本發(fā)明涉及用于海洋立管的俘能發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
：石油天然氣是關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，我國(guó)海洋可采石油儲(chǔ)量幾乎占全部可采儲(chǔ)量的三分之一，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將是國(guó)家能源戰(zhàn)略的重中之重。海底管道是海洋油氣資源最主要也是最快捷、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)輸方式。海底管道服役環(huán)境極端，隨著其服役時(shí)間不斷增加，腐蝕、焊縫等缺陷嚴(yán)重影響了管道的安全性，成為管道事故發(fā)生的主要原因，由此，利用檢測(cè)工具對(duì)海底管道進(jìn)行安全檢測(cè)成為保證管道安全運(yùn)行的重要手段。近年來(lái)，無(wú)線電傳感器迅速發(fā)展，日益應(yīng)用廣泛，對(duì)于海底管道這類處于極端環(huán)境中的特殊結(jié)構(gòu)檢測(cè)具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但該類傳感器目前主要儲(chǔ)能供能方式是化學(xué)電池，不能夠隨著海底管道的長(zhǎng)期服役過(guò)程持久供電，且體積和質(zhì)量均較大，因此，開(kāi)發(fā)一種新的供能方式能夠促使海底管道無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于海洋立管的俘能發(fā)電裝置，能夠利用洋流作用下海洋立管的振動(dòng)變形為管道的檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感和數(shù)據(jù)傳輸提供電能。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：用于海洋立管的俘能發(fā)電裝置，包括柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)，所述柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)包覆在海洋立管表面，所述柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)內(nèi)封裝有多個(gè)壓電單元。在采用上述技術(shù)方案的同時(shí)，本發(fā)明還可以采用或者組合采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述多個(gè)壓電單元呈帶狀或矩陣排列，所述多個(gè)壓電單元串聯(lián)形成壓電單元電路。所述柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)包括柔性絕緣膜，所述壓電單元電路壓制在柔性絕緣膜表面，所述柔性絕緣膜表面還設(shè)有電源控制系統(tǒng)，所述壓電單元電路連接至電源控制系統(tǒng)。所述電源控制系統(tǒng)包括穩(wěn)壓整流器、儲(chǔ)能裝置、變壓裝置以及用于連接用電設(shè)備的電路輸出端口，所述電源控制系統(tǒng)通過(guò)電線連接至壓電單元電路。所述柔性絕緣膜表面設(shè)有防水封裝，所述防水封裝將所述壓電單元電路和電源控制系統(tǒng)封裝在內(nèi)，與柔性絕緣膜形成密封的柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)。所述柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)的兩端設(shè)有能夠相互配合的卡口，所述卡口合上時(shí)，所述柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)能夠在海洋立管表面形成柔性套筒。海洋中的振動(dòng)每時(shí)每刻無(wú)處不在，海水的流動(dòng)、管道在洋流作用下的振動(dòng)都蘊(yùn)含著巨大的能量，如果能夠通過(guò)能量轉(zhuǎn)化裝置，將這些振動(dòng)所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為滿足微電子系統(tǒng)所需求的電能，就可以代替電池為微電子系統(tǒng)供電?；趬弘娦?yīng)的壓電發(fā)電方式能夠?qū)⒀罅骷?lì)下的管道振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并進(jìn)行收集和利用，為管道的檢測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)提供自發(fā)的電能供給，減小能源浪費(fèi)，提供綠色能源，實(shí)現(xiàn)海底無(wú)線監(jiān)控，擁有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。壓電材料的研究和應(yīng)用經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累已經(jīng)趨于成熟，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)可以很好地實(shí)現(xiàn)振動(dòng)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，而且壓電換能裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制作、便于微型化和集成化，材料的能量采集和應(yīng)用工作環(huán)境限制少、效率高、綠色環(huán)保，應(yīng)用于俘能裝置必能開(kāi)創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)海底管道服役過(guò)程中國(guó)的無(wú)線檢測(cè)、無(wú)線監(jiān)控，具有巨大的應(yīng)用市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用壓電材料的正向壓電效應(yīng)，將包含壓電單元陣列的薄膜裝置包裹在海洋立管外表面，將洋流引起的管道振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過(guò)該供電薄膜裝置中的電源控制集成系統(tǒng)的穩(wěn)壓、變壓處理，對(duì)管道檢測(cè)的用電設(shè)備進(jìn)行供電點(diǎn)或者進(jìn)行電能存儲(chǔ)，本發(fā)明的發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電能完全能夠?yàn)楹Ｑ蠊艿赖臋z測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提供足夠的電能，還具備電能存儲(chǔ)裝置，當(dāng)產(chǎn)生電能富余時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，保證系統(tǒng)的持續(xù)供電，本發(fā)明從技術(shù)上直接支持海洋這樣特殊環(huán)境中管道的無(wú)線檢測(cè)，以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，是水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的重要革新。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明用于海洋立管時(shí)的側(cè)視圖。圖2是圖1的截面圖。圖3是本發(fā)明的平面圖。圖4是圖3的側(cè)視圖。圖5是本發(fā)明的爆炸圖。圖6是本發(fā)明用于海洋立管時(shí)的整體三維結(jié)構(gòu)圖。圖7是圖6的局部三維結(jié)構(gòu)圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例中海洋立管的參數(shù)。圖9海底管道懸空段在洋流作用下的計(jì)算模型圖。圖10是海洋立管的管道跨中位移時(shí)程曲線。圖11是海洋立管的管道跨中截面的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖中標(biāo)號(hào)：1-柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)；2-高分子防水絕緣柔性薄膜；3-壓電單元；4-電線；5-電源控制模塊；6-卡口；7-防水封裝；8-海洋立管。具體實(shí)施方式參照附圖。本發(fā)明的用于海洋立管的俘能發(fā)電裝置，包括柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)1，柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)1包覆在海洋立管8的表面，柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)1內(nèi)封裝有多個(gè)壓電單元3。柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)1包括高分子防水柔性絕緣膜2，柔性絕緣膜的長(zhǎng)度由其將要包覆的海洋立管的外周長(zhǎng)決定，薄膜寬度由裝置所需壓電單元陣列寬度決定。多個(gè)壓電單元3呈帶狀或矩陣排列，并且通過(guò)電線4串聯(lián)形成壓電單元電路。壓電單元組成單元陣列，壓電單元兩兩之間間距在5-10cm范圍內(nèi)取值，壓電陣列長(zhǎng)度由海洋立管周長(zhǎng)決定，壓電陣列寬度由用電設(shè)備所需電量決定，壓電陣列寬度越寬，則壓電單元數(shù)量越多，即所能提供的電量越大。電線4印制在高分子防水柔性絕緣膜2的表面上，從而使得壓電單元電路壓制在高分子防水柔性絕緣膜2的表面，高分子防水柔性絕緣膜2的表面還設(shè)有電源控制系統(tǒng)，壓電單元電路連接至電源控制系統(tǒng)。電源控制系統(tǒng)采用集成的電源控制模塊5，電源控制模塊5也壓制在高分子防水柔性絕緣膜2的表面，電源控制模塊5包括穩(wěn)壓整流器、儲(chǔ)能裝置、變壓裝置以及用于連接用電設(shè)備的電路輸出端口，電源控制模塊5通過(guò)電線連接至壓電單元電路，電源控制模塊5通過(guò)電線與壓電單元陣列相連，通過(guò)電路輸出端口與外部用電設(shè)備相連并為其供電，儲(chǔ)能裝置則用于存儲(chǔ)富余電能。高分子防水柔性絕緣膜2的表面設(shè)有防水封裝7，所述防水封裝7包括上封裝層和下封裝層，所述高分子防水柔性絕緣膜2包括柔性薄膜和薄膜基底，所述上封裝層包覆住柔性薄膜及其上的壓電單元電路和電源控制模塊5，所述下封裝層包覆在薄膜基底外圍，防水封裝7將壓電單元電路和電源控制模塊5封裝在內(nèi)，與高分子防水柔性絕緣膜2形成密封的柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)1，所述電源控制模塊5位于高分子防水柔性絕緣膜2一側(cè)，柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)1內(nèi)的電線都匯集到電源控制模塊5所在的這一側(cè)并由此向外供電，這種設(shè)計(jì)使得柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)1內(nèi)復(fù)雜的電線結(jié)構(gòu)能夠?qū)购Ｑ蟓h(huán)境中的振動(dòng)和其他影響。柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)1的兩端設(shè)有能夠相互配合的卡口6，當(dāng)兩端的卡口6合上時(shí)，柔性膜狀俘能供電結(jié)構(gòu)1能夠在海洋立管8表面形成柔性套筒。在洋流作用下，高分子防水柔性絕緣膜2表面的壓電單元與管道結(jié)構(gòu)同步振動(dòng)，具有相同的變形和應(yīng)變，根據(jù)壓電材料的特性，壓電單元由于變形而產(chǎn)生電流，由此將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并經(jīng)過(guò)電路傳輸至電源控制集成系統(tǒng)，在電源控制集成系統(tǒng)中，電流將通過(guò)整流器和變壓器為外部用電設(shè)施提供穩(wěn)定、電壓匹配的電能，或者將富余電能存儲(chǔ)在電能儲(chǔ)能器中，達(dá)到持續(xù)、穩(wěn)定供能的使用效果。本實(shí)施例中基于Matlab平臺(tái)，對(duì)一根頂張力式立管在洋流作用下的流固耦合振動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算，管道長(zhǎng)1500m，外直徑為0.324m，壁厚為0.02m。管道材料為鋼材，密度為7850kg/m3，彈性模量為207MPa，剪切模量為79GPa，如圖8所示。立管的邊界條件為底部固定，頂端簡(jiǎn)支并作用5.4e6N的初始頂張力。本實(shí)施例中只計(jì)算深水立管在海流作用下的渦激振動(dòng)響應(yīng)，且假設(shè)洋流速度沿水深均勻穩(wěn)定，計(jì)算模型見(jiàn)圖9，相應(yīng)振動(dòng)微分方程為：EI∂4uy∂x4-T∂2uy∂x2+c∂uy∂t+m∂2uy∂t2=fy(x,t)EI∂4uz∂x4-T∂2uz∂x2+c∂uz∂t+m∂2uz∂t2=fz(x,t)---(1)]]>其中E為管道彈性模量，m為管道材料密度，I為截面慣性矩，c表示阻尼；m表示單位長(zhǎng)度管道的質(zhì)量；t表示時(shí)間uy表示y方向的位移；uz表示z方向的位移；fy(x,t)和fz(x,t)表示y方向和z方向上上模型所受的荷載，其表達(dá)式為：fy=12CLρD(vf-u·z)2cos2πfst+12CDρDu·y|u·y|+CmρπD24u··y---(2)]]>fz=12CL′ρD(vf-u·z)2cos2πfs′t+12CDρD(vf-u·z)|vf-u·z|+CmρπD24u··z---(3)]]>其中：CL是升力系數(shù)，取0.4～0.9之間；vf是水流速度，CD是拖拽力系數(shù)，與雷諾數(shù)、波數(shù)及表面粗糙度有關(guān)，取值在0.6～2.0之間；C'L是順流向渦激升力系數(shù)，依據(jù)Hallam1987實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取0.05～0.1之間；Cm是附加質(zhì)量系數(shù)，取1.0；為管道橫向振動(dòng)速度，為順流向振動(dòng)加速度。當(dāng)外流速為0.1m/s時(shí)，管道跨中截面的橫流向位移振動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)圖10，該結(jié)果顯示管道在洋流作用下橫流向振動(dòng)位移響應(yīng)幅值約為0.2米(20厘米)左右，表明管道在洋流作用下將產(chǎn)生非常大的振動(dòng)變形和應(yīng)變，這意味著隨著管道發(fā)生變形的本裝置將產(chǎn)生大量電能。圖11為管道跨中節(jié)點(diǎn)在橫截面上的運(yùn)動(dòng)軌跡，說(shuō)明管道在洋流作用下不僅會(huì)產(chǎn)生橫流向變形，還會(huì)產(chǎn)生順流向變形，這都將會(huì)引起本產(chǎn)品源源不斷地產(chǎn)生電能。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3