CN212875690U - 一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，其中，包括立管，所述立管外壁上设有套筒，所述套筒与所述立管之间设有若干个摩擦纳米发电模块，各摩擦纳米发电模块均匀分布在所述立管的周向外壁上，所述摩擦纳米发电模块包括壳体，所述壳体内部设有弹簧和发电单元，所述弹簧位于所述壳体内靠近所述立管的一侧，所述发电单元位于所述壳体内的另一侧，所述弹簧上设有用于撞击所述发电单元的撞击板，所述套筒外壁上设有用于抑制涡旋振动的条纹。本实用新型在套筒上对应设有能够被动控制涡旋振动的结构，防止立管产生剧烈共振，避免其疲劳损害，但又不会完全抑制振动，能够完成摩擦纳米振动发电。

Description

一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置

技术领域

本实用新型涉及海洋能发电技术领域，更具体地，涉及一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置。

背景技术

海洋结构物的振动特别是深海立管中的振动是极其剧烈的，里面蕴含着巨大的能量，目前，常用的振动发电方式又电磁感应和压电效应，但存在着结构复杂，适用范围有限，成本高等缺点，而摩擦纳米发电由于低成本，结构简单，功率密度高，环保等优点已成为收集各种能量的研究热点。中国专利公开号CN108512455A，公开日期为2018年6月10日，该专利公开了基于海洋立管振动机械能的接触式摩擦发电装置，该装置包覆在海洋立管的表面上，包括多个接触式摩擦发电单元，能够随海洋立管振动，吸收海洋立管振动形变的机械能并转化为电能。但是海洋立管是海洋资源输送的唯一渠道，对海洋资源的开采起到了至关重要的作用，当波浪、海流以一定速度经过这些海洋立管时，会在海洋立管后方两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡，当旋涡脱落的频率与立管自身的固有频率相近时，立管就会发生剧烈的共振，加速其疲劳损害，引发不可估量的灾难性事故。

抑制立管涡激振动的方法有很多，主要分为主动控制和被动控制，主动控制通过引入外部能量干扰扰流流场，被动控制通过改变立管的表面形状或附加额外装置来改变绕流流场，从而影响漩涡的产生和发展。由于主动控制安装不变以及成本较高，往往在工程中很少运用，被动控制能一定程度上抑制振动，但并不能完全抑制振动，只能在一定的工况下发挥作用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有摩擦纳米发电装置没有设置抑制立管涡旋振动的结构的缺陷，提供一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置。本实用新型在套筒上对应设有能够被动控制涡旋振动的结构，防止立管产生剧烈共振，避免其疲劳损害，但又不会完全抑制振动，能够完成摩擦纳米振动发电。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，包括立管，所述立管外壁上设有套筒，所述套筒与所述立管之间设有若干个摩擦纳米发电模块，各摩擦纳米发电模块均匀分布在所述立管的周向外壁上，所述摩擦纳米发电模块包括壳体，所述壳体内部设有弹簧和发电单元，所述弹簧位于所述壳体内靠近所述立管的一侧，所述发电单元位于所述壳体内的另一侧，所述弹簧上设有用于撞击所述发电单元的撞击板，所述套筒外壁上设有用于抑制涡旋振动的条纹。

本技术方案中，套筒外部的条纹能够抑制流体在立管上产生涡旋振动，避免立管产生巨大的共振，导致疲劳损害，由于条纹只是改变了套筒的表面形状，从而影响了涡旋的产生和发展，属于被动控制，所以并不会完全抑制立管振动，故剩余的振动依旧能够带动摩擦纳米发电模块进行振动发电，由于立管的振动会带动摩擦纳米发电模块内的弹簧及与其连接的撞击板不断撞向发电单元，使得发电单元由于撞击，其内部会摩擦产生电能。

进一步的，所述条纹为螺旋状。螺旋状的条纹均匀分布在套筒外壁上，能够影响涡旋的产生和发展，避免立管与流经的流体产生剧烈的共振。

进一步的，所述弹簧通过连接板固定在所述壳体内靠近所述立管的一侧。摩擦纳米发电模块中弹簧需要是通过连接板固定在壳体内部，连接板将立管的振动传递到弹簧中，使得弹簧上连接的撞击板不断撞向发电单元。

进一步的，所述发电单元包括两个电极板，两个电极板之间设有第一摩擦层和第二摩擦层。本技术方案中，当立管发生振动时，弹簧也会发生振动，当弹簧的振动幅度达到撞击板和发电核心距离时，撞击板会撞向发电单元，发电单元中的第一层摩擦层和第二层摩擦层会由于撞击互相摩擦，由于第一层摩擦层和第二层摩擦层具有不用的电极序，即摩擦过程中，其表面发生电荷的转移，发电单元两侧的电极板会产生感应电势差，产生电流和电压。

进一步的，所述发电单元被苯二甲酸乙二醇酯薄膜包裹。通过苯二甲酸乙二醇酯薄膜将发电单元进行包裹，使其成为一个整体。

进一步的，所述第一摩擦层和第二摩擦层均为纳米纤维网状膜。纳米纤维网膜是通过静电纺丝的方法制成。

进一步的，所述第一摩擦层采用聚偏氟乙烯纳米纤维网状膜，所述第二摩擦层采用聚偏吡咯烷酮纳米纤维网状膜。两种材料的纳米纤维网状膜的分别容易失去正电荷和负电荷，两者的互相摩擦会发生电荷转移，产生电信号。

进一步的，所述电极板采用导体或半导体材质。

进一步的，所述电极板的表面上设有纳米或次纳米量级的微结构。微结构优选为纳米线，纳米管，纳米棒，纳米颗粒，纳米沟槽，微米沟槽，纳米锥，纳米球，以及由上述结构形成的阵列，特别是由纳米线，纳米管或者纳米棒的纳米阵列，可以通过光刻蚀，等离子刻蚀等方法制备的线状，立方体，或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在微米到纳米量级，只要不影响电极板的机械强度，具体微结构的单元尺寸和形状不应限制本实用新型的范围。纳米或者次纳米量级的微结构能够加强第一摩擦层与第二摩擦层之间的摩擦，加强电荷的转移，提高发电效率。

进一步的，各电极板上均设有用于输出电能的导线。发电单元产生的电能能够通过导线用于到立管振动监测系统当中，使立管振动监测系统无需搭载辅助电源，节省了更换的电池的成本

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型在套筒上设有螺旋条纹，防止海洋立管因涡激振动产生疲劳损伤，从而造成巨大损失，由于螺旋螺纹属于被动控制，并不能完全抑制立管的振动，摩擦发电模块还是能够根据立管抑制之后的产生的振动完成发电过程；

2.本实用新型中，摩擦发电模块中产生的电能可以用在立管振动监测系统当中，使立管振动监测系统无需搭载辅助电源，节省了更换的电池的成本。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型的内部结构示意图。

图3为本实用新型中摩擦纳米发电模块的内部结构示意图。

图4为本实用新型的摩擦纳米发电模块的发电过程示意图

图示标记说明如下：

1-立管，2-套筒，3-螺旋条纹，4-摩擦纳米发电模块，401-壳体，402-连接板，403-第一电极板，404-第一摩擦层，405-第二摩擦层，406-第二电极板，407-弹簧，408-撞击板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例

如图1至图4所示为本实用新型一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置。一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，包括立管1、套管2和六个摩擦纳米发电模块4，套管2套设在立管1上，摩擦纳米发电模块4位于套筒2与立管1之间，且均匀固定在立管1的周向外壁上。套筒2外壁上设有抑制涡旋振动的螺旋条纹3。本实施例中，套筒2外壁上的螺旋条纹3避免了立管1与流经立管1的流体发生剧烈共振，但又不会完全抑制立管1的振动，立管1上的摩擦纳米发电模块4还是能够根据立管1的振动完成发电过程。需要说明的是，六个摩擦纳米发电模块4并不是对摩擦纳米发电模块4进行数量上的限制，其数量可以根据实际应用场景或是工况进行调整，其分布方式也可以根据具体数量跟立管的尺寸进行调整。

本实施例中，摩擦纳米发电模块4包括壳体401，壳体401内部设有三组弹簧407和发电单元，每组的具体结构如图3所示，壳体401内部靠近立管1的一侧设有连接板402，弹簧407的一端与连接板402固定，弹簧407的另一端设有撞击板408，壳体401内部远离立管1的一侧设有发电单元，发电单元与撞击板408之间的距离较小，当立管1振动带动弹簧407振动时，弹簧407能够带动撞击板408撞向发电单元，使得发电单元产生电能。

其中，发电单元包括依次叠放的第一电极板403、第一摩擦层404、第二摩擦层405和第二电极板406，标准层压器用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)将发电单元内的电极板和摩擦层进行包裹，使其成为一个整体。发电单元的第一电极板403和第二电极板均为铜制的薄膜，第一摩擦层404和第二摩擦层405均为纳米纤维网状膜，通过静电纺丝的方法形成。其中，第一摩擦层404为聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维网状膜，第二摩擦层405为聚偏吡咯烷酮(PVP)纳米纤维网状膜。

在其中一个实施例中，发电单位的第一电极板403和第二电极板406均为铜制的薄膜，每个铜制薄膜上设有导线，导线接入立管1上设置的立管振动检测系统中，为该系统的电子设备提供电能，使得该系统不再需要额外搭载电源。

其中，电极板的表面上设有纳米线、纳米管和纳米棒组合形成的纳米量级的微结构，该微结构通过光刻蚀制备而成。微结构能够加强第一摩擦层404与第二摩擦层405之间的摩擦，提高了发电效率。

在其中一个实施例中，发电单元的发电过程如图4所示：当立管1振动时，立管1周向壁面上分布的摩擦纳米发电模块4跟随一起振动，故每个摩擦纳米发电模块4中的弹簧407连接的撞击板408将撞击发电单元，由于发电单元的内部的第一摩擦层404的聚偏氟乙烯纳米纤维网状膜和第二摩擦层405的聚偏吡咯烷酮纳米纤维网状膜具有不同的摩擦电序列，通过接触摩擦，聚偏氟乙烯容易得电子，聚偏吡咯烷酮容易失电子，从而使得聚偏氟乙烯带负电，聚偏吡咯烷酮带正电，当撞击后恢复时，第一电极板403和第二电极板406之间就产生感应电势差，两电极板通过外电路连接，会产生电信号，经过处理后，可以存储在蓄电池当中，或者直接用于立管振动监测系统中，由于立管1在花水中会不停振动，使得撞击板408往复撞击发电单元，即会不断产生电，从而不断地为监测系统提供足够地电能。

在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，包括立管，所述立管外壁上设有套筒，其特征在于：所述套筒与所述立管之间设有若干个摩擦纳米发电模块，各摩擦纳米发电模块均匀分布在所述立管的周向外壁上，所述摩擦纳米发电模块包括壳体，所述壳体内部设有弹簧和发电单元，所述弹簧位于所述壳体内靠近所述立管的一侧，所述发电单元位于所述壳体内的另一侧，所述弹簧上设有用于撞击所述发电单元的撞击板，所述套筒外壁上设有用于抑制涡旋振动的条纹。

2.根据权利要求1所述的一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述条纹为螺旋状。

3.根据权利要求1所述的一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述弹簧通过连接板固定在所述壳体内靠近所述立管的一侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述发电单元包括两个电极板，两个电极板之间设有第一摩擦层和第二摩擦层。

5.根据权利要求4所述的一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述发电单元被苯二甲酸乙二醇酯薄膜包裹。

6.根据权利要求5所述的一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述第一摩擦层和第二摩擦层均为纳米纤维网状膜。

7.根据权利要求6所述的一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述第一摩擦层采用聚偏氟乙烯纳米纤维网状膜，所述第二摩擦层采用聚偏吡咯烷酮纳米纤维网状膜。

8.根据权利要求6所述的一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述电极板采用导体或半导体材质。

9.根据权利要求8所述的一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述电极板的表面上设有纳米或次纳米量级的微结构。

10.根据权利要求9所述的一种基于立管振动的摩擦纳米发电装置，其特征在于：各电极板上均设有用于输出电能的导线。

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