CN106169598B - 一种矿下利用气体转化电能系统及其电力设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿下利用气体转化电能系统及其电力设备，包括气体发电系统和无线电能传输系统，气体发电系统包括气体收聚输送模块和燃料电池模块，所述气体收聚输送模块用于将矿下化学气体集中在一起并将其输送到燃料电池模块中；燃料电池模块为输送过来的化学气体提供化学反应环境及条件，并将化学能装换为电能。本发明可以将矿下空气中的氧化氮气体、甲烷、甲醛、二氧化硫等化学气体进行吸收并转换为电能且通过无线传输电力为矿下用电设备进行供电。这样减少了矿上为矿下供电造成的安全隐患，又可以将矿下的环境数据实时的传输到矿上，供矿上控制中心分析，以降低工作人员危险性。

Description

一种矿下利用气体转化电能系统及其电力设备

技术领域

本发明涉及矿下电力系统技术领域，尤其涉及一种矿下利用气体转化电能系统及其电力设备。

背景技术

随着矿业的快速发展，矿下使用电子设备越来越多，如果如此多的电力设备均从矿上拉线输送到矿下，会存在一定的安全隐患。同时也增大了矿上电力输送的压力，也容易造成电力的输送故障及短缺。随着采矿技术的不断提升，对矿业挖掘的深度也不断提升，因此矿下工作人员所处的环境也越来越恶劣，周围的温度也越来越高，气体也就越多。因此给矿下工作人员带来跟多的不适，甚至存在人身安全隐患。

现有技术中，利用空气气体进行发电的技术并不多见，例如中国专利03825913公开了一种测量气流速度的方法，不论气体性质如何或气流速度如何，所述方法包括将一个流量传感器固定在气流中，所述流动传感器又包含至少一个与气流成一个角度布置的导电固体材料，至少一个将所述至少一个导电材料连接到一个电测量设备上的导电元件，气体流经至少一个固体材料，在固体材料上产生的压力梯度的作用下，该固体材料沿气体流动方向产生电流，所述电能由所述导电元件传输到所述电测量设备，该设备提供有一个通向气流方向的外部接口，从而测量所述流体流动时产生的电能。该技术方案主要公开了将气体经过导电固体材料转换为电能的普遍适用装置，但是没有专门用在矿业领域的装置，另外，转换好的电能，如何进行矿下电力输送，以及控制、调配等完整的传输系统的开发，都是需要具体实际解决和研究的。

再例如中国专利104405460A公开了一种空气能(主要是热量而不是针对空气中气体)发电系统，包括通风管道，风机，蓄热池，分别与通风管道及蓄热池连接，将通风管道内空气的热量传递至蓄热池内的第一换热器；填充在蓄热池内，吸收并存储由第一换热器释放的热量的第一液体工质；与蓄热池连接，吸收所述蓄热池内第一液体工质的热量并将热量转化为机械能的热机；与热机连接的蓄冷池；蓄冷池内填充有吸收热机释放的乏热的第二液体工质；分别与蓄热池及蓄冷池连接，吸收蓄冷池内热量并将热量转移至蓄热池内的热泵和发电机。该技术方案主要运用的是在地面的装置，而且，涉及的也是热量转化为电能，当面对位于地下的装置时，不一定适合使用，况且，当位于地下设备例如矿下设备时。另外，转换好的电能，如何进行矿下电力输送，以及控制、调配等完整的传输系统的开发，都是需要具体实际解决和研究的。该技术方案中，也没有给出明确的解决方法。

发明内容

为了解决现有矿下电量使用量大幅度提成造成的电力短缺及安全性问题，及更好的利用工作人员的周围环境气体含量。本发明涉及到一种矿下利用气体转化电能系统及其电力设备，可以利用空气中的气体产生化学反应转换为电能并可以进行无线电能传输的装置，该装置可充分利用了空气中存在在的各种气体成分。

本发明采用的技术方案为：一种矿下利用气体转化电能系统，其创新点在于：包括气体发电系统和无线电能传输系统，该气体发电系统和无线电能传输系统均位于矿下，气体发电系统产生的电能由无线电能传输系统传输给用户；所述气体发电系统包括气体收聚输送模块和燃料电池模块，所述气体收聚输送模块用于将矿下化学气体集中在一起并将其输送到燃料电池模块中；所述燃料电池模块为输送过来的化学气体提供化学反应环境及条件，并将化学能装换为电能。

在一些实施方式中，还包括控制中心，所述控制中心位于矿上地面，且控制并分析相关的电能数据。

在一些实施方式中，所述控制中心包括控制室及远程控制室，所述控制室及所述远程控制室间通过互联网通信。

在一些实施方式中，所述气体发电系统还包括空气过滤系统，用于过滤空气中的氧化氮气体、甲烷、甲醛、二氧化硫等化学气体；所述气体收聚输送模块将过滤后的矿下化学气体集中在一起并将其输送到燃料电池模块中。

在一些实施方式中，气体发电系统还包括空气检测模块，所述空气检测模块用于检测过滤后的矿下化学气体成分及含量。

在一些实施方式中，所述气体发电系统还包括能量检测控制模块，所述能量检测控制模块用于检测燃料电池模块产生的电能的能量数据并得以控制。

在一些实施方式中，所述无线电能传输系统包括无线能量接收模块和无线能量发送模块；所述无线能量接收模块用于接收矿下环境空气中的化学气体，为燃料电池模块提供反应气体资源；所述无线能量发送模块用于输送转换后电能为用电单供电。

在一些实施方式中，所述无线电能传输系统还包括无线传输动态调整模块，所述无线传输动态调整模块用于系统对无线接收和发送能量的稳定性进行调整。

在一些实施方式中，所述无线电能传输系统还包括蓄电单元和电能存储控制模块；所述电能存储控制模块用于保护蓄电单元，且控制蓄电单元的存储量及对存储的电能进行检测；还包括驱动模块，所述驱动模块用于驱动蓄电单元给用电单元供电。

本发明的另一个目的是提供具有矿下利用气体转化电能系统的矿下电力设备，其创新点在于：包括矿下电能接收设备、矿下电力控制站、及电能接收机构，所述电能接收机构设于矿灯或矿下运输设备内，所述充电接收设备设于所述电能接收机构内，所述矿下利用气体转化电能系统设于所述矿下充电站内，所述矿下电力控制站控制矿下充电站供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明的矿下利用气体转化电能系统，可以直接利用矿下空气中的化学气体，将气体化学能转换成电能，最后转换成电力供使用，另外，通过一定的传输系统进行传输，解决了电力设备需要从矿上拉线输送到矿下，消除了一定的安全隐患，同时也解决了矿下周围的温度也越来越高，对矿下工作人员带来诸多的不适，甚至存在人身安全隐患的问题，智能化程度相当高，使用便利，值得大范围推广。

二、本发明的矿下利用气体转化电能系统，解决现有矿下电量使用量大幅度提高造成的电力短缺及安全性问题，及更好的利用工作人员的周围环境空气能量。

三、本发明的矿下利用气体转化电能系统，可以利用空气中的化学气体转换为电能，该装置可充分利用空气中化学气体，还具有一定的检测和控制中心，进行实时的调整和分析。同时还可以利用无线电能传输的装置，减少了矿上为矿下供电造成的安全隐患，又可以将矿下的环境数据实时的传输到矿上，供矿上控制中心分析，以降低工作人员危险性。

附图说明

图1是本发明气体发电系统示意图；

图2是本发明无线电能传输系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明披露了一种矿下利用气体转化电能系统，如图1所示：包括气体发电系统和无线电能传输系统，该气体发电系统和无线电能传输系统均位于矿下，气体发电系统产生的电能由无线电能传输系统传输给用户；本实施方式中，将气体发电装置及无线电能传输系统均安装在矿下，通过气体发电系统，将矿下空气中的气体转换为电能的功能，可充分利用矿下产生的气体并转换为电能，这样就可以减少从矿上输送电力到矿下，也可以降低电力输送过程的危险性。

作为进一步优选的，本实施方式中矿下利用空气化学气体转化电能系统还包括控制中心，所述控制中心位于矿上地面，且控制并分析相关的电能数据。为了提高控制效果，所述控制中心包括控制室101及远程控制室102，所述控制室101及所述远程控制室102间通过互联网通信。

如图1所示：作为优选的，本实施方式中气体发电系统包括气体收聚输送模块3和燃料电池模块4，其中，

气体收聚输送模块3用于将矿下化学气体集中在一起并将其输送到燃料电池模块中；

燃料电池模块4为输送过来的化学气体提供化学反应环境及条件，并将化学能装换为电能。

可选的，在本发明的一种实施方式中，燃料电池模块4构造原理允许通过气体流经固体材料进行能量转换的方法，尤其可以通过气体流经固体材料来产生电压和电流的方法,这些固体材料包括掺杂半导体、石墨等等。此种方法主要可以采用塞贝克效应和伯努利定理相结合的方式,通过气体流经固体材料进行能量转换的方法，由于气体沿固体材料表面流动,从而在固体材料中产生电能。而本发明的燃料电池模块构造并不因此结构而限制。

作为进一步优选的，本实施方式矿下利用气体转化电能系统还包括控制中心，所述控制中心位于矿上地面，且控制并分析相关的电能数据。为了提高控制效果，如图2所示：所述控制中心包括控制室101及远程控制室102，所述控制室101及所述远程控制室102间通过互联网通信。

作为进一步优选的，所述气体发电系统还包括空气过滤系统1，用于过滤空气中的氧化氮气体、甲烷、甲醛、二氧化硫等化学气体；因此，气体收聚输送模块3可以更加优化的将过滤后的矿下化学气体集中在一起并将其输送到燃料电池模块4中，过滤是比较必要的步骤，通过将空气中的其他杂质去除，可以有效提高燃料电池模块的转化效率，提供更多的电能。

作为进一步优选的，在以下实施方式中，气体发电系统还可以增加空气检测模块2，所述空气检测模块2用于检测过滤后的矿下化学气体成分及含量，检测模块可以起到明显的监督和监控作用，如果过滤效果不明显，或者空气过滤系统不工作，可以起到及时的应对，例如，可以将检测信号反馈至空气过滤系统1，空气过滤系统1根据信号指示，做出调整或实现检修，起到监控、督促的作用。

作为进一步优选的，所述气体发电系统还包括能量检测控制模块5，所述能量检测控制模块5用于检测燃料电池模块4产生的电能的能量数据并得以控制。如果检测到气体化学能到电能的转化效率不高，可以将检测信号反馈至燃料电池模块4，燃料电池模块4模块根据信号指示，做出调整或实现检修，起到监控、督促的作用。

如前所述，如图1所示：本实施方式中，所述无线电能传输系统包括无线能量接收模块7和无线能量发送模块8；所述无线能量接收模块7用于接收矿下环境空气中的化学气体，为燃料电池模块4提供反应气体资源；所述无线能量发送模块8用于输送转换后电能为用电单供电。

理论上，一个无线能量发送模块8可以对应多个电能需求设备，通过无线能量发送模块8发送的电能可以被多个电能需求设备接收；一个无线能量接收模块7，也可以接收覆盖基本整个矿下的空气气体。进一步的，所有运行数据可以通过通信线路进行数据有线或无线传输到控制中心；该控制中心用于监控、电力使用情况，并实时存储、分析数据资料，并用于实时传输电力使用情况及数据至电力控制及检测中心；最后可以由云端或互联网将控制中心的数据发送到远程控制中心，实现远程控制。上述各组成部分构成一个有效系统，通过从燃料电池模块4上获得电能，以无线方式发送传输；并进行有效监视与控制，电力线的设置的用电设备与应急用电设备进行有效监视与控制；所有设备装置，终端，组成能源网络进行系统控制。

作为进一步优选的，如图1所示：所述无线电能传输系统还包括无线传输动态调整模块6，所述无线传输动态调整模块6用于系统对无线接收和发送能量的稳定性进行调整。

为了进一步增加本实施方式无线电能传输系统的功能，如图2所示：所述控制中心的控制室101还设置数据储存/处理模块103，用于实时存储、分析电力使用数据资料；还设置有控制操作台104以及控制显示屏幕105，增加系统智能化程度，又方便操作，不累赘。同样的，如图2所示，控制中心的远程控制室102也设置有第二控制操作台106以及第二控制显示屏幕107，增加系统智能化程度的同时，又方便操作，不累赘。

可选的，所述无线能量接收模块7可以包括无线能量接收器、驱动模块11以及电源控制模块；所述无线能量接收器用于接收从矿下环境中的空气气体，为燃料电池模块4提供气体源；所述驱动模块11用于驱动蓄电单元9给用电单元12供电；所述电源控制模块用于控制提供给用电设备的电量及电流大小，用于保护用电设备供电安全。

为了进一步增加无线电能传输系统的功能，如图1所示，本实施方式所述无线能量接收模块还包括蓄电单元9；所述蓄电单元9用于存储电能，作为备用电量。

为了进一步增加无线电能传输系统的功能，如图1所示，本实施方式所述无线能量接收模块7还包括电能存储控制模块10；所述电能存储控制模块10用于保护蓄电单元9，且控制蓄电单元9的存储量及对存储的电能进行检测。

作为进一步优选的，矿下利用空气气体转化电能系统还包括通信模块13；所述通信模块13用于将空气过滤系统1、空气检测模块2的数据及该装置的空气化学能转化为电能的一切转换数据传输到矿上控制中心，提供数据分析的依据。

如前所述，本实施方式中的无线电能传输系统可以选择为非接触式无线电能传输系统。如图2所示：同一个传输电缆上，可以安装若干套的非接触式无线电能传输系统，(参考图2，以分布式结构多点分布，可以有效的进行环境监测)构成电能提供网络结构。例如，支路和主干路上均排布有无线电能传输系统，该无线电能传输系统将空气气体传输给气体发电装置，通过气体发电装置转换成电能后，再次通过进行无线传输将电能输送给用电设备(即图2所示的无线能量交换模块300)，此外，用不完的电，可以存储在例如图2所示的集中储电模块600中；当然，由于是通过无线非接触式供电，所有应急用电设备400或用电设备500无需安装与电缆上，只需安装在无线范围内均可点亮。还可以在原有电力布线上安装，形成网络，进行有效监控，这样也方便了安装人员的安装。

本实施方式的矿下利用空气气体转化电能系统应用广泛，将气体发电系统及无线电能传输系统均安装在矿下，该系统的气体转换为电能的功能可充分利用矿下产生的气体并转换为电能，这样就可以减少从矿上输送电力到矿下，也可以降低电力输送过程的危险性。此外，能量转换之后，将电能输送到用电单元采用无线输送方式，也减少了电缆线的使用，降低了电力输送过程的危险性。

如果将空气化学智能发电装置及无线电能传输系统安装在矿下，该装置可吸收矿下空气中的氧化氮气体、甲烷、甲醛、二氧化硫等化学气体经过燃料电池模块将吸收进来的气体进行化学反应转换为电能供给矿下用电设备使用，这样就可以减少从矿上输送电力到矿下，也可以降低电力输送过程的危险性。同时也可以减少矿下有害气体对工作人员的危险。能量转换之后，将电能输送到用电单元采用无线输送方式，也减少了电缆线的使用，降低了电力输送过程的危险性。整个装置还带有通信模块，可将矿下的数据实时的传输到矿上供矿上控制中心监控和分析，同时大大降低了矿下工作人员的危险性。

作为进一步扩展的，例如，将该利用空气气体转化电能系统还可以安装在家中，当该系统用于家中，家中用电设备就无需插电，只需将用电设备放置于电磁场无线范围内，均可使用，这样家中用电设备移动方便，无需固定一个位置，家中也减少电线，降低了接触式触电的危险性，同时另一方面，家中热空气的有效吸收并进行转化二次利用能量，节省国家电力资源。

本发明的另一个目的是提供具有矿下利用空气气体转化电能系统的矿下电力设备，其创新点在于：包括矿下电能接收设备、矿下电力控制站、及电能接收机构；所述电能接收机构设于矿灯或矿下运输设备内，所述充电接收设备设于所述电能接收机构内，所述矿下利用空气气体转化电能系统设于所述矿下充电站内，所述矿下电力控制站控制矿下充电站供电。可以将矿下利用空气气体转化电能系统集成或安装在矿下充电站内，采用矿下气体转化成电能，节约资源的同时，还可以实现资源的再利用。另一方面，矿下电力设备结构简单，维修方便。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种矿下利用气体转化电能系统，其特征在于：包括气体发电系统和无线电能传输系统，该气体发电系统和无线电能传输系统均位于矿下，气体发电系统产生的电能由无线电能传输系统传输给用户；所述气体发电系统包括气体收聚输送模块（3）和燃料电池模块（4），所述气体收聚输送模块（3）用于将矿下化学气体集中在一起并将其输送到燃料电池模块（4）中；所述燃料电池模块（4）为输送过来的化学气体提供化学反应环境及条件，并将化学能装换为电能；所述无线电能传输系统选择为非接触式无线电能传输系统；同一个传输电缆上，安装若干套的所述非接触式无线电能传输系统，支路和主干路上均排布有无线电能传输系统，该无线电能传输系统将空气气体传输给气体发电系统，通过气体发电系统转换成电能后，再次通过进行无线传输将电能输送给用电设备；

所述气体发电系统还包括空气检测模块（2），所述空气检测模块（2）用于检测过滤后的矿下化学气体成分及含量；

所述气体发电系统还包括能量检测控制模块（5），所述能量检测控制模块（5）用于检测燃料电池模块（4）产生的电能的能量数据并得以控制；

所述无线电能传输系统包括无线能量接收模块（7）和无线能量发送模块（8）；所述无线能量接收模块（7）用于接收矿下环境空气中的化学气体，为燃料电池模块（8）提供反应气体资源；所述无线能量发送模块（8）用于输送转换后电能为用电单元供电。

2.根据权利要求1所述的矿下利用气体转化电能系统，其特征在于：还包括控制中心，所述控制中心位于矿上地面，且控制并分析相关的电能数据。

3.根据权利要求2所述的矿下利用气体转化电能系统，其特征在于：所述控制中心包括控制室（101）及远程控制室（102），所述控制室（101）及所述远程控制室（102）间通过互联网通信。

4.根据权利要求1所述的矿下利用气体转化电能系统，其特征在于：所述气体发电系统还包括空气过滤系统（1），用于过滤空气中的氧化氮气体、甲烷、甲醛、二氧化硫；所述气体收聚输送模块（3）将过滤后的矿下化学气体集中在一起并将其输送到燃料电池模块（4）中。

5.根据权利要求1所述的矿下利用气体转化电能系统，其特征在于：所述无线电能传输系统还包括无线传输动态调整模块（6），所述无线传输动态调整模块（6）用于系统对无线接收和发送能量的稳定性进行调整。

6.根据权利要求1所述的矿下利用气体转化电能系统，其特征在于：所述无线电能传输系统还包括蓄电单元（9）和电能存储控制模块（10）；所述电能存储控制模块（10）用于保护蓄电单元（9），且控制蓄电单元（9）的存储量及对存储的电能进行检测；所述无线电能传输系统还包括驱动模块（11），所述驱动模块（11）用于驱动蓄电单元（9）给用电单元（12）供电。

7.具有权利要求1~6任一项所述的矿下利用气体转化电能系统的矿下电力设备，其特征在于：包括矿下电能接收设备、矿下电力控制站、及电能接收机构，所述电能接收机构设于矿灯或矿下运输设备内，所述矿下电能接收设备设于所述电能接收机构内，所述矿下利用气体转化电能系统设于矿下充电站内，所述矿下电力控制站控制矿下充电站供电。