【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，資源與安全工程學院杜翠鳳教授團隊在《Nature Communications》上發(fā)表礦山安全領域重要研究性論文，北京科技大學為論文第一單位和第一通訊單位。
隨著淺部資源日趨枯竭，金屬非金屬礦山深部開采已成為保障國家戰(zhàn)略資源安全的核心路徑。深井開采面臨高溫(>35℃)、高濕(RH>90%)及多組分有害氣體(CO/NO?/NH?等)的復雜環(huán)境挑戰(zhàn)。為保障作業(yè)人員生命健康與礦井安全生產(chǎn)，需利用通風系統(tǒng)為井下提供新鮮風流，并規(guī)模化部署傳感器監(jiān)測其運行狀態(tài)。然而，現(xiàn)有通風監(jiān)測傳感器面臨供電布線困難、線路易受損、電池持續(xù)供能不足、功能集成度低以及大規(guī)模部署受限等問題，難以滿足智能礦山的建設需求。如何突破“供電依賴-功能單一-部署受限”的技術(shù)困局，成為礦井安全監(jiān)測領域亟待解決的關鍵問題。
杜翠鳳教授帶領團隊聯(lián)合中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和朱來攀研究員研究開發(fā)了一種基于摩擦納米發(fā)電機(TENG)技術(shù)的自供能傳感平臺(TESS)，該平臺集成了風能收集、能量管理、多參數(shù)監(jiān)測、信號處理與無線通信等功能模塊，實現(xiàn)了面向智能礦業(yè)的高可靠性環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建。TESS采用雙TENG結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的模式，其一用于風速的高精度監(jiān)測(非接觸式TENG)，另一則耦合伯努利與渦激振動效應，實現(xiàn)對巷道風能的收集與高效電能轉(zhuǎn)化，其輸出開路電壓可高達4.55 kV。該研究還提出了一種具有遲滯釋放控制特性的能量管理系統(tǒng)，可以使機電能量轉(zhuǎn)化效率提升近10倍；并首次提出了“充電功率密度”這一概念，其充電功率密度達到16.36 mW/m2。在實際礦井環(huán)境中，TESS每166 s可完成一次數(shù)據(jù)監(jiān)測(包含風速、溫度、濕度、大氣壓及CO、NO?、NH?氣體濃度)、處理與無線傳輸，并在無人值守且相對濕度超過90%的真實礦井巷道中穩(wěn)定運行超過3個月。該成果以“Self-powered sensing platform based on triboelectric nanogenerators towards intelligent mining industry”為題，發(fā)表在國際知名期刊《Nature Communications》上，北京科技大學為論文第一單位和第一通訊單位。
要點一：提出混合模式TENG，通過耦合伯努利與渦激振動效應，增強渦流引起的接觸起電與靜電感應效果，使表面電荷密度顯著提升，輸出電壓峰-峰值突破4.5 kV。
圖1. 用于風能收集的混合模式TENG的設計、表征和優(yōu)化。a TESS中用于風能收集的混合模式TENG的結(jié)構(gòu)與組件示意圖。b 獨立層模式、接觸-分離模式與混合模式TENG的特性對比。c 混合模式TENG輸出的電壓信號。d 在擾流器作用下，渦流引起的壓力分布云圖。e 介電薄膜的初始運動狀態(tài)。f 混合模式TENG的工作原理。g 混合模式TENG輸出的電壓峰-峰值隨風速的變化。h 不同介電薄膜條件下，混合模式TENG在4 m/s和6 m/s風速條件下輸出的電壓峰-峰值。i 不同厚度的FEP介電薄膜條件下，混合模式TENG輸出的電壓峰-峰值。
要點二：構(gòu)建了具有遲滯釋放控制特性的能量管理系統(tǒng)，通過優(yōu)化電路拓撲結(jié)構(gòu)及關鍵器件，使能量轉(zhuǎn)化效率提升近10倍，充電功率密度達到16.36 mW/m²，系統(tǒng)對礦井巷道環(huán)境具有良好適應性。
圖2. 適配混合模式TENG的能量管理系統(tǒng)(PMS)的原理和優(yōu)化。a 集成在TESS中的PMS的結(jié)構(gòu)示意圖。b PMS的工作原理。c-e 儲能電容C?????的電壓隨c陶瓷電容Cin的電容值及其額定電壓、d 電感L的電感值以及 e齊納二極管D2的耐壓值的變化。f 使用整流橋、未優(yōu)化的PMS及優(yōu)化后的PMS (O-PMS)條件下，混合模式TENG在10 s內(nèi)對470 μF的儲能電容的充電曲線。g 水平和垂直布設的混合模式TENG在10 s內(nèi)對100 μF的儲能電容的充電曲線。h 溫度和濕度對PMS能量轉(zhuǎn)化效率的影響分析。
要點三：開發(fā)低功耗無線傳感系統(tǒng)，構(gòu)建一主多從的分布式傳感網(wǎng)絡，系統(tǒng)工作周期為166 s，可同步監(jiān)測風速、溫度、濕度、大氣壓及CO、NO?、NH?氣體濃度等參數(shù)，并在無人值守且相對濕度超過90%的真實礦井巷道中穩(wěn)定運行超過3個月。
圖3. 低功耗無線傳感器節(jié)點的原理、優(yōu)化以及TESS的現(xiàn)場測試。a 低功耗無線傳感節(jié)點及其各組成部分與功能。b TESS的現(xiàn)場實驗照片。c 儲能電容器的充電與PMS的放電曲線。d TESS與商用風速傳感器的風速測量結(jié)果對比。e TESS運行三個月的工作周期時長對比。f-g混合模式TENG的FEP摩擦層與Cu電極的表面形貌。
該研究構(gòu)建了一種高度集成的摩擦納米發(fā)電機自供能傳感平臺(TESS)，通過風能收集-多參數(shù)感知-無線傳輸一體化架構(gòu)，突破礦井監(jiān)測領域長期存在的供能依賴與部署限制，可實現(xiàn)無人值守下的長期穩(wěn)定運行。該平臺具備可大規(guī)模部署、適應復雜環(huán)境的顯著優(yōu)勢，有效提升了礦井實時監(jiān)測的能力與系統(tǒng)運行的可靠性，為新一代智能礦山監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)原型提供了有力支撐。
該成果為摩擦納米發(fā)電機技術(shù)在智能礦業(yè)領域的系統(tǒng)集成與工程化應用奠定了堅實的理論基礎與實施路徑，系統(tǒng)驗證了其在高濕、高粉塵、高擾動等極端工況下的應用可行性，有效突破了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)對電池供能與復雜布線的長期依賴，推動了礦山監(jiān)測系統(tǒng)向自主供能、高度集成、可大規(guī)模部署等方向的技術(shù)演進。該研究中的自供能多參數(shù)傳感系統(tǒng)還有望拓展至地下交通、城市管廊、智慧工廠、極地科研站等極端環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測領域，推動形成“部署即運行”的感知新范式。該技術(shù)在推動綠色能源、智能監(jiān)測與低碳安全運行融合發(fā)展方面，具有廣闊的應用前景與戰(zhàn)略意義。
研究得到國家自然科學基金、北京市自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。
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