井下微能量收集裝置設(shè)計(jì)

趙端， 趙津津，2， 何永鑫，2， 卓敏敏， 陳輝

(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) 信息與控制工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；3.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤炭是我國(guó)主體能源和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的普及和大規(guī)模應(yīng)用，煤礦企業(yè)正逐步實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采。王國(guó)法院士團(tuán)隊(duì)提出了智能礦山技術(shù)架構(gòu)[1]，其中智能設(shè)備及泛在感知層是整個(gè)體系的基礎(chǔ)，為智能礦山提供全面的感知數(shù)據(jù)。在感知數(shù)據(jù)獲取方面，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)在煤礦井下得以廣泛應(yīng)用，解決了有線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)抗災(zāi)能力差、安裝不便、監(jiān)測(cè)范圍小等問(wèn)題。目前絕大多數(shù)無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)采用電池供電，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間受限，且需要大量的人力資源進(jìn)行維護(hù)。如何有效降低無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)功耗，延長(zhǎng)其生命周期，是智能礦山泛在感知技術(shù)亟待解決的問(wèn)題之一。

針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)能量約束問(wèn)題，許多專(zhuān)家在改進(jìn)電池能量存儲(chǔ)能力、降低節(jié)點(diǎn)功耗等方面提出了解決方案[2]。近年來(lái)，研究人員提出利用能量收集技術(shù)延長(zhǎng)井下無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的壽命。薛曉[3]根據(jù)井下設(shè)備振動(dòng)特點(diǎn)，構(gòu)建了一種適用于井下環(huán)境的壓電陶瓷換能器機(jī)電模型；劉曉明等[4]提出了一種井下巷道功率傳輸模型，有效解決了電磁能量傳輸效率的計(jì)算問(wèn)題；馮凱等[5]設(shè)計(jì)了一種井下熱電能量收集裝置，能夠在低至100 mV時(shí)持續(xù)采集能量，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)67%。通過(guò)將井下可獲得的能量有效轉(zhuǎn)換為電能并為無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)供電，可延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)生命周期，解決井下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)能量受限問(wèn)題，對(duì)于智能礦山技術(shù)的推廣應(yīng)用有重要意義[6-8]。

本文通過(guò)分析井下環(huán)境中光能分布情況，設(shè)計(jì)了一種可將井下弱光能量轉(zhuǎn)換為電能并可對(duì)其存儲(chǔ)的微能量收集裝置，解決了井下環(huán)境能量微小、不連續(xù)的問(wèn)題，可有效支撐低功耗無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。

1 井下弱光能量分析

光能是自然界存在最廣泛的無(wú)污染綠色資源，是能量收集的重要來(lái)源[9-10]，但受限于光伏電池材料本身的特性，弱光環(huán)境下轉(zhuǎn)換率較低。因此，在井下環(huán)境中利用光能進(jìn)行能量補(bǔ)充，一直未受到相關(guān)研究重視。實(shí)際上，井下環(huán)境中光照強(qiáng)度取決于工作地點(diǎn)，在一些重要場(chǎng)所安裝有大功率LED光源，光照強(qiáng)度較高。采用AS813型便攜式光照度計(jì)在 淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司桃園煤礦、山東唐口煤業(yè)有限公司井下不同地點(diǎn)對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行非接觸測(cè)量，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。測(cè)試環(huán)境均采用LED點(diǎn)光源，光照強(qiáng)度為10 000 Lux。

新疆亞克斯資源開(kāi)發(fā)股份有限公司采用LED燈帶和LED燈泡進(jìn)行照明。距LED燈帶1.0 m處，平均光照強(qiáng)度不足70 Lux，遠(yuǎn)低于煤礦井下LED點(diǎn)光源光照強(qiáng)度；距LED燈泡1.5 m處，平均光照強(qiáng)度達(dá)125 Lux以上。

表1 桃園煤礦光照強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of light intensity in Taoyuan Coal Mine

表2 山東唐口煤業(yè)有限公司光照強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of light intensity in Shandong Tangkou Coal Industry Co., Ltd.

經(jīng)測(cè)試，井下距光源1～2 m范圍內(nèi)，可用的光照強(qiáng)度為50～170 Lux，符合非晶硅、鈣鈦礦等對(duì)弱光感應(yīng)較好的光電材料工作范圍，因此，對(duì)井下弱光能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換利用具有可行性。

2 井下微能量收集裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝置設(shè)計(jì)需求

礦用無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)一般采用時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式分配時(shí)隙，數(shù)據(jù)更新緩慢。通過(guò)時(shí)間同步，每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅在其自身時(shí)隙到達(dá)之前被喚醒，無(wú)需在空閑時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)。井下無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)具有發(fā)送、接收、輪詢(xún)、休眠4種狀態(tài)，各狀態(tài)下功耗見(jiàn)表3。可看出無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)在不同狀態(tài)下功耗相差較大，主要能量消耗在通信過(guò)程，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收持續(xù)時(shí)間短，瞬時(shí)功耗較大。收集得到的能量瞬時(shí)功率有限，但因無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)并非一直滿(mǎn)負(fù)荷工作，所以經(jīng)過(guò)一段時(shí)間收集的能量可支撐其運(yùn)行。

根據(jù)項(xiàng)目研發(fā)需求，本文設(shè)計(jì)的微能量收集裝置主要為基于LoRaWAN協(xié)議的一氧化碳傳感器供電。該傳感器采用STM32F103為核心控制芯片，每隔10 min通信1次，通信時(shí)間為1 s，通信功耗為148 mW，休眠狀態(tài)下功耗為37.6 μW。為滿(mǎn)足該傳感器持續(xù)運(yùn)行，微能量收集裝置的連續(xù)輸出功率需達(dá)到1～10 mW。

表3 無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)功耗Table 3 Power consumption of wireless sensor node

微能量收集裝置組成如圖1所示。該裝置通過(guò)光伏電池、能量管理芯片將井下弱光能量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，并儲(chǔ)存于儲(chǔ)能元件中，為無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)供電。

圖1 微能量收集裝置組成Fig.1 Composition of micro energy harvesting device

2.2 光伏電池選用

光伏電池是根據(jù)半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，如圖2所示。光伏電池本質(zhì)為半導(dǎo)體PN結(jié)，光照射電池時(shí)，因光生伏特效應(yīng)，光子被電池吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。當(dāng)電子-空穴對(duì)運(yùn)動(dòng)到耗盡區(qū)時(shí)，在耗盡區(qū)電場(chǎng)作用下，電子、空穴被分別作用到N區(qū)和P區(qū)，正電荷在P區(qū)積累，負(fù)電荷在N區(qū)積累，形成電勢(shì)差，從而將光能轉(zhuǎn)換為電能。通過(guò)外部連接P區(qū)、N區(qū)，形成電子通路，可產(chǎn)生電流為負(fù)載供電。

圖2 光伏電池模型Fig.2 Photovoltaic cell model

井下光源為熒光燈、LED等，工作場(chǎng)合光照強(qiáng)度遠(yuǎn)低于日光直射，且低于室內(nèi)日光散射，因此，單晶硅、多晶硅等對(duì)光照強(qiáng)度要求高的光伏組件不適用于井下。非晶硅材料的吸收系數(shù)在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)，非晶硅電池組件對(duì)780 nm以上波長(zhǎng)的光源有一定光電轉(zhuǎn)換能力[11-15]，弱光發(fā)電特性突出，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)低光照強(qiáng)度光有較好的適應(yīng)性，因此本文選用非晶硅光伏電池。

井下光線(xiàn)較弱，常規(guī)尺寸的非晶硅光伏電池?zé)o法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，因此定制尺寸為10 cm×10 cm，30 cm×40 cm的非晶硅光伏電池板用于測(cè)試，如圖3所示。

(a) 10 cm×10 cm電池板

為模擬井下光照環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用LED作為光源，在50～210 Lux光照強(qiáng)度下測(cè)試光伏電池板開(kāi)路電壓、短路電流和功率密度。測(cè)試儀器為AS813型光照度計(jì)、VC890C+型萬(wàn)用表、DSO-X 2012A型示波器。10 cm×10 cm電池板測(cè)試結(jié)果如圖4所示。可看出在50～210 Lux光照強(qiáng)度下，10 cm×10 cm電池板最大開(kāi)路電壓為5.41 V，最大短路電流為142.668 8 μA，最大功率密度為5.8 μW/cm2；功率密度雖隨光照強(qiáng)度增大而增加，但增幅較小，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖4 10 cm×10 cm光伏電池板測(cè)試結(jié)果Fig.4 Measurement results of 10 cm×10 cm photovoltaic panel

30 cm×40 cm電池板測(cè)試結(jié)果如圖5所示。可看出該電池板最大功率密度大于10 cm×10 cm電池板，功率為0.8～14 mW，開(kāi)路電壓為3.022～9.590 V，滿(mǎn)足較低功耗無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)運(yùn)行需求，因此本文選用30 cm×40 cm電池板作為微能量收集裝置的前端采集模塊。

2.3 能量管理與存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

能量管理與存儲(chǔ)模塊主要包括能量管理芯片和儲(chǔ)能元件。能量管理芯片將收集到的微小、低電壓能量調(diào)理到可為儲(chǔ)能元件充電的電壓，本文選用BQ25505型電源管理芯片。其集成了高效、低功耗DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，可在330 mV輸入電壓下冷啟動(dòng)，啟動(dòng)后能在輸入電壓低至100 mV時(shí)持續(xù)采集能量。BQ25505芯片具有備用能量管理功能，當(dāng)可充電儲(chǔ)能元件電壓高于或低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)切換至備用儲(chǔ)能元件，防止電壓驟降或損壞可充電儲(chǔ)能元件。

圖5 30 cm×40 cm光伏電池板測(cè)試結(jié)果Fig.5 Measurement results of 30 cm×40 cm photovoltaic panel

針對(duì)井下弱光照強(qiáng)度特性，選擇LIR2032型鋰電池作為可充電儲(chǔ)能元件。在實(shí)際使用過(guò)程中，環(huán)境能量存在不連續(xù)情況，如斷電、設(shè)備檢修等，為此提出了一種能量緩存機(jī)制，即將LIR2032型鋰電池作為能量緩存電池，選用容量為2 A·h的18650型鋰電池(標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.7 V，最大電壓為4.2 V)作為備用電池，以保障無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期運(yùn)行。

LIR2032型鋰電池作為可充電儲(chǔ)能元件，其電壓范圍為3.3～3.7 V。初始狀態(tài)下，能量管理與存儲(chǔ)模塊給LIR2032型鋰電池充電，由18650型鋰電池供電；當(dāng)LIR2032型鋰電池電壓高于3.7 V時(shí)，18650型鋰電池停止供電，切換為L(zhǎng)IR2032型鋰電池供電；當(dāng)LIR2032型鋰電池電壓低于3.3 V時(shí)停止供電，能量管理與存儲(chǔ)模塊給其充電，由18650型鋰電池供電。

能量管理與存儲(chǔ)模塊如圖6所示。

3 井下微能量收集裝置測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

在無(wú)陽(yáng)光的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)微能量收集裝置進(jìn)行測(cè)試。以熒光燈(圖7)作為光源，調(diào)整光伏電池板與光源的距離，在50～210 Lux光照強(qiáng)度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

3.1.1 充電測(cè)試

在不同光照強(qiáng)度下，微能量收集裝置為L(zhǎng)IR2032型鋰電池充電(電壓由3.3 V到3.7 V)時(shí)間如圖8所示。可看出光照強(qiáng)度為50 Lux時(shí)，充電時(shí)間達(dá)15 h以上；光照強(qiáng)度為210 Lux時(shí)，充電時(shí)間為67 min；裝置依賴(lài)光照強(qiáng)度較高的環(huán)境，光照強(qiáng)度越高，充電時(shí)間越短，充電效果越好。

(a) 電路

圖7 測(cè)試用光源Fig.7 Light source used for measurement

圖8 LIR2032型鋰電池充電時(shí)間Fig.8 Charging time of LIR2032 lithium battery

3.1.2 放電測(cè)試

為驗(yàn)證微能量收集裝置給儲(chǔ)能元件充電的實(shí)際能量，對(duì)LIR2032型鋰電池進(jìn)行放電測(cè)試。斷開(kāi)微能量收集裝置與鋰電池的連接，鋰電池為基于LoRaWAN協(xié)議的一氧化碳傳感器供電，如圖9所示。

測(cè)試得LIR2032型鋰電池放電(電壓由3.7 V下降至3.3 V)時(shí)間為98 min。根據(jù)圖8，鋰電池在210，190，170 Lux光照強(qiáng)度下充電時(shí)間分別為67，90，105 min，可見(jiàn)鋰電池充放電時(shí)間基本持平，因此在環(huán)境光照強(qiáng)度達(dá)170 Lux以上時(shí)，微能量收集裝置能夠有效支撐低功耗無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)工作。

圖9 鋰電池放電試驗(yàn)裝置Fig.9 Experiment device for lithium battery discharging

3.2 井下測(cè)試

將微能量收集裝置設(shè)置在新疆亞克斯資源開(kāi)發(fā)股份有限公司井下巷道進(jìn)行連續(xù)性測(cè)試。截至2021年4月，該裝置已在井下連續(xù)工作5個(gè)月，運(yùn)行狀況良好。現(xiàn)場(chǎng)布置如圖10所示。

圖10 微能量收集裝置現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.10 Field arrangement of micro energy harvesting device

測(cè)試區(qū)域平均光照強(qiáng)度為125 Lux。微能量收集裝置為一氧化碳傳感器供電，裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖11所示。可看出鋰電池電壓從3.69 V降至3.67 V經(jīng)過(guò)2 h 10 min。電壓降低原因是測(cè)試區(qū)域光照強(qiáng)度較低，無(wú)法達(dá)到170 Lux以上有效光照強(qiáng)度，所以充電電量無(wú)法完全滿(mǎn)足傳感器功耗需求。但由于微能量收集裝置采用能量緩存機(jī)制，當(dāng)鋰電池電壓低于3.3 V時(shí)，可切換備用電池供電，保證傳感器正常工作，待鋰電池電壓達(dá)到3.7 V后重新由其供電，有效提升了傳感器生命周期。

圖11 微能量收集裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)Fig.11 Running data of micro energy harvesting device

4 結(jié)論

(1) 在礦井巷道弱光環(huán)境下進(jìn)行光照強(qiáng)度測(cè)量，結(jié)果表明距光源1～2 m范圍內(nèi)，可用的光照強(qiáng)度為50～170 Lux，符合非晶硅、鈣鈦礦等光電材料工作范圍，可見(jiàn)將井下弱光能量轉(zhuǎn)換為電能為井下無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)供電具有可行性。

(2) 特制30 cm×40 cm非晶硅光伏電池板采集井下弱光能量，結(jié)合BQ25505型電源管理芯片、可充電鋰電池和固定容量備用電池，設(shè)計(jì)了一種基于能量緩存機(jī)制的井下微能量采集裝置為無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)供電，緩解了井下環(huán)境能量不連續(xù)對(duì)能量轉(zhuǎn)換效果造成的影響，確保傳感節(jié)點(diǎn)正常工作。

(3) 測(cè)試結(jié)果表明：微能量收集裝置在50 Lux以上光照強(qiáng)度條件下即可輸出毫瓦級(jí)電能；當(dāng)井下光照強(qiáng)度達(dá)到170 Lux以上時(shí)，裝置能夠利用轉(zhuǎn)換的能量為低功耗無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)供電，無(wú)需啟用備用電池；當(dāng)光照強(qiáng)度未達(dá)到170 Lux時(shí)，能量緩存機(jī)制協(xié)調(diào)可充電鋰電池和備用電池為無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)供電，有效提高了節(jié)點(diǎn)生命周期。