技术领域
[0001] 本
发明涉及管道内检测器发电技术领域，特别是涉及一种管道内检测器自动切换型温差发电装置。
背景技术
[0002] 在油气资源开发中，高压管线是实现
天然气、石油远距离运输的最快捷经济手段。随着我国石油的相继开发，在全国范围内已有上千公里的输油管线处于长期服役中。由于管道所处地基不稳定、介质
腐蚀等，油气管线容易产生损伤和
缺陷，进而发生油气
泄漏事故，不仅会影响油田输送的正常生产，还会造成地面环境污染，引发大面积生态灾害。因此，管道的定期清理、检测、安全评估和及时维修对确保其安全、高效运行，促进石油持续高速地发展，和防止地球污染具有十分重要的意义。
[0003] 随着国内外
油气管道的逐步加长、运输量的逐步加大，油气管道高效安全的输送得到了广泛的重视。由于长时间的腐蚀、磨损以及意外的机械损伤等，
铁磁性油气管道会有各种各样的缺陷。为防止泄漏事故的发生，有必要利用管道检测装置进行检测。管道检测是目前针对管道最可靠的检测方式，是管道运输安全的重要保障。其中，管道长度可达150km，内检测器在其内部的运行时间可达40小时以上。为了保证内检测器的稳定运行，为内检测器提供稳定的
电能至关重要。现有的管道内检测器发电装置主要采用以下三种方式为内检测器提供电能：1)尾部
叶轮发电，在实际应用中发电效率较低且不稳定；2)里程轮发电，为内检测器行进提供阻
力容易发生卡死；3)压电振子发电，发电效率低下。可见，现有管道内检测器发电装置的发电效率低下、
稳定性差、电能持续输出能力低。
发明内容
[0004] 针对
现有技术存在的问题，本发明提供一种管道内检测器自动切换型温差发电装置，能够提高发电效率、电能持续输出能力及发电稳定性，而且不会影响管道内检测器的正常运行。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 一种管道内检测器自动切换型温差发电装置，所述检测器包括内部检测设备、检测器
外壳，所述内部检测设备、检测器外壳均设置成圆柱形，其特征在于：包括温差发电单元、隔离保温层、导
热层、均热层、储能装置、
温度传感器、控制单元；
[0007] 所述均热层紧贴所述内部检测设备的外表面，所述隔离保温层紧贴所述均热层的外表面，所述导热层的内表面紧贴所述隔离保温层的外表面、所述导热层的外表面紧贴所述检测器外壳的内表面；
[0008] 所述温差发电单元有M组，M组温差发电单元包括M1组内部温差发电单元、(M-M1)组外部温差发电单元；M1组内部温差发电单元并联后
串联第一继电器再与所述储能装置并联，(M-M1)组外部温差发电单元并联后串联第二继电器再与所述储能装置并联，每组温差发电单元均包括N个串联连接的沿隔离保温层周向布置的温差发电单元；
[0009] 所述隔离保温层包括隔离保温
框架，所述隔离保温框架上设置有与温差发电单元数量相同的阵列布置的通槽，所述隔离保温框架的表面设有隔离保温涂层；
[0010] 每个所述温差发电单元嵌入一个所述通槽内，每组内部温差发电单元中的温差发电单元的热端紧贴所述均热层、冷端紧贴所述导热层，每组外部温差发电单元中的温差发电单元的冷端紧贴所述均热层、热端紧贴所述导热层；
[0011] 所述温度传感器包括第一温度传感器、第二温度传感器，所述第一温度传感器设置在所述隔离保温层的外表面、所述第二温度传感器设置在所述隔离保温层的内表面，所述第一温度传感器、第二温度传感器的输出端均与所述控制单元的输入端电连接，所述第一继电器、第二继电器均与控制单元的输出端电连接。
[0012] 所述温差发电单元包括下层
基板、B对
PN结、上层基板；
[0013] 所述下层基板在上表面上固定有下层
铜箔，所述上层基板在下表面上固定有上层铜箔，所述下层铜箔与所述上层铜箔的数量均为2B且
位置相对；
[0014] 每对PN结包括N型
半导体、P型半导体，每个N型半导体、P型半导体的热端均
焊接在下层铜箔上、冷端均焊接在上层铜箔上；
[0015] 每对PN结中N型半导体对应的上层铜箔、P型半导体对应的上层铜箔通过柔性
导线连接，第b∈{1,2,...,B-1}对PN结中P型半导体对应的下层铜箔与第b+1对PN结中N型半导体对应的下层铜箔通过柔性导线连接；
[0016] 每个温差发电单元的第一个N型半导体、最后一个P型半导体对应的下层铜箔均用柔性导线引出分别形成负极、正极。
[0017] 所述柔性导线为柔性正弦形式导线，所述下层基板、上层基板均采用
硅胶材质；所述下层铜箔等间距阵列布置。
[0018] 每组温差发电单元中相邻温差发电单元的间隔相等，所述温差发电单元的个数为其中，D为管道直径，150mm≤D≤350mm，d为每组温差发电单元中相邻温差发电单元的间隔，5mm≤d≤10mm，d1为检测器的动力皮碗的安全间隔，d2为检测器的动力皮碗与管壁间预留的裕度，d3为检测器的动力皮碗的半径，d4为所述温差发电单元的宽度，N×U＞Umin，U为每个温差发电单元两端产生的
电压，Umin为检测器内部升压模
块所能输入的最
低电压。
[0019] 每个温差发电单元两端产生的电压为U＝as×(T2-T1)；其中，as为
塞贝克系数，T2为温差发电单元的热端温度，T1为温差发电单元的冷端温度。
[0020] D＝260mm，d1＝42.4mm，d2＝10mm，d3＝110mm，d4＝40mm，as＝810，N＝16，M＝4，M1＝2。
[0021] 所述隔离保温框架采用铜材质，所述隔离保温涂层采用纳米
氧化硅材质，纳米氧化硅采用溶液凝胶法制备并采用
喷涂法均匀喷涂在所述隔离保温框架的表面；所述均热层采用导热塑料材质，所述均热层采用在开有小孔的带空腔板抽
真空后充填
相变工作介质最后密封的方法制备；所述隔离保温层与所述均热层、导热层之间均用导热胶粘贴结合。
[0022] 所述储能装置设置成环形，所述储能装置设置在所述均热层与所述隔离保温层之间。
[0025] 本发明的有益效果为：
[0026] (1)本发明基于
塞贝克效应的温差发电装置应用于管道内检测器中，相比于其他发电方式，具有出色的稳定性，同时不会影响管道内检测器的正常运行，不会影响内检测器在管内的运行速度，不会出现卡死现象。
[0027] (2)本发明将管道内检测器的内部检测设备运行散发的热量利用，大幅减少了检测器运行过程中的
能量损耗和散失在管道内的热量，同时为内部检测设备
散热以保证其稳定运行，而且采用阵列分布的温差发电单元排布方式，能够合理利用空间，增加温差发电单元的安装数量，显著提高了温差发电的总功率。
[0028] (3)本发明的温差发电单元的下层基板和上层基板均采用硅胶材质，具有高度柔性，能够实现温差发电单元的可弯曲性，适应内检测器侧面的曲面结构，从而可以更好地贴合均热层与导热层表面。硅胶材质的基板既能为导线提供
支撑，也能减小长期弯曲发电片导致的导线磨损。
[0029] (4)本发明的蜂窝状的隔离保温层能够隔绝内外部热量散失，降低内外冷热交换，提高温差发电单元的发电效率。
[0030] (5)本发明采用
石墨烯超级电容作为储能装置，针对海底管道内的特殊环境，石墨烯超级电容具有较强的抗腐蚀性和物理抗磨损性。同时，在内检测器有限的空间中，石墨烯超级电容占用空间较小且可折叠，可以置于狭小的空间中。相比于普通
电池，石墨烯超级电容充电的要求更低，节省了复杂的升压过程，能更好针对温差发电装置进行电能储存。
[0031] (6)本发明的隔离保温涂层采用纳米氧化硅作为涂层。纳米氧化硅径分布均匀，
电阻率高，具有良好的绝缘性能及优良的耐酸腐蚀能力和电气性能、极高的机械强度，能够保证其在使用中绝不会发生开裂和电气击穿等现象，其性能作为检测器内部隔离保温层的隔离保温涂层，可以节省空间，不需要增加厚度就能满足
隔热效果，可以与温差发电单元更好契合。
[0032] (7)本发明的控制单元能够根据两个温度传感器测得的温度差异，在内外部温差发生变化的情况下，控制内部温差发电单元组和外部温差发电单元组之间切换，从而切换冷热端，提高发电效率，实现不间断发电。
附图说明
[0033] 图1为本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置的结构示意图。
[0034] 图2为本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置的侧视图；
[0035] 图3为具体实施方式中本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置中温差发电单元的结构示意图；
[0036] 图4为本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置中温差发电单元在隔离保温层中的安装形式示意图；
[0037] 图5为具体实施方式中本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置中温差发电单元在隔离保温层中的布置方式示意图；
[0038] 图6为具体实施方式中安装有本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置的管道内检测器的运行示意图；
[0039] 图7为本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置的温差发电原理图；
[0040] 图8为本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置的自动切换控制原理图。
[0041] 图中，1-温差发电单元，2-隔离保温层，3-导热层，4-均热层，5-N型半导体，6-P型半导体，7-1-下层铜箔，7-2-上层铜箔，8-柔性导线，9-下层基板，10-上层基板，11-储能装置，12-里程轮，13-管壁，14-内部检测设备，15-检测器外壳。
具体实施方式
[0042] 下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。
[0043] 如图1所示，检测器包括内部检测设备14、检测器外壳15，内部检测设备14、检测器外壳15均设置成圆柱形。本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置，包括温差发电单元1、隔离保温层2、导热层3、均热层4、储能装置11、温度传感器、控制单元。
[0044] 如图2所示，所述均热层4紧贴所述内部检测设备14的外表面，所述隔离保温层2紧贴所述均热层4的外表面，所述导热层3的内表面紧贴所述隔离保温层2的外表面、所述导热层3的外表面紧贴所述检测器外壳15的内表面。
[0045] 本
实施例中，所述隔离保温层2与所述均热层4、导热层3之间均用导热胶粘贴结合。
[0046] 所述均热层4采用导热塑料材质，能够完成检测器的检测芯片的散热，帮助温差发电装置吸收内能。所述均热层4采用在开有小孔的带空腔板抽真空后充填相变工作介质最后密封的方法制备。当检测器的内部芯片产生的热量透过均热层4时，相变工作介质被芯片散发的热量加热后，能够加热内部温差发电单元的热端。
[0047] 所述隔离保温层2包括隔离保温框架，所述隔离保温框架上设置有与温差发电单元1数量相同的阵列布置的通槽，所述隔离保温框架的表面设有隔离保温涂层。
[0048] 本实施例中，所述隔离保温框架采用铜材质，所述隔离保温涂层采用纳米氧化硅材质，纳米氧化硅采用溶液凝胶法制备并采用喷涂法均匀喷涂在所述隔离保温框架的表面。其中，“蜂窝状”的隔离保温层能够隔绝内外部热量散失，降低内外冷热交换，提高温差发电单元的发电效率。在制作“蜂窝孔”即通槽时要注意留有3-5mm裕度防止涂上纳米氧化硅涂层之后尺寸不符无法放入温差发电单元。纳米氧化硅材质的涂层中，纳米氧化硅径分布均匀，电阻率高，具有良好的绝缘性能及优良的耐酸腐蚀能力和电气性能、极高的机械强度，能够保证其在使用中绝不会发生开裂和电气击穿等现象，其性能作为检测器内部隔离保温层的隔离保温涂层，可以节省空间，不需要增加厚度就能满足隔热效果，可以与温差发电单元更好契合。
[0049] 所述温差发电单元1有M组，M组温差发电单元包括M1组内部温差发电单元、(M-M1)组外部温差发电单元；M1组内部温差发电单元并联后串联第一继电器再与所述储能装置11并联，(M-M1)组外部温差发电单元并联后串联第二继电器再与所述储能装置11并联，每组温差发电单元均包括N个串联连接的沿隔离保温层2周向布置的温差发电单元1；
[0050] 如图4所示，每个所述温差发电单元1嵌入一个所述通槽内，每组内部温差发电单元中的温差发电单元1的热端紧贴所述均热层4、冷端紧贴所述导热层3，每组外部温差发电单元中的温差发电单元1的冷端紧贴所述均热层4、热端紧贴所述导热层3。
[0051] 本实施例中，储能装置11采用石墨烯超级电容。针对海底管道内的特殊环境，石墨烯超级电容具有较强的抗腐蚀性和物理抗磨损性。同时，在内检测器有限的空间中，石墨烯超级电容占用空间较小且可折叠，可以置于狭小的空间中。相比于普通电池，石墨烯超级电容充电的要求更低，节省了复杂的升压过程，能更好针对温差发电装置进行电能储存。如图5所示，所述储能装置11设置成环形，所述储能装置11设置在所述均热层4与所述隔离保温层2之间，储能装置11紧贴所述均热层4与所述隔离保温层2，可以将超级电容充放电发出的热量透过均热层4被内部温差发电单元热端吸收，提高热端温度，增大温差发电片两端温差，实现更好的发电效果。
[0052] 所述温度传感器包括第一温度传感器、第二温度传感器，所述第一温度传感器设置在所述隔离保温层2的外表面、所述第二温度传感器设置在所述隔离保温层2的内表面，所述第一温度传感器、第二温度传感器的输出端均与所述控制单元的输入端电连接，所述第一继电器、第二继电器均与控制单元的输出端电连接。本实施例中，所述控制单元为单片机。
[0053] 如图3所示，所述温差发电单元1包括下层基板9、B对PN结、上层基板10；
[0054] 所述下层基板9在上表面上固定有下层铜箔7-1，所述上层基板10在下表面上固定有上层铜箔7-2，所述下层铜箔7-1与所述上层铜箔7-2的数量均为2B且位置相对；
[0055] 每对PN结包括N型半导体5、P型半导体6，每个N型半导体5、P型半导体6的热端均焊接在下层铜箔7-1上、冷端均焊接在上层铜箔7-2上；
[0056] 每对PN结中N型半导体5对应的上层铜箔7-2、P型半导体6对应的上层铜箔7-2通过柔性导线8连接，第b∈{1,2,...,B-1}对PN结中P型半导体6对应的下层铜箔7-1与第b+1对PN结中N型半导体5对应的下层铜箔7-1通过柔性导线8连接；
[0057] 每个温差发电单元1的第一个N型半导体5、最后一个P型半导体6对应的下层铜箔7-1均用柔性导线8引出分别形成负极、正极。
[0058] 本实施例中，所述柔性导线8为柔性正弦形式导线，这种形式的导线特别适合曲面温差发电片式的要求，在弯曲拉伸温差发电单元时，可以很好地保证导线与铜箔之间不会由于
张力而断裂，使温差发电单元具有柔性的特性，大大方便了温差发电单元与均热层外表面的结合。其中，可以用中间被绝缘层包裹、两端裸露的导线，直接压制成铜箔，导线两端引出；也可以用
焊料将柔性导线8与铜箔焊接，柔性导线与铜箔之间的具体连接方式不构成本发明的限定。
[0059] 所述下层基板9、上层基板10均采用硅胶材质，具有高度柔性，能够实现温差发电单元的可弯曲性，适应内检测器侧面的曲面结构，从而可以更好地贴合均热层与导热层表面。同时硅胶具有良好的导热性能，可以更好地传递热量，不影响温差发电效率。
[0060] 所述下层铜箔7-1等间距阵列布置。本实施例中，如图3所示，B＝8对PN结阵列布置，每行每列均有两对PN结，阵列的排布方式能够进一步节约空间。
[0061] 每组温差发电单元1中相邻温差发电单元1的间隔相等，所述温差发电单元1的个数为 其中，D为管道直径，150mm≤D≤350mm，d为每组温差发电单元1中相邻温差发电单元1的间隔，5mm≤d≤10mm，d1为检测器的动力皮碗的安全间隔，d2为检测器的动力皮碗与管壁间预留的裕度，d3为检测器的动力皮碗的半径，d4为所述温差发电单元1的宽度，N×U＞Umin，U为每个温差发电单元1两端产生的电压，Umin为检测器内部升压模块所能输入的最低电压。
[0062] 每个温差发电单元1两端产生的电压为
[0063] U＝as×(T2-T1) (1)
[0064] 其中，as为塞贝克系数，T2为温差发电单元1的热端温度，T1为温差发电单元1的冷端温度。
[0065] 理论上塞贝克系数为：
[0066]
[0067] 将(1)式代入(2)式，得到所述每个温差发电单元所产生电压为：
[0068]
[0069] 式(3)中，e为
电子电量，kB为玻尔兹曼常数；Ne为导带态
密度，n为电子密度，r为指数因子， 为声子拖曳效应，ΔT为每单位
流体流经温差发电单元所降低的温度。通过该公式(3)可以得出每个温差发电单元的发电电压，通过调整温差发电单元数量和串并联情况可以灵活设计适应不同情况下的温差发电装置。
[0070] 其中，对于预测电压U来讲，内检测器内部芯片温度通过均热层可以近似认定为内部温差发电单元的热端温度T2，T1可过温度传感器测得。求出ΔT即可对U进行预测。
[0071] 通过建立三维非稳定温度场问题的求解可以得到以下函数：
[0072]
[0073] 式中：RT为计算域，T为温度,a、λ均为导热系数，θ为绝热升温，β为表面散热系数，Ta为外界气温，t为时间，τ为管壁龄期， 为第三类边界条件。
[0074] 通过函数的驻值条件和时间域的向后差分，可得温度场的有限元计算的支配方程：
[0075]
[0076] 式中：[H]是热传导矩阵；[R]是热传导补充矩阵；{Tn}是结点温度列阵；{Fn+1}是结点温度荷载列阵。由已知的上一时刻的{Tn}，计算出下一时刻的{Tn+1}。
[0077] 假设在稳定运行过程中，已经到达绝对稳定状态，即内检测器内部芯片温度已经到达稳定温度，内部热量达到平衡。通过上述函数和支配方程结合海底管道内相关参数可得到管内液体在单位长度的管段向管壁吸收或放出的热量为：
[0078]
[0079] 其中，上式中n为法向量单位矢量，具体为温度在轴向的导数；
[0080] 结合管内液体流量、
比热和密度得到两截面之间管道段液体增加或减少热量为：
[0081]
[0082] 其中，c0为管内液体的比热，ρ0为管内液体密度，TWP为管道内液体温度，l为
水管沿程坐标，AP为水管过流面积。经过上述计算，由热量平衡方程得出单位体积液体流经内检测器的温度变化：
[0083]
[0085] m0＝(S0-S1)·L·ρ0
[0086] 其中，qw为管壁相对管内液体的流量，即假设管内液体静止，管壁运动所产生的流量，S0为管道截面积，S1为内检测器截面积，L温差发电节长度。
[0087] 通过液体比热，得到单位液体流经内检测器带走每枚内部温差发电单元冷端热量：
[0088]
[0089] 结合温差发电装置半导体比
热容与半导体质量得出内部温差发电单元冷端温度变化：
[0090]
[0091] 结合式(3)代入ΔT得出电压预测方程：
[0092]
[0093] 本实施例中，将本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置应用到D＝260mm的管道内的检测器中。本实施例中，塞贝克系数as根据采用半导体材料取值810，T1＝35℃，60℃≤T2≤70℃，-3.5℃≤ΔT≤3.6℃，得到每个温差发电单元1两端产生的电压24.3mV≤U≤32.4mV。本实施例中，检测器内部升压模块所能输入的最低电压Umin＝388mV，得到每组温差发电单元1中串联的温差发电单元个数为N＝16。
[0094] 其中，经过实验得出每组温差发电单元1中相邻温差发电单元1的间隔5mm≤d≤10mm时效果最佳；检测器的动力皮碗的安全间隔d1＝42.4mm时能够保证动力皮碗发生形变之后装置不会触碰管壁；检测器的动力皮碗与管壁间预留的裕度过小会导致皮碗磨损加剧，过多会导致检测器行进产生震动过大，取d2＝10mm效果最佳；检测器的动力皮碗的半径d3＝110mm，温差发电单元的大小为4×4×1cm，从而温差发电单元1的宽度d4＝40mm。进一步得到温差发电单元1的组数M＝4。内部或外部温差发电单元的组数均为2。从而针对D＝
260mm的管道，每组串联16枚温差发电单元最优，采用两组内部温差发电单元、两组外部温差发电单元进行发电。
[0095] 其中，温差发电单元的数量受制于内部空间和外壳尺寸，数量过少会导致电压过低无法上电，数量过多又无法放置。本实施例中，通过计算得到最优的64枚温差发电单元阵列布置，能够合理利用空间，增加温差发电单元的安装数量，显著提高温差发电的总功率，而且能够防止内部热量不合理利用导致内部温度过高影响内部检测芯片正常运行。
[0096] 下面结合附图说明本发明的工作原理：
[0097] 如图6所示，安装有本发明的管道内检测器自动切换型温差发电装置的检测器在管道内液体的推动下运行，检测器通过里程轮(12)沿着管壁(13)转动而向前行进。
[0098] 第二温度传感器对隔离保温层(2)的内表面的温度进行检测并将检测到的内侧温度传输给控制单元，第一温度传感器对隔离保温层(2)的外表面的温度进行检测并将检测到的外侧温度传输给控制单元。当内侧温度高于外侧温度时，控制单元发送闭合
信号给第一继电器，控制两组内部温差发电单元工作，同时发送断开信号给第二继电器，控制两组外部温差发电单元不工作。
[0099] 在管道内检测器的运行过程中，内部检测设备(14)对管道内缺陷进行检测的同时，发出热量，均热层(4)吸收内部检测设备(14)的检测芯片运行产生的热量，两组内部温差发电单元的热端由于紧贴均热层(4)而温度升高；两组内部温差发电单元的冷端紧贴导热层(3)，导热层(3)紧贴检测器外壳(15)，检测器外壳(15)受到管道内液体的冲刷，不断散热，间接起到为温差发电单元冷端降温的作用。此时，如图7所示，内部温差发电单元因热端与冷端产生温差而发电，并通过储能装置(11)存储电能，储能装置存储的电能经变压滤波后供内部检测设备(14)使用。
[0100] 其中，温差发电的原理为塞贝克效应，又称作第一
热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。本发明的基于塞贝克效应的温差发电装置，相比于其他发电方式，具有出色的稳定性，同时不会影响管道内检测器的正常运行，不会影响内检测器在管内的运行速度，不会出现卡死现象。
[0101] 当内侧温度低于外侧温度时，控制单元发送断开信号给第一继电器，控制两组内部温差发电单元停止工作，同时发送闭合信号给第二继电器，控制两组外部温差发电单元开始工作。从而如图8所示，本发明的控制单元根据两个温度传感器测得的温度差异，在内外部温差发生变化的情况下，控制内部温差发电单元组和外部温差发电单元组之间切换，从而切换冷热端，提高发电效率，实现不间断发电。
[0102] 显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本
申请的精神和原理之内所作的所有
修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。
