CN105006991A - 叠层压电式井下能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种叠层压电式井下能量采集装置，包括：管道、支撑架、叠层压电片、质量块、整流电路和充电电池，其中：所述支撑架与管道密封连接，且伸出管道外；所述支撑架起到支撑叠层压电片、引出导线和当作钝体作用；所述叠层压电片一端与支撑架固定连接，另一端与质量块连接；所述整流电路一端与导线连接、另一端连接充电电池，叠层压电片产生的电能通过导线传递给整流电路，并经整流电路转换后直接供充电电池充电；本发明可直接利用管道内的流固耦合作用发电，结构简单，便于安装。本发明可用于石油注水井中的振动能量发电，并直接为井下电池充电。

Description

叠层压电式井下能量采集装置

技术领域

本发明涉及一种振动能量采集的发电技术领域。具体地，涉及一种对注水井内流体流动进行能量采集的发电技术。

背景技术

随着技术的发展和进步，井筒控制工程正在向着自动化和智能化方向发展，对井下长期供电电源的需求越来越迫切。现阶段，主要利用的是外部供电方式或通过安装供电电池的方式实现井下供能，然而这些方式不仅结构复杂而且成本高昂，且更换电池过程繁琐，耽误时间。因此，直接利用井下的各种能量，如机械振动能、流体流动能等，转换为电能，并直接为井下充电电池充电，保证井下电控工具的长期工作已经成为研究热点。

吴昊在其硕士论文“基于压电效应的环境振动能量获取技术研究”[D]，南京航空航天大学，2012，中，描述了在MEMS领域利用压电换能器采集振动能量，并研究了振动频率、幅值、电路负载和几何尺寸对采集能量的影响，并得出当外界振动达到模型的基频谐振频率时，振幅最大，获取的电压和功率可以达到峰值。丁恩杰等人在“基于压电效应的煤矿井下能量采集系统设计”[J]，煤炭科学与技术，40(12)，2012中，描述了利用压电振动传感器将采煤机工作时电机产生的振动能量转化为电能，存储在电容或者充电电池中，为传感器节点供电。林元华等人在发明专利“一种石油钻井井下振动发电装置”，专利授权公告号:CN 102005968B，中描述了利用石油井下钻头与钻杆工作时产生的振动，通过压电陶瓷将该振动能转换为电能。

通过以上相关资料，说明利用压电效应可实现将环境振动能量转为电能，且获得了很好的效果。但是，由于石油或采矿工程中，井下工作状况复杂，对井下振动能量采集研究仍然不足。且现有的技术也主要集中在利用井下工作的工具振动产生的能量转化为电能，对没有振动工具的井下工作的能量采集时很大的挑战，例如注水井内的状况。因此针对注水井内的能量采集供能至关重要。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种叠层压电式井下能量采集装置，解决了现有注水井内的能量采集和转换难题，利用井下流体流动产生流固耦合效应，通过压电效应，将机械能转换为电能，为井下电池充电。

为实现以上目的，本发明提供一种叠层压电式井下能量采集装置，包括：管道、支撑架、叠层压电片、质量块、整流电路和充电电池，其中：

所述支撑架与管道密封连接，且伸出管道外；

所述支撑架起到支撑叠层压电片、引出导线和当作钝体作用；

所述叠层压电片一端与支撑架固定连接，另一端与质量块连接；

所述整流电路一端与导线连接、另一端连接充电电池，叠层压电片产生的电能通过导线传递给整流电路，并经整流电路转换后直接供充电电池充电；

管道内通入流体，流体经过支撑架后产生卡门涡街，叠层压电片产生涡激共振，从而将机械能转化为电能，整流电路将叠层压电片产生的电能转换。

优选地，所述管道的一侧开有圆孔，用于通入支撑架；所述圆孔的内径与支撑架外径的相同。

优选地，所述支撑架为一端密封、一端开口的空心通管；在支撑架上开有方形通槽，该通槽尺寸与叠层压电片尺寸相配合；空心通管的内径尺寸以实现导线引出管道外。

优选地，所述叠层压电片是由多层单个压电片通过串联或并联方式堆叠而成；所述叠层压电片可沿管道实现多个阵列化排布。

更优选地，在所述叠层压电片上涂有一层绝缘漆，以实现电气绝缘。

优选地，所述质量块与叠层压电片末端固定连接，且与叠层压电片单面连接或双面连接。

优选地，所述支撑架、叠层压电片、质量块、导线，沿管道实现多个阵列化排布，以增加输出功率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明解决了现有技术对注水井内能量采集和转化，并为井下电池供电的不足，实现了利用注水井管道内的流体通过钝体结构时，形成卡门涡街，涡街与设计的叠层压电片通过流固耦合作用可形成涡激共振，通过压电效应将机械能转换为电能，为井下电池供电。且可将单个能量采集装置沿管道实现多个阵列化排布，以增加输出功率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的总体装配示意图；

图2为压电式井下能量采集装置的支撑架与叠层压电片局部装配示意图；

图3为叠层压电片与质量块示意图，其中(a)为斜视图，(b)为正视图，(c)为俯视图；

图4为叠层压电片的连接方式示意图，其中(a)为串联方式示意图，(b)为并联方式示意图；

图5为管道中流体产生卡门涡街示意图；

图6为支撑架结构示意图，其中(a)为正视图，(b)为右视图，(c)为俯视图；

图7为管道结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为正面剖视图；

图8为将单个能量采集装置沿管道实现多个阵列化排布的总体装配示意图；

图中：管道1、支撑架2、叠层压电片3、质量块4、导线5、整流电路6、充电电池7、电极点8、卡门涡街9。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-8所示，本实施例提供一种叠层压电式井下能量采集装置，包括：管道1、支撑架2、叠层压电片3、质量块4、导线5、整流电路6、充电电池7和电极点8，其中：

所述管道1的一侧开有圆孔，用于通入支撑架2；

所述支撑架2起到支撑叠层压电片3、引出导线5和当作钝体作用；

所述叠层压电片3是由多层压电片通过串联或并联方式堆叠而成；串联方式可提高输出电压，并联方式可提高输出电流，因此可根据对输出性能的不同，选择不同的堆叠方式；

所述整流电路6是将叠层压电片3产生的电能转换为可直接供充电电池7充电。

所述管道1的一侧开有圆孔，圆孔内径与支撑架2外径相同；管道1内流体流过支撑架2后，会形成卡门涡街9，如图5所示。

所述支撑架2为一端密封、一端开口的空心通管；在支撑架2上开有方形通槽，通槽尺寸与叠层压电片3尺寸相配合；空心通管内径尺寸可实现将导线5引出管道1外即可。

所述叠层压电片3的一端与支撑架2密封固定连接、另一端与质量块4连接；整个叠层压电片3有一层绝缘漆，实现电气绝缘。叠层压电片3可沿管道1实现多个阵列化排布。

所述质量块4与叠层压电片3末端固定连接，且可实现单面连接或双面连接。

所述电极点8为金属电极点，实现将导线5与叠层压电片3电气连接。

所述支撑架、叠层压电片、质量块、导线可以构成单个的能量采集单元，沿管道实现多个阵列化排布，以增加输出功率。

作为一优选的实施方式，所述管道1内通入的流体为水，注入量为40方/天，流速为0.81m/s。

作为一优选的实施方式，所述质量块4采用方形不锈钢，质量为50克，且为双面连接，即叠层压电片3末端的两面均固定有质量块4，如图3和图5所示。

作为一优选的实施方式，所述叠层压电片3采用两片单个压电片串联堆叠而成，且利用导电胶粘结两片压电片。

作为一优选的实施方式，所述电极点8采用金电极。

如图1-7所示，两片单个压电片利用导电胶粘结串联堆叠而成叠层压电片3，叠层压电片3的一端通过电极点8与导线5相连，且密封固定在支撑架2上的方形通槽内；叠层压电片3的另外一端与质量块4胶结固定。叠层压电片3与质量块4上喷涂一层绝缘漆，实现电气绝缘。当管道1内流过流速为0.81m/s的水时，经过支撑架2后形成卡门涡街9，带动叠层压电片3与质量块4振动，通过压电效应，叠层压电片3将振动能转换为电能，并通过电极点8和导线5传输至管道1外，经过整流电路6为充电电池7充电。

在其他实施例里，根据不同流体类型和流速，以及支撑架的形状，通过增减叠层压电片的堆叠方式和堆叠层数，叠层压电片与质量块的安装方式以及质量块的形状和大小，实现对井下能量采集装置的结构优化。另外，为了增加输出功率，可将单个能量采集装置沿管道实现多个阵列化排布，如图8所示。

本发明解决了现有技术对注水井内能量采集和转化，并为井下电池供电的不足，实现了利用注水井管道内的流体通过钝体结构时，形成卡门涡街，涡街与设计的叠层压电片通过流固耦合作用可形成涡激共振，通过压电效应将机械能转换为电能，为井下电池供电。本发明可根据实际情况，利用仿真结果优化井下能量采集装置，实现最大的电能输出。且可将单个能量采集装置沿管道实现多个阵列化排布，以增加输出功率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种叠层压电式井下能量采集装置，其特征在于，包括：管道、支撑架、叠层压电片、质量块、整流电路和充电电池，其中：

所述支撑架与管道密封连接，且伸出管道外；

所述支撑架起到支撑叠层压电片、引出导线和当作钝体作用；

所述叠层压电片一端与支撑架固定连接，另一端与质量块连接；

所述整流电路一端与导线连接、另一端连接充电电池，叠层压电片产生的电能通过导线传递给整流电路，并经整流电路转换后直接供充电电池充电；

管道内通入流体，流体经过支撑架后产生卡门涡街，叠层压电片产生涡激共振，从而将机械能转化为电能，整流电路将叠层压电片产生的电能转换。

2.根据权利要求1所述的一种叠层压电式井下能量采集装置，其特征在于，所述叠层压电片是由多层单个压电片通过串联或并联方式堆叠而成。

3.根据权利要求2所述的一种叠层压电式井下能量采集装置，其特征在于，在所述叠层压电片上涂有一层绝缘漆，以实现电气绝缘。

4.根据权利要求1所述的一种叠层压电式井下能量采集装置，其特征在于，所述质量块与叠层压电片末端处固定连接，且与叠层压电片单面连接或双面连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种叠层压电式井下能量采集装置，其特征在于，所述管道的一侧开有圆孔，用于通入支撑架；所述圆孔的内径与支撑架外径的相同。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种叠层压电式井下能量采集装置，其特征在于，所述支撑架为一端密封、一端开口的空心通管，在支撑架上开有方形通槽，该通槽尺寸与叠层压电片尺寸相配合。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种叠层压电式井下能量采集装置，其特征在于，所述支撑架、叠层压电片、质量块、导线构成单个的能量采集单元，沿管道实现多个阵列化排布，以增加输出功率。