井下風致振動壓電能量收集技術

周代勇

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

礦用無線低功耗傳感器作為煤礦各監測監控系統感知層的重要組成部分，在保障煤礦安全生產方面具有特殊的作用，能夠完全應用于煤礦井下各種惡劣的環境，方便、靈活和低能量等特點特別適合用于煤礦井下環境。但現階段礦井企業安全監測裝備絕大多數產品都是采用在線式供電傳感器設備，是因為在線式傳感器設備具有能長時間穩定可靠工作的優點，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模地推廣應用。若采用礦用電池供電，在惡劣煤礦井下的環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計優勢，并且更換難度較大[3-5]。傳統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。同時無線傳感器網絡節點對所需能量的需求量大，無線傳感器節點擔負著環境參數的采集和無線傳輸的重要任務，自身功耗較大，所需能量也較大，對于傳感器設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，將煤礦井下的自然資源轉換成微能量，滿足無線低功耗傳感器的就地供電。

通過大量學者對煤礦井下環境能量的特點、轉換功率大小進行研究發現，可以利用的井下環境能量主要有噪聲能、電磁能、振動能和風能，其中噪聲能、電磁能和振動能都存在著持續可靠的缺陷，不適合用于井下的自然資源能量收集[9-10]。同時礦井通風是煤礦企業生產的必要因數，通風所產生的風能在井下是無處不在。這為設計能量收集提供穩定可靠的能源基礎。又因壓電材料的壓電效應特點、成本低、結構簡單和加工容易等優點。為井下壓電材料的風能自供電技術提供了研究方向，通過探索井下風能的采集、轉換、存儲及電源管理技術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年法國物理學家在實驗室發現某類晶體在外力作用下能夠產生電性，后又發現對晶體拉伸或壓縮時，晶體的相對面會有等量是的異電荷，此現象被科學界稱為壓電效應[11]。伴隨著壓電晶體材料的創新和發展，壓電材料已經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,壓電纖維復合材料MFC、壓電聚合物PVDF和壓電復合材料PZT-PVDF[12]。各種材料各有優缺點，由于煤礦井下環境的特殊性，需要將微風能轉換為振動能，因此風致振動壓電能量收集的壓電材料采用的是壓電纖維復合材料MFC。是壓電纖維復合材料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生電位差。根據大量的研究發現電位差的大小跟壓電應力、壓電常數、常應力恒定時的介電系數和電場有關。公式描述為：

D=Td+εE

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

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

2 風致振動壓電振子

根據《煤礦安全規程》掘進中的巖巷風速為0.15～4.00 m/s，采煤工作面、掘進中的煤巷和半煤巖巷風速為0.25～4.00 m/s，運輸機巷、采區進、回風巷風速為1.00～8.00 m/s。因此，井下風能充足，能夠利用風能對空氣流動的速度不穩定導致的振動（風致振動）來進行固定點的能量收集，即壓電材料的壓電效應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能轉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構的彈性，彈性的強弱能夠影響到微風能與振動能量的轉換效率。因此需要考慮壓電振子的厚度，當壓電振子的頻率接近風速環境的頻率時，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。

風致振動壓電振子是采用并聯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、無油污、光滑平整。在銅基板的固定端打1個機械孔，為轉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，不導電膠凝固后，處理溢出多余不導電膠，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貼上銅板，極性線通過2個孔引入到固定板的另一端。

風致振動壓電振子懸臂梁的結構如圖1。

圖1 風致振動壓電振子Fig.1 Wind-induced vibration piezoelectric vibrator

根據設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系見表1。

表1 壓電振子能量與振動頻率的關系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系可總結為：在可承受的振動等級內，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。根據壓電振子峰峰值電壓范圍，可預測風致振動時壓電振子的最高電壓為8V左右，并為不規則的交流電壓。

3 能量收集電路

井下巷道風速持續均勻穩定在一定范圍內，懸臂梁壓電振子將受到往返持續振動，壓電材料始終伴隨著振動反復的拉伸和壓縮，壓電振子根據壓電效應原理，在極性線兩端可獲得不穩定輸出的交流電。可往往這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安全型直流電供電，因此，將懸臂梁壓電振子輸出不穩定的交流電轉化本質安全型的直流電，向礦用無線低功耗傳感器提供穩定可靠的本質安全型供電方案。

壓電振子輸出不穩定的交流電需通過橋式整流電路、濾波電路、調壓電路和穩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計，不僅設計電路復雜，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、電池狀態檢測、溫度監測等功能。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

風致振動壓電能量收集裝置是將巷道內持續均勻的風能收集存儲于存能設備中，其試驗測試過程是將壓電能量收集裝置進行不同風速能量收集試驗，因風致振動導致壓電振子兩端集聚自由電荷，從而出現不規則的交流電壓，利用能量收集電路板將不規則的交流電轉換成可用的直流電，完成能量收集。同時根據《煤礦安全規程》規定通風巷道的最高允許風速為8 m/s，對風致振動壓電能量收集裝置進行了不同風速的能量收集測試，試驗風速為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，風致振動能量收集裝置在風速為2.00～8.00 m/s內,能量收集裝置的儲能設備輸出電壓為3.8～8.4 V，可供低功耗傳感器供電。

5 結語

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