[发明专利]流体输运管道节点适用的多能量发电微纳囊及采能阵列

说明书

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。

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。