的情况下具有很小或者不具有容量，而电容器在较低电压下具有容量。由于转换输入电流较小，电容电压建立过程将十分缓慢或无法建立电压，因此，本文采用锂离子电池收集并存储能量。表4是选取的锂电池的充放电特性参数。

    由于热电转换后得到的电能等级较低，且随着冷、热端的热平衡后，输出的电能为毫瓦级别，输出电压为毫伏级别，因此，需要设计升压电路，以满足锂电池的充电电压需求。本文采用bq25505升压变压器对微弱电能进行管理。bq25505的工作启动电压为330 mV，电路启动后只要100 mV以上的输入电压即可维持电路工作，如表3所示，当井下环境的温差在20 ℃以上时，TEG达到热平衡状态后，输出电压高于100 mV，满足bq25505的井下工作需求。

    但锂离子电池通过bq25505充电的时间较长，为保证充电期间无线节点的正常工作，无线传感器节点配置两种储能元件，一块大容量备用电池，一块小容量的LIR系列锂电池。通过分压电阻控制bq25505对两块电池进行切换，出厂设置的切换电压分别为2.8 V和3 V，即当LIR锂电池电压低于2.8 V时，断开供电状态，切换到备用电池供电，TEG转换的能量全部为锂电池充电；当锂电池电压高于3 V时，TEG转换的电能与锂电池共同为无线节点供电。

    此外，对于任何升压转换器，必须执行功率平衡：

其中，P_in是bq25505升压管理模块的输入功率，P_out是相对应的输出功率，η是bq2550模块的能量转化效率。

    假设设备用电池的容量为C_B，储能锂电池的容量为C_Li，热电能量收集装置的输入功率为P_in，锂电池通过该装置充满一次电的时间为T_c，传感器节点的工作周期为T_s（其中发送数据时间为T_o），发送功率为P_o（其中工作电压为V_o，电流为I_o）。

    如果只用备用电池对传感器节点供电，则可以工作的时间t_B为：

    现加上热电能量收集装置，在t_B时间内，储能锂电池总共可以收集的能量C_L为：

    当发送数据时，由锂电池和TEG共同供电，结合能量收集装置的转换效率，TEG可以提供的功率为P_in×η，所以锂电池需要提供的功率P_Li为：

    在t_B时间内，锂电池收集的能量可以使用的时间t_L为： 

    则通过使用该能量收集装置，相对于备用电池单独供电，传感器节点的工作时间提高率x为：  

4 实验验证及结果

    按图2所示试验系统，将TEG接入bq25505升压电路，对其性能进行测试。为了方便测试和比较，使用电压源（Keysight 5705B）模拟TEG的输出。

    当bq25505升压管理模块的输入端接入TEG进行能量采集，则采集的热能和锂电池共同为负载供电，从环境中采集的能量使锂电池的供电时间延长，具体如表5所示，其中锂电池的初始电压为4.2 V，负载电阻为267 Ω，放电终止电压为2.8 V，P_in是bq25505模块的输入功率。

    放电实验表明当锂电池电压降到2.8 V时，电压跳动约5 min，然后变为2.63 V，这时锂电池断开并开始充电，备用电池启动对负载供电。以LIR1620锂电池为例进行充电实验，充电过程如图3所示，其中负载电阻为267 Ω。

    从图3中可以看出，当锂电池电压上升至3 V左右时，锂电池电压发生跳变，这时备用电池断开，锂电池开始对负载供电，这与出厂设定的阈值完全吻合。

    此外，还可以看出，当输入功率P_in=53 mW时，锂电池的电压基本不变，由此和式（3）可以算出bq25505升压管理模块的能量转化效率η=67%。

    将CC2530无线传感器网络芯片作为负载接入热电能量转换装置进行测试，其最大发送功率约为100 mW（工作电压为3.3 V，电流约为30 mA），采用备用电池型号为CR2477（容量为1 000 mAh），采用的储能锂电池型号为LIR2025（容量为30 mAh），在热电能量收集装置的输入端接上TEG进行能量采集，采用水冷散热，则该装置的稳定输入功率约为50 mW，bq25505的电池切换阈值设定为3.7 V，实验测得LIR2025充满的时间周期约为3 h，将上述数据代入式（4）～式（8），可以求得该传感器节点的工作时间提高了50%。

5 结论

    本文主要介绍矿山自动能量捕获技术与装置的初步研究成果，研究井下设备表面热能的自动捕获与存储，对温差发电片、储能元件和bq25505超低功耗收集电源管理IC评估模块进行实验和测试。试验结果表明：采用该装置收集温差热能，可使锂电池的放电工作时间显著提高，在温差为50 ℃时，采用水冷散热方式，可将CC2530无线传感器节点的工作时间提高50%。

    为尽可能提高热能收集及转换效率，本文进行以下几方面的优化考虑：采用赛贝克系数较大的温差发电模块，以产生更大的温差电动势；合理的热路安排，以产生尽可能大的温度差T；进行负载匹配R=r，以输出最大功率。此外，还可以把导热硅膏换成热传递性能更好的石墨烯材料，并且把它涂抹在散热片上，加快散热；利用力学等原理设计散热片结构，调整风吹的方向找到最佳的散热风向；扩大散热片面积，将多个散热片进行串并联，根据发电效率的提升比例确定散热片的最优个数；混合多种能量发电，除了温差发电的热能，还可以结合风电转换，将风能转化为振动能或者电磁能进行采集。

参考文献

[1] 张申，丁恩杰，徐钊，等.感知矿山物联网与煤炭行业物联网规划建设[J].工矿自动化，2011，37(1)：105-108.

[2] 沙山克·普里亚，丹尼尔·茵曼.能量收集技术[M].南京：东南大学出版社，2011.

[3] GOUPIL C.Continuum theory of thermoelectric elements[M].Wiley-VCH，2010.

[4] 刁海.发动机温差发电器系统性能特性及结构优化方法的研究[D].天津：天津大学，2015.

[5] 薛晓.井下WSN节点自供能与功耗优化关键技术研究[D].武汉：中国地质大学，2015.

[6] 王云承.低功耗在线监测装置的环境取能方法研究[D].重庆：重庆大学，2015.

作者信息:

冯  凯1，2，郭  雨1，2，赵  端1，2，翟  勃3，王卫龙3

(1.矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室，江苏 徐州221008；

2.中国矿业大学物联网（感知矿山）研究中心，江苏 徐州221008；

3.山东能源淄博矿业集团有限责任公司信息中心，山东 淄博255199)