井下微能量收集装置设计

赵端， 赵津津，2， 何永鑫，2， 卓敏敏， 陈辉

(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 信息与控制工程学院， 江苏 徐州 221116；3.天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)

0 引言

煤炭是我国主体能源和基础产业。随着互联网和人工智能技术的普及和大规模应用，煤矿企业正逐步实现智能化开采。王国法院士团队提出了智能矿山技术架构[1]，其中智能设备及泛在感知层是整个体系的基础，为智能矿山提供全面的感知数据。在感知数据获取方面，无线传感网络在煤矿井下得以广泛应用，解决了有线监测网络抗灾能力差、安装不便、监测范围小等问题。目前绝大多数无线传感节点采用电池供电，网络稳定运行时间受限，且需要大量的人力资源进行维护。如何有效降低无线传感节点功耗，延长其生命周期，是智能矿山泛在感知技术亟待解决的问题之一。

针对无线传感节点能量约束问题，许多专家在改进电池能量存储能力、降低节点功耗等方面提出了解决方案[2]。近年来，研究人员提出利用能量收集技术延长井下无线传感节点的寿命。薛晓[3]根据井下设备振动特点，构建了一种适用于井下环境的压电陶瓷换能器机电模型；刘晓明等[4]提出了一种井下巷道功率传输模型，有效解决了电磁能量传输效率的计算问题；冯凯等[5]设计了一种井下热电能量收集装置，能够在低至100 mV时持续采集能量，能量转换效率达67%。通过将井下可获得的能量有效转换为电能并为无线传感节点供电，可延长节点生命周期，解决井下无线传感网络能量受限问题，对于智能矿山技术的推广应用有重要意义[6-8]。

本文通过分析井下环境中光能分布情况，设计了一种可将井下弱光能量转换为电能并可对其存储的微能量收集装置，解决了井下环境能量微小、不连续的问题，可有效支撑低功耗无线传感节点正常运行。

1 井下弱光能量分析

光能是自然界存在最广泛的无污染绿色资源，是能量收集的重要来源[9-10]，但受限于光伏电池材料本身的特性，弱光环境下转换率较低。因此，在井下环境中利用光能进行能量补充，一直未受到相关研究重视。实际上，井下环境中光照强度取决于工作地点，在一些重要场所安装有大功率LED光源，光照强度较高。采用AS813型便携式光照度计在 淮北矿业(集团)有限责任公司桃园煤矿、山东唐口煤业有限公司井下不同地点对光照强度进行非接触测量，所得数据见表1、表2。测试环境均采用LED点光源，光照强度为10 000 Lux。

新疆亚克斯资源开发股份有限公司采用LED灯带和LED灯泡进行照明。距LED灯带1.0 m处，平均光照强度不足70 Lux，远低于煤矿井下LED点光源光照强度；距LED灯泡1.5 m处，平均光照强度达125 Lux以上。

表1 桃园煤矿光照强度测量结果Table 1 Measurement results of light intensity in Taoyuan Coal Mine

表2 山东唐口煤业有限公司光照强度测量结果Table 2 Measurement results of light intensity in Shandong Tangkou Coal Industry Co., Ltd.

经测试，井下距光源1～2 m范围内，可用的光照强度为50～170 Lux，符合非晶硅、钙钛矿等对弱光感应较好的光电材料工作范围，因此，对井下弱光能量进行转换利用具有可行性。

2 井下微能量收集装置设计

2.1 装置设计需求

矿用无线传感节点一般采用时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式分配时隙，数据更新缓慢。通过时间同步，每个节点仅在其自身时隙到达之前被唤醒，无需在空闲时持续监测。井下无线传感节点具有发送、接收、轮询、休眠4种状态，各状态下功耗见表3。可看出无线传感节点在不同状态下功耗相差较大，主要能量消耗在通信过程，数据发送和接收持续时间短，瞬时功耗较大。收集得到的能量瞬时功率有限，但因无线传感节点并非一直满负荷工作，所以经过一段时间收集的能量可支撑其运行。

根据项目研发需求，本文设计的微能量收集装置主要为基于LoRaWAN协议的一氧化碳传感器供电。该传感器采用STM32F103为核心控制芯片，每隔10 min通信1次，通信时间为1 s，通信功耗为148 mW，休眠状态下功耗为37.6 μW。为满足该传感器持续运行，微能量收集装置的连续输出功率需达到1～10 mW。

表3 无线传感节点功耗Table 3 Power consumption of wireless sensor node

微能量收集装置组成如图1所示。该装置通过光伏电池、能量管理芯片将井下弱光能量转换为稳定的直流电，并储存于储能元件中，为无线传感节点供电。

图1 微能量收集装置组成Fig.1 Composition of micro energy harvesting device

2.2 光伏电池选用

光伏电池是根据半导体光生伏特效应将光能转换为电能的装置，如图2所示。光伏电池本质为半导体PN结，光照射电池时，因光生伏特效应，光子被电池吸收，产生电子-空穴对。当电子-空穴对运动到耗尽区时，在耗尽区电场作用下，电子、空穴被分别作用到N区和P区，正电荷在P区积累，负电荷在N区积累，形成电势差，从而将光能转换为电能。通过外部连接P区、N区，形成电子通路，可产生电流为负载供电。

图2 光伏电池模型Fig.2 Photovoltaic cell model

井下光源为荧光灯、LED等，工作场合光照强度远低于日光直射，且低于室内日光散射，因此，单晶硅、多晶硅等对光照强度要求高的光伏组件不适用于井下。非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，非晶硅电池组件对780 nm以上波长的光源有一定光电转换能力[11-15]，弱光发电特性突出，在实际应用中对低光照强度光有较好的适应性，因此本文选用非晶硅光伏电池。

井下光线较弱，常规尺寸的非晶硅光伏电池无法满足设计需求，因此定制尺寸为10 cm×10 cm，30 cm×40 cm的非晶硅光伏电池板用于测试，如图3所示。

(a) 10 cm×10 cm电池板

为模拟井下光照环境，在实验室内采用LED作为光源，在50～210 Lux光照强度下测试光伏电池板开路电压、短路电流和功率密度。测试仪器为AS813型光照度计、VC890C+型万用表、DSO-X 2012A型示波器。10 cm×10 cm电池板测试结果如图4所示。可看出在50～210 Lux光照强度下，10 cm×10 cm电池板最大开路电压为5.41 V，最大短路电流为142.668 8 μA，最大功率密度为5.8 μW/cm2；功率密度虽随光照强度增大而增加，但增幅较小，无法满足设计需求。

图4 10 cm×10 cm光伏电池板测试结果Fig.4 Measurement results of 10 cm×10 cm photovoltaic panel

30 cm×40 cm电池板测试结果如图5所示。可看出该电池板最大功率密度大于10 cm×10 cm电池板，功率为0.8～14 mW，开路电压为3.022～9.590 V，满足较低功耗无线传感节点运行需求，因此本文选用30 cm×40 cm电池板作为微能量收集装置的前端采集模块。

2.3 能量管理与存储模块设计

能量管理与存储模块主要包括能量管理芯片和储能元件。能量管理芯片将收集到的微小、低电压能量调理到可为储能元件充电的电压，本文选用BQ25505型电源管理芯片。其集成了高效、低功耗DC-DC升压转换器，可在330 mV输入电压下冷启动，启动后能在输入电压低至100 mV时持续采集能量。BQ25505芯片具有备用能量管理功能，当可充电储能元件电压高于或低于设定值时，自动切换至备用储能元件，防止电压骤降或损坏可充电储能元件。

图5 30 cm×40 cm光伏电池板测试结果Fig.5 Measurement results of 30 cm×40 cm photovoltaic panel

针对井下弱光照强度特性，选择LIR2032型锂电池作为可充电储能元件。在实际使用过程中，环境能量存在不连续情况，如断电、设备检修等，为此提出了一种能量缓存机制，即将LIR2032型锂电池作为能量缓存电池，选用容量为2 A·h的18650型锂电池(标准电压为3.7 V，最大电压为4.2 V)作为备用电池，以保障无线传感节点长期运行。

LIR2032型锂电池作为可充电储能元件，其电压范围为3.3～3.7 V。初始状态下，能量管理与存储模块给LIR2032型锂电池充电，由18650型锂电池供电；当LIR2032型锂电池电压高于3.7 V时，18650型锂电池停止供电，切换为LIR2032型锂电池供电；当LIR2032型锂电池电压低于3.3 V时停止供电，能量管理与存储模块给其充电，由18650型锂电池供电。

能量管理与存储模块如图6所示。

3 井下微能量收集装置测试

3.1 实验室测试

在无阳光的实验室内，对微能量收集装置进行测试。以荧光灯(图7)作为光源，调整光伏电池板与光源的距离，在50～210 Lux光照强度范围内进行测试。

3.1.1 充电测试

在不同光照强度下，微能量收集装置为LIR2032型锂电池充电(电压由3.3 V到3.7 V)时间如图8所示。可看出光照强度为50 Lux时，充电时间达15 h以上；光照强度为210 Lux时，充电时间为67 min；装置依赖光照强度较高的环境，光照强度越高，充电时间越短，充电效果越好。

(a) 电路

图7 测试用光源Fig.7 Light source used for measurement

图8 LIR2032型锂电池充电时间Fig.8 Charging time of LIR2032 lithium battery

3.1.2 放电测试

为验证微能量收集装置给储能元件充电的实际能量，对LIR2032型锂电池进行放电测试。断开微能量收集装置与锂电池的连接，锂电池为基于LoRaWAN协议的一氧化碳传感器供电，如图9所示。

测试得LIR2032型锂电池放电(电压由3.7 V下降至3.3 V)时间为98 min。根据图8，锂电池在210，190，170 Lux光照强度下充电时间分别为67，90，105 min，可见锂电池充放电时间基本持平，因此在环境光照强度达170 Lux以上时，微能量收集装置能够有效支撑低功耗无线传感节点工作。

图9 锂电池放电试验装置Fig.9 Experiment device for lithium battery discharging

3.2 井下测试

将微能量收集装置设置在新疆亚克斯资源开发股份有限公司井下巷道进行连续性测试。截至2021年4月，该装置已在井下连续工作5个月，运行状况良好。现场布置如图10所示。

图10 微能量收集装置现场布置Fig.10 Field arrangement of micro energy harvesting device

测试区域平均光照强度为125 Lux。微能量收集装置为一氧化碳传感器供电，装置运行数据如图11所示。可看出锂电池电压从3.69 V降至3.67 V经过2 h 10 min。电压降低原因是测试区域光照强度较低，无法达到170 Lux以上有效光照强度，所以充电电量无法完全满足传感器功耗需求。但由于微能量收集装置采用能量缓存机制，当锂电池电压低于3.3 V时，可切换备用电池供电，保证传感器正常工作，待锂电池电压达到3.7 V后重新由其供电，有效提升了传感器生命周期。

图11 微能量收集装置运行数据Fig.11 Running data of micro energy harvesting device

4 结论

(1) 在矿井巷道弱光环境下进行光照强度测量，结果表明距光源1～2 m范围内，可用的光照强度为50～170 Lux，符合非晶硅、钙钛矿等光电材料工作范围，可见将井下弱光能量转换为电能为井下无线传感节点供电具有可行性。

(2) 特制30 cm×40 cm非晶硅光伏电池板采集井下弱光能量，结合BQ25505型电源管理芯片、可充电锂电池和固定容量备用电池，设计了一种基于能量缓存机制的井下微能量采集装置为无线传感节点供电，缓解了井下环境能量不连续对能量转换效果造成的影响，确保传感节点正常工作。

(3) 测试结果表明：微能量收集装置在50 Lux以上光照强度条件下即可输出毫瓦级电能；当井下光照强度达到170 Lux以上时，装置能够利用转换的能量为低功耗无线传感节点供电，无需启用备用电池；当光照强度未达到170 Lux时，能量缓存机制协调可充电锂电池和备用电池为无线传感节点供电，有效提高了节点生命周期。