采煤機可收集微弱環境能量分析

羅一民， 劉振堅， 劉冰， 邱錦波， 莊德玉， 張陽

(1.煤炭科學研究總院， 北京 100013；2.中煤科工集團上海研究院有限公司， 上海 200030；3.天地科技股份有限公司上海分公司， 上海 200030)

0 引言

傳統采煤機傳感器大多采用有線供電或電池供電方式，煤礦井下環境惡劣，有線供電易發生斷線等物理損傷，電池供電可靠性不高且壽命受限[1]。如何克服環境因素對傳感器電源造成的影響成為亟需解決的問題[2]。

隨著環境能量獲取技術與微機電系統的迅速發展，從環境中獲得微弱能量為低功耗無線傳感器供電成為可能。能量收集是將外部環境能量轉換為電能的過程，具有能量來源豐富、環保等優點[3]，在實現低功耗無線傳感器的自供電方面具有一定發展潛力。能量收集系統主要包括能量轉換器、控制電路等[4]。能量轉換器是能量收集的核心部分，主要作用是收集環境能量并將其轉換為電能。控制電路分為接口電路和功率控制模塊，可以為無線傳感器提供穩定的電能[5]。

目前能量收集技術已在非煤行業得到廣泛應用，如用于生物醫療的植入式傳感器節點供電系統、用于監測系統結構健康的分布式傳感器節點供電系統等[6]。許多學者針對能量收集技術在煤礦中的應用進行了探索。張強等[7]提出了一種基于壓電振動俘能的自動供電監測系統。燕樂[8]提出了一種基于壓電能量收集器的自供電無線傳感器網絡系統。蹤征雪等[9]提出在煤礦無線協作網絡中引入能量收集技術，延長網絡使用壽命。但目前缺乏對能量收集系統適應性的研究，在采煤機上仍無法實現可靠應用。針對這一現狀，本文依據采煤機工況環境特點，分析了采煤機上可收集的微弱環境能量及將其轉換為電能的可行性，提出了能量收集技術在采煤機上應用的相關建議。

1 采煤機工況環境能量分析

采煤機在行走及切割過程中產生的振動能量、水冷散熱結構不同位置的溫差能量及工作面輔助照明設備的光照能量，都可以作為能量收集技術中環境能量來源，采用合適的能量收集裝置得到的能量功率最高可達500 mW，基本滿足低功耗無線傳感器(功耗為0.1 μW～1 W)的能量需求。

1.1 光照能量

采煤機自身或其他設備遮擋光源導致局部有陰影，陰影位置與形狀隨著采煤機工作位置、狀態而改變。選用GM1030高精度照度儀測量采煤工作面不同時間段的光度，如圖1所示。可看出由于粉塵等因素的影響，采煤工作面的光度下降十分明顯，其下降比例在50%以上，由此可以推斷采煤機工作時存在陰影遮擋的部位光度更低，光照能量收集可靠性較低。

圖1 采煤工作面光度變化曲線Fig.1 Change curve of luminosity in coal working face

1.2 溫差能量

采煤機工作過程中主要功率消耗在搖臂上，機械傳動系統的效率損失轉換為熱能損耗，搖臂溫度會逐漸升高。軸承和嚙合齒輪副是采煤機搖臂產生熱能的主要位置[10]，在不考慮冷卻措施的條件下，搖臂溫度可達200 ℃以上。選用GWD100礦用本安型溫度傳感器對采煤機搖臂溫度與環境溫度進行測量，記錄數據如圖2所示。可看出，采煤機工作后搖臂溫度逐漸升高，最高可達90 ℃，而采煤工作面環境溫度則穩定在30 ℃左右，兩者之間存在較大溫差。為了更直觀地觀察采煤機工作時搖臂不同位置的溫差，選用FLUKE TIS400型紅外熱成像儀測量采煤機工作時搖臂溫度分布云，如圖3所示。可看出采煤機搖臂不僅與周圍環境存在較大溫差，其內部也存在較大溫差。

圖2 采煤機搖臂與環境溫度變化曲線Fig.2 Temperature variation curves of shearer rocker arm and environment

圖3 采煤機搖臂溫度分布云Fig.3 Cloud map of temperature distribution of shearer rocker arm

采煤機工作時由于機械傳動系統效率問題，產生大量熱能，搖臂溫度升高明顯，與環境溫度存在較大差異，且熱能來源穩定，具有較強的能量收集可行性。

1.3 振動能量

采煤機在工作面刮板輸送機上往復割煤裝煤過程中會產生大量振動能量，這些振動能量包括落煤的沖擊振動和采煤機工作時的固有振動[11]。選用GBY5型礦用振動傳感器采集采煤機在實際工作中的振動數據，采用小波分析法分析采煤機工作時振動能量分布情況。對經過Fourier變換后的采煤機主要振動信號進行3層小波重構，分成8個頻帶，每個頻帶帶寬為3 000 Hz，并進行能量計算，不同頻帶能量分布如圖4所示。可看出3 000 Hz以下低頻振動頻帶集中了90%以上的振動能量，是能量的主要集中部分。對3 000 Hz以下低頻段振動信號再次進行3層小波重構，分為8個帶寬為375 Hz的頻帶，并進行能量計算，得到的能量分布如圖5所示。由圖5可知，采煤機工作時振動頻率越低，振動能量越高。

圖4 不同頻帶能量分布Fig.4 Energy distribution in different frequency bands

圖5 低頻段振動信號能量分布Fig.5 Energy distribution low-frequency vibration signal

采煤機振動能量總量大，存在于各個部位，且主要能量集中于低頻段內，便于能量收集，具有較強的可行性。

2 能量供電可行性分析

2.1 光伏發電

煤礦井下光照條件差，粉塵與煤塊掉落會降低50%以上的發電量，且會損壞光伏發電板。此外，溫度環境也是影響光伏發電的重要因素之一，溫度每升高1 ℃，發電效率便會降低0.44%[12]，長期處于高溫狀態下的光伏發電組件工作壽命會降低30%。綜合考慮煤礦井下光照條件差、溫度高等因素，光伏發電在采煤機上的適用性較低。

2.2 溫差發電

溫差發電技術目前已較為成熟，主要利用熱電效應將熱能轉換為電能。熱電效應是指熱電材料兩端具有溫差時，材料內的載流子會由高溫端向低溫端移動，從而形成電勢差的現象[13]。采煤機搖臂存在較大溫差，具備溫差發電條件。

在冷端溫度為30 ℃理想環境下，選用TEG1-12708溫差發電片收集采煤機搖臂熱能，輸出功率與溫差變化關系如圖6所示。可看出溫差發電片的輸出功率隨著溫差發電片兩端溫差的增大而增大，當熱端溫度達到90 ℃時，溫差發電片的輸出功率為470 mW。

圖6 溫差發電片輸出功率與溫度關系Fig.6 Relationship between output power and temperature of thermoelectric power generator

煤礦井下工作面實際情況與理想環境相差較大。采煤機在工作時搖臂溫度處于逐漸升高的狀態，由于存在熱傳遞，冷端溫度也會不斷升高，從而降低能量轉換效率。筆者設計一種內置管道中裝有高性能冷卻劑的水冷散熱裝置，其具有散熱快、可循環利用且無需排出的優點。將該散熱裝置安裝在溫差發電片冷端，可有效降低冷端溫度，提高發電效率。同時在水冷管道之間增加散熱裝置，以提高散熱效率。溫差發電片體積小，安裝在處于溫度較高部位的無線傳感器內部，將熱端貼于采煤機搖臂殼體，如圖7所示。溫差發電系統受環境因素影響較小，便于安裝，在采煤機上具有較強的適應性。

圖7 帶有散熱裝置的溫差發電系統Fig.7 Thermoelectric power generation system with heat dissipation device

2.3 振動發電

使用懸臂梁式壓電發電片將采煤機工作過程中產生的振動能量轉換為電能[14]。當壓電發電片發生諧振時，機械能轉換為電能的效率最高，但普通壓電發電片的諧振頻率高于采煤機搖臂主要振動能量分布頻率范圍。諧振頻率與壓電發電片的長度、質量慣性矩等因素有關，在壓電發電片自由端增加質量塊來降低壓電發電片諧振頻率[15]，利用COMSOL軟件對無質量塊和有質量塊2種壓電片的能量收集情況進行仿真分析，結果如圖8所示。可看出有質量塊的壓電發電片諧振頻率明顯降低，提高了能量收集效率，達到最佳能量收集效果。

圖8 壓電能量收集仿真Fig.8 Piezoelectric energy harvesting simulation

采煤機工作時存在沖擊振動，因此設計了一種帶有凹槽的固定裝置，以滿足采煤機工況需求，如圖9所示。該固定裝置安裝在無線傳感器內部，如圖10所示。采用該固定裝置的單個壓電發電片輸出功率可達2 mW，且固定裝置體積小、復雜度低，可以防止壓電發電片發生位移，提高發電片穩定性。

圖9 壓電發電片固定裝置Fig.9 Piezoelectric power plate fixing device

圖10 壓電發電片安裝Fig.10 Installation of piezoelectric plate

采煤機工作時振動能量分布廣，總量大，壓電發電片結構簡單，在采煤機各個部位均可收集振動能量，具有較強的適應性。

3 結語

光照能量、溫差能量與振動能量作為采煤機的3種典型環境能量，由于能量特點不同，其適應性也各不相同。光照能量適應性差，不適合作為能量收集技術中的環境能量來源。溫差能量來源穩定，溫差發電片安裝便利，具有一定的適應性，但溫差發電片需要安裝在采煤機的主要產熱部位，安裝位置具有一定的局限性。振動能量總量大，壓電發電片結構簡單，受工況環境因素影響較小，安裝位置不受限制，具有較強的適應性。設計適用于煤礦井下的溫差與振動能量收集系統，可以有效解決采煤機無線傳感器的供電問題，提高傳感器可靠性與工作壽命。