CN212785203U - 基于海洋立管涡激振动的纳米摩擦发电薄膜 - Google Patents

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宋吉宁
宋立成
杨德健
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Abstract

本实用新型公开了一种基于海洋立管涡激振动的纳米摩擦发电薄膜，该薄膜位于海洋立管外层，包裹在立管上，包括多个摩擦纳米发电单元，能够吸收海洋立管振动时的机械能并转化为电能。本实用新型能产生电能供给海洋立管附属设施用电，尤其是海底管道监测设备等更换电池成本高的设备，能够使用该实用新型进行供电，或者是在电量富裕时进行储存。同时，这些纳米发电单元可以发挥一定的缓冲作用，既可以开发蓝色能源，为设施供电，同时也可以保护海洋立管。

Description

基于海洋立管涡激振动的纳米摩擦发电薄膜
技术领域
本实用新型涉及一种基于摩擦发电原理的俘能技术领域，尤其涉及一种利用海洋立管或系泊缆索的涡激振动进行摩擦纳米发电的薄膜。
背景技术
人类对太阳能和风电的利用越来越多，但对引力的利用却相对较少。相比之下，海洋覆盖了地球表面的70％，无论白天还是黑夜，也无论天气状况如何，波浪能都充盈丰富，但没有得到有效利用。
海洋立管作为我国海洋油气资源的主要运输方式之一，但管道处于海中，会受到波浪的影响产生机械振动现象。纳米摩擦发电技术从提出便受到广大关注，其工艺简单、材料易得、转化效率高，将其运用到海上适应了分散式获能的工作方式。利用纳米发电薄膜将海洋立管上的机械振动捕获，从而把波浪能转化为电能，源源不断的为海洋立管或采油平台供电。
同时，随着使用时间的不断增加，腐蚀、焊缝等缺陷将严重影响管道的安全性，成为管道事故的主要原因。因此，利用检测工具对海洋立管进行安全监测成为保证管道安全运行的重要手段。然而，此类传感器的主要储能方式是化学电池，不能够随着海洋立管的长期使用过程持久供电。所以，需要开发一种能与海洋立管相结合的供能器材来代替化学电池进行供电，使得这种纳米摩擦发电薄膜在海洋立管上供电成为现实。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于海洋立管涡激振动的纳米摩擦发电薄膜。可将洋流中的波浪能引起的振动机械能转化为电能，为立管的监测系统持续供电。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了基于海洋立管涡激振动的纳米摩擦发电薄膜，该薄膜设置于立管外壳与内壳之间，其由柔性绝缘保护层连接的若干空腔结构的摩擦纳米发电单元闭环构成，所述摩擦纳米发电单元主要由围绕在球体结构内包含电极的负极导电材料构成，所述负极导电材料的两端分别设置有第一电极、第二电极，球体中心为空腔，空腔内有一个带正电荷的可自由滚动的球体。
进一步地，该薄膜包含若干个封闭独立的摩擦纳米发电单元，呈矩阵排列。
进一步地，多个摩擦纳米发电单元通过压制在绝缘内层表面的电路实现并联。
进一步地，发电薄膜，包括电源控制模块，用于实现对设备的供电或对电能的储存和输出。
独立单元形成的矩阵均与海洋立管垂直排列。
进一步地，电源控制模块，(例如模块MSR-2805S、MTR2805D)压制在绝缘内层表面，将监控装置以及其他感应器装置放置于电源控制模块中，或供电口置于海洋立管或系泊缆索外部，通过电源控制模块接口进行供电。使用方式不限于上述两种。
进一步地，该薄膜可固定在海洋立管的任意位置，根据实际选择固定在振动较大处。
进一步地，该薄膜内置于海洋立管中形成柔性套筒结构。
进一步地，小球为正极介电球。
进一步地，所述正极介电小球全部或表面由金属材料或者有机材料制成，负极导电材料由电负性较高的有机绝缘材料制成。
进一步地，该薄膜可以固定在海洋立管的任意位置，根据实际选择固定在振动较大处，以便电能转化效率更高。
实施本实用新型实施例，具有以下有益效果：本实用新型通过将每个独立的纳米摩擦单元整合成矩阵固定在海洋立管的保护层内，将波浪引起的的海洋立管振动的机械能转化为电能，通过电源控制模块，将电能稳压、变压处理，再供给监测系统，降低了监控成本，或对富余的电能及时进行储存，保证系统的持续供电。本实用新型解决了远海深海监测系统不易供能的问题，具有绿色环保、易加工、能量转换率高的优点，是水下监测系统技术的重要革新。
附图说明
图1是摩擦纳米发电薄膜的发电单元结构图。
图2是摩擦纳米发电薄膜的整体布局图。
图3是摩擦纳米发电薄膜用于海洋立管的安装示意图。
图4是摩擦纳米发电薄膜的工作原理图。
图中标号：1-摩擦纳米发电单元；2-立管外壳；3-立管或系泊缆索内壳；4-柔性绝缘保护层；5-第一电极；6-第二电极；7-负极导电材料；8-正极介电球；9-电源控制模块，10-电路。
具体实施方式
为了更清楚的解释本实用新型的目的、方案和优点，下面将结合附图对本实用新型进行进一步详细的描述。所描述的具体实施方式仅用于解释本实用新型,并不用于限制本实用新型。
本实用新型是提供基于海洋立管振动的纳米摩擦式静电发电薄膜，包括包覆并固定粘结在海洋立管中间层的柔性绝缘保护层4，柔性绝缘保护层内有多个空腔，每个空腔中都有一个纳米摩擦式静电发电单元1，柔性绝缘保护层4在电源控制模块9处形成一个闭环，使得摩擦纳米发电薄膜能够内置于海洋立管中形成柔性套筒结构。
本实用新型的工作原理是当柔性绝缘保护层4在随海洋立管在波浪的作用下振动时，正极介电小球8在靠近第一电极5一侧有向右运动的趋势，在第一电极5和第二电极6中产生了电势差，从而产生了电子转移，形成了电流。同样的，当正极介电小球在靠近第二电极6一侧运动时，第一电极5和第二电极6中会如图4所示产生相反的电势差，这样就形成了交流电。
本实用新型摩擦纳米发电薄膜可内置套设固定在海洋立管保护层内，并根据实际情况设置摩擦纳米发电单元1的位置,从而当海洋立管产生机械振动时，可以大程度的增加发电的效率。
本实用新型摩擦纳米发电装置中各摩擦纳米发电单元1由内置于柔性绝缘保护层4内的电路10并联，从而增强输出能力。
本摩擦纳米发电单元1中，正极介电球8可全部或表面由金属材料或者有机材料制成，负极导电材料7可由电负性较高的有机绝缘材料制成，但不以此为限。
在实用新型中，第一电极5和第二电极6仅为说明和解释本实用新型而标号，第一电极5和第二电极6是分开的；正极介电球8在由负极导电材料7构成的空腔结构中自由运动。
在本实用新型中，可将分布式健康监控装置以及其他感应器装置放置于电源控制模块9中，也可外接与装置外部或者海洋立管外部，通过电源控制模块9接口进行供电。
所述摩擦纳米发电装置效率由以下公式表示：
Figure BDA0002638189230000031
其中，<P>表示平均功率；ρ和U为流体速度和密度；A为截面面积。
所述摩擦纳米发电子装置中小球运动由以下公式表示：
Figure BDA0002638189230000032
此处γ/μ为流体阻尼，γ＝CD/4π，μ＝mt/ρD2；
M＝CL0/16μπ2St2，其中，St为斯特罗哈尔常数(Strouhal number)；
q＝2CL/CL0为瞬时升力系数CL和升力系数CL0的比值；
式中：CD＝2；CL0＝0.8；CM0＝1；St＝0.7；μ＝2.79。

Claims (8)

1.基于海洋立管涡激振动的纳米摩擦发电薄膜，其特征在于：该薄膜设置于立管外壳与内壳之间，其由柔性绝缘保护层连接的若干空腔结构的摩擦纳米发电单元闭环构成，所述摩擦纳米发电单元主要由围绕在球体结构内包含电极的负极导电材料构成，所述负极导电材料的两端分别设置有第一电极、第二电极，球体中心为空腔，空腔内有一个带正电荷的可自由滚动的球体。
2.根据权利要求1所述的发电薄膜，其特征在于：该薄膜包含若干个封闭独立的摩擦纳米发电单元，呈矩阵排列。
3.根据权利要求2所述的发电薄膜，其特征在于：独立单元形成的矩阵均与海洋立管垂直排列。
4.根据权利要求1所述的发电薄膜，其特征在于：多个摩擦纳米发电单元通过压制在绝缘内层表面的电路实现并联。
5.根据权利要求1所述的发电薄膜，其特征在于：包括电源控制模块，用于实现对设备的供电或对电能的储存和输出。
6.根据权利要求5所述的发电薄膜，其特征在于：电源控制模块压制在绝缘内层表面，将监控装置以及其他感应器装置放置于电源控制模块中，或供电口置于海洋立管或系泊缆索外部，通过电源控制模块接口进行供电。
7.根据权利要求1所述的发电薄膜，其特征在于：该薄膜可固定在海洋立管的任意位置。
8.根据权利要求1所述的发电薄膜，其特征在于：该薄膜内置于海洋立管中形成柔性套筒结构。
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