井下風(fēng)致振動壓電能量收集技術(shù)

周代勇

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室,重慶 400037）

礦用無線低功耗傳感器作為煤礦各監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)感知層的重要組成部分，在保障煤礦安全生產(chǎn)方面具有特殊的作用，能夠完全應(yīng)用于煤礦井下各種惡劣的環(huán)境，方便、靈活和低能量等特點特別適合用于煤礦井下環(huán)境。但現(xiàn)階段礦井企業(yè)安全監(jiān)測裝備絕大多數(shù)產(chǎn)品都是采用在線式供電傳感器設(shè)備，是因為在線式傳感器設(shè)備具有能長時間穩(wěn)定可靠工作的優(yōu)點，實際使用時卻存在著布線成本高，井下布線難度大、線路電能損耗大的問題[1-2]。而無線低功耗傳感器卻受制于能源供給問題無法大規(guī)模地推廣應(yīng)用。若采用礦用電池供電，在惡劣煤礦井下的環(huán)境中定期更換礦用電池是無法突出礦用無線低功耗傳感器的設(shè)計優(yōu)勢，并且更換難度較大[3-5]。傳統(tǒng)有線供電方式則失去了無線傳感器的靈活性，還大大增加了成本。同時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對所需能量的需求量大，無線傳感器節(jié)點擔(dān)負著環(huán)境參數(shù)的采集和無線傳輸?shù)闹匾蝿?wù)，自身功耗較大，所需能量也較大，對于傳感器設(shè)備有限的能源卻變得尤為重要[6-8]。因此，需要研究煤礦井下自供電技術(shù)，將煤礦井下的自然資源轉(zhuǎn)換成微能量，滿足無線低功耗傳感器的就地供電。

通過大量學(xué)者對煤礦井下環(huán)境能量的特點、轉(zhuǎn)換功率大小進行研究發(fā)現(xiàn)，可以利用的井下環(huán)境能量主要有噪聲能、電磁能、振動能和風(fēng)能，其中噪聲能、電磁能和振動能都存在著持續(xù)可靠的缺陷，不適合用于井下的自然資源能量收集[9-10]。同時礦井通風(fēng)是煤礦企業(yè)生產(chǎn)的必要因數(shù)，通風(fēng)所產(chǎn)生的風(fēng)能在井下是無處不在。這為設(shè)計能量收集提供穩(wěn)定可靠的能源基礎(chǔ)。又因壓電材料的壓電效應(yīng)特點、成本低、結(jié)構(gòu)簡單和加工容易等優(yōu)點。為井下壓電材料的風(fēng)能自供電技術(shù)提供了研究方向，通過探索井下風(fēng)能的采集、轉(zhuǎn)換、存儲及電源管理技術(shù)滿足礦用無線低功耗傳感器的供電需求，解決礦用無線低功耗傳感器電池供電容量低的問題，為普及礦用無線低功耗傳感器提供能源保障。

1 壓電能量收集

1880年法國物理學(xué)家在實驗室發(fā)現(xiàn)某類晶體在外力作用下能夠產(chǎn)生電性，后又發(fā)現(xiàn)對晶體拉伸或壓縮時，晶體的相對面會有等量是的異電荷，此現(xiàn)象被科學(xué)界稱為壓電效應(yīng)[11]。伴隨著壓電晶體材料的創(chuàng)新和發(fā)展，壓電材料已經(jīng)成為了壓電振動能量收集的核心。常用于壓電能量收集的壓電材料主要有鐵電單晶PZN和PMN、壓電陶瓷PZT,壓電纖維復(fù)合材料MFC、壓電聚合物PVDF和壓電復(fù)合材料PZT-PVDF[12]。各種材料各有優(yōu)缺點，由于煤礦井下環(huán)境的特殊性，需要將微風(fēng)能轉(zhuǎn)換為振動能，因此風(fēng)致振動壓電能量收集的壓電材料采用的是壓電纖維復(fù)合材料MFC。是壓電纖維復(fù)合材料MFC由夾在粘合劑、電極和聚酰亞胺薄膜層之間的矩形壓電陶瓷棒組成，電極以互相交叉模式附著在薄膜上，交叉電極將從帶狀壓電棒上輸出電壓，同時這種材料具有很好的柔韌性、輕便、成本低和靈敏度高，容易感應(yīng)變形、噪音和振動，是從振動中獲取能量的絕佳材料。

壓電材料的正壓電效應(yīng)的基本原理是，如果對壓電材料施加壓力或震動時，壓電材料的兩端便會產(chǎn)生電位差。根據(jù)大量的研究發(fā)現(xiàn)電位差的大小跟壓電應(yīng)力、壓電常數(shù)、常應(yīng)力恒定時的介電系數(shù)和電場有關(guān)。公式描述為：

D=Td+εE

式中：D為電位差；T為壓電應(yīng)力；d為壓電常數(shù)；ε為常應(yīng)力恒定時的介電系數(shù)；E為電場。

當(dāng)風(fēng)致振動懸臂梁壓電振子自由端受到巷道風(fēng)致后，產(chǎn)生振動形變，壓電振子的壓電材料拉伸和壓縮，壓電層將產(chǎn)生電荷分離，形成電位移動后產(chǎn)生電位差。電位差大大小與壓電層發(fā)生形變的大小有關(guān)，壓電層發(fā)生形變的大小與壓電振子和巷道風(fēng)速有關(guān)。

2 風(fēng)致振動壓電振子

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》掘進中的巖巷風(fēng)速為0.15～4.00 m/s，采煤工作面、掘進中的煤巷和半煤巖巷風(fēng)速為0.25～4.00 m/s，運輸機巷、采區(qū)進、回風(fēng)巷風(fēng)速為1.00～8.00 m/s。因此，井下風(fēng)能充足，能夠利用風(fēng)能對空氣流動的速度不穩(wěn)定導(dǎo)致的振動（風(fēng)致振動）來進行固定點的能量收集，即壓電材料的壓電效應(yīng)就能夠滿足對振動能量的能量收集材料。首先需要制作具有壓電材料的壓電振子將井下微風(fēng)能轉(zhuǎn)換為可收集的微振動能量。

壓電振子的制作將會影響到整個結(jié)構(gòu)的彈性，彈性的強弱能夠影響到微風(fēng)能與振動能量的轉(zhuǎn)換效率。因此需要考慮壓電振子的厚度，當(dāng)壓電振子的頻率接近風(fēng)速環(huán)境的頻率時，整個壓電振子的輸出才會最大化，所獲得的振動能量才能夠最大化，與壓電材料進行綜合考慮后，選擇的壓電振子基板材料尺寸為100 mm×18 mm×2 mm,選擇的壓電振子壓電片材料尺寸為37 mm×18 mm×4 mm。

風(fēng)致振動壓電振子是采用并聯(lián)雙壓電片模式的懸臂梁進行制作，具體制作過程如下步驟：

1）壓電振子基板制作。需用銅板作為基板，加工制作出尺寸為100 mm×18 mm×2 mm的銅基板，將銅基板表面進行處理，使銅基板表面無雜質(zhì)、無油污、光滑平整。在銅基板的固定端打1個機械孔，為轉(zhuǎn)換裝置能夠更好地固定壓電振子。

2）壓電片與基板粘合。在銅基板固定端的表面涂抹上不導(dǎo)電膠，將2片壓電片粘合在銅基板固定端的同一位置表面，不導(dǎo)電膠凝固后，處理溢出多余不導(dǎo)電膠，并用焊錫進一步焊接壓電片和基板的連接處。

3）引出極性線和固定板制作。由于采用的是并聯(lián)雙壓電片模式的懸臂梁制作的壓電振子，即引出極性線，分別在壓電片的表面和銅基板的表面。同時在固定板上開2個孔，固定板接壓電振子側(cè)貼上銅板，極性線通過2個孔引入到固定板的另一端。

風(fēng)致振動壓電振子懸臂梁的結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 風(fēng)致振動壓電振子Fig.1 Wind-induced vibration piezoelectric vibrator

根據(jù)設(shè)計原理進行壓電振子片樣片組裝，同時采用振動實驗測試壓電振子能量的輸出，將振動器的振動能量等級設(shè)置為LEVEL1，分別在10、15、20、25、30 Hz下進行試驗測試。在振動等級為LEVEL1等級下，壓電振子能量與振動頻率的關(guān)系見表1。

表1 壓電振子能量與振動頻率的關(guān)系Table 1 The relationship between piezoelectric vibrator energy and vibration frequency

通過振動試驗測試可知，壓電振子振動能量與振動頻率的關(guān)系可總結(jié)為：在可承受的振動等級內(nèi)，隨著振動頻率的增加，峰峰值電壓值增大。到一定頻率后，壓電振子與振動器產(chǎn)生共振，這時輸出的峰峰值電壓最大。超出共振頻率后，隨著頻率的增加，峰峰值電壓開始降低。根據(jù)壓電振子峰峰值電壓范圍，可預(yù)測風(fēng)致振動時壓電振子的最高電壓為8V左右，并為不規(guī)則的交流電壓。

3 能量收集電路

井下巷道風(fēng)速持續(xù)均勻穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，懸臂梁壓電振子將受到往返持續(xù)振動，壓電材料始終伴隨著振動反復(fù)的拉伸和壓縮，壓電振子根據(jù)壓電效應(yīng)原理，在極性線兩端可獲得不穩(wěn)定輸出的交流電?？赏@種微弱的交流電并沒有直接使用價值，需要特殊處理后，最終給礦用無線低功耗傳感器提供供電能力，從而替代礦用電池為無線低功耗傳感器供電。

由于礦用無線低功耗傳感器供電只能用本質(zhì)安全型直流電供電，因此，將懸臂梁壓電振子輸出不穩(wěn)定的交流電轉(zhuǎn)化本質(zhì)安全型的直流電，向礦用無線低功耗傳感器提供穩(wěn)定可靠的本質(zhì)安全型供電方案。

壓電振子輸出不穩(wěn)定的交流電需通過橋式整流電路、濾波電路、調(diào)壓電路和穩(wěn)壓電路將交流信號變成可存儲的直流信號，若采用各個模塊電路的設(shè)計，不僅設(shè)計電路復(fù)雜，而且在線能量損耗較多，可獲得的存儲能量有效。因此，考慮用高精度線性電池充電控制電路，低功耗專用充電控制芯片SL1053,該芯片支持恒定電流充電、恒定電壓充電、電池狀態(tài)檢測、溫度監(jiān)測等功能。功耗僅需300 mW,最小充電電壓僅需2.8 V，完全能夠適合應(yīng)用于能量收集的存能控制芯片，微能量收集存儲電路如圖2。

圖2 微能量收集存儲電路Fig.2 Micro energy harvesting and storage circuit

4 試驗驗證

風(fēng)致振動壓電能量收集裝置是將巷道內(nèi)持續(xù)均勻的風(fēng)能收集存儲于存能設(shè)備中，其試驗測試過程是將壓電能量收集裝置進行不同風(fēng)速能量收集試驗，因風(fēng)致振動導(dǎo)致壓電振子兩端集聚自由電荷，從而出現(xiàn)不規(guī)則的交流電壓，利用能量收集電路板將不規(guī)則的交流電轉(zhuǎn)換成可用的直流電，完成能量收集。同時根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定通風(fēng)巷道的最高允許風(fēng)速為8 m/s，對風(fēng)致振動壓電能量收集裝置進行了不同風(fēng)速的能量收集測試，試驗風(fēng)速為2、4、6、8 m/s時的能量收集裝置存儲輸出電壓分別為3.8、5.4、6.2、8.4 V。

通過試驗測試可知，風(fēng)致振動能量收集裝置在風(fēng)速為2.00～8.00 m/s內(nèi),能量收集裝置的儲能設(shè)備輸出電壓為3.8～8.4 V，可供低功耗傳感器供電。

5 結(jié)語

井下風(fēng)致振動壓電能量收集技術(shù)，是將井下巷道中的風(fēng)能通過風(fēng)致振動的形式，使壓電振子具有了振動能量，壓電振子中的壓電材料根據(jù)壓電效應(yīng)將振動能轉(zhuǎn)換為有效動態(tài)的電荷，利用微能量收集電路將動態(tài)的電荷收集存儲到儲能元件中。通過試驗驗證，風(fēng)致振動壓電能量收集裝置能夠在風(fēng)速為2.00～8.00 m/s內(nèi)，儲能設(shè)備輸出電壓為為3.8～8.4 V，能夠為礦用無線低功耗傳感器提供供電。