CN112491296A - 一种基于流致振动的发电装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于流致振动的发电装置及其制造方法，涉及发电技术领域。本发明系统包括压电单元、带槽法兰盘、螺丝、电磁能量采集单元；利用内管道内液体的流致振动发电，为检测器提供可持续的电能，保证其能够在长距离管线稳定可靠的运行。本发明具有发电稳定，可持续性强的优点，在内检测器尾部安装此装置，可以收集流致振动能量，同时还可以吸收内部液体流速突变带来的行进速度的突变，起到缓冲的作用。
Description
技术领域
本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种基于流致振动的发电装置及其制造方法。
背景技术
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、介质腐蚀等其他原因，使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。
无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原因，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，是管道运输全的重要保障。其中管道长度可长达150km，内检测器在其内部的运行时间可长达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。目前，有以下二种方式可以为内检测提供电能：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，为内检测行进提供阻力容易发生卡死。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于流致振动的发电装置及其制造方法，利用内管道内液体的流致振动发电，为检测器提供可持续的电能，保证其能够在长距离管线稳定可靠的运行。本发明具有发电稳定，可持续性强的优点，在内检测器尾部安装此装置，可以收集流致振动能量，同时还可以吸收内部液体流速突变带来的行进速度的突变，起到缓冲的作用。发明方案如下：
一方面，本发明提供一种基于流致振动的发电装置，包括压电单元、带槽法兰盘、螺丝、电磁能量采集单元；
所述压电单元有15组，分别为第1-15组，每组包括弹性支撑层、压电材料、质量块和永磁体；所述压电材料通过胶接的方式固定于弹性支撑层上表面和下表面，并且采用串联连接，所述质量块通过电镀固定于弹性支撑层上，所述永磁体通过胶接的方式固定于第1、4、7、10和13个弹性支撑层下表面与质量块相对的位置；
所述弹性支撑层制备材料采用磷青铜；
所述压电材料采用PZT压电陶瓷；
所述质量块采用铜；
所述永磁体采用铝镍钴合金永磁体；
所述电磁能量采集单元分别包括5组线圈、线圈底座，以及一个底盘；所述线圈放置于线圈底座，所述线圈通过胶接的方式固定于底盘上；
底盘采用聚四氟乙烯板；
线圈采用铜线；
所述15组压电单元和5组电磁能量采集单元分别采用串联的方式进行连接，由所述带槽法兰盘固定并由所述螺丝固定在海底管道检测器每节尾端连接防转联轴器底座上，15组压电单元采用环形固定，散射型排布；
另一方面，本发明提供一种基于流致振动的发电装置的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：采用靶共溅射方法在压电材料PZT压电陶瓷和弹性支撑层连接处制备Cu金属电极；
步骤2：采用平涂的方式将环氧树脂胶涂在弹性支撑层上下表面粘结压电材料PZT压电陶瓷；
步骤3：采用电镀的方法将质量块Cu制备在弹性支撑层末端，其中在1、4、7、10和13号压电单元内侧质量块采用镍钴合金永磁体替代铜。
步骤4：采用电镀工艺在镍钴合金永磁体镀铁(Fe)作为第一牺牲层，实现与其在磷青铜弹性支撑层上的焊接；
步骤5：采用低压化学沉积法(LPCVD)在底盘(聚四氟乙烯板)上沉积一层氮化硅薄膜作为基底；
步骤6：采用低压化学沉淀法(LPCVD)在氮化硅薄膜上沉积一层磷青铜作为第二牺牲层；
步骤7：采用电镀的方式，在线圈底座上其中1、4、7、10和13号压电单元下方位置制备电磁感应线圈。
步骤8：带槽法兰盘与海底管道检测器每节尾端连接防转联轴器底座采用过盈配合，通过M5螺丝使用螺栓固定。
步骤9：采用旋涂的方式在联轴器底座上的法兰以及支撑皮碗内侧涂环氧树脂，将底盘胶接与压电单元内侧，同时线圈对应于镍钴合金永磁体下方。
本发明的有益效果：
本发明提供一种基于流致振动的发电装置及其制造方法，采用复合式发电方式：1、通过管内液体冲击压电发电装置，将液体流致振动能量转换为电能经过升压稳压模块进行储存或使用；2、通过管道内液体的冲击，弹性支撑层携带永磁体发生纵向振动，导致线圈内磁通量发生变化，进而线圈内产生电动势进行发电。通过两种方式可以大大减少能量的损耗，电磁感应发电大大减少压电单元因振动产生的能量损失，使用两种方式复合式发电可以大大提高发电效率。
本发明采用放射布置式结构，不会受检测器下一节的阻碍，压电单元的受力点在末端可以更好的利用管内液体的推动力，进而产生振动。同时放射性结构可以在空间有限的圆柱形管道内尽可能的利用空间，增大力矩减少固有频率，增大其频率响应带宽。
本发明采用带槽法兰盘与压电单元之间采用过盈配合，防止在管内发生剧烈震动，导致脱落。
本发明提供的利用流致振动能发电装置主要应用于海底管道机器人、管道内检测器和其他管内运行设备。
本发明在吸收液体流致振动能量的同时，可以减少流速突变带来的检测机器人振动，吸收多余能量，减小检测器在管内运行速度，提高检测器检测缺陷精读，提高监测质量。
附图说明
图1本发明实施例基于流致振动的能量收集装置在管道内检测器中的应用示意图；
其中1-压电单元；
图2本发明实施例基于流致振动能量收集装置整体结构示意图；
其中2-压电陶瓷，3-带槽法兰盘，4-质量块，5-弹性支撑层，6-M5螺丝孔；
图3本发明实施例使用PZT压电陶瓷单个发电单元侧视图；
其中7-质量块或永磁体；
图4本发明实施例电磁能量收集底盘结构示意图；
图5本发明实施例永磁体与底盘线圈组成的复合能量收集装置原理示意图；
其中8-线圈底座，9-线圈，10-底盘；
图6本发明实施例固定15枚压电单元带槽法兰盘结构图；
图7本发明实施例能量收集装置原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
本发明一种基于流致振动的发电装置，主要应用于海底管道内检测器或管道检测机器人中，安装结构如图1所示，将其放置在每节末端的动力皮碗中，既可以吸收流致振动产生电能，又可以减少流速突变带来的冲击减缓突变速度提高检测器检测缺陷的精度。其中图1为基于流致振动能量收集装置在管道检测器应用中的装配图，底盘通过环氧树脂胶黏在动力皮碗底座，压电单元通过带槽法兰盘3固定在防转联轴器底座，法兰盘结构如图6所示。其中，如图5所示底盘采用聚四氟乙烯板，方便后期蚀刻放入电磁能量采集线圈底座，如图4所示；如图3所示，压电单元弹性支撑层采用磷青铜，压电材料采用PZT压电陶瓷2，通过平涂的方式使用陶瓷金属粘结剂胶接在弹性支撑层5上下，其中粘结剂选用甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸粘合剂采用1:1混合制备，其具有防震防腐蚀耐高温的特点，适合管道内的特殊环境。
基于流致振动的管道内检测器发电装置包括：15枚压电单元1、带槽法兰盘3和电磁能量收集底盘10，其中压电单元由弹性支撑层5、PZT压电陶瓷2、质量块4和永磁体7组成。弹性支撑层采用磷青铜作为支撑层5材料，通过金属胶结剂胶接压电陶瓷和弹性支撑层，其中压电陶瓷层位于弹性支撑层上下表面，其结构如图2所示；采用铜作为质量块4，通过电镀的方法镀在弹性支撑层上层；永磁铁采用铝镍钴永磁体7，分别通过金属粘结剂粘结在弹性支撑层下部，对应上方质量块的位置，同时为减小其磁场相互影响只在第1、4、7、10和13个弹性支撑层下制备，电磁能量收集底盘对应位置放置线圈，通过振动产生的磁通量变化产生电动势，收集电磁能量进而给负载供电。
采用上述两种方式进行复合式发电的管道内检测器发电装置可大大提高发电效率，减缓检测器行进速度，提高检测缺陷精度。
整个发电装置总共采用15枚压电单元1，其中在第1、4、7、10和13枚发电单元下端设置永磁体7，配合电磁发电底盘10进行发电。根据正压电效应和电磁感应原理，发电单元通过流致振动产生振动，进而产生电动势，同时振动带动永磁体导致下方线圈磁通量产生变化，产生电动势，通过放大电路给电池或负载提供能量，原理图如图7所示。
再发电单元末端制备质量块铜7，以减少发电单元固有频率，更接近于环境振动频率，在压电陶瓷上下表面通过电镀电极引出导线与后续整流升压电路连接，构成一个能量采集系统。其中导线需使用密封耐压的导线。该压电发电单元的固有频率为：
式中，m为弹性支撑层、金属质量块和永磁体的总质量；k为该结构的刚度系数。金属质量块Cu制备目的是增大总质量m，减小固有频率fe
压电材料的压电方程：
D＝dT+εTE
S＝sET+dtE
其中，S为应变；D为电位移(电感应强度)；T为应力；E为电场强度；sE代表电场为0时的弹性顺服常数矩阵；d为压电应变常数矩阵；dt为d的转置；εT表示外力为零的介电常数矩阵；
d31模式下压电陶瓷层压电方程为：
其中d31模式表示引发机械性变的作用力方向与极化方向垂直；S1压电陶瓷层应变；D3为压电陶瓷层电位移(电感应强度)；T1压电陶瓷层应力；E3为压电陶瓷层电场强度；
为压电陶瓷层电场为0时的弹性顺服常数矩阵；d31为压电陶瓷层压电应变常数矩阵；
为压电陶瓷层外力为零的介电常数矩阵；
中间弹性支撑层的应变与应力关系：
再根据材料力学和热力学知识计算出压电单元的能量密度进而得出电荷量Q为：
其中
表示弹性支撑层的弹性柔性系数；d31为压电陶瓷层压电应变常数矩阵；tm为弹性支撑层的厚度；tp为压电陶瓷的厚度；F压电单元自由端受力；L为压电陶瓷的长；D3为压电陶瓷层电位移(电感应强度)。
根据电工电子知识，可以求得压电单元板间电容C为：
其中L为压电陶瓷的长；W为压电单元的平均宽度；tp为压电陶瓷的厚度；
为压电陶瓷层外力为零的介电常数矩阵；D3为压电陶瓷层电位移(电感应强度)；
表示弹性支撑层的弹性柔性系数；tm为弹性支撑层的厚度；tp为压电陶瓷的厚度；
d31为压电陶瓷层压电应变常数矩阵；
为压电陶瓷层电场为0时的弹性顺服常数矩阵。
进而可以求出压电单元的开路电压V为：
其中
表示弹性支撑层的弹性柔性系数；d31为压电陶瓷层压电应变常数矩阵；tm为弹性支撑层的厚度；tp为压电陶瓷的厚度；F压电单元自由端受力；L为压电陶瓷的长；
为压电陶瓷层外力为零的介电常数矩阵；W为压电单元的平均宽度；D3为压电陶瓷层电位移(电感应强度)；
d31为压电陶瓷层压电应变常数矩阵；
为压电陶瓷层电场为0时的弹性顺服常数矩阵；
单个压电单元输出功率P为：
其中fe:为固有频率；VDC为负载电压；Ip为压电单元产生的电流；T为压电单元产生交流电的周期；C为压电单元板间电容；ω为角速度；α为压电应力因子，α＝1.632；uM u1分别为压电单元位移峰值与压电元件两端电压达到负载电压时刻对应的位移，两者关系为：
则单个压电单元输出最大功率Pmax可以表示为：
ω为角速度；α为压电应力因子，α＝1.632；uM为压电单元位移峰值；C为压电单元板间电容。
通过以上计算方式，可以根据不同使用情况，通过压电单元相关参数，估算实际应用中的发电情况。
以上方法估算功率为理论方法，在实际应用中，预测15个压电单元发电总功率Pz可采用公式：
其中RL为负载电阻。
本发明提供一种基于流致振动的发电装置的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：采用靶共溅射方法在压电材料PZT压电陶瓷和弹性支撑层连接处制备Cu金属电极；
步骤2：采用平涂的方式将环氧树脂胶涂在弹性支撑层上下表面粘结压电材料PZT压电陶瓷；
步骤3：采用电镀的方法将质量块Cu制备在弹性支撑层末端，其中在1、4、7、10和13号压电单元内侧质量块采用镍钴合金永磁体替代铜。
步骤4：采用电镀工艺在镍钴合金永磁体镀铁(Fe)作为第一牺牲层，实现与其在磷青铜弹性支撑层上的焊接；
步骤5：采用低压化学沉积法(LPCVD)在底盘(聚四氟乙烯板)上沉积一层氮化硅薄膜作为基底；
步骤6：采用低压化学沉淀法(LPCVD)在氮化硅薄膜上沉积一层磷青铜作为第二牺牲层；
步骤7：采用电镀的方式，在线圈底座上其中1、4、7、10和13号压电单元下方位置制备电磁感应线圈。
步骤8：带槽法兰盘与海底管道检测器每节尾端连接防转联轴器底座采用过盈配合，通过M5螺丝使用螺栓固定。
步骤9：采用旋涂的方式在联轴器底座上的法兰以及支撑皮碗内侧涂环氧树脂，将底盘胶接与压电单元内侧，同时线圈对应于镍钴合金永磁体下方。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.一种基于流致振动的发电装置，其特征在于：包括压电单元、带槽法兰盘、螺丝、电磁能量采集单元；
所述压电单元有15组，分别为第1-15组，每组包括弹性支撑层、压电材料、质量块和永磁体；所述压电材料通过胶接的方式固定于弹性支撑层上表面和下表面，并且采用串联连接，所述质量块通过电镀固定于弹性支撑层上，所述永磁体通过胶接的方式固定于第1、4、7、10和13个弹性支撑层下表面与质量块相对的位置；
所述电磁能量采集单元分别包括5组线圈、线圈底座，以及一个底盘；所述线圈放置于线圈底座，所述线圈通过胶接的方式固定于底盘上；
所述15组压电单元和5组电磁能量采集单元分别采用串联的方式进行连接，由所述带槽法兰盘固定并由所述螺丝固定在海底管道检测器每节尾端连接防转联轴器底座上，15组压电单元采用环形固定，散射型排布。
2.根据权利要求1所述的一种基于流致振动的发电装置，其特征在于：所述弹性支撑层制备材料采用磷青铜；
所述压电材料采用PZT压电陶瓷；
所述质量块采用铜；
所述永磁体采用铝镍钴合金永磁体；
底盘采用聚四氟乙烯板；
线圈采用铜线。
3.权利要求1所述的一种基于流致振动的发电装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用靶共溅射方法在压电材料PZT压电陶瓷和弹性支撑层连接处制备Cu金属电极；
步骤2：采用平涂的方式将环氧树脂胶涂在弹性支撑层上下表面粘结压电材料PZT压电陶瓷；
步骤3：采用电镀的方法将质量块Cu制备在弹性支撑层末端，其中在1、4、7、10和13号压电单元内侧质量块采用镍钴合金永磁体替代铜；
步骤4：采用电镀工艺在镍钴合金永磁体镀铁(Fe)作为第一牺牲层，实现与其在磷青铜弹性支撑层上的焊接；
步骤5：采用低压化学沉积法(LPCVD)在底盘(聚四氟乙烯板)上沉积一层氮化硅薄膜作为基底；
步骤6：采用低压化学沉淀法(LPCVD)在氮化硅薄膜上沉积一层磷青铜作为第二牺牲层；
步骤7：采用电镀的方式，在线圈底座上其中1、4、7、10和13号压电单元下方位置制备电磁感应线圈；
步骤8：带槽法兰盘与海底管道检测器每节尾端连接防转联轴器底座采用过盈配合，通过M5螺丝使用螺栓固定；
步骤9：采用旋涂的方式在联轴器底座上的法兰以及支撑皮碗内侧涂环氧树脂，将底盘胶接与压电单元内侧，同时线圈对应于镍钴合金永磁体下方。
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