CN208638268U - 一种基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例公开了一种基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置，包括包覆并固定粘结在海洋立管表面的柔性绝缘膜，柔性绝缘膜内封装有多个摩擦式静电发电单元，柔性绝缘膜及其内部的摩擦式静电发电单元随海洋立管共同变形，将洋流激励下海洋立管振动变形的机械能转化为电能。本实用新型的发电装置所产生的电能完全能够为海洋管道的监测系统、监测数据传输系统提供足够的电能，还可具备电能存储装置，当产生电能富余时能够及时进行存储，保证系统的持续供电。本实用新型从技术上直接支持海洋这样特殊环境中管道的无线监测，以及监测数据的无线传输，是水下结构检测技术的重要革新。
Description
技术领域
本实用新型涉及基于摩擦发电原理的俘能技术领域，尤其涉及一种基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置。
背景技术
石油天然气是关系国民经济和社会发展的重要战略资源，我国海洋可采石油储量几乎占全部可采储量的三分之一，在未来很长一段时间内都将是国家能源战略的重中之重。海洋管道是海洋油气资源最主要也是最快捷、经济、可靠的运输方式。然而海洋管道服役环境极端，随着其服役时间不断增加，腐蚀、焊缝等缺陷将严重影响管道的安全性，成为管道事故发生的主要原因。因此，利用监测工具对海洋管道进行安全监测成为保证管道安全运行的重要手段。近年来，无线电传感器迅速发展，应用日益广泛，对于海洋管道这类处于极端环境中的特殊结构监测具有极大的应用优势。但该类传感器目前主要储能供能方式是化学电池，不能够随着海洋管道的长期服役过程持久供电。因此，需要开发一种能与海洋管道本身相结合的供能器材来代替化学电池进行供电。而目前俘能器技术发展迅速、应用广泛，一些振动俘能器的应用相继提出，这使得摩擦式静电发电装置在海洋管道无线监测系统上的应用成为可能。
实用新型内容
本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置。可将洋流作用下海洋立管的振动变形能转化为电能，为管道的监测系统和监测数据传输系统供电。。
为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置，包括包覆并固定粘结在海洋立管表面的柔性绝缘膜，所述柔性绝缘膜内封装有多个摩擦式静电发电单元；所述摩擦式静电发电单元包括第一基板和第二基板，所述第二基板固定于所述柔性绝缘膜内侧，且与所述海洋立管表面相切；所述第二基板外侧涂设介电材料层；所述第一基板与所述第二基板平行，其内侧涂设介电材料层，所述第一基板一端通过与所述第二基板垂直的连接件固定于柔性绝缘膜内侧，所述第一基板和第二基板上的介电材料层相互接触，且极性相反。介电材料层与基板之间均设有电极层，第一基板的电极层和第二基板上的电极层分别构成发电单元的正负极；当海洋立管发生弯曲形变，柔性绝缘膜随之发生形变，摩擦式静电发电单元受到横向拉力或压力，第一基板和第二基板发生相对移动，使得介电材料的接触面积发生改变，分别产生正负电荷，形成电势差。
进一步地，所述第一基板和所述第二基板的固定位置的连线与所述海洋立管轴线平行。
更进一步地，多个所述摩擦式静电发电单元呈带状或矩阵排列于所述柔性绝缘膜内。
更进一步地，多个所述摩擦式静电发电单元的电极层并联形成供电电路。
更进一步地，所述柔性绝缘膜套设在距离海洋立管底端0.6倍管长处。
更进一步地，还包括封装在柔性绝缘膜中与所述摩擦式静电发电单元电连接的电源控制系统。
更进一步地，所述电源控制系统包括稳压整流器、储能装置、变压装置以及用于连接用电设备的电路输出端口。
实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：本实用新型利用摩擦式静电俘能材料力电转换的特性，将包含摩擦式静电发电单元阵列的薄膜装置包裹并固定粘结在海洋立管外表面，使摩擦式静电发电单元随海洋立管共同变形，从而将洋流引起的管道振动变形的机械能转化为电能，经过该供电薄膜装置中的电源控制集成系统的稳压、变压处理，对管道监测的用电设备进行供电或者进行电能存储。本实用新型的发电装置所产生的电能完全能够为海洋管道的监测系统、监测数据传输系统提供足够的电能，还具备电能存储装置，当产生电能富余时能够及时进行存储，保证系统的持续供电。本实用新型从技术上直接支持海洋这样特殊环境中管道的无线监测以及监测数据的无线传输，是水下结构监测技术的重要革新。
附图说明
图1是本实用新型采集装置的结构示意图；
图2是摩擦式静电发电单元的结构图；
图3是摩擦式静电发电单元贴于海洋立管表面时的工作示意图；其中a为初始状态下的示意图；b和c为弯曲状态下的示意图；
图4是摩擦式静电发电单元的集成平面图。
图5是该装置在海洋立管的安装示意图。
图6是图5的截面图。
图7是海洋管道一阶振型中应变与轴向位置的函数关系图。
图中标号：1－第一基板；2－第二基板；3－正极介电材料层；4－负极介电材料层；6－柔性绝缘膜；8－海洋立管；9－摩擦式静电发电单元；10－电线；12－电源控制模块；13－卡口。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。
本实用新型提供基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置，包括包覆并固定粘结在海洋立管表面的柔性绝缘膜6，柔性绝缘膜6内封装有多个摩擦式静电发电单元9，柔性绝缘膜6及其内部的摩擦式静电发电单元9随海洋立管8共同变形，机械能转换成为电能；所述摩擦式静电发电单元9包括第一基板1和第二基板2，第二基板2固定于柔性绝缘膜6内侧，且与所述海洋立管表面相切；第二基板2外侧涂设负极介电材料层4；第一基板1与第二基板2平行，内侧涂设正极介电材料层3，且第一基板1的一端通过与所述第二基板2垂直的连接件固定于柔性绝缘膜6内侧，固定位置与第二基板2的固定位置位于同一圆周面；第一基板1和第二基板2上的介电材料层相互接触；介电材料层与基板之间均设有电极层，第一基板和第二基板上的电极层分别构成发电单元的正负极；当海洋立管发送弯曲形变，柔性绝缘膜6随之发生形变，摩擦式静电发电单元9 受到横向拉力(图3b)或压力(图3c)，第一基板1和第二基板2发生相对移动，使得介电材料的接触面积发生改变，从而产生正负电荷，形成电势差。
其中，对于单个滑动式摩擦发电单元，两种介电材料3、4的厚度分别为d1和d2，两者的相对介电常数分别为εr1和εr2。x(t)代表涂有两种介电材料的电极板之间的相对位移。当摩擦式发电装置工作时，x(t)从0到最大变化。当两个涂有介电材料的电极板无相对位移(即x(t)＝0)，电极板充电，两个涂有介电材料的电极板的表面获得相反的静电荷，具有相等的电荷密度σ(接触摩擦产生的电荷密度)。并且当两电极板产生相对位移时，电荷经外加电路产生电流。当负载电阻给定为R时，电压可表示为：
其中d0＝d1/εr1+d2/εr2，为介电材料的等效厚度，l为电极板上涂有介电材料的长度，w为电极板上涂有介电材料的宽度，ε0为真空介电常数。
其中电荷Q的表达式为
该微分方程为一阶线性齐次微分方程，可得到电荷Q的通解表达式Q(t)，代入(1)式，即可得到
V(t)即为单个滑动式摩擦发电单元的输出电压。
第一基板和第二基板的固定位置的连线与海洋立管轴线平行，可最大极限的采集机械形变。作为本领域的常用技术手段，多个摩擦式静电发电单元9呈带状或矩阵排列，并且通过电线10并联形成供电电路。摩擦式静电发电单元9 组成单元阵列，其两两之间间距在5－10cm范围内取值。单元阵列长度由海洋立管周长决定，单元阵列宽度由用电设备所需电量决定，单元阵列宽度越宽，则摩擦式静电发电单元9数量越多，即所能提供的电量越大。
作为优选的技术方案，还包括封装在柔性绝缘膜中的电源控制模块12；电源控制模块12包括稳压整流器、储能装置、变压装置以及电路输出端口，电源控制模块12通过导线连接至供电电路。通过电路输出端口与外部用电设备相连并为其供电。储能装置则用于存储富余电能。电源控制模块12位于柔性绝缘膜 6一侧，这种设计使得柔性绝缘膜状俘能发电结构11内复杂的电线结构能够对抗海洋环境中的振动和其他影响。
柔性绝缘膜6的两端设有能够相互配合的卡口13，当两端的卡口13合上时，柔性绝缘膜6能够在海洋立管8表面形成柔性套筒。柔性套筒的内侧壁和海洋立管的接触面上采用粘合剂固定粘结在一起，从而使柔性套筒随海洋立管共同变形。
在洋流作用下，柔性绝缘膜6表面的摩擦式静电发电单元与管道结构同步振动，具有相同的变形。根据摩擦式静电俘能材料力电转换的特性，摩擦式静电发电单元由于变形而产生电流，由此将振动变形的机械能转化为电能，并经过电路传输至电源控制系统。在电源控制系统中，电流将通过稳压整流器和变压装置为外部用电设施提供稳定的、电压匹配的电能，或者将富余电能存储在储能装置中，达到持续、稳定供能的使用效果。
关于俘能装置在海洋立管布置的最优位置，由于海洋立管是典型的长周期结构，因此第一阶振型在其动力响应中占着最重要的地位。将海洋立管简化为一端铰接一段固支的梁模型，则其第一阶振型可表示为：
其中L表示立管的长度，x表示沿轴向的位置。
则根据管道表面的应变表达式：
其中y是侧向变形，D是管道直径。
可求出一阶振型中应变与管道位置的关系，关系如图7所示。由图可知，在距离立管底部0.6倍管长处的位置应变最大，即该位置发电效率最高，为布置俘能装置的最优位置。
以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置，其特征在于，包括包覆并固定粘结在海洋立管表面的柔性绝缘膜，所述柔性绝缘膜内封装有多个摩擦式静电发电单元；所述摩擦式静电发电单元包括第一基板和第二基板，所述第二基板固定于所述柔性绝缘膜内侧，且与所述海洋立管表面相切；所述第二基板外侧涂设介电材料层；所述第一基板与所述第二基板平行，其内侧涂设介电材料层，所述第一基板一端通过与所述第二基板垂直的连接件固定于柔性绝缘膜内侧，所述第一基板和第二基板上的介电材料层相互接触，且极性相反。
2.根据权利要求1所述的基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板的固定位置的连线与所述海洋立管轴线平行。
3.根据权利要求2所述的基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置，其特征在于，多个所述摩擦式静电发电单元呈带状或矩阵排列于所述柔性绝缘膜内。
4.根据权利要求3所述的基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置，其特征在于，多个所述摩擦式静电发电单元的电极层并联形成供电电路。
5.根据权利要求4所述的基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置，其特征在于，所述柔性绝缘膜套设在距离海洋立管底端0.6倍管长处。
6.根据权利要求1－5任一项所述的基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置，其特征在于，还包括封装在柔性绝缘膜中与所述摩擦式静电发电单元电连接的电源控制系统。
7.根据权利要求6所述的基于海洋立管振动的摩擦式静电发电装置，其特征在于，所述电源控制系统包括稳压整流器、储能装置、变压装置以及用于连接用电设备的电路输出端口。
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