CN109639176B - 流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊及采能阵列 - Google Patents
流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊及采能阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明基于流体输运管道中存在多种类型的能量的认识，针对将纳米发电技术用于长距离流体输运管道的能量采集装置的技术问题，提供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；本发明能够将多种形式的能量都能够予以充分收集利用，从而为管道智能化检测和高精度定位维修等提供能源支持。
Description
技术领域
本发明属于纳米发电技术领域，具体涉及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。
背景技术
管道输运是运输业中很重要的一种运输方式。管道输运具有自己特有的优势，如效率高、污染小、成本低并且受外界影响小，所以几乎所有的流体都用管道来运输，近年来，管道输运更是得到了迅速的发展。中部某二线城市地下涉水管网已超过8000公里（2017年数据）；其中自来水管道4049公里，暖气输水管道1700公里，燃气管道1000公里。而我国现有原油管道2.7万公里、成品油管道2.1公里、天然气主干道历程6.4公里（2016年数据），并预计到2025年，我国油气管网规模将达到24万公里。以此为基础推断，包括石油、天然气输运管道在内，人类建造的流体运输管道网络长度已经是一个非常庞大的数字。
流体运输管道包括埋于地下的上水和下水管道、供暖热水管道、长距离输油和天然气等能源输运管道，以及建筑、大型流体存储、输运装备和飞机、舰船中难以直接观察、目视检查的输油、输气、输水管道。随着流体运输管道网络的不断发展，与之而来的管道网络维护及检修站点的数量也在不断增加，然而由于大多数的流体运输管道往往存在线路距离长、铺设环境较为严峻，维护及检修站点的能源供给往往耗费大量的人力物力，造成宝贵资源的浪费，甚至危害到管道网络的安全。因此，研究一套有效的多能量采集装置，来尽可能的收集可利用的能量资源，具有重要意义。
21世纪以来，微电子技术的应用及发展在社会智能化进程中起到了至关重要的作用，而随着对仪器设备需求更加智能化、微型化、自主化，高效的微型能量收集装置无疑是重要的突破口。自2000年后首台基于氧化锌纳米线的微型发电装置问世以来，纳米发电技术得到了飞速发展，基于各种原理的纳米发电装置层出不穷，出现了基于压电陶瓷技术、摩擦发电技术、生物电技术、磁感应技术等多样的纳米发电装置，现有纳米发电装置的发电原理如下：
压电薄膜发电原理：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细晶粒压电陶瓷、PbTiO3系压电材料、压电陶瓷-高聚物复合材料等。
电磁发电原理：闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，在导体上就会产生电流的现象叫电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流，电势叫做感应电动势。感应电动势的大小跟穿过闭合电路的磁通量改变的快慢有关，其感应电动势公式为：
摩擦薄膜发电原理：两个材料互相摩擦时，因为不同材料的原子核束缚核外电子的本领不同，所以其中必定有一个材料失去一些电子，另一个材料得到多余的电子，从而在两个材料接触表面形成摩擦电荷。当下应用较多的摩擦材料为纤维织物、PDMS（聚二甲基硅氧烷）、PTFE（聚四氟乙烯）、PVC（聚氯乙烯）FEP（氟化乙丙烯）等。
卡门涡街原理：在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡街。卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象，蕴含着一定的能量。
物体悬浮原理：物体在气体中下表面受到的压力大于物体在气体中上表面受到的压力，所以合力为上表面压力与下表面压力的矢量和，当矢量与物体重力数值相等且方向相反时，物体会在气体介质中悬浮。浮力公式：
目前的纳米发电装置多用于可穿戴设备的能量回收或自然界中的潮汐能、太阳能、风能等宏观能量的收集，但是将纳米发电技术用于长距离流体输运管道的能量采集装置却少有涉及。流体管道中存在众多能源，包括水锤效应产生的振动波能、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、管道内堆积物形成的卡门涡街能等等。上述在流体管道中存在的能量往往不能或很难通过大型装置进行有效的回收利用，而通过利用微电子技术制造的纳米发电装置则能够有效地利用管道中多种类型的能量，从而达到为运输管道自身或周边相关设施提供能量的目的。
发明内容
本发明基于流体输运管道中存在多种类型的能量的认识，针对将纳米发电技术用于长距离流体输运管道的能量采集装置的技术问题，提供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，能够将多种形式的能量都能够予以充分收集利用，从而为管道智能化检测和高精度定位维修等提供能源支持。
本发明采用如下技术方案：
一种流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊，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；密封结构可通过在发电微纳囊的外表面覆盖柔性复合防渗透薄膜来实现，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；
其中，所述摩擦发电单元和压电发电单元由外而内设于微纳囊的顶壁，所述摩擦发电单元包括由外而内设置的第一摩擦层和第二摩擦层，所述第一摩擦层与流体相接触（此处的接触可以是直接接触也可以是间接接触）且所述第一摩擦层和第二摩擦层在流体的作用下相对运动进行摩擦发电；第一摩擦层和第二摩擦层材料的选择能够满足摩擦发电的要求即可，不是本发明的重点所在，本领域技术人员可从摩擦发电的现有材料中做出选择，此处不做特别限定；其中，第一摩擦层优选兼具防渗透功能的材料，如此，第一摩擦层可与流体直接接触，而无需防渗透媒介，摩擦发电效率更高；所述压电发电单元包括压电发电材料层，所述压电发电材料层在流体的作用下发生形变时进行压电发电；
所述卡门涡街发电单元设于发电微纳囊的侧壁，所述卡门涡街发电单元包括沿发电微纳囊的侧壁周向延伸的环形压电片，所述环形压电片利用流体绕过发电微纳囊时形成的卡门涡街发电；
所述电磁感应单元设于发电微纳囊的内部，所述电磁感应单元包括磁性浮子和磁感线圈，发电微纳囊的内部填充有惰性气体，所述磁性浮子悬浮于其中，以该磁性浮子为中心，磁感线圈排列分布于发电微纳囊的内部，当磁性浮子在流体的作用下发生位移时，切割磁感线圈发电；
所述摩擦发电单元，压电发电单元，卡门涡街发电单元和电磁感应单元彼此绝缘设置，且各自通过导线导出发电电流。
所述发电微纳囊要根据不同管道的规格、材料及管道内的流体性质做不同的设计，其表面密封材料必须满足管道内流体不能在采集阵列表面产生堆积、阻塞等基本条件，其表面密封材料主要考虑到管道内流体的材质、分子量、摩擦系数等条件，主要选用摩擦系数小的高分子量聚乙烯等柔性复合防渗透薄膜材料。
优选地，所述压电发电材料层由向外凸起的柔性压电薄膜构成；此处“向外凸起”和“柔性薄膜”的设计更加有利于发生形变，可以最大限度地利用流体施加的形变作用力。
优选地，所述磁性浮子由三层薄膜结构复合而成，由外而内依次为聚酯薄膜、磁性合金薄膜和聚酯薄膜，且磁性浮子呈一相反磁极交叉分布的十六等分球状多瓣结构。该磁性浮子基于纳米镀膜技术及光刻图形转移技术在其表面形成多瓣磁极。磁极交叉分布是为了提高磁感线密度，使得磁性浮子即使发生小幅度的旋转或位移都能够使得磁感线的方向发生变化。
优选地，所述磁性浮子内部中空且填充有氢气（通过控制充入氢气的量，使得磁性浮子浮力等于其自身重量，使其在发电微纳囊中可自由移动，而不会顶在发电微纳囊内壁），该设计是为了让磁性浮子悬浮于发电微纳囊的内部。
上述的流体输运管道节点适用的多能量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，每个发电微纳囊的侧壁的外表面沿周向设有与其摩擦发电单元，压电发电单元，卡门涡街发电单元和电磁感应单元相连接的导电用互连线（互连线的设置方式可以是：多条互连线连续无缝地排列于发电微纳囊的侧壁的外表面），且相邻的发电微纳囊之间通过彼此的互连线相电连；为了便于阵列分布，发电微纳囊的形状优选正棱柱形，例如正六棱柱形；
所述采能阵列可采用一次成型技术，组成该阵列的所有微纳囊一次统一制造成型。
优选地，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任一发电微纳囊的互连线相电连。
优选地，对于任一发电微纳囊，其摩擦发电单元，压电发电单元，卡门涡街发电单元和电磁感应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摩擦发电单元朝向管道中心，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。
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，此处存在多种形式的能量，为了将该处产生的多种形式的能量都能够予以充分收集利用，本发明的所述的发电微纳囊集合了四种形式的能量采集结构设计，其分别为利用压电发电采集能量的设计、利用摩擦发电采集能量的设计、利用卡门涡街发电采集能量的设计、利用电磁感应发电采集能量的设计。这四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，具体而言，利用摩擦发电采集能量的设计为通过第一摩擦层与流体相接触且所述第一摩擦层和第二摩擦层在流体的作用下相对运动进行摩擦发电；利用压电发电采集能量的设计为压电发电材料层在流体的作用下发生形变时进行压电发电；利用卡门涡街发电采集能量的设计为环形压电片利用流体绕过发电微纳囊时形成的卡门涡街现象，即依靠旋转的流体不断扭曲微纳囊侧壁的环形压电片进行发电；利用电磁感应发电采集能量的设计为磁性浮子在流体的不断作用下发生位移时，磁感线圈不断切割磁感线进行发电。
一个发电微纳囊收集的能量是有限的，而将多个发电微纳囊集合为一整体的采能阵列，所产生的能量则是相当可观的，而且该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摩擦发电单元朝向管道中心，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。
附图说明
图1为本发明所述发电微纳囊的侧面剖视结构示意图；
图2为本发明所述发电微纳囊的正面剖视结构示意图；
图3为本发明所述采能阵列使用时的局部剖视结构示意图。
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和2所示，一种流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊，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，本实施例中，发电微纳囊为由顶壁、底壁和侧壁围合而成的正六棱柱形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、压电发电单元、卡门涡街发电单元和电磁感应单元；发电微纳囊的顶壁与侧壁以及底壁与侧壁之间均密封连接，发电微纳囊外表面的密封结构可通过在发电微纳囊的外表面覆盖UPE即高分子量聚乙烯薄膜2来实现，且同时实现了绝缘设计；
其中，所述摩擦发电单元和压电发电单元由外而内设于微纳囊的顶壁，所述摩擦发电单元包括由外而内设置的第一摩擦层和第二摩擦层（图中标记共同记为1），所述第一摩擦层与流体间接接触且所述第一摩擦层和第二摩擦层在流体的作用下相对运动进行摩擦发电；第一摩擦层和第二摩擦层材料的选择能够满足摩擦发电的要求即可，不是本发明的重点所在，本领域技术人员可从摩擦发电的现有材料中做出选择，此处不做特别限定；本领域技术人员可以理解，第一摩擦层和第二摩擦层均位于柔性复合防渗透薄膜的内侧；所述压电发电单元包括向外凸起的压电发电薄膜10，所述压电发电薄膜10在流体的作用下发生形变时进行压电发电；此处“向外凸起”和“薄膜”的设计更加有利于发生形变，可以最大限度地利用流体施加的形变作用力；本领域技术人员可以理解，压电发电薄膜10位于高分子量聚乙烯薄膜2的内侧；
所述卡门涡街发电单元包括沿发电微纳囊的侧壁周向延伸的环形压电片4，且该环形压电片4构成发电微纳囊的侧壁，所述环形压电片4利用流体绕过发电微纳囊时形成的卡门涡街发电；本领域技术人员可以理解，环形压电片位于柔性复合防渗透薄膜的内侧；
所述电磁感应单元设于发电微纳囊的内部，所述电磁感应单元包括磁性浮子6和磁感线圈3，发电微纳囊的内部填充有惰性气体，所述磁性浮子6悬浮于其中；本实施例中，所述所述磁性浮子6由三层薄膜结构复合而成，由外而内依次为聚酯薄膜、磁性合金薄膜和聚酯薄膜，磁性浮子6内部中空且填充有氢气，通过控制充入氢气的量，使得磁性浮子浮力等于其自身重量，使其在发电微纳囊中可自由移动，并不会顶在微纳囊内壁，磁性浮子悬浮于发电微纳囊的内部，磁性浮子6的表面利用纳米镀膜技术及光刻图形转移技术涂覆有磁性材料使得磁性浮子呈一相反磁极交叉分布的十六等分球状多瓣结构，磁极交叉分布是为了提高磁感线密度，使得磁性浮子即使发生幅度的旋转或位移都能够使得磁感线的方向发生变化。
而磁感线圈3的分布方式为：以该磁性浮子6为中心，磁感线圈3自发电微纳囊的顶壁至底壁依次排列分布于发电微纳囊的内部，当磁性浮子6在流体的作用下发生位移时，切割磁感线圈3发电；
鉴于所述摩擦发电单元，压电发电单元，卡门涡街发电单元和电磁感应单元均为独立的发电机制，为避免相互干扰，所述摩擦发电单元，压电发电单元，卡门涡街发电单元和电磁感应单元彼此绝缘设置（绝缘设置的方式可以选择在两个单元之间设置绝缘材料层），且各自通过导线导出发电电流。
所述发电微纳囊要根据不同管道的规格、材料及管道内的流体性质做不同的设计，其表面密封材料必须满足管道内流体不能在采集阵列表面产生堆积、阻塞等基本条件，其表面密封材料主要考虑到管道内流体的材质、分子量、摩擦系数等条件，主要选用摩擦系数小的高分子量聚乙烯等柔性复合防渗透薄膜材料。
实施例2
如图1至3所示，采用实施例1所述的流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊7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7均以侧壁相接的方式阵列分布，每个发电微纳囊7的侧壁的外表面沿周向设有与其摩擦发电单元，压电发电单元，卡门涡街发电单元和电磁感应单元相连接的导电用纳米互连线5，本实施例中，纳米互连线5的设置方式可以是：多条纳米互连线5连续无缝地排列于发电微纳囊7的侧壁的外表面，且相邻的发电微纳囊7之间通过彼此的纳米互连线5相电连；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任一发电微纳囊的互连线相电连。对于任一发电微纳囊，其摩擦发电单元，压电发电单元，卡门涡街发电单元和电磁感应单元的发电电流分别经整流并导流至其互连线后（不同发电机制得到的电流性质不同，因此需要整流后导出），再经采能阵列中相电连的互连线导流至所述电流输出端。
所述采能阵列整体呈筒状结构且套接于管道接头9的内壁，并保证每个发电微纳囊7的摩擦发电单元朝向管道中心，采能阵列的两端设有延伸的柔性部8且两端的柔性部8可翻折套设于管道接头9的外壁。
所述采能阵列可采用一次成型技术，组成该阵列的所有微纳囊一次统一制造成型。
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 (8)
1.一种流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊，其特征在于：所述发电微纳囊置于流体输运管道节点处的流体内使用，且发电微纳囊的顶壁朝向流体中心 ，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、压电发电单元、卡门涡街发电单元和电磁感应单元；
其中，所述摩擦发电单元和压电发电单元由外而内设于发电微纳囊的顶壁，所述摩擦发电单元包括由外而内设置的第一摩擦层和第二摩擦层，所述第一摩擦层与流体相接触且所述第一摩擦层和第二摩擦层在流体的作用下相对运动进行摩擦发电；所述压电发电单元包括压电发电材料层，所述压电发电材料层在流体的作用下发生形变时进行压电发电；
所述卡门涡街发电单元设于发电微纳囊的侧壁，所述卡门涡街发电单元包括沿发电微纳囊的侧壁周向延伸的环形压电片，所述环形压电片利用流体绕过发电微纳囊时形成的卡门涡街发电；
所述电磁感应单元设于发电微纳囊的内部，所述电磁感应单元包括磁性浮子和磁感线圈，发电微纳囊的内部填充有惰性气体，所述磁性浮子悬浮于其中，以该磁性浮子为中心，磁感线圈排列分布于发电微纳囊的内部，当磁性浮子在流体的作用下发生位移时，切割磁感线圈发电；
所述摩擦发电单元，压电发电单元，卡门涡街发电单元和电磁感应单元彼此绝缘设置，且各自通过导线导出发电电流。
2.根据权利要求1所述的流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊，其特征在于：所述压电发电材料层由向外凸起的柔性压电薄膜构成。
3.根据权利要求1所述的流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊，其特征在于：所述磁性浮子呈一相反磁极交叉分布的等分球状多瓣结构。
4.根据权利要求1所述的流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊，其特征在于：所述磁性浮子内部中空且填充有氢气。
5.权利要求1至4任一项所述的流体输运管道节点适用的多能量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，每个发电微纳囊的侧壁的外表面沿周向设有与其摩擦发电单元，压电发电单元，卡门涡街发电单元和电磁感应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。
6.根据权利要求5所述的流体输运管道节点适用的多能量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任一发电微纳囊的互连线相电连。
7.根据权利要求6所述的流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊阵列分布构成的采能阵列，其特征在于：对于任一发电微纳囊，其摩擦发电单元，压电发电单元，卡门涡街发电单元和电磁感应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。
8.根据权利要求7所述的流体输运管道节点适用的多能量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摩擦发电单元朝向流体中心，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。
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