CN104659893A - 基于地热能-振动能的井下设备供电系统及其供电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于地热能-振动能的井下设备供电系统及其供电方法，系统包括振动能发电装置、地热能发电装置、电能储存装置和电源监测管理装置，所述的振动能发电装置和地热能发电装置的输出端与电能储存装置的两个储能输入端连接，电能存储装置与电源监测管理装置双向连接，电能存储装置的输出端与井下设备连接。本发明采用了将地热能和压电振动能相结合的技术方案，为利用钻井过程中自身能源开辟了一条行之有效的通道，建立了可持续利用的清洁能源；解决了能量不足的问题，井下设备供电的要求得到满足，从而可以确保钻井参数检测系统的正常运行；有效减少因井下设备供能问题导致的起钻次数，大大提高钻井效率，降低钻井成本。
Description
技术领域
本发明涉及基于地热能-振动能的井下设备供电系统及其供电方法。
背景技术
为保障钻井生产的安全，钻井过程中需要监测的参数众多，需要的传感器也非常多，然而目前传感器的能量供给主要采用电池供电。电池供电的方式使传感器的工作受制于电池的寿命，在深井或超深井钻探中更换电池异常不方便。同时电池的价格也很昂贵，这无形之中增加了钻井的成本。
目前井下设备大都采用化学电池供电，使用寿命较短而且更换困难，价格昂贵。常用的电池为锂电池，锂电池有比较高的比能量，主要用于二次充电电池。锂离子电池具有优良的循环使用性能，可以经历上千次的充放电循环过程。由于微型锂电池采用固态电解质，因此放电速度受到限制。虽然化学电池仍旧是电子器件首选的电源类型，但其使用寿命一般都较短。需要不断的对电池进行充电，这对于目前大量使用的井下设备来说与更换电池一样的不方便。另外要不断的对植入式传感器的电池进行充电基本上是不可能，微型化学电池内有重金属物质，对环境污染严重。
依靠机械振动作为能源是一种人们颇为熟悉的方法。压电发电装置可以将周围环境或人体的振动机械能转换成电能，为电子设备供电，使电子设备无需频繁更换电池，或频繁充电，提高了电子设备的免维护性。
半导体温差发电是一种新型的发电方式，具有结构简单、坚固耐用、清洁、无泄露、无运动部件、无噪声、使用寿命长等优点。符合绿色环保的要求。半导体温差发电片直接将热能转化为电能，导热系数高，转化效率高。
在钻井的过程中，钻柱会有很大的振动产生许多能量，同时地下也会产生很多的热能。由此，通过压电发电和温差发电将钻井过程中的振动能和热能收集起来为井下设备功能具有很强的可行性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于地热能-振动能的井下设备供电系统及其供电方法，解决现有供电方式价格昂贵、使用寿命短、更换困难的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于地热能-振动能的井下设备供电系统，它包括振动能发电装置、地热能发电装置、电能储存装置和电源监测管理装置，所述的振动能发电装置和地热能发电装置的输出端与电能储存装置的两个储能输入端连接，电能存储装置与电源监测管理装置双向连接，电能存储装置的输出端与井下设备连接。
所述的振动能发电装置和地热能发电装置设置在靠近钻头的短节上。
所述的振动能发电装置包括压电元件和压电换能装置，所述的压电元件将钻头钻进过程中产生的机械振动的能量捕获并转化为瞬态高交流电信号输出至压电换能装置，所述的压电换能装置将压电元件输出的瞬态高交流电信号转换为直流电输出给电能存储装置。
所述的振动能发电装置包括横振动腔和纵振动腔，所述的横振动腔和纵振动腔包括压电元件和振动感受构件；
所述的振动感受构件呈塔形结构，包括3个长度不同的振动传递构件即第一振动传递构件、第二振动传递构件、第三振动传递构件，并通过弹簧固定；在横振动腔中第一压电元件纵向安装，第一振动感受构件纵向安装；在纵向振动腔中第二压电元件横向安装，第二振动感受构件横向安装；
横振动腔和纵振动腔将钻进过程中产生的纵向振动转化为电能，并将电能输送到电能存储装置中存储。
所述的压电换能装置包括整流电路和第一电压调理电路，整流电路的输入端与压电元件连接，整流电路的输出端与第一电压调理电路连接，第一电压调理电路的输出端与电能存储装置连接。
所述的地热能发电装置包括温差发电片和热电换能装置，所述的温差发电片将钻头钻进过程中产生的热能和地下的热能转化为电信号输出至热电换能装置，所述的热电换能装置将温差发电片输出的电信号进行调理并输出给电能存储装置。
所述的热电换能装置包括第二电压调理电路，所述的第二电压调理电路的输入端与温差发电片连接，第二电压调理电路的输出端与电能存储装置连接。
所述的地热能发电装置为地热能发电腔，所述的地热能发电腔包括2个绝热层和设置在绝热层中间的多个温差发电单元，所述的温差发电单元由1个N型半导体、1个P型半导体、1个热端导热构件和2个冷端散热构件组成，N型半导体和P型半导体的一端均与热端导热构件连接，N型半导体和P型半导体的另一端分别与2个冷端散热构件连接；
所述的热端导热构件固定在短节环空的外壁上，冷端散热构件固定在短节环空的内壁上；
每个温差发电单元之间通过冷端散热构件和连接导线串联在一起，总的电能通过负极接线柱、正极接线柱输出到电能存储装置中。
所述的电源监测管理装置包括AD转换模块、DA转换模块和微处理器，所述的AD转换模块的输入端与电能存储装置连接，AD转换模块的输出端与微处理器连接，微处理器的输出端与DA转换模块连接，DA转换模块的输出端与电能存储装置连接。
所述的微处理器还与外部通讯装置连接。
基于地热能-振动能的井下设备供电系统的供电方法，它包括以下步骤：
S1：振动能发电，包括以下子步骤：
S101：振动能发电装置捕获钻头钻进过程中产生的机械振动能量，并转化为瞬态交流电信号；
S102：将瞬态交流电信号转换为直流电；
S2：地热能发电，包括以下子步骤：
S201：地热能发电装置将钻头钻进过程中产生的热能和地下的热能转化为电信号；
S202：对电信号进行调理，调节输出的电压；
S3：将步骤S1和步骤S2产生的电能发送至电能存储装置进行存储；
S4：电源监测管理装置对电能存储装置的电量进行检测，并将检测结果发送至外部通讯装置；
S5：电能存储装置按照预先设定的供电模式输出电能对井下设备供电。
本发明的有益效果是：
1.由于在钻井的过程中，钻头会产生振动和热量，以及钻井越深使得地热能更充足，根据周围的环境选用了压电发电和温差发电；
2.采用了将地热能和压电振动能相结合的技术方案，为利用钻井过程中自身能源开辟了一条行之有效的通道，建立了可持续利用的清洁能源；
3.解决了能量不足的问题，井下设备供电的要求得到满足，从而可以确保钻井参数检测系统的正常运行；
4.电源监测与管理装置可实现直流动态电压输出，满足各种传感器对工作电压的要求；
5.压电发电装置相对于其他微型发电装置，具有结构简单、不发热、无电磁干扰等优点；
6.温差发电是一种新型的发电方式，具有结构简单、坚固耐用、清洁、无泄露、无运动部件、无噪声、使用寿命长等优点，符合绿色环保的要求；温差发电片直接将热能转化为电能，导热系数高，转化效率高；
7.有效减少因井下设备供能问题导致的起钻次数，大大提高钻井效率，降低钻井成本；
8.振动感受构件呈塔形结构包括多个振动传递构件，与传统振动感受构件相比，更加灵敏，能更加充分的感受振动，传振效果好。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为本发明方法流程图；
图3为本发明的内部结构图；
图中，1-短节，2-绝热层，3-负极接线柱，4-N型半导体，5-热端导热构件，6-连接导线，7-P型半导体，8-冷端散热构件，9-正极接线柱，10-地热能发电腔，11-横振动腔，12-第一压电元件，13-第一振动传递构件，14-第二振动传递构件，15-第三振动传递构件，16-第二振动感受构件，17-第一压电元件，18-纵振动腔，19-第一振动感受构件，20-弹簧，21-蓄电池，22-仪表盒，23-钻头。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：如图1所示，基于地热能-振动能的井下设备供电系统，它包括振动能发电装置、地热能发电装置、电能储存装置和电源监测管理装置，所述的振动能发电装置和地热能发电装置的输出端与电能储存装置的两个储能输入端连接，电能存储装置与电源监测管理装置双向连接，电能存储装置的输出端与井下设备连接。
所述的振动能发电装置和地热能发电装置设置在靠近钻头1的短节23上，整个系统包括地热能发电腔10、横振动腔11、纵振动腔18、蓄电池21、仪表盒22。
所述的振动能发电装置包括压电元件和压电换能装置，所述的压电元件将钻头钻进过程中产生的机械振动的能量捕获并转化为瞬态高交流电信号输出至压电换能装置，所述的压电换能装置将压电元件输出的瞬态高交流电信号转换为易于存储和使用的直流电输出给电能存储装置。
所述的压电元件包括压电陶瓷或压电高聚物，它能有效的将钻头转进过程中产生的机械振动、挤压、扭转等转换为电能输出。
所述的压电换能装置包括整流电路和第一电压调理电路，整流电路的输入端与压电元件连接，整流电路的输出端与第一电压调理电路连接，第一电压调理电路的输出端与电能存储装置连接。
在本实施例中，如图3所示，所述的振动能发电装置包括横振动腔11和纵振动腔18，所述的横振动腔11和纵振动腔18包括压电元件和振动感受构件。所述的振动感受构件呈塔形结构，包括3个长度不同的振动传递构件即第一振动传递构件13、第二振动传递构件14、第三振动传递构件15，并通过弹簧20固定。
在横振动腔11中第一压电元件12纵向安装，第一振动感受构件19纵向安装，从而实现将横向振动转换为电能；在纵向振动腔18中第二压电元件17横向安装，第二振动感受构件16横向安装，从而实现将钻进过程中产生的纵向振动转化为电能。横振动腔11和纵振动腔18产生的电能输送到蓄电池21中存储。
所述的地热能发电装置包括温差发电片和热电换能装置，所述的温差发电片将钻柱钻进过程中产生的热能和地下的热能转化为电信号输出至热电换能装置，所述的热电换能装置将温差发电片输出的电信号进行调理并输出给电能存储装置。
所述的热电换能装置包括第二电压调理电路，所述的第二电压调理电路的输入端与温差发电片连接，第二电压调理电路的输出端与电能存储装置连接。
在本实施例中，电能存储装置为蓄电池21。
在本实施例中，如图3所示，所述的地热能发电装置为地热能发电腔10，所述的地热能发电腔10包括2个绝热层2和设置在绝热层2中间的多个温差发电单元，所述的温差发电单元由1个N型半导体4、1个P型半导体7、1个热端导热构件5和2个冷端散热构件8组成，N型半导体4和P型半导体7的一端均与热端导热构件5连接，N型半导体4和P型半导体7的另一端分别与2个冷端散热构件8连接。
其中，热端导热构件5固定在短节1环空的外壁上，感受并传递地下的热量以及钻头23钻进过程中产生的热能，冷端散热构件8固定在短节1环空的内壁上，短节1内流动的泥浆能使内壁保持低温，从而确保N型半导体4和P型半导体7的两端有较为稳定的温度差异。每个温差发电单元的冷端散热构件8通过连接导线6串联在一起，总的电能通过负极接线柱3、正极接线柱9输出到蓄电池21中。
所述的电源监测管理装置包括AD转换模块、DA转换模块和微处理器，所述的AD转换模块的输入端与电能存储装置连接，AD转换模块的输出端与微处理器连接，微处理器的输出端与DA转换模块连接，DA转换模块的输出端与电能存储装置连接。
所述的微处理器还与外部通讯装置连接。
如图2所示，基于地热能-振动能的井下设备供电系统的供电方法，它包括以下步骤：
S1：振动能发电，包括以下子步骤：
S101：振动能发电装置捕获钻头钻进过程中产生的机械振动能量，并转化为瞬态交流电信号；
S102：将瞬态交流电信号转换为直流电；
S2：地热能发电，包括以下子步骤：
S201：地热能发电装置将钻头钻进过程中产生的热能和地下的热能转化为电信号；
S202：对电信号进行调理，调节输出的电压；
S3：将步骤S1和步骤S2产生的电能发送至电能存储装置进行存储；
S4：电源监测管理装置对电能存储装置的电量进行检测，并将检测结果发送至外部通讯装置；
S5：电能存储装置按照预先设定的供电模式输出电能对井下设备供电。
钻井过程中，钻头23与地层作用，产生剧烈的振动。设置在靠近钻头23的短节1上的压电元件受到压力变形产生电荷，将机械能转换成电压后，经过压电换能装置进行幅度调整送入电能存储装置有效的捕获这种机械振动的能量，并将其转化为电信号，压电换能装置将这种电信号经整流，幅值调理后送入电能储存装置进行储存。
随着钻井的深度增加，地下的温度也随之增加，靠近钻头23的短节1上附带的温差发电片将这种热能直接转换为电信号，同时将其输送给热电换能装置，热电换能装置经过幅值调理后将其送入电能储存装置进行储存。
电源监测管理装置控制数据采集系统对电能储存装置的电量进行检测，同时依据预先设定供电模式输出电能对井下设备供电。
Claims (10)
1.基于地热能-振动能的井下设备供电系统，其特征在于：它包括振动能发电装置、地热能发电装置、电能储存装置和电源监测管理装置，所述的振动能发电装置和地热能发电装置的输出端与电能储存装置的两个储能输入端连接，电能存储装置与电源监测管理装置双向连接，电能存储装置的输出端与井下设备连接。
2.根据权利要求1所述的基于地热能-振动能的井下设备供电系统，其特征在于：所述的振动能发电装置和地热能发电装置设置在靠近钻头（23）的短节（1）上。
3.根据权利要求2所述的基于地热能-振动能的井下设备供电系统，其特征在于：所述的振动能发电装置包括压电元件和压电换能装置，所述的压电元件将钻头（23）钻进过程中产生的机械振动的能量捕获并转化为瞬态高交流电信号输出至压电换能装置，所述的压电换能装置将压电元件输出的瞬态高交流电信号转换为直流电输出给电能存储装置。
4.根据权利要求2所述的基于地热能-振动能的井下设备供电系统，其特征在于：所述的振动能发电装置包括横振动腔（11）和纵振动腔（18），所述的横振动腔（11）和纵振动腔（18）包括压电元件和振动感受构件；
所述的振动感受构件呈塔形结构，包括3个长度不同的振动传递构件即第一振动传递构件（13）、第二振动传递构件（14）、第三振动传递构件（15），并通过弹簧（20）固定；在横振动腔（11）中第一压电元件（12）纵向安装，第一振动感受构件（19）纵向安装；在纵向振动腔（18）中第二压电元件（17）横向安装，第二振动感受构件（16）横向安装；
横振动腔（11）和纵振动腔（18）将钻进过程中产生的纵向振动转化为电能，并将电能输送到电能存储装置中存储。
5.根据权利要求3所述的基于地热能-振动能的井下设备供电系统，其特征在于：所述的压电换能装置包括整流电路和第一电压调理电路，整流电路的输入端与压电元件连接，整流电路的输出端与第一电压调理电路连接，第一电压调理电路的输出端与电能存储装置连接。
6.根据权利要求2所述的基于地热能-振动能的井下设备供电系统，其特征在于：所述的地热能发电装置包括温差发电片和热电换能装置，所述的温差发电片将钻头（23）钻进过程中产生的热能和地下的热能转化为电信号输出至热电换能装置，所述的热电换能装置将温差发电片输出的电信号进行调理并输出给电能存储装置；所述的热电换能装置包括第二电压调理电路，所述的第二电压调理电路的输入端与温差发电片连接，第二电压调理电路的输出端与电能存储装置连接。
7.根据权利要求2所述的基于地热能-振动能的井下设备供电系统，其特征在于：所述的地热能发电装置为地热能发电腔（10），所述的地热能发电腔（10）包括2个绝热层（2）和设置在绝热层（2）中间的多个温差发电单元，所述的温差发电单元由1个N型半导体（4）、1个P型半导体（7）、1个热端导热构件（5）和2个冷端散热构件（8）组成，N型半导体（4）和P型半导体（7）的一端均与热端导热构件（5）连接，N型半导体（4）和P型半导体（7）的另一端分别与2个冷端散热构件（8）连接；
所述的热端导热构件（5）固定在短节（1）环空的外壁上，冷端散热构件（8）固定在短节（1）环空的内壁上；
每个温差发电单元之间通过冷端散热构件（8）和连接导线（6）串联在一起，总的电能通过负极接线柱（3）、正极接线柱（9）输出到电能存储装置中。
8.根据权利要求1所述的基于地热能-振动能的井下设备供电系统，其特征在于：所述的电源监测管理装置包括AD转换模块、DA转换模块和微处理器，所述的AD转换模块的输入端与电能存储装置连接，AD转换模块的输出端与微处理器连接，微处理器的输出端与DA转换模块连接，DA转换模块的输出端与电能存储装置连接。
9.根据权利要求8所述的基于地热能-振动能的井下设备供电系统，其特征在于：所述的微处理器还与外部通讯装置连接。
10.如权利要求1~9中任意一项所述的基于地热能-振动能的井下设备供电系统的供电方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1：振动能发电，包括以下子步骤：
S101：振动能发电装置捕获钻头（23）钻进过程中产生的机械振动能量，并转化为瞬态交流电信号；
S102：将瞬态交流电信号转换为直流电；
S2：地热能发电，包括以下子步骤：
S201：地热能发电装置将钻头（23）钻进过程中产生的热能和地下的热能转化为电信号；
S202：对电信号进行调理，调节输出的电压；
S3：将步骤S1和步骤S2产生的电能输送至电能存储装置进行存储；
S4：电源监测管理装置对电能存储装置的电量进行检测，并将检测结果发送至外部通讯装置；
S5：电能存储装置按照预先设定的供电模式输出电能对井下设备供电。
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