流体输运管道适用的发电微纳囊及采能阵列制造技术

本发明专利技术提供一种发电微纳囊及采能阵列，所述发电微纳囊包括均由第一摩擦材料制备而成的上摩擦部和下摩擦部，所述上摩擦部和下摩擦部的相对立面均设有多个凸起部和凹陷部，位于所述上摩擦部的凸起部的表面设有摩擦层，所述摩擦层由第二摩擦材料制备而成，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料能够进行摩擦发电；且位于所述上摩擦部的凸起部插设于位于所述下摩擦部的凹陷部内，位于所述下摩擦部的凸起部插设于位于所述上摩擦部的凹陷部内，且部分所述凸起部的顶面与所述凹陷部的底面之间留有间隙，且位于所述上摩擦部的凸起部的表面与位于所述下摩擦部的凸起部的表面相互接触。本发明专利技术用于流体输运管道中，能够更有效地利用管道内的水锤波振动能等能量。

Generation microcapsules and energy production arrays for fluid transportation pipelines

【技术实现步骤摘要】
流体输运管道适用的发电微纳囊及采能阵列
本专利技术属于纳米发电
，具体涉及流体输运管道适用的发电微纳囊及采能阵列。
技术介绍
21世纪，我国经济迅速增长，各种能源需求也不断加大，管道因其在输送液体、气体等物质方面所具有的独特的优势，目前已成为继铁路、公路、水路、航空运输以后的第五大运输工具，更是水工建筑物和社会生活重要的组成部分，常见的流体，例如水，石油，天然气等都是通过管道进行输运，而随着现代生活的发展，不管从铺设的管道里程还是管网复杂程度来看，管道输运也同样发展迅速。在能源运输方面我国已经有以五大能源配送通道和四大能源战略通道为基础的油气输送网络，而我国地域辽阔，地形复杂，我国的管道工程具有管长距离远、覆盖范围广并且受环境的影响等特点。流体包括液体，气体，而在常见的可视化流体输运管道和埋于地下的非可视化流体输运管道，供暖热水管道，跨地区长距离输油管道天然气供应管道中一方面存在众多能量源，包括水锤效应振动能，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等等，另一方面这些存在于管道中的能量在管道运行中也可能对管道产生冲击破坏。当流体由于阀门突然启闭或其他原因而产生流速和压强突变时会引发压力交替上升和下降的水锤波，水锤波压力峰值可达管道正常运行压力的几十倍，在水锤荷载的交替作用下，管道极易失效，甚至断裂；因此着手研究一套有效的多能量采集装置，既可以将水锤振动能，流固摩擦能，流固压变能等能量收集转化为可利用的能量资源，也能延长管道正常运行时间保障资源的有效利用避免资源浪费。随着集成电路制造工艺的发展，尤其是超大规模集成电路的发展，微电子技术作为一门新兴技术也随之发展起来，与此有关的微能源、环境集能等是近年发展的新能源方向，是微纳器件研究的新领域。而在中国国家纳米科学中心的王中林等研究人员成功地在纳米尺度下首次将机械能转换成电能后，纳米发电技术也得到了飞速发展，纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都有广泛的重要应用。纳米发电机主要分为压电发电机、摩擦发电机、热释电发电机等。目前微电子工艺日趋成熟，利用微电子技术的制造工艺研发的纳米发电机能够用于收集管道中的水锤振动能，流固摩擦能，流固压变能等能量，实现流体输运管网自供电功能。中国专利CN109639176A公开了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；该专利同样能够将多种形式的能量都能够予以充分收集利用，但其结构和工艺复杂，且微纳囊的空腔内需充满氩气，浮子小球充满氢气，工艺制造难度大、成本高，而且增加了大量氢气聚集的危险性。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于针对现有技术中的发电微纳囊制造难度大且存在安全隐患的问题，提供一种结构新颖的发电微纳囊，其同样用于流体输运管道中，能够更有效地利用管道内的水锤波振动能等能量。本专利技术的另一个目的在于提供一种应用于流体输运管道的采能阵列，尤其是长距离的流体输运管道，其要求能源自供给的需求更为迫切，该采能阵列能够将上述发电微纳囊转换的电能予以收集利用，为长距离管道的智能化检测和高精度定位维修等提供能源支持。针对本专利技术的第一个目的，本专利技术采用如下技术方案：流体输运管道适用的发电微纳囊，包括摩擦发电单元，所述摩擦发电单元包括上下对立的上摩擦部和下摩擦部，所述上摩擦部和下摩擦部均由第一摩擦材料制备而成，且所述上摩擦部和下摩擦部的相对立面均设有多个凸起部，且相邻的所述凸起部之间形成若干凹陷部，位于所述上摩擦部的凸起部的表面设有摩擦层，所述摩擦层由第二摩擦材料制备而成，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料能够在相对运动时进行摩擦发电；且位于所述上摩擦部的凸起部插设于位于所述下摩擦部的凹陷部内，位于所述下摩擦部的凸起部插设于位于所述上摩擦部的凹陷部内，且部分所述凸起部的顶面与所述凹陷部的底面之间留有间隙，且位于所述上摩擦部的凸起部的表面与位于所述下摩擦部的凸起部的表面相互接触。在本专利技术所采取的的技术方案中，部分所述凸起部的顶面与所述凹陷部的底面之间留有空间，这里对所述凸起部和凹陷部的位置并未做特别限定，其属于上摩擦部或下摩擦部均可，且并非所有的凸起部和凹陷部的插设组合均需要留有空间，只需选取部分即可，此处留有空间是为了提供上摩擦部和下摩擦部相对运动和位移的空间，而且为了能够反复发电，应以形变引发相对运动，为此，仅部分凸起部顶面和凹陷部的底面之间留有间隙；而在相对运动的同时，若要摩擦发电，则要求位于所述上摩擦部的凸起部的表面与位于所述下摩擦部的凸起部的表面相互接触。对于前述部分凸起部顶面和凹陷部的底面之间留有间隙的具体方式，考虑到影响发电微纳囊形变的一些因素，本专利技术优选按照以下方式：位于所述上摩擦部的凸起部的高度与位于所述下摩擦部的凸起部的高度均由周边向中心逐渐递减；由此，除了位于所述发电微纳囊边缘的凸起部和凹陷部，其余位置的凸起部顶面和凹陷部底面之间均留有间隙。进一步地，还包括压电发电单元，所述压电发电单元包括上下对立的上压电发电薄膜和下压电发电薄膜，且所述上压电发电薄膜贴设于所述上摩擦部的外侧表面，所述下压电发电薄膜贴设于所述下摩擦部的外侧表面，所述上摩擦部的外侧表面和所述下摩擦部的外侧表面优选为向外凸出的凸面或平面。优选地，所述上压电发电薄膜和下压电发电薄膜均为PVDF压电薄膜，PVDF压电薄膜可通过静电纺丝技术制备。进一步地，所述发电微纳囊的边缘埋设有用于将所述摩擦发电单元和压电发电单元产生的电能整合的整流电路。考虑到使用环境，发电微纳囊应具有良好的密封性，为此，所述发电微纳囊的外表面覆设有柔性复合防渗透膜以密封该发电微纳囊；所述发电微纳囊的表面密封材料（可直接以第一保护膜实现表面密封）必须满足管道内流体不能在其表面产生堆积、阻塞等基本条件，其表面密封材料考虑到管道内流体的材质、分子量、摩擦系数等条件，且要同时满足形变、防渗透、使用寿命等要求，本领域技术人员可从现有材料中做出选择，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，此处不做特别限定。对于所述第一摩擦材料和所述第二摩擦材料的具体材料种类选择，本专利技术不做特别限定，按照本专利技术技术方案的要求，所述第一摩擦材料和所述第二摩擦材料选用能够彼此发生摩擦起电的材料，且所述第一摩擦材料需要能够反复发生形变，因此本领域技术人员可以根据以上要求选择合适的材料，例如所述第一摩擦材料选用硅胶、PDMS或PET等，优选为硅胶；所述第二摩擦材料选用铜、铝、金、铁、合金材料等。当选用硅胶材料的时候，硅胶内表面的凸起部和凹陷部，可通过硅模板转移得到，硅模板可通过多种方式制成，例如：1）通过光刻和干法刻蚀制备；2）通过3D打印制备。所述第二摩擦材料可通过电镀等方法镀设于所述凸起部的表面，随硅胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.流体输运管道适用的发电微纳囊，包括摩擦发电单元，其特征在于：所述摩擦发电单元包括上下对立的上摩擦部和下摩擦部，所述上摩擦部和下摩擦部均由第一摩擦材料制备而成，且所述上摩擦部和下摩擦部的相对立面均设有多个凸起部，且相邻的所述凸起部之间形成若干凹陷部，位于所述上摩擦部的凸起部的表面设有摩擦层，所述摩擦层由第二摩擦材料制备而成，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料能够在相对运动时进行摩擦发电；且位于所述上摩擦部的凸起部插设于位于所述下摩擦部的凹陷部内，位于所述下摩擦部的凸起部插设于位于所述上摩擦部的凹陷部内，且部分所述凸起部的顶面与所述凹陷部的底面之间留有间隙，且位于所述上摩擦部的凸起部的表面与位于所述下摩擦部的凸起部的表面相互接触。/n

【技术特征摘要】
1.流体输运管道适用的发电微纳囊，包括摩擦发电单元，其特征在于：所述摩擦发电单元包括上下对立的上摩擦部和下摩擦部，所述上摩擦部和下摩擦部均由第一摩擦材料制备而成，且所述上摩擦部和下摩擦部的相对立面均设有多个凸起部，且相邻的所述凸起部之间形成若干凹陷部，位于所述上摩擦部的凸起部的表面设有摩擦层，所述摩擦层由第二摩擦材料制备而成，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料能够在相对运动时进行摩擦发电；且位于所述上摩擦部的凸起部插设于位于所述下摩擦部的凹陷部内，位于所述下摩擦部的凸起部插设于位于所述上摩擦部的凹陷部内，且部分所述凸起部的顶面与所述凹陷部的底面之间留有间隙，且位于所述上摩擦部的凸起部的表面与位于所述下摩擦部的凸起部的表面相互接触。


2.根据权利要求1所述的流体输运管道适用的发电微纳囊，其特征在于：位于所述上摩擦部的凸起部的高度与位于所述下摩擦部的凸起部的高度均由周边向中心逐渐递减。


3.根据权利要求1或2所述的流体输运管道适用的发电微纳囊，其特征在于：还包括压电发电单元，所述压电发电单元包括上下对立的上压电发电薄膜和下压电发电薄膜，且所述上压电发电薄膜贴设于所述上摩擦部的外侧表面，所述下压电发电薄膜贴设于所述下摩擦部的外侧表面。


4.根据权利要求3所述的流体输运管道适用的发电微纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：段智勇，陈利，杨国鑫，邵倩倩，马刘红，李梦珂，钟英辉，郑国恒，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41