用于海洋立管的俘能发电装置 |
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| 申请号 | CN201610075820.6 | 申请日 | 2016-02-03 | 公开(公告)号 | CN106160568A | 公开(公告)日 | 2016-11-23 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 张鹤; 吕朝锋; 蒋吉清; 徐诚侃; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种用于海洋立管的俘能发电装置，包括柔性膜状俘能供电结构，所述柔性膜状俘能供电结构包覆在海洋立管表面，所述柔性膜状俘能供电结构内封装有多个压电单元。本发明的发电装置所产生的 电能 完全能够为海洋管道的检测系统、检测数据传输系统提供足够的电能，还具备电能存储装置，当产生电能富余时能够及时进行存储，保证系统的持续供电，本发明从技术上直接支持海洋这样特殊环境中管道的无线检测，以及检测数据的无线传输，是 水 下结构检测技术的重要革新。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于海洋立管的俘能发电装置，其特征在于：包括柔性膜状俘能供电结构，所述柔性膜状俘能供电结构包覆在海洋立管表面，所述柔性膜状俘能供电结构内封装有多个压电单元。 |
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| 说明书全文 | 用于海洋立管的俘能发电装置技术领域[0001] 本发明涉及用于海洋立管的俘能发电装置。 背景技术[0002] 石油天然气是关系国民经济和社会发展的重要战略资源，我国海洋可采石油储量几乎占全部可采储量的三分之一，在未来很长一段时间内都将是国家能源战略的重中之重。海底管道是海洋油气资源最主要也是最快捷、经济、可靠的运输方式。海底管道服役环境极端，随着其服役时间不断增加，腐蚀、焊缝等缺陷严重影响了管道的安全性，成为管道事故发生的主要原因，由此，利用检测工具对海底管道进行安全检测成为保证管道安全运行的重要手段。近年来，无线电传感器迅速发展，日益应用广泛，对于海底管道这类处于极端环境中的特殊结构检测具有极大的应用优势，但该类传感器目前主要储能供能方式是化学电池，不能够随着海底管道的长期服役过程持久供电，且体积和质量均较大，因此，开发一种新的供能方式能够促使海底管道无线监控系统成为现实。 发明内容[0004] 本发明解决技术问题所采用的技术方案是：用于海洋立管的俘能发电装置，包括柔性膜状俘能供电结构，所述柔性膜状俘能供电结构包覆在海洋立管表面，所述柔性膜状俘能供电结构内封装有多个压电单元。 [0005] 在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案： [0007] 所述柔性膜状俘能供电结构包括柔性绝缘膜，所述压电单元电路压制在柔性绝缘膜表面，所述柔性绝缘膜表面还设有电源控制系统，所述压电单元电路连接至电源控制系统。 [0008] 所述电源控制系统包括稳压整流器、储能装置、变压装置以及用于连接用电设备的电路输出端口，所述电源控制系统通过电线连接至压电单元电路。 [0009] 所述柔性绝缘膜表面设有防水封装，所述防水封装将所述压电单元电路和电源控制系统封装在内，与柔性绝缘膜形成密封的柔性膜状俘能供电结构。 [0010] 所述柔性膜状俘能供电结构的两端设有能够相互配合的卡口，所述卡口合上时，所述柔性膜状俘能供电结构能够在海洋立管表面形成柔性套筒。 [0011] 海洋中的振动每时每刻无处不在，海水的流动、管道在洋流作用下的振动都蕴含着巨大的能量，如果能够通过能量转化装置，将这些振动所产生的能量转化为满足微电子系统所需求的电能，就可以代替电池为微电子系统供电。基于压电效应的压电发电方式能够将洋流激励下的管道振动产生的机械能转化为电能，并进行收集和利用，为管道的检测、监控系统提供自发的电能供给，减小能源浪费，提供绿色能源，实现海底无线监控，拥有巨大的潜在经济效益。压电材料的研究和应用经过长时间的技术积累已经趋于成熟，利用压电材料的正压电效应可以很好地实现振动机械能到电能的转化，而且压电换能装置结构简单、易于加工制作、便于微型化和集成化，材料的能量采集和应用工作环境限制少、效率高、绿色环保，应用于俘能装置必能开创新地实现海底管道服役过程中国的无线检测、无线监控，具有巨大的应用市场和经济价值。 [0012] 本发明的有益效果是：本发明利用压电材料的正向压电效应，将包含压电单元阵列的薄膜装置包裹在海洋立管外表面，将洋流引起的管道振动机械能转化为电能，经过该供电薄膜装置中的电源控制集成系统的稳压、变压处理，对管道检测的用电设备进行供电点或者进行电能存储，本发明的发电装置所产生的电能完全能够为海洋管道的检测系统、检测数据传输系统提供足够的电能，还具备电能存储装置，当产生电能富余时能够及时进行存储，保证系统的持续供电，本发明从技术上直接支持海洋这样特殊环境中管道的无线检测，以及检测数据的无线传输，是水下结构检测技术的重要革新。附图说明 [0013] 图1是本发明用于海洋立管时的侧视图。 [0014] 图2是图1的截面图。 [0015] 图3是本发明的平面图。 [0016] 图4是图3的侧视图。 [0017] 图5是本发明的爆炸图。 [0018] 图6是本发明用于海洋立管时的整体三维结构图。 [0019] 图7是图6的局部三维结构图。 [0020] 图8是本发明实施例中海洋立管的参数。 [0021] 图9海底管道悬空段在洋流作用下的计算模型图。 [0022] 图10是海洋立管的管道跨中位移时程曲线。 [0023] 图11是海洋立管的管道跨中截面的运动轨迹。 具体实施方式[0025] 参照附图。 [0026] 本发明的用于海洋立管的俘能发电装置，包括柔性膜状俘能供电结构1，柔性膜状俘能供电结构1包覆在海洋立管8的表面，柔性膜状俘能供电结构1内封装有多个压电单元3。 [0027] 柔性膜状俘能供电结构1包括高分子防水柔性绝缘膜2，柔性绝缘膜的长度由其将要包覆的海洋立管的外周长决定，薄膜宽度由装置所需压电单元阵列宽度决定。 [0028] 多个压电单元3呈带状或矩阵排列，并且通过电线4串联形成压电单元电路。压电单元组成单元阵列，压电单元两两之间间距在5-10cm范围内取值，压电阵列长度由海洋立管周长决定，压电阵列宽度由用电设备所需电量决定，压电阵列宽度越宽，则压电单元数量越多，即所能提供的电量越大。 [0029] 电线4印制在高分子防水柔性绝缘膜2的表面上，从而使得压电单元电路压制在高分子防水柔性绝缘膜2的表面，高分子防水柔性绝缘膜2的表面还设有电源控制系统，压电单元电路连接至电源控制系统。 [0030] 电源控制系统采用集成的电源控制模块5，电源控制模块5也压制在高分子防水柔性绝缘膜2的表面，电源控制模块5包括稳压整流器、储能装置、变压装置以及用于连接用电设备的电路输出端口，电源控制模块5通过电线连接至压电单元电路，电源控制模块5通过电线与压电单元阵列相连，通过电路输出端口与外部用电设备相连并为其供电，储能装置则用于存储富余电能。 [0031] 高分子防水柔性绝缘膜2的表面设有防水封装7，所述防水封装7包括上封装层和下封装层，所述高分子防水柔性绝缘膜2包括柔性薄膜和薄膜基底，所述上封装层包覆住柔性薄膜及其上的压电单元电路和电源控制模块5，所述下封装层包覆在薄膜基底外围，防水封装7将压电单元电路和电源控制模块5封装在内，与高分子防水柔性绝缘膜2形成密封的柔性膜状俘能供电结构1，所述电源控制模块5位于高分子防水柔性绝缘膜2一侧，柔性膜状俘能供电结构1内的电线都汇集到电源控制模块5所在的这一侧并由此向外供电，这种设计使得柔性膜状俘能供电结构1内复杂的电线结构能够对抗海洋环境中的振动和其他影响。 [0032] 柔性膜状俘能供电结构1的两端设有能够相互配合的卡口6，当两端的卡口6合上时，柔性膜状俘能供电结构1能够在海洋立管8表面形成柔性套筒。 [0033] 在洋流作用下，高分子防水柔性绝缘膜2表面的压电单元与管道结构同步振动，具有相同的变形和应变，根据压电材料的特性，压电单元由于变形而产生电流，由此将振动机械能转化为电能，并经过电路传输至电源控制集成系统，在电源控制集成系统中，电流将通过整流器和变压器为外部用电设施提供稳定、电压匹配的电能，或者将富余电能存储在电能储能器中，达到持续、稳定供能的使用效果。 [0034] 本实施例中基于Matlab平台，对一根顶张力式立管在洋流作用下的流固耦合振动进行了计算，管道长1500m，外直径为0.324m，壁厚为0.02m。管道材料为钢材，密度为7850kg/m3，弹性模量为207MPa，剪切模量为79GPa，如图8所示。立管的边界条件为底部固定，顶端简支并作用5.4e6N的初始顶张力。本实施例中只计算深水立管在海流作用下的涡激振动响应，且假设洋流速度沿水深均匀稳定，计算模型见图9，相应振动微分方程为： [0035] [0036] 其中E为管道弹性模量，m为管道材料密度，I为截面惯性矩，c表示阻尼；m表示单位长度管道的质量；t表示时间uy表示y方向的位移；uz表示z方向的位移；fy(x,t)和fz(x,t)表示y方向和z方向上上模型所受的荷载，其表达式为： [0037] [0038] [0039] 其中：CL是升力系数，取0.4～0.9之间；vf是水流速度，CD是拖拽力系数，与雷诺数、波数及表面粗糙度有关，取值在0.6～2.0之间；C'L是顺流向涡激升力系数，依据Hallam1987实验数据，取0.05～0.1之间；Cm是附加质量系数，取1.0； 为管道横向振动速度， 为顺流向振动加速度。 [0040] 当外流速为0.1m/s时，管道跨中截面的横流向位移振动响应见图10，该结果显示管道在洋流作用下横流向振动位移响应幅值约为0.2米(20厘米)左右，表明管道在洋流作用下将产生非常大的振动变形和应变，这意味着随着管道发生变形的本装置将产生大量电能。图11为管道跨中节点在横截面上的运动轨迹，说明管道在洋流作用下不仅会产生横流向变形，还会产生顺流向变形，这都将会引起本产品源源不断地产生电能。 |
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