基于地?zé)崮?振動(dòng)能的井下設(shè)備供電系統(tǒng)及其供電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于地?zé)崮?振動(dòng)能的井下設(shè)備供電系統(tǒng)及其供電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為保障鉆井生產(chǎn)的安全，鉆井過(guò)程中需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)眾多，需要的傳感器也非常多，然而目前傳感器的能量供給主要采用電池供電。電池供電的方式使傳感器的工作受制于電池的壽命，在深井或超深井鉆探中更換電池異常不方便。同時(shí)電池的價(jià)格也很昂貴，這無(wú)形之中增加了鉆井的成本。
[0003]目前井下設(shè)備大都采用化學(xué)電池供電，使用壽命較短而且更換困難，價(jià)格昂貴。常用的電池為鋰電池，鋰電池有比較高的比能量，主要用于二次充電電池。鋰離子電池具有優(yōu)良的循環(huán)使用性能，可以經(jīng)歷上千次的充放電循環(huán)過(guò)程。由于微型鋰電池采用固態(tài)電解質(zhì)，因此放電速度受到限制。雖然化學(xué)電池仍舊是電子器件首選的電源類(lèi)型，但其使用壽命一般都較短。需要不斷的對(duì)電池進(jìn)行充電，這對(duì)于目前大量使用的井下設(shè)備來(lái)說(shuō)與更換電池一樣的不方便。另外要不斷的對(duì)植入式傳感器的電池進(jìn)行充電基本上是不可能，微型化學(xué)電池內(nèi)有重金屬物質(zhì)，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。
[0004]依靠機(jī)械振動(dòng)作為能源是一種人們頗為熟悉的方法。壓電發(fā)電裝置可以將周?chē)h(huán)境或人體的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，為電子設(shè)備供電，使電子設(shè)備無(wú)需頻繁更換電池，或頻繁充電，提高了電子設(shè)備的免維護(hù)性。
[0005]半導(dǎo)體溫差發(fā)電是一種新型的發(fā)電方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、清潔、無(wú)泄露、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。符合綠色環(huán)保的要求。半導(dǎo)體溫差發(fā)電片直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，導(dǎo)熱系數(shù)高，轉(zhuǎn)化效率高。
[0006]在鉆井的過(guò)程中，鉆柱會(huì)有很大的振動(dòng)產(chǎn)生許多能量，同時(shí)地下也會(huì)產(chǎn)生很多的熱能。由此，通過(guò)壓電發(fā)電和溫差發(fā)電將鉆井過(guò)程中的振動(dòng)能和熱能收集起來(lái)為井下設(shè)備功能具有很強(qiáng)的可行性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于地?zé)崮?振動(dòng)能的井下設(shè)備供電系統(tǒng)及其供電方法，解決現(xiàn)有供電方式價(jià)格昂貴、使用壽命短、更換困難的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:基于地?zé)崮?振動(dòng)能的井下設(shè)備供電系統(tǒng)，它包括振動(dòng)能發(fā)電裝置、地?zé)崮馨l(fā)電裝置、電能儲(chǔ)存裝置和電源監(jiān)測(cè)管理裝置，所述的振動(dòng)能發(fā)電裝置和地?zé)崮馨l(fā)電裝置的輸出端與電能儲(chǔ)存裝置的兩個(gè)儲(chǔ)能輸入端連接，電能存儲(chǔ)裝置與電源監(jiān)測(cè)管理裝置雙向連接，電能存儲(chǔ)裝置的輸出端與井下設(shè)備連接。
[0009]所述的振動(dòng)能發(fā)電裝置和地?zé)崮馨l(fā)電裝置設(shè)置在靠近鉆頭的短節(jié)上。
[0010]所述的振動(dòng)能發(fā)電裝置包括壓電元件和壓電換能裝置，所述的壓電元件將鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)的能量捕獲并轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)高交流電信號(hào)輸出至壓電換能裝置，所述的壓電換能裝置將壓電元件輸出的瞬態(tài)高交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電輸出給電能存儲(chǔ)裝置。
[0011]所述的振動(dòng)能發(fā)電裝置包括橫振動(dòng)腔和縱振動(dòng)腔，所述的橫振動(dòng)腔和縱振動(dòng)腔包括壓電元件和振動(dòng)感受構(gòu)件；
所述的振動(dòng)感受構(gòu)件呈塔形結(jié)構(gòu)，包括3個(gè)長(zhǎng)度不同的振動(dòng)傳遞構(gòu)件即第一振動(dòng)傳遞構(gòu)件、第二振動(dòng)傳遞構(gòu)件、第三振動(dòng)傳遞構(gòu)件，并通過(guò)彈簧固定；在橫振動(dòng)腔中第一壓電元件縱向安裝，第一振動(dòng)感受構(gòu)件縱向安裝；在縱向振動(dòng)腔中第二壓電元件橫向安裝，第二振動(dòng)感受構(gòu)件橫向安裝；
橫振動(dòng)腔和縱振動(dòng)腔將鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，并將電能輸送到電能存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)。
[0012]所述的壓電換能裝置包括整流電路和第一電壓調(diào)理電路，整流電路的輸入端與壓電元件連接，整流電路的輸出端與第一電壓調(diào)理電路連接，第一電壓調(diào)理電路的輸出端與電能存儲(chǔ)裝置連接。
[0013]所述的地?zé)崮馨l(fā)電裝置包括溫差發(fā)電片和熱電換能裝置，所述的溫差發(fā)電片將鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱能和地下的熱能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出至熱電換能裝置，所述的熱電換能裝置將溫差發(fā)電片輸出的電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并輸出給電能存儲(chǔ)裝置。
[0014]所述的熱電換能裝置包括第二電壓調(diào)理電路，所述的第二電壓調(diào)理電路的輸入端與溫差發(fā)電片連接，第二電壓調(diào)理電路的輸出端與電能存儲(chǔ)裝置連接。
[0015]所述的地?zé)崮馨l(fā)電裝置為地?zé)崮馨l(fā)電腔，所述的地?zé)崮馨l(fā)電腔包括2個(gè)絕熱層和設(shè)置在絕熱層中間的多個(gè)溫差發(fā)電單元，所述的溫差發(fā)電單元由I個(gè)N型半導(dǎo)體、I個(gè)P型半導(dǎo)體、I個(gè)熱端導(dǎo)熱構(gòu)件和2個(gè)冷端散熱構(gòu)件組成，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的一端均與熱端導(dǎo)熱構(gòu)件連接，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的另一端分別與2個(gè)冷端散熱構(gòu)件連接；
所述的熱端導(dǎo)熱構(gòu)件固定在短節(jié)環(huán)空的外壁上，冷端散熱構(gòu)件固定在短節(jié)環(huán)空的內(nèi)壁上;
每個(gè)溫差發(fā)電單元之間通過(guò)冷端散熱構(gòu)件和連接導(dǎo)線(xiàn)串聯(lián)在一起，總的電能通過(guò)負(fù)極接線(xiàn)柱、正極接線(xiàn)柱輸出到電能存儲(chǔ)裝置中。
[0016]所述的電源監(jiān)測(cè)管理裝置包括AD轉(zhuǎn)換模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊和微處理器，所述的AD轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與電能存儲(chǔ)裝置連接，AD轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與微處理器連接，微處理器的輸出端與DA轉(zhuǎn)換模塊連接，DA轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與電能存儲(chǔ)裝置連接。
[0017]所述的微處理器還與外部通訊裝置連接。
[0018]基于地?zé)崮?振動(dòng)能的井下設(shè)備供電系統(tǒng)的供電方法，它包括以下步驟:
51:振動(dòng)能發(fā)電，包括以下子步驟:
5101:振動(dòng)能發(fā)電裝置捕獲鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)能量，并轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)交流電信號(hào);
5102:將瞬態(tài)交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電；
52:地?zé)崮馨l(fā)電，包括以下子步驟:
5201:地?zé)崮馨l(fā)電裝置將鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱能和地下的熱能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；
5202:對(duì)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，調(diào)節(jié)輸出的電壓；
53:將步驟SI和步驟S2產(chǎn)生的電能發(fā)送至電能存儲(chǔ)裝置進(jìn)行存儲(chǔ)；
S4:電源監(jiān)測(cè)管理裝置對(duì)電能存儲(chǔ)裝置的電量進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至外部通訊裝置；
S5:電能存儲(chǔ)裝置按照預(yù)先設(shè)定的供電模式輸出電能對(duì)井下設(shè)備供電。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
1.由于在鉆井的過(guò)程中，鉆頭會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和熱量，以及鉆井越深使得地?zé)崮芨渥?，根?jù)周?chē)沫h(huán)境選用了壓電發(fā)電和溫差發(fā)電；
2.采用了將地?zé)崮芎蛪弘娬駝?dòng)能相結(jié)合的技術(shù)方案，為利用鉆井過(guò)程中自身能源開(kāi)辟了一條行之有效的通道，建立了可持續(xù)利用的清潔能源；
3.解決了能量不足的問(wèn)題，井下設(shè)備供電的要求得到滿(mǎn)足，從而可以確保鉆井參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行；
4.電源監(jiān)測(cè)與管理裝置可實(shí)現(xiàn)直流動(dòng)態(tài)電壓輸出，滿(mǎn)足各種傳感器對(duì)工作電壓的要求；
5.壓電發(fā)電裝置相對(duì)于其他微型發(fā)電裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不發(fā)熱、無(wú)電磁干擾等優(yōu)占.V，
6.溫差發(fā)電是一種新型的發(fā)電方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、清潔、無(wú)泄露、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色環(huán)保的要求；溫差發(fā)電片直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，導(dǎo)熱系數(shù)高，轉(zhuǎn)化效率高；
7.有效減少因井下設(shè)備供能問(wèn)題導(dǎo)致的起鉆次數(shù)，大大提高鉆井效率，降低鉆井成本；
8.振動(dòng)感受構(gòu)件呈塔形結(jié)構(gòu)包括多個(gè)振動(dòng)傳遞構(gòu)件，與傳統(tǒng)振動(dòng)感受構(gòu)件相比，更加靈敏，能更加充分的感受振動(dòng)，傳振效果好。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為本發(fā)明方法流程圖；
圖3為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
圖中，1-短節(jié)，2-絕熱層，3-負(fù)極接線(xiàn)柱，4-N型半導(dǎo)體，5-熱端導(dǎo)熱構(gòu)件，6-連接導(dǎo)線(xiàn)，7-P型半導(dǎo)體，8-冷端散熱構(gòu)件，9-正極接線(xiàn)柱，10-地?zé)崮馨l(fā)電腔，11-橫振動(dòng)腔，12-第一壓電元件，13-第一振動(dòng)傳遞構(gòu)件，14-第二振動(dòng)傳遞構(gòu)件，15-第三振動(dòng)傳遞構(gòu)件，16-第二振動(dòng)感受構(gòu)件，17-第一壓電元件，18-縱振動(dòng)腔，19-第一振動(dòng)感受構(gòu)件，20-彈簧，21_蓄電池，22-儀表盒，23-鉆頭。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:如圖1所示，基于地?zé)崮?振動(dòng)能的井下設(shè)備供電系統(tǒng)，它包括振動(dòng)能發(fā)電裝置、地?zé)崮馨l(fā)電裝置、電能儲(chǔ)存裝置和電源監(jiān)測(cè)管理裝置，所述的振動(dòng)能發(fā)電裝置和地?zé)崮馨l(fā)電裝置的輸出端與電能儲(chǔ)存裝置的兩個(gè)儲(chǔ)能輸入端連接，電能存儲(chǔ)裝置與電源監(jiān)測(cè)管理裝置雙向連接，電能存儲(chǔ)裝置的輸出端與井下設(shè)備連接。
[0022]所述的振動(dòng)能發(fā)電裝置和地?zé)崮馨l(fā)電裝置設(shè)置在靠近鉆頭I的短節(jié)23上，整個(gè)系統(tǒng)包括地?zé)崮馨l(fā)電腔10、橫振動(dòng)腔11、縱振動(dòng)腔18、蓄電池21、儀表盒22。
[0023]所述的振動(dòng)能發(fā)電裝置包括壓電元件和壓電換能裝置，所述的壓電元件將鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)的能量捕獲并轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)高交流電信號(hào)輸出至壓電換能裝置，所述的壓電換能裝置將壓電元件輸出的瞬態(tài)高交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為易于存儲(chǔ)和使用的直流電輸出給電能存儲(chǔ)裝置。
[0024]所述的壓電元件包括壓電陶瓷或壓電高聚物，它能有效的將鉆頭轉(zhuǎn)進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)、擠壓、扭轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)換為電能輸出。
[0025]所述的壓電換能裝置包括整流電路和第一電壓調(diào)理電路，整流電路的輸入端與壓電元件連接，整流電路的輸出端與第一電壓調(diào)理電路連接，第一電壓調(diào)理電路的輸出端與電能存儲(chǔ)裝置連接。
[0026]在本實(shí)施例中，如圖3所示，所述的振動(dòng)能發(fā)電裝置包括橫振動(dòng)腔11和縱振動(dòng)腔18，所述的橫振動(dòng)腔11和縱振動(dòng)腔18包括壓電元件和振動(dòng)感受構(gòu)件。所述的振動(dòng)感受構(gòu)件呈塔形結(jié)構(gòu)，包括3個(gè)長(zhǎng)度不同的振動(dòng)傳遞構(gòu)件即第一振動(dòng)傳遞構(gòu)件13、第二振動(dòng)傳遞構(gòu)件14、第三振動(dòng)傳遞構(gòu)件15，并通過(guò)彈簧20固定。
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