一种利用热电效应储能实现矿井有害气体监测的装置

技术领域

本发明涉及有害气体监测技术领域，具体是一种利用热电效应储能实现矿井有害气体监测的装置。

背景技术

如今矿井安全受到广泛关注，矿井有毒有害气体的监测是保障安全的重要条件之一。且在各个重要的位置都需要设置该探头，虽然单个探头的用电需求较低，但乘以巨大的数量后对井下电网的压力就变大了；此外，井下设备众多，用电压力大，安全保障设备设施与井下其他设备共用电路时，一旦发生故障导致无法使用时如何保障安全保障设备的正常运行就尤为重要。

现有技术中，通常使用涡轮发电的方法以保障安全保障设备的正常运行，目前使用的涡轮发电的方法：通过注水井中的流体带动涡轮旋转进行发电。注水井井筒流体到发电机壳体前段的导向堵头处，导轮将流体引导冲击涡轮叶片，叶片加速启动，联接驱动涡轮启动，内置有涡轮的外磁体片转动由于内部的发电机外部有内磁体，其磁场受到磁场力的作用而转动，注水井井筒流体到发电机壳体前段的导向堵头处，导轮将流体引导冲击涡轮叶片，叶片加速启动，联接驱动涡轮启动，内置有涡轮的外磁体片转动，由于内部的发电机外部有内磁体，其磁场受到磁场力的作用而转动。

此方法的缺点有：1.由于注水井的空间小，注水的流量小以及不稳定，在设计永磁铁时尺寸过小，永磁体与软磁体匹配需要进一步优化设计，重新设计需要耗费大量的精力进行校正。2.注水井的注水周期不稳定，当注水量不足时发电机无法进行正常发电，甚至会还会消耗电能，当井下出现紧急情况时无法正常工作，可能造成事故发生。3.流体速度大小导致涡轮发电装置发出的电流存在变化，当流体流速大时发出的电流频率高，电压也随之变高，当流体流速低时，发出的电流频率低，电压也随之变低，井下设备使用时需要稳定的电流。4.涡轮发电装置效率低下，易磨损、易发热，使用寿命短。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服以上的技术缺陷，提供一种利用热电效应储能实现矿井有害气体监测的装置。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：一种利用热电效应储能实现矿井有害气体监测的装置，包括控制器和温差发电片，所述温差发电片一侧通入循环水，另一侧贴近矿井排风口，所述温差发电片的输出端连接有蓄电池，所述温差发电片与蓄电池之间设有整流器，所述蓄电池的输出端连接有管理模块和监测组件，所述整流器、蓄电池和控制器之间设有电源拓扑。

进一步，所述控制器为STM32微控制器，其功能是在检测到热风流时，控制控制整个电子系统的工作流程，并实现力矩闭环控制，其内部搭载了国产实时操作系统RT-Thread，支持用户手机APP、小程序、PC查看发电状态与瓦斯监测的工作曲线。

进一步，所述整流器为三相同步整流器。

进一步，所述管理模块为BMS芯片，通过BMS芯片对电池的各项数据进行采集，并由MBUS总线将数据交由控制器处理，实现对蓄电池的监控和保护。

进一步，所述监测组件由若干个瓦斯探头组成。

进一步，所述电源拓扑为BUCK-BOOST拓扑。

进一步，所述控制器通过对矿井排风口的风流速度、温差发电片两侧的温度差、温差发电片的输出电压和输出电流进行采集处理，对电源拓扑采用PWM闭环PI控制蓄电池的充电功率，使得保证最大能量转换效率的同时，也能保证蓄电池在矿井下的稳定性。

本发明与现有的技术相比的优点在于：

1.本发明的装置由基础机械结构组成(温差发电片以及控制器)，提出了更高效的能源转换方案，节约了能源，不仅不易受到外界环境干扰，还拥有更高的转换效率,实现绿色环保，使用寿命长，可产生较高的经济效益。

2.本发明创新地引入发电稳定平衡算法，辅以BUCK-BOOST电源拓扑，MBUS总线，以及MCU，最后实现PWM闭环PI控制电池的充电电流，保证最大能量转换效率的同时提升稳定性，通过BUCK-BOOST电源拓扑使输出电压维持稳定不会对蓄电池造成损坏，提升蓄电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

图2是发电稳定平衡算法示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图2所示，一种利用热电效应储能实现矿井有害气体监测的装置，包括控制器和温差发电片，温差发电片一侧通入循环水，另一侧贴近矿井排风口，温差发电片的输出端连接有蓄电池，温差发电片与蓄电池之间设有整流器，蓄电池的输出端连接有管理模块和监测组件，整流器、蓄电池和控制器之间设有电源拓扑。

通过控制器与各元器件之间的配合形成发电稳定平衡算法。

将温差发电片一侧通入循环水，另一侧贴近矿井排风口，矿井排风口排出井下热风，进而形成一个热端与冷端,使得温差发电片发电。当温差越大时温差发电片输出的电压越大，输出电流也越大，通过蓄电池将温差发电片发的电存储起来可以为由若干个瓦斯探头组成的监测组件供电。

由于温差发电片的输出电压受热风流大小及温差的影响较大，所以在对于不同的风流强度及温差，其发电输出电压调整率有很大的不同，电压变化脉动范围大，为了降低电源的整流损耗，故采用压降低、功耗小、效率高的同步整流方案即采用三相同步整流器。而在整流后，其整流后的直流电压仍处于一个变化较大的范围，所以为了提高电源的利用率，并能够在输入电压变化较大时，输出较为稳定的电压，故采用BUCK-BOOST电源拓扑，由前级ADC采样输入电压，反馈给STM32微控制器控制BUCK-BOOST拓扑的工作状态，并对输出电压、电流采样，实现恒功输出。

控制器通过对矿井排风口的风流速度、温差发电片两侧的温度差、温差发电片的输出电压和输出电流进行采集处理，对电源拓扑采用PWM闭环PI控制蓄电池的充电功率，使得保证最大能量转换效率的同时，也能保证蓄电池在矿井下的稳定性。控制器为STM32微控制器，其功能是在检测到热风流时，控制控制整个电子系统的工作流程，并实现力矩闭环控制，其内部搭载了国产实时操作系统RT-Thread，支持用户手机APP、小程序、PC查看发电状态与瓦斯监测的工作曲线。

为保证蓄电池在矿井下安全使用，所以通过管理模块即BMS芯片对电池的各项数据进行采集，并由MBUS总线将数据交由STM32微控制器处理，实现对蓄电池的监控和保护。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。