本发明涉及一种基于摩擦发电原理的俘能技术，尤其涉及一种基于海洋立管振动机械能的接触式摩擦发电装置。
背景技术：
海洋管道作为我国海洋油气资源的主要运输方式之一，具有非常广泛的应用。海底管道服役环境极端，容易出现各种故障，因此，利用监测工具对海底管道进行监测是保证管道正常工作必不可少的重要举措。目前已有的管道监测设备的供能方式主要是化学电池。而在海底等极端环境下更换电池的成本很高，如果能开发出一种能俘能设备为监测设备供电，将会大大降低海底管道监测的成本。同时，海洋中海水无时无刻不在运动，蕴含有十分丰富的能量。海底管道也因此不断发生着振动和形变，如果我们对这部分能量加以运用，就能够为海洋管道的监测系统进行供电，实现海底管道监测的自供能。此外还能供电给其他海洋管道的附属设备，在一定程度上缓解能源紧缺的问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种基于海洋立管振动机械能的接触式摩擦发电装置，利用海洋立管振动变形的机械能产生电能。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：基于海洋立管振动机械能的接触式摩擦发电装置，该装置套设在海洋立管的表面上，包括绝缘内层和保护外层，以及位于两层膜之间的多个接触式摩擦发电单元；接触式摩擦发电单元包括固定在绝缘内层上的下基板、通过弹簧与下基板相连的上基板、以及设置在下基板和上基板上的介电材料，且下基板上的介电材料和上基板上的介电材料位置相对，极性相反。在介电材料和基板之间还有一层金属电极，上下基板上的金属电极分别构成发电装置的正负极；下基板随着海洋立管振动，使得两个介电材料表面接触并产生摩擦，弹簧的回复力会导致两极材料分开，产生感应电势差。
进一步地，接触式摩擦发电单元呈带状或者矩阵排列。
进一步地，多个接触式摩擦发电单元通过压制在绝缘内层表面的电路实现并联。
进一步地，还包括电源控制模块，金属电极与电源控制模块相连，用于实现对外接设备的供电或者进行电能储存。
进一步地，电源控制模块压制在绝缘内层表面，包括稳压整流器、储能设备、变压装置以及用于连接用电设备的电路输出端口。
进一步地，该装置套设在距离海洋立管底端0.6倍管长处。
本发明的有益效果是：本发明通过将内设有接触式摩擦发电单元阵列的薄膜装置包覆在海洋立管表面，将环境动荷载引起的海洋立管振动变形的机械能转化为电能，通过薄膜装置自带的电源控制系统，将产生的电能供给海洋立管附属设施如管道监测设备等使用，替代海底管道监测设备的供电电池，降低监测设施运营成本，或者在电能富余的时候及时进行储存，保证系统的持续供电。本装置具有绿色环保、易加工、能量转换效率高的优点。
附图说明
图1是接触式摩擦发电装置的结构图。
图2是接触式摩擦发电装置的等距分布图。
图3是接触式摩擦发电装置的整体集成图。
图4是接触式摩擦发电装置用于海洋立管的安装示意图。
图5是接触式摩擦发电装置用于海洋立管的安装示意图。
图6是接触式摩擦发电装置用于海洋立管的安装示意图。
图7是海洋管道一阶振型中应变与轴向位置的函数关系图。
图中标号：1-接触式摩擦发电装置；3-弹簧；4-上基板；5-下基板；6-正极介电材料；7-负极介电材料；8-绝缘内层；9-保护外层；10-电源控制模块；11-压制在膜上的电路；12-海洋立管；13-连接层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明提供一种基于海洋立管振动的接触式摩擦发电机装置，如图5所示，该装置能够包覆在海洋立管表面，侧边通过连接层13形成稳定的管道外附柔性套筒，并能随着管道振动，利用管道在环境动荷载下产生的振动变形发电。
如图1所示，包括绝缘内层8和保护外层9，以及位于两层膜之间的多个接触式摩擦发电单元1；接触式摩擦发电单元1包括上基板4和下基板5，上基板4和下基板5之间通过弹簧3连接，上基板4的内表面涂设第一介电材料6，下基板5的内表面涂设第二介电材料7，第一介电材料6和第二介电材料7的极性相反；在介电材料和基板之间还有一层金属电极，上下基板上的金属电极分别构成该发电装置的正负极；下基板5随着海洋立管震动，使得两个介电材料表面接触并产生摩擦，弹簧的回复力会导致两极材料分开，产生感应电势差；将两个电机与外部负载电路连接后，即形成电流，振动机械能转换成电能。多个接触式摩擦发电单元1并联。
其中，对于单个接触式摩擦发电单元，第一介电材料6和第二介电材料7的厚度分别为d1和d2，两者的相对介电常数分别为εr1和εr2。x(t)表示两种介电材料之间的距离(即第一介电材料2和第二介电材料3之间的距离)。当接触式摩擦发电装置工作时，x(t)从0到最大变化。当两种介电材料接触(即x(t)＝0)，电极板充电，两个涂有介电材料的电极板的表面获得相反的静电荷，具有相等的电荷密度σ(接触摩擦产生的电荷密度)。并且当两种介电材料分离时，电荷经外加电路产生电流。当负载电阻给定为r时，电压可表示为：
其中d0＝d1/εr1+d2/εr2，为介电材料的等效厚度，s为介电材料电极板的接触面积，ε0为真空介电常数。v(t)即为单个摩擦发电单元的输出电压。
如图2所示，柔性膜状俘能发电结构中，双层膜内设置多个有呈带状或者阵列排列的接触式摩擦发电单元1。作本本领域的公知常识，内层和外层之间还应当留有空隙，预留出管道振动形变过程导致的器件的向外位移的空间。
多个接触式摩擦发电单元呈带状或者矩阵排列，其中的电极层通过压制在膜结构上的电路11并联形成发电电路，并连接到电源控制系统10。
还包括电源控制模块10，接触式摩擦发电单元1与电源控制模块10相连，电源控制模块10压制在绝缘内层8表面，包括稳压整流器、储能设备、变压装置以及用于连接用电设备的电路输出端口，稳压整流器和变压装置保证电流的稳定输出。储能装置还能在电量富余的时候将电能进行储存。
关于俘能装置在海洋立管布置的最优位置，由于海洋立管是典型的长周期结构，因此第一阶振型在其动力响应中占着最重要的地位。将海洋立管简化为顶端铰接底端固支的梁模型，则其第一阶振型可表示为：
其中l表示立管的长度，x表示沿轴向的位置。
则根据管道表面的应变表达式：
其中y是侧向变形，d是管道直径。
可求出一阶振型中应变与管道位置的关系，关系如图7所示，在轴向距离为0.6倍管长处，即距离海洋立管底端0.6倍管长处的位置应变最大，即该位置发电效率最高，为布置俘能装置的最优位置。