【儀表網 研發快訊】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)的復雜環境挑戰。為保障作業人員生命健康與礦井安全生產，需利用通風系統為井下提供新鮮風流，并規模化部署傳感器監測其運行狀態。然而，現有通風監測傳感器面臨供電布線困難、線路易受損、電池持續供能不足、功能集成度低以及大規模部署受限等問題，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”的技術困局，成為礦井安全監測領域亟待解決的關鍵問題。
 

　　杜翠鳳教授帶領團隊聯合中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和朱來攀研究員研究開發了一種基于摩擦納米發電機(TENG)技術的自供能傳感平臺(TESS)，該平臺集成了風能收集、能量管理、多參數監測、信號處理與無線通信等功能模塊，實現了面向智能礦業的高可靠性環境監測系統的構建。TESS采用雙TENG結構協同工作的模式，其一用于風速的高精度監測(非接觸式TENG)，另一則耦合伯努利與渦激振動效應，實現對巷道風能的收集與高效電能轉化，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，可以使機電能量轉化效率提升近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。在實際礦井環境中，TESS每166 s可完成一次數據監測(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、表征和優化。a TESS中用于風能收集的混合模式TENG的結構與組件示意圖。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。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：構建了具有遲滯釋放控制特性的能量管理系統，通過優化電路拓撲結構及關鍵器件，使能量轉化效率提升近10倍，充電功率密度達到16.36 mW/m²，系統對礦井巷道環境具有良好適應性。
 

　　圖2. 適配混合模式TENG的能量管理系統(PMS)的原理和優化。a 集成在TESS中的PMS的結構示意圖。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、未優化的PMS及優化后的PMS (O-PMS)條件下，混合模式TENG在10 s內對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內對100 μF的儲能電容的充電曲線。h 溫度和濕度對PMS能量轉化效率的影響分析。
 

　　要點三：開發低功耗無線傳感系統，構建一主多從的分布式傳感網絡，系統工作周期為166 s，可同步監測風速、溫度、濕度、大氣壓及CO、NO?、NH?氣體濃度等參數，并在無人值守且相對濕度超過90%的真實礦井巷道中穩定運行超過3個月。
 

　　圖3. 低功耗無線傳感器節點的原理、優化以及TESS的現場測試。a 低功耗無線傳感節點及其各組成部分與功能。b TESS的現場實驗照片。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。
 

　　該研究構建了一種高度集成的摩擦納米發電機自供能傳感平臺(TESS)，通過風能收集-多參數感知-無線傳輸一體化架構，突破礦井監測領域長期存在的供能依賴與部署限制，可實現無人值守下的長期穩定運行。該平臺具備可大規模部署、適應復雜環境的顯著優勢，有效提升了礦井實時監測的能力與系統運行的可靠性，為新一代智能礦山監測系統的技術原型提供了有力支撐。
 

　　該成果為摩擦納米發電機技術在智能礦業領域的系統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，有效突破了傳統監測系統對電池供能與復雜布線的長期依賴，推動了礦山監測系統向自主供能、高度集成、可大規模部署等方向的技術演進。該研究中的自供能多參數傳感系統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境的連續監測領域，推動形成“部署即運行”的感知新范式。該技術在推動綠色能源、智能監測與低碳安全運行融合發展方面，具有廣闊的應用前景與戰略意義。
 

　　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計劃的支持。