CN111245286B - 流体输运管道适用的发电微纳囊及采能阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发电微纳囊及采能阵列，所述发电微纳囊包括均由第一摩擦材料制备而成的上摩擦部和下摩擦部，所述上摩擦部和下摩擦部的相对立面均设有多个凸起部和凹陷部，位于所述上摩擦部的凸起部的表面设有摩擦层，所述摩擦层由第二摩擦材料制备而成，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料能够进行摩擦发电；且位于所述上摩擦部的凸起部插设于位于所述下摩擦部的凹陷部内，位于所述下摩擦部的凸起部插设于位于所述上摩擦部的凹陷部内，且部分所述凸起部的顶面与所述凹陷部的底面之间留有间隙，且位于所述上摩擦部的凸起部的表面与位于所述下摩擦部的凸起部的表面相互接触。本发明用于流体输运管道中，能够更有效地利用管道内的水锤波振动能等能量。
Description
技术领域
本发明属于纳米发电技术领域，具体涉及流体输运管道适用的发电微纳囊及采能阵列。
背景技术
21世纪，我国经济迅速增长，各种能源需求也不断加大，管道因其在输送液体、气体等物质方面所具有的独特的优势，目前已成为继铁路、公路、水路、航空运输以后的第五大运输工具，更是水工建筑物和社会生活重要的组成部分，常见的流体，例如水，石油，天然气等都是通过管道进行输运，而随着现代生活的发展，不管从铺设的管道里程还是管网复杂程度来看，管道输运也同样发展迅速。在能源运输方面我国已经有以五大能源配送通道和四大能源战略通道为基础的油气输送网络，而我国地域辽阔，地形复杂，我国的管道工程具有管长距离远、覆盖范围广并且受环境的影响等特点。
流体包括液体，气体，而在常见的可视化流体输运管道和埋于地下的非可视化流体输运管道，供暖热水管道，跨地区长距离输油管道天然气供应管道中一方面存在众多能量源，包括水锤效应振动能，流体流动动能、流体与管道壁的摩擦能、流体压力导致管道壁形变的形变能等等，另一方面这些存在于管道中的能量在管道运行中也可能对管道产生冲击破坏。当流体由于阀门突然启闭或其他原因而产生流速和压强突变时会引发压力交替上升和下降的水锤波，水锤波压力峰值可达管道正常运行压力的几十倍，在水锤荷载的交替作用下，管道极易失效，甚至断裂；因此着手研究一套有效的多能量采集装置，既可以将水锤振动能，流固摩擦能，流固压变能等能量收集转化为可利用的能量资源，也能延长管道正常运行时间保障资源的有效利用避免资源浪费。
随着集成电路制造工艺的发展，尤其是超大规模集成电路的发展，微电子技术作为一门新兴技术也随之发展起来，与此有关的微能源、环境集能等是近年发展的新能源方向，是微纳器件研究的新领域。而在中国国家纳米科学中心的王中林等研究人员成功地在纳米尺度下首次将机械能转换成电能后，纳米发电技术也得到了飞速发展，纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都有广泛的重要应用。纳米发电机主要分为压电发电机、摩擦发电机、热释电发电机等。目前微电子工艺日趋成熟，利用微电子技术的制造工艺研发的纳米发电机能够用于收集管道中的水锤振动能，流固摩擦能，流固压变能等能量，实现流体输运管网自供电功能。
中国专利CN109639176A公开了一种流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊及采能阵列，所述发电微纳囊置于流体输运管道节点处的流体内使用且发电微纳囊的外表面进行绝缘设计，发电微纳囊为由顶壁、底壁和侧壁围合而成的密封结构且发电微纳囊的内部中空，发电微纳囊设有摩擦发电单元和/或压电发电单元和/或卡门涡街发电单元和/或电磁感应单元；该专利同样能够将多种形式的能量都能够予以充分收集利用，但其结构和工艺复杂，且微纳囊的空腔内需充满氩气，浮子小球充满氢气，工艺制造难度大、成本高，而且增加了大量氢气聚集的危险性。
发明内容
本发明的目的之一在于针对现有技术中的发电微纳囊制造难度大且存在安全隐患的问题，提供一种结构新颖的发电微纳囊，其同样用于流体输运管道中，能够更有效地利用管道内的水锤波振动能等能量。
本发明的另一个目的在于提供一种应用于流体输运管道的采能阵列，尤其是长距离的流体输运管道，其要求能源自供给的需求更为迫切，该采能阵列能够将上述发电微纳囊转换的电能予以收集利用，为长距离管道的智能化检测和高精度定位维修等提供能源支持。
针对本发明的第一个目的，本发明采用如下技术方案：
流体输运管道适用的发电微纳囊，包括摩擦发电单元，所述摩擦发电单元包括上下对立的上摩擦部和下摩擦部，所述上摩擦部和下摩擦部均由第一摩擦材料制备而成，且所述上摩擦部和下摩擦部的相对立面均设有多个凸起部，且相邻的所述凸起部之间形成若干凹陷部，位于所述上摩擦部的凸起部的表面设有摩擦层，所述摩擦层由第二摩擦材料制备而成，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料能够在相对运动时进行摩擦发电；且位于所述上摩擦部的凸起部插设于位于所述下摩擦部的凹陷部内，位于所述下摩擦部的凸起部插设于位于所述上摩擦部的凹陷部内，且部分所述凸起部的顶面与所述凹陷部的底面之间留有间隙，且位于所述上摩擦部的凸起部的表面与位于所述下摩擦部的凸起部的表面相互接触。
在本发明所采取的的技术方案中，部分所述凸起部的顶面与所述凹陷部的底面之间留有空间，这里对所述凸起部和凹陷部的位置并未做特别限定，其属于上摩擦部或下摩擦部均可，且并非所有的凸起部和凹陷部的插设组合均需要留有空间，只需选取部分即可，此处留有空间是为了提供上摩擦部和下摩擦部相对运动和位移的空间，而且为了能够反复发电，应以形变引发相对运动，为此，仅部分凸起部顶面和凹陷部的底面之间留有间隙；而在相对运动的同时，若要摩擦发电，则要求位于所述上摩擦部的凸起部的表面与位于所述下摩擦部的凸起部的表面相互接触。
对于前述部分凸起部顶面和凹陷部的底面之间留有间隙的具体方式，考虑到影响发电微纳囊形变的一些因素，本发明优选按照以下方式：位于所述上摩擦部的凸起部的高度与位于所述下摩擦部的凸起部的高度均由周边向中心逐渐递减；由此，除了位于所述发电微纳囊边缘的凸起部和凹陷部，其余位置的凸起部顶面和凹陷部底面之间均留有间隙。
进一步地，还包括压电发电单元，所述压电发电单元包括上下对立的上压电发电薄膜和下压电发电薄膜，且所述上压电发电薄膜贴设于所述上摩擦部的外侧表面，所述下压电发电薄膜贴设于所述下摩擦部的外侧表面，所述上摩擦部的外侧表面和所述下摩擦部的外侧表面优选为向外凸出的凸面或平面。
优选地，所述上压电发电薄膜和下压电发电薄膜均为PVDF压电薄膜，PVDF压电薄膜可通过静电纺丝技术制备。
进一步地，所述发电微纳囊的边缘埋设有用于将所述摩擦发电单元和压电发电单元产生的电能整合的整流电路。
考虑到使用环境，发电微纳囊应具有良好的密封性，为此，所述发电微纳囊的外表面覆设有柔性复合防渗透膜以密封该发电微纳囊；所述发电微纳囊的表面密封材料（可直接以第一保护膜实现表面密封）必须满足管道内流体不能在其表面产生堆积、阻塞等基本条件，其表面密封材料考虑到管道内流体的材质、分子量、摩擦系数等条件，且要同时满足形变、防渗透、使用寿命等要求，本领域技术人员可从现有材料中做出选择，如UPE(高分子量聚乙烯)薄膜、ETFE(聚四氟乙烯)薄膜、UHMWPE（超高分子量聚乙烯）薄膜等，此处不做特别限定。
对于所述第一摩擦材料和所述第二摩擦材料的具体材料种类选择，本发明不做特别限定，按照本发明技术方案的要求，所述第一摩擦材料和所述第二摩擦材料选用能够彼此发生摩擦起电的材料，且所述第一摩擦材料需要能够反复发生形变，因此本领域技术人员可以根据以上要求选择合适的材料，例如所述第一摩擦材料选用硅胶、PDMS或PET等，优选为硅胶；所述第二摩擦材料选用铜、铝、金、铁、合金材料等。当选用硅胶材料的时候，硅胶内表面的凸起部和凹陷部，可通过硅模板转移得到，硅模板可通过多种方式制成，例如：1）通过光刻和干法刻蚀制备；2）通过3D打印制备。所述第二摩擦材料可通过电镀等方法镀设于所述凸起部的表面，随硅胶凸起。
进一步地，所述发电微纳囊呈正多棱柱状，优选为正六棱柱；而采用正六棱柱可以充分利用空间，便于微纳囊之间的衔接，易于器件的模块化制备。
为了实现本发明的第二个目的，本发明采用如下技术方案：
所述的流体输运管道适用的发电微纳囊阵列分布构成的采能阵列，所述采能阵列中相邻的发电微纳囊均以侧壁相接的方式阵列分布，每个发电微纳囊内埋设有与所述摩擦发电单元和压电发电单元相连接的导电用互连线，且相邻的发电微纳囊之间通过彼此的互连线相电连。所述采能阵列的长度在10mm到20mm之间。
所述采能阵列输出电能包括但不限于以下方式：所述采能阵列设有电流输出端，所述电流输出端与位于发电微纳囊阵列边缘的发电微纳囊相电连，且对于任一发电微纳囊，其摩擦发电单元和压电发电单元的发电电流分别经整流并导流至其互连线后，再经采能阵列中相电连的互连线导流至所述电流输出端。
优选地，所述采能阵列整体呈筒状结构且套接于流体输运管道节点处的管道内壁，并保证每个发电微纳囊的上压电发电薄膜或下压电发电薄膜朝向流体中心，采能阵列的两端设有延伸的柔性部且两端的柔性部可翻折套设于流体输运管道节点处的管道外壁；这样翻折套设的安装方式可以保证，即使加设了采能阵列，仍旧不影响管道节点处本身的密封性，且不会阻碍流体的流动输运，而且这种安装方式无需改装管道，采能阵列的安装和拆卸都简单可行，改造成本低。
本发明的有益效果如下：
本发明所述发电微纳囊主要用于流体输运管道节点处，设计了两种能量收集结构，即利用压电薄膜发电收集能量以及利用摩擦发电收集能量，这两种能量采集结构均是根据各自的能量采集原理并结合流体运动形式来设计的：
压电薄膜发电原理：压电效应包括正压电效应和逆压电效应，压电薄膜类似于一个平行板电容器，主要利用材料的正压电效应进行工作。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。当下应用较多的压电材料为压电单晶材料、压电陶瓷材料，压电半导体材料，压电高分子聚合物材料等。
摩擦薄膜发电原理：主要包括摩擦电效应和静电感应两部分，两种得失电子迥异的材料受力相互接触分离时产生电荷的现象为摩擦电效应，受力消失，形变释放，两个摩擦内表面自动分开分别携带相反的电荷。由于中间为空气介质层，两个表面上的电荷不能完全中和，形成电势差。为了屏蔽电势差，通过静电感应在薄膜外表面电极上感应出相反电性的电荷，从而保持电中性。两个感应电极板通过导线和外部负载连接，在闭合回路上形成瞬间电流。摩擦发电机有四种基本结构：接触式TENG，滑动式TENG，单电极TENG和隔空式TENG。常用的摩擦材料要求为得失电子能力差距较大的两种材料，例如PDMS，PET等。
具体而言，在所述发电微纳囊受到流体冲击而形变时，在此过程中，压电薄膜发生形变进行压电发电，同时所述上摩擦部和下摩擦部在外力冲击作用下发生相对运动和形变，所述上摩擦部的凸起部和下摩擦部的凸起部之间发生摩擦分离进行摩擦起电，发电微纳囊内部埋有互连线构成的整流线路，可以把两种发电结构产生的电能整合成一股直流电流。同时，所有发电微纳囊之间的互连线整流线路可以把所有发电微纳囊相连接构成圆筒形采能阵列，在管道节点处置入管道，分布在管道的内壁，所有发电微纳囊的电能最后通过互连线集合到采能阵列的电源输出端。
附图说明
图1为实施例1的分离结构示意图；
图2为实施例1的正面示意图；
图3为实施例1的立体结构示意图；
图4为实施例1的外形示意图；
图5为实施例2的采能阵列分布结构示意图；
图6为实施例2的安装结构示意图；
图中：1、发电微纳囊；2、管道；3、互连线；40、上摩擦部；41、下摩擦部；42、凸起部；43、凹陷部；44、铜膜；45、上压电薄膜；46、下压电薄膜；47、防渗透膜。
具体实施方式
为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明。
实施例1
如图1至4所示，流体输运管道适用的发电微纳囊，包括摩擦发电单元，所述摩擦发电单元包括上下对立的上摩擦部40和下摩擦部41，所述上摩擦部40和下摩擦部41均由硅胶制备而成，且所述上摩擦部40和下摩擦部41均包括一外形呈正六边形的底板，且所述上摩擦部40的底板和下摩擦部41的底板的相对立面（即两者的内侧表面以分散式排布的方式设有多个凸起部42，由于所述凸起部42之间存在间隔，则相邻的所述凸起部42之间的间隔形成若干凹陷部43，所述凹陷部43的底面即为所述上摩擦部40的底板和下摩擦部41的底板的相对立面；位于所述上摩擦部40的凸起部42的表面设有摩擦层，所述摩擦层通过电镀金属铜覆设于所述上摩擦部40的凸起部42的表面形成铜膜44，由于硅胶和铜两种材料得失电子能力迥异，在两者受力接触分离时相互摩擦会产生电荷，由此所述表面覆设有铜的上摩擦部40的凸起部42和由硅胶制成的下摩擦部41的凸起部42能够在相对运动时进行摩擦发电；
而为了便于所述上摩擦部40和下摩擦部41之间发生相对运动，所述上摩擦部40和下摩擦部41采用以下装配方式：位于所述上摩擦部40的凸起部42插设于位于所述下摩擦部41的凹陷部43内，位于所述下摩擦部41的凸起部42插设于位于所述上摩擦部40的凹陷部43内，且部分所述凸起部42的顶面与所述凹陷部43的底面之间留有间隙，且位于所述上摩擦部40的凸起部42的表面与位于所述下摩擦部41的凸起部42的表面相互接触，由此使得上摩擦部40和下摩擦部41受外力作用形变时，发生相对运动的同时产生摩擦。
对于前述部分凸起部42顶面和凹陷部43的底面之间留有间隙的具体方式，考虑到影响发电微纳囊形变的一些因素，本实施例具体按照以下方式：位于所述上摩擦部40的凸起部42的高度与位于所述下摩擦部41的凸起部42的高度均由周边向中心逐渐递减；由此，除了位于所述发电微纳囊边缘的凸起部42和凹陷部43，其余位置的凸起部42顶面和凹陷部43底面之间均留有间隙，由此，位于边缘且相互插设的凸起部42和凹陷部43能够支撑并保持所述上摩擦部40和下摩擦部41的结构，而其余位置的凸起部42则在所留的间隙里由外力推动而反复摩擦运动，且当发电微纳囊受到外力作用形变时，其中部更容易发生大幅度形变，因此本实施例的这种结构也更能充分地利用来自流体的形变作用力。
关于本实施例所述上摩擦部40和下摩擦部41的加工方式，当选用硅胶材料的时候，硅胶内表面的凸起部42和凹陷部43，可通过硅模板转移得到，硅模板可通过多种方式制成，例如：1）通过光刻和干法刻蚀制备；2）通过3D打印制备；而所述铜膜44可通过电镀等方法镀设于所述凸起部42的表面，随硅胶凸起。
为了充分利用管道内流体的水锤波振动能，本实施例还包括压电发电单元，所述压电发电单元包括上下对立的上压电发电薄膜45和下压电发电薄膜46，所述上压电发电薄膜45和下压电发电薄膜46的外形均为与所述上摩擦部40或下摩擦部41的底板外形相同的正六变形，且所述上压电发电薄膜45贴设于所述上摩擦部40的底板的外侧表面，所述下压电发电薄膜46贴设于所述下摩擦部41的底板的外侧表面。所述上压电发电薄膜45和下压电发电薄膜46均为PVDF压电薄膜，PVDF压电薄膜可通过静电纺丝技术制备。
进一步地，所述发电微纳囊的边缘埋设有用于将所述摩擦发电单元和压电发电单元产生的电能整合的整流电路以及将整流后的电流输出的互连线。
本实施例中，关于互连线和整流电路的设置，参考本领域常规技术即可，且所述互连线及整流电路的制造工艺基于微制造技术及光刻图形转移技术在整流框架内部形成一个稳定的整流结构。
考虑到使用环境，发电微纳囊应具有良好的密封性，为此，所述发电微纳囊的外表面覆设有柔性复合防渗透膜47以密封该发电微纳囊，且由于所述上摩擦部40和下摩擦部41的底板的外形均呈正六边形，则由所述柔性复合防渗透膜47密封后的发电微纳囊整体呈正六棱柱状，由此得到正六棱柱状发电微纳囊，而采用正六棱柱可以充分利用空间，便于微纳囊之间的衔接，易于器件的模块化制备；所述发电微纳囊的表面密封材料（可直接以第一保护膜实现表面密封）必须满足管道内流体不能在其表面产生堆积、阻塞等基本条件，其表面密封材料考虑到管道内流体的材质、分子量、摩擦系数等条件，且要同时满足形变、防渗透、使用寿命等要求，本领域技术人员可从现有材料中做出选择，如UPE(高分子量聚乙烯)薄膜、ETFE(聚四氟乙烯)薄膜、UHMWPE（超高分子量聚乙烯）薄膜等，此处不做特别限定。
实施例2
如图5和6所示，采用实施例1所述的流体输运管道适用的发电微纳囊阵列分布构成的采能阵列，所述采能阵列中相邻的发电微纳囊1均以侧壁相接的方式阵列分布，采能阵列的长度在10mm到20mm之间，每个发电微纳囊1内埋设有与所述摩擦发电单元和压电发电单元相连接的导电用互连线3，且相邻的发电微纳囊1之间通过彼此的互连线相电连。在制造时，所述采能阵列采用微纳制造技术一次成型，如光刻、压印、键合等，具体可以选择在较大面积上一次压印制造，也可以选择多次光刻图形拼接然后干法刻蚀等。
所述采能阵列输出电能包括但不限于以下方式：所述采能阵列设有电流输出端，所述电流输出端与位于发电微纳囊阵列边缘的发电微纳囊1相电连，且对于任一发电微纳囊，其摩擦发电单元和压电发电单元的发电电流分别经整流并导流至其互连线3后，再经采能阵列中相电连的互连线3导流至所述电流输出端。
所述采能阵列优选以下列方式安装于管道上：所述采能阵列整体呈筒状结构且套接于流体输运管道节点处的管道2内壁，并保证每个发电微纳囊1的上压电发电薄膜或下压电发电薄膜朝向流体中心，采能阵列的两端设有延伸的柔性部且两端的柔性部可翻折套设于流体输运管道节点处的管道2外壁；这样翻折套设的安装方式可以保证，即使加设了采能阵列，仍旧不影响管道节点处本身的密封性，且不会阻碍流体的流动输运，而且这种安装方式无需改装管道，采能阵列的安装和拆卸都简单可行，改造成本低。
最后所应说明的是：上述实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。
Claims (7)
1.流体输运管道适用的发电微纳囊，包括摩擦发电单元，其特征在于：所述摩擦发电单元包括上下对立的上摩擦部和下摩擦部，所述上摩擦部和下摩擦部均由第一摩擦材料制备而成，且所述上摩擦部和下摩擦部的相对立面均设有多个凸起部，且相邻的所述凸起部之间形成若干凹陷部，位于所述上摩擦部的凸起部的表面设有摩擦层，所述摩擦层由第二摩擦材料制备而成，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料能够在相对运动时进行摩擦发电；且位于所述上摩擦部的凸起部插设于位于所述下摩擦部的凹陷部内，位于所述下摩擦部的凸起部插设于位于所述上摩擦部的凹陷部内，且部分所述凸起部的顶面与所述凹陷部的底面之间留有间隙，且位于所述上摩擦部的凸起部的表面与位于所述下摩擦部的凸起部的表面相互接触；位于所述上摩擦部的凸起部的高度与位于所述下摩擦部的凸起部的高度均由周边向中心逐渐递减；还包括压电发电单元，所述压电发电单元包括上下对立的上压电发电薄膜和下压电发电薄膜，且所述上压电发电薄膜贴设于所述上摩擦部的外侧表面，所述下压电发电薄膜贴设于所述下摩擦部的外侧表面。
2.根据权利要求1所述的流体输运管道适用的发电微纳囊，其特征在于：所述上压电发电薄膜和下压电发电薄膜均为PVDF压电薄膜。
3.根据权利要求1所述的流体输运管道适用的发电微纳囊，其特征在于：所述发电微纳囊的边缘埋设有用于将所述摩擦发电单元和压电发电单元产生的电能整合的整流电路。
4.根据权利要求3所述的流体输运管道适用的发电微纳囊，其特征在于：所述发电微纳囊的外表面覆设有柔性复合防渗透膜以密封该发电微纳囊。
5.根据权利要求1至4任一项所述的流体输运管道适用的发电微纳囊，其特征在于：所述发电微纳囊呈正多棱柱状。
6.权利要求5所述的流体输运管道适用的发电微纳囊阵列分布构成的采能阵列，其特征在于：所述采能阵列中相邻的发电微纳囊均以侧壁相接的方式阵列分布，每个发电微纳囊内埋设有与所述摩擦发电单元和压电发电单元相连接的导电用互连线，且相邻的发电微纳囊之间通过彼此的互连线相电连。
7.根据权利要求6所述的流体输运管道适用的发电微纳囊阵列分布构成的采能阵列，其特征在于：所述采能阵列设有电流输出端，所述电流输出端与位于发电微纳囊阵列边缘的发电微纳囊相电连，且对于任一发电微纳囊，其摩擦发电单元和压电发电单元的发电电流分别经整流并导流至其互连线后，再经采能阵列中相电连的互连线导流至所述电流输出端。
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