井下微能量收集裝置設計

趙端， 趙津津，2， 何永鑫，2， 卓敏敏， 陳輝

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

0 引言

煤炭是我國主體能源和基礎產業。隨著互聯網和人工智能技術的普及和大規模應用，煤礦企業正逐步實現智能化開采。王國法院士團隊提出了智能礦山技術架構[1]，其中智能設備及泛在感知層是整個體系的基礎，為智能礦山提供全面的感知數據。在感知數據獲取方面，無線傳感網絡在煤礦井下得以廣泛應用，解決了有線監測網絡抗災能力差、安裝不便、監測范圍小等問題。目前絕大多數無線傳感節點采用電池供電，網絡穩定運行時間受限，且需要大量的人力資源進行維護。如何有效降低無線傳感節點功耗，延長其生命周期，是智能礦山泛在感知技術亟待解決的問題之一。

針對無線傳感節點能量約束問題，許多專家在改進電池能量存儲能力、降低節點功耗等方面提出了解決方案[2]。近年來，研究人員提出利用能量收集技術延長井下無線傳感節點的壽命。薛曉[3]根據井下設備振動特點，構建了一種適用于井下環境的壓電陶瓷換能器機電模型；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算問題；馮凱等[5]設計了一種井下熱電能量收集裝置，能夠在低至100 mV時持續采集能量，能量轉換效率達67%。通過將井下可獲得的能量有效轉換為電能并為無線傳感節點供電，可延長節點生命周期，解決井下無線傳感網絡能量受限問題，對于智能礦山技術的推廣應用有重要意義[6-8]。

本文通過分析井下環境中光能分布情況，設計了一種可將井下弱光能量轉換為電能并可對其存儲的微能量收集裝置，解決了井下環境能量微小、不連續的問題，可有效支撐低功耗無線傳感節點正常運行。

1 井下弱光能量分析

光能是自然界存在最廣泛的無污染綠色資源，是能量收集的重要來源[9-10]，但受限于光伏電池材料本身的特性，弱光環境下轉換率較低。因此，在井下環境中利用光能進行能量補充，一直未受到相關研究重視。實際上，井下環境中光照強度取決于工作地點，在一些重要場所安裝有大功率LED光源，光照強度較高。采用AS813型便攜式光照度計在 淮北礦業(集團)有限責任公司桃園煤礦、山東唐口煤業有限公司井下不同地點對光照強度進行非接觸測量，所得數據見表1、表2。測試環境均采用LED點光源，光照強度為10 000 Lux。

新疆亞克斯資源開發股份有限公司采用LED燈帶和LED燈泡進行照明。距LED燈帶1.0 m處，平均光照強度不足70 Lux，遠低于煤礦井下LED點光源光照強度；距LED燈泡1.5 m處，平均光照強度達125 Lux以上。

表1 桃園煤礦光照強度測量結果Table 1 Measurement results of light intensity in Taoyuan Coal Mine

表2 山東唐口煤業有限公司光照強度測量結果Table 2 Measurement results of light intensity in Shandong Tangkou Coal Industry Co., Ltd.

經測試，井下距光源1～2 m范圍內，可用的光照強度為50～170 Lux，符合非晶硅、鈣鈦礦等對弱光感應較好的光電材料工作范圍，因此，對井下弱光能量進行轉換利用具有可行性。

2 井下微能量收集裝置設計

2.1 裝置設計需求

礦用無線傳感節點一般采用時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式分配時隙，數據更新緩慢。通過時間同步，每個節點僅在其自身時隙到達之前被喚醒，無需在空閑時持續監測。井下無線傳感節點具有發送、接收、輪詢、休眠4種狀態，各狀態下功耗見表3。可看出無線傳感節點在不同狀態下功耗相差較大，主要能量消耗在通信過程，數據發送和接收持續時間短，瞬時功耗較大。收集得到的能量瞬時功率有限，但因無線傳感節點并非一直滿負荷工作，所以經過一段時間收集的能量可支撐其運行。

根據項目研發需求，本文設計的微能量收集裝置主要為基于LoRaWAN協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，通信時間為1 s，通信功耗為148 mW，休眠狀態下功耗為37.6 μW。為滿足該傳感器持續運行，微能量收集裝置的連續輸出功率需達到1～10 mW。

表3 無線傳感節點功耗Table 3 Power consumption of wireless sensor node

微能量收集裝置組成如圖1所示。該裝置通過光伏電池、能量管理芯片將井下弱光能量轉換為穩定的直流電，并儲存于儲能元件中，為無線傳感節點供電。

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

光伏電池是根據半導體光生伏特效應將光能轉換為電能的裝置，如圖2所示。光伏電池本質為半導體PN結，光照射電池時，因光生伏特效應，光子被電池吸收，產生電子-空穴對。當電子-空穴對運動到耗盡區時，在耗盡區電場作用下，電子、空穴被分別作用到N區和P區，正電荷在P區積累，負電荷在N區積累，形成電勢差，從而將光能轉換為電能。通過外部連接P區、N區，形成電子通路，可產生電流為負載供電。

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

井下光源為熒光燈、LED等，工作場合光照強度遠低于日光直射，且低于室內日光散射，因此，單晶硅、多晶硅等對光照強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在整個可見光范圍內，非晶硅電池組件對780 nm以上波長的光源有一定光電轉換能力[11-15]，弱光發電特性突出，在實際應用中對低光照強度光有較好的適應性，因此本文選用非晶硅光伏電池。

井下光線較弱，常規尺寸的非晶硅光伏電池無法滿足設計需求，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試，如圖3所示。

(a) 10 cm×10 cm電池板

為模擬井下光照環境，在實驗室內采用LED作為光源，在50～210 Lux光照強度下測試光伏電池板開路電壓、短路電流和功率密度。測試儀器為AS813型光照度計、VC890C+型萬用表、DSO-X 2012A型示波器。10 cm×10 cm電池板測試結果如圖4所示。可看出在50～210 Lux光照強度下，10 cm×10 cm電池板最大開路電壓為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度增大而增加，但增幅較小，無法滿足設計需求。

圖4 10 cm×10 cm光伏電池板測試結果Fig.4 Measurement results of 10 cm×10 cm photovoltaic panel

30 cm×40 cm電池板測試結果如圖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，開路電壓為3.022～9.590 V，滿足較低功耗無線傳感節點運行需求，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 能量管理與存儲模塊設計

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

圖5 30 cm×40 cm光伏電池板測試結果Fig.5 Measurement results of 30 cm×40 cm photovoltaic panel

針對井下弱光照強度特性，選擇LIR2032型鋰電池作為可充電儲能元件。在實際使用過程中，環境能量存在不連續情況，如斷電、設備檢修等，為此提出了一種能量緩存機制，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(標準電壓為3.7 V，最大電壓為4.2 V)作為備用電池，以保障無線傳感節點長期運行。

LIR2032型鋰電池作為可充電儲能元件，其電壓范圍為3.3～3.7 V。初始狀態下，能量管理與存儲模塊給LIR2032型鋰電池充電，由18650型鋰電池供電；當LIR2032型鋰電池電壓高于3.7 V時，18650型鋰電池停止供電，切換為LIR2032型鋰電池供電；當LIR2032型鋰電池電壓低于3.3 V時停止供電，能量管理與存儲模塊給其充電，由18650型鋰電池供電。

能量管理與存儲模塊如圖6所示。

3 井下微能量收集裝置測試

3.1 實驗室測試

在無陽光的實驗室內，對微能量收集裝置進行測試。以熒光燈(圖7)作為光源，調整光伏電池板與光源的距離，在50～210 Lux光照強度范圍內進行測試。

3.1.1 充電測試

在不同光照強度下，微能量收集裝置為LIR2032型鋰電池充電(電壓由3.3 V到3.7 V)時間如圖8所示。可看出光照強度為50 Lux時，充電時間達15 h以上；光照強度為210 Lux時，充電時間為67 min；裝置依賴光照強度較高的環境，光照強度越高，充電時間越短，充電效果越好。

(a) 電路

圖7 測試用光源Fig.7 Light source used for measurement

圖8 LIR2032型鋰電池充電時間Fig.8 Charging time of LIR2032 lithium battery

3.1.2 放電測試

為驗證微能量收集裝置給儲能元件充電的實際能量，對LIR2032型鋰電池進行放電測試。斷開微能量收集裝置與鋰電池的連接，鋰電池為基于LoRaWAN協議的一氧化碳傳感器供電，如圖9所示。

測試得LIR2032型鋰電池放電(電壓由3.7 V下降至3.3 V)時間為98 min。根據圖8，鋰電池在210，190，170 Lux光照強度下充電時間分別為67，90，105 min，可見鋰電池充放電時間基本持平，因此在環境光照強度達170 Lux以上時，微能量收集裝置能夠有效支撐低功耗無線傳感節點工作。

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

3.2 井下測試

將微能量收集裝置設置在新疆亞克斯資源開發股份有限公司井下巷道進行連續性測試。截至2021年4月，該裝置已在井下連續工作5個月，運行狀況良好。現場布置如圖10所示。

圖10 微能量收集裝置現場布置Fig.10 Field arrangement of micro energy harvesting device

測試區域平均光照強度為125 Lux。微能量收集裝置為一氧化碳傳感器供電，裝置運行數據如圖11所示。可看出鋰電池電壓從3.69 V降至3.67 V經過2 h 10 min。電壓降低原因是測試區域光照強度較低，無法達到170 Lux以上有效光照強度，所以充電電量無法完全滿足傳感器功耗需求。但由于微能量收集裝置采用能量緩存機制，當鋰電池電壓低于3.3 V時，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 微能量收集裝置運行數據Fig.11 Running data of micro energy harvesting device

4 結論

(1) 在礦井巷道弱光環境下進行光照強度測量，結果表明距光源1～2 m范圍內，可用的光照強度為50～170 Lux，符合非晶硅、鈣鈦礦等光電材料工作范圍，可見將井下弱光能量轉換為電能為井下無線傳感節點供電具有可行性。

(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，設計了一種基于能量緩存機制的井下微能量采集裝置為無線傳感節點供電，緩解了井下環境能量不連續對能量轉換效果造成的影響，確保傳感節點正常工作。

(3) 測試結果表明：微能量收集裝置在50 Lux以上光照強度條件下即可輸出毫瓦級電能；當井下光照強度達到170 Lux以上時，裝置能夠利用轉換的能量為低功耗無線傳感節點供電，無需啟用備用電池；當光照強度未達到170 Lux時，能量緩存機制協調可充電鋰電池和備用電池為無線傳感節點供電，有效提高了節點生命周期。