阅读说明：本技术 从流体流中收集能量 (Harvesting energy from a fluid flow ) 是由 塔尔哈·贾迈勒·艾哈迈德 ***·阿尔萨兰 迈克尔·J·布莱克 ***·纳比利·努伊梅希迪 于 2018-05-22 设计创作，主要内容包括：钝头体附接到弹性安装件,并且当弹性安装件将钝头体横向于流体流定向在流动管路中时,所述钝头体能能生成涡旋脱落并响应于该涡旋脱落而振动。收集器位于钝头体中,并且能够响应于振动生成高于规定阈值的电力。(The bluff body is attached to the resilient mount and is capable of generating and vibrating in response to vortex shedding as the resilient mount orients the bluff body in the flow conduit transverse to the fluid flow. The collector is located in the blunt body and is capable of generating electrical power above a prescribed threshold in response to the vibration.)

从流体流中收集能量

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年5月30日提交的美国专利申请No.15/608,619的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及从流动管路收集能量。

背景技术

在某些情况下，在井筒或流动管路中生成电力可能是有用的。例如，涡轮机可以被放置在井筒或流动管路中。通过流动管路的流体流可以使涡轮机旋转，涡轮机然后转动发电机或交流发电机以生成电力。

发明内容

本公开描述了涉及从流体流收集能量的技术。

在本公开中描述的主题的示例性实施方式是具有以下特征的弹性钝头体。钝头体附接到弹性安装件，并且当弹性安装件将钝头体横向于流体流定向在流动管路中时，钝头体能够产生涡旋脱落，并且响应于涡旋脱落而振动。收集器位于钝头体中，并且能够响应于振动生成高于规定阈值的电力。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。收集器可以以弹性钝头体的共振频率振动。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。流动管路可以包括井筒。

可以与示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。钝头体可以包括圆柱体。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。收集器可以包括压电收集器或磁致伸缩收集器。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。收集器可包括悬臂梁，所述悬臂梁被配置成响应于涡旋脱落而振荡。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。钝头体可包括大致圆锥形形状。钝头体可枢转地连接到弹性安装件。钝头体可响应于涡旋脱落而振荡。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。钝头体可包括永磁体，而收集器包括铁棒和围绕铁棒的金属线圈。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。收集器可包括具有金属线圈的圆柱体，该金属线圈环绕该圆柱体的圆周。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。弹性钝头体可以是圆锥形的并连接到弹性安装件。收集器可响应于涡旋脱落而振荡。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。弹性安装件可以是第一弹性安装件，钝头体可以是第一钝头体，并且收集器可以是第一收集器。第二弹性安装件可以与第一弹性安装件分隔开。第二钝头体可附接到第二弹性安装件，并且当第二弹性安装件将第二钝头体横向于流体流定向在流动管路中时能够生成涡旋脱落并响应于所述涡旋脱落而振动。第二收集器可位于第二钝头体内，并可响应于所述振动生成高于规定阈值的电力。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。第二钝头体和第二收集器可以包括分别与第一钝头体和第一收集器大致相同的固有频率。

在本公开中描述的主题的示例性实施方式是具有以下特征的方法。响应于流体流过钝头体，利用钝头体和钝头体中的收集器诱发振荡涡旋。响应于诱发振荡涡旋而生成电力。

可以与示例性方法相组合或结合的示例性方法的各方面包括以下内容。生成电力可包括响应于诱发振荡涡旋而使悬臂梁在钝头体中振动。悬臂梁可以包括磁致伸缩收集器或压电收集器。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。钝头体可包括大致圆锥形形状。钝头体可枢转地连接到弹性安装件。钝头体可响应于涡旋脱落而振荡。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。电力可以存储在电池或电容器内。一装置可由所存储的电力供电。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。该装置可以包括传感器或通信装置。

本公开内所描述的主题的示例性实施方式是具有以下特征的系统。流动管路容纳流体。弹性安装件附接到流动管路的内表面。圆柱形钝头体附接到弹性安装件，并且当弹性安装件将钝头体横向于流体流定向在流动管路内时，圆柱形钝头体能够生成涡旋脱落并响应于所述涡旋脱落而振动。收集器位于钝头体中。该收集器包括能够响应于振动生成高于规定阈值的电力的悬臂梁。悬臂梁包括压电材料或磁致伸缩材料。电力整流调节电路耦接悬臂梁。电存储装置联接到电力整流调节电路。电使用装置联接到电存储装置。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。圆柱形钝头体可以是第一圆柱形钝头体，收集器可以是第一收集器，悬臂梁可以是第一悬臂梁。第二圆柱形钝头体被配置为沿横向放置在流动管路内，所述第二圆柱形钝头体能够响应于流体流过所述第二圆柱形钝头体而在所述流动管路内生成振荡涡旋。第二钝头体可以以适于同步涡旋脱落模式的距离定位在第一钝头体的下游并与第一钝头体平行。第二收集器可位于第二圆柱形钝头体内。收集器可以包括第二悬臂梁，第二悬臂梁可以响应于振动生成高于规定阈值的电力。悬臂梁可以包括压电材料或磁致伸缩材料。

可以与所述示例性实施方式相组合或结合的示例性实施方式的各方面包括以下内容。电力整流调节电路可以耦接第二悬臂梁。

在附图和以下描述中阐述了本公开中所描述的主题的一个或多个实施方式的细节。本主题的其它特征、方面和优点将从所述描述、附图和权利要求变得清楚。

附图说明

图1A-1B是流体流中的钝头体的一个示例的示意图；

图2A是定位于流动管路中的示例性弹性钝头体；

图2B是示例性悬臂梁式收集器；

图3A是定位于流动管路中的示例性弹性钝头体；

图3B是示例性悬臂梁式收集器；

图4是定位于流动管路中的示例性弹性钝头体；

图5是定位于流动管路中的示例性弹性钝头体；

图6是定位于流动管路中的一组示例性弹性钝头体；

图7是电力收集系统的框图；以及

图8是从流体流收集能量的示例方法的流程图；

在各个附图中，相同的附图标记和名称表示相同的元件。

具体实施方式

在智能完井中使用的控制管线可能存在安装和维护挑战。控制管线用于向井下设备传输电力和传送数据和从井下设备传输电力和传送数据。井筒安装所需的电缆长度可延伸数千英尺。这样的长度可能会导致高成本，并且在安装或维护操作期间容易被损坏。直列式涡轮机已经用于将通过井筒的流体流的机械能转换成电能，但是涡轮机是由于其连续移动部件而具有短寿命的机械系统。沙尘或腐蚀性流体环境可能会显著缩短涡轮机的使用寿命。

本公开描述了一种弹性钝头体构造，该弹性钝头体构造被配置为从流体流所诱发的振动中收集能量。例如，一个或多个弹性钝头体构造可以选择性地被定位和定向在流动管路或井筒内，以从流体流所诱发的振动，例如从2D或3D涡旋所诱发的振动中收集能量。在一些实施方式中，弹性钝头体构造包括钝头体和收集器，所述钝头体被构造成响应于流体流动而振动，所述收集器联接到钝头体，并被构造成响应于流体流所诱发的振动而生成电力。在一些情况下，钝头体可以是圆柱形或圆锥形，并且可以横向于流动路径被定位。在不背离本公开的范围的情况下，钝头体可以是其它形状并且具有其它取向。在一些实施方式中，钝头体包围收集器，或者收集器位于由钝头体的内表面限定的空间内。收集器可以包括智能材料(例如，压电材料或磁致伸缩材料)或使用感应来生成电力。在一些情况下，一个或多个弹性钝头体构造可以与电力整流调节设备一起工作，以生成可用的电力。

在流体动力学中，涡旋脱落是当诸如水或油的流体以足够的速度流过钝头体时发生的振荡流动。通常，越高的流速可以产生越大量的电力。引起振荡的足够速度至少部分地取决于钝头体的尺寸和形状。钝头体可以是简单的圆柱形物质。图1A-1B示出了流过圆柱形钝头体106并诱发振动/振荡104的流体流102。如图所示，钝头体106横向于流体流102被定位。响应于流体流102，涡旋116在主体106的下游侧产生，并且与主体106的任一侧周期性地分离。旋动涡旋116的这种重复模式也称为卡门涡街。因此，由于涡旋116，在钝头体106的下游生成流体振动/振荡104。振动/振荡104也称为涡激振动、流激振动或涡旋脱落。如果钝头体106是柔性的或柔性地安装在第一端110处，则振荡涡旋116可使未附接的第二端108在第一位置112与第二位置114之间振荡。振动/振荡104可以横向于流动路径发生，并且可以被转换成可用的能量。如果涡旋脱落的频率与结构的共振频率相匹配，则结构可以开始共振，从而与由流动能量驱动的谐振荡一起振动。这种现象被称为锁定。

图2A-2B示出了根据本公开的一些方面的利用压电材料来生成电力的示例性压电能量收集系统200。例如，压电收集系统200可使用压电材料来响应于卡门涡街而生成电力。在一些实施方式中，在不背离本公开的范围的情况下，压电收集系统200可以响应于不规则模式生成电力。如图所示，压电收集系统200包括安装在流动管路214的内表面上和流体流202中的弹性钝头体装置201，并且被配置为由涡旋脱落生成电力。

在该实施方式中，弹性钝头体装置201包括弹性钝头体206、联接到弹性钝头体206并位于弹性钝头体206内的压电收集器212、以及将钝头体206的第一端210附接到流动管路214的内表面的弹性安装件216。钝头体206的第二端108未被附接。如图所示，弹性钝头体206横向于流体流202被定向。在不背离本公开的范围的情况下，弹性钝头体206相对于流体流202可以具有其它取向。虽然所示的实施方式利用圆柱形钝头体206，但是在不背离本公开的范围的情况下可以使用任何数量的形状。弹性钝头体206可由PEEK、氟橡胶或任何其它适于井下部署的材料制成。所述未附接端可以被封闭。在一些实施方式中，弹性钝头体206的直径可以是流动管路214的总内径的百分之十到百分之二十。钝头体206可以在流体流202的速度高于预定阈值时生成涡旋脱落，并且响应于该涡旋脱落而振动。例如，钝头体206可以响应于涡旋脱落而横向于流体流202振荡。在一些实施方式中，流动管路214内的流量可以在每天一千桶与每天六千桶之间。在这些流量下的流速取决于流动管路214的横截面面积。

钝头体206中的振动可在压电收集器212中诱发振动，并且响应于该振动，压电收集器212可生成电力。例如，压电收集器212可以生成几百毫瓦或更大的电力。如果以协作的方式使用多个能量收集器，如本公开中稍后描述的，则电力的总量取决于所使用的能量收集器的总数量。在所示的实施方式中，压电收集器212包括悬臂梁，该悬臂梁包括压电材料。在这些情况下，压电材料将悬臂的振荡转换成电力。当钝头体206以规定阈值振动时，压电收集器212以其共振频率振动。共振频率可以包括宽范围的频率。在一些实施方式中，压电收集器212可以以10赫兹的频率振动。在不背离本公开的范围的情况下，压电收集器212可以以高于或低于10赫兹的频率振动。所示的实施方式可以在井筒、管道或任何其它流动管路内使用。

在操作的一些方面中，弹性钝头体装置201使用弹性安装件216附接或以其它方式安装到流动管路214的内表面，并且弹性钝头体206横向于流体流202定向。当流体流202的速度高于预定阈值时，弹性钝头体206可以生成涡旋脱落，该涡旋脱落在弹性钝头体206中诱发振动。弹性钝头体206中的振动可以在压电收集器212中诱发振动。响应于所述振动，压电收集器212可以生成电力。

图3A-3B示出了根据本公开的一些方面的利用磁致伸缩材料生成电力的示例性磁致伸缩收集系统300。例如，磁致伸缩材料可以包括铁镓合金、钴或其它磁致伸缩材料。通常，当在磁致伸缩材料上施加机械应力时，磁致伸缩材料改变其磁场，并且可以在磁致伸缩材料周围使用线圈以当磁场改变时生成电流。在不背离本公开的范围的情况下，作为变化的磁场的结果，磁致伸缩收集系统300可以响应于卡门涡街生成电力，以及响应于不规则模式生成电力。与弹性钝头体装置201相比，压电收集器212被磁致伸缩收集器312和通电线圈318代替。当流体流202与钝头体206相互作用时，钝头体206振动。钝头体206中的振动可在磁致伸缩收集器312中诱发振动，从而导致变化的磁通量，该变化的磁通量在通电线圈318中感生出电力。在一些实施方式中，磁致伸缩收集器312可被设计成使得收集器312的共振频率与钝头体206的振荡频率相匹配，并且与其它频率相比可实现增加的电力输出。

图4示出了根据本公开的一些方面的利用磁感应来产生电力的磁感应收集系统400。在所示的实施方式中，磁感应收集系统400使用磁感应以独立于诸如齿轮或轴承的移动部件生成电力。所示的弹性钝头体装置401包括圆锥形或锥形钝头体406和联接到圆锥形钝头体406的固定内圆柱体412。固定内圆柱体412包括铁芯413和围绕铁芯413缠绕的通电线圈418。钝头体406的第一端410使用安装件416弹性地安装到流动管路214的内壁上，并且第一端410具有小于钝头体406的第二端408的直径。由于弹性安装件，钝头体406的主体可以响应于流体流202而移动。在一些情况下，与简单的圆柱体在相同条件下能够产生的1D相比，锥形或圆锥形钝头体206能够产生3D振荡。在所示的实施方式中，与外圆柱体(即，为锥形或圆锥形并且是中空的钝头体406)相比，内圆柱体412具有固定的直径。弹性钝头体装置401可以横向于流体流202定向，并且可以响应于涡旋脱落和锁定现象而发生外圆柱体的3D振荡。在一些实施方式中，钝头体406的振荡频率可以与涡旋脱落频率相匹配。外圆柱体可以是轻质但坚固的材料以便于振荡。可以使用许多坚固的材料，例如不锈钢、PEEK、氟橡胶或任何其它适于该服务的坚固材料。

在操作的一些方面中，使用磁场以使用与交流发电机类似的概念将机械能转换成电能。附接到振荡/旋转质量的线圈418横穿由固定磁体建立的磁场。线圈418周围的磁通量改变，这根据法拉第定律感应出电压。另一种方式是保持线圈418固定并移动磁结构，这可能是更有利的并且可以导致增加的电力输出。例如，内圆柱体412可以被固定，并且旋转的钝头体406可以产生变化的磁场。此外，所生成的电量取决于磁场的强度、相对运动的速度和线圈的匝数。磁场可以由永磁体或由励磁线圈电磁体产生。

图5示出了根据本公开的一些方面的利用先前描述的原理的示例性磁感应收集系统500。所示的弹性钝头体装置501包括圆锥形或锥形钝头体506和联接到圆锥形钝头体506的固定外圆柱体512。固定外圆柱体512包括围绕固定圆柱体512的外圆周缠绕的通电线圈518。钝头体506的第一端510使用安装件516弹性地安装到流动管路214的内壁，并且第一端510具有小于钝头体506的第二端508的直径。由于弹性安装件，钝头体506的主体可以响应于流体流202移动。在一些情况下，与简单的圆柱体在相同条件下能够产生的1D相比，锥形或圆锥形钝头体206能够产生3D振荡。在所示的实施方式中，与内锥体(即，锥形或圆锥形钝头体506)相比，外圆柱体512具有固定的直径。弹性钝头体装置501可以横向于流体流202定向。响应于涡旋脱落和锁定现象，可以发生外圆柱体的3D振荡。在一些实施方式中，钝头体506的振荡频率可以与涡旋脱落频率相匹配。外圆柱体可以是轻质但坚固的材料以便于振荡。

在操作的一些方面中，使用磁场以使用与交流发电机类似的概念将机械能转换成电能。附接到振荡/旋转质量的线圈518横穿由固定磁体建立的磁场。线圈518周围的磁通量改变，这根据法拉第定律感应出电压。另一种方式是保持线圈518固定并移动磁结构，这可能是更有利的并且可以导致增加的电力输出。例如，外圆柱体512可以被固定，并且旋转的钝头体506可以产生变化的磁场。此外，所生成的电量取决于磁场的强度、相对运动的速度和线圈的匝数。磁场可以由永磁体或由励磁线圈电磁体产生。

图6示出了根据本公开的一些方面的利用先前描述的原理的示例性能量收集系统600。如图所示，示例性系统600包括多个钝头体，该多个钝头体可以用于生成电力。第一弹性钝头体606a、第二弹性钝头体606b和第三弹性钝头体606c在流动管路614内基本上彼此平行(在标准制造公差内)地定位。弹性钝头体被布置成使得所述弹性钝头体相互以相等的距离604彼此成一直线。所有钝头体都横向于流动管路614内的流体。

在操作的一些方面中，第一钝头体606a、第二钝头体606b和第三钝头体606c具有基本上相同的固有频率。然而，第一钝头体606a、第二钝头体606b和第三钝头体606c中的一个或多个可具有不同的固有频率。钝头体606a、606b、606c中的每一个钝头体之间的距离604可以被选择以使得流动路径中的前一钝头体的涡旋脱落在后一个钝头体中诱发振动。换句话说，每个钝头体可以被定位成彼此间隔开适当的距离，以便发生同步涡旋脱落模式。弹性钝头体中的每一个都通过弹性安装件(例如，弹性安装件216)连接到流动管路。弹性钝头体中的每一个都可以包括本公开中先前公开的实施方式中的任一个。在一些实施方式中，多个钝头体可以各自都包括不同的实施方式。例如，第一钝头体606a可包括弹性钝头体装置201，第二钝头体606b可包括弹性钝头体装置301，而第三钝头体606c可包括弹性钝头体装置401。

在操作的一些方面中，弹性钝头体使用弹性安装件(例如，弹性安装件216)附接到流动管路614的内表面，并且钝头体横向于流体流602定向。当流体流602的速度高于预定阈值时，钝头体可生成涡旋脱落，该涡旋脱落在弹性钝头体606a、606b、606c中产生振动。钝头体中的振动可在联接到每个相应钝头体的收集器606a、606b、606c中诱发振动。响应于该振动，收集器可以生成电力。

从振动收集电力的电力收集系统可能需要辅助电路以供实际使用。图7示出了可以用于为诸如井筒传感器的装置供电的示例性电力收集系统700的框图。在所示的实施方式中，电力收集系统700包括电联接到整流调节电路704并向整流调节电路704馈送电力的收集器702。收集器702可以是从振动收集电力的任何收集器，例如，压电收集器、磁致伸缩收集器、感应收集器、或先前描述的或能够从振动收集电力的任何其它收集器。电力整流调节电路704可以对由收集器产生的电力进行整流和调节，以使得电力可以被期望的终端装置所使用。例如，整流调节电路704可将来自收集器的分散的电信号转换成低脉动直流电流。然后，经整流和调节的电力可以被存储在联接到整流调节电路704的存储装置706(例如，电池或超级电容器)内。在一些实施方式中，存储装置706可以紧邻收集器702。例如，收集器702和存储装置706两者都可以位于同一井筒内。存储在存储装置706内的电力可用于向终端用户装置708(例如，井下传感器或井下通信装置)提供电力。

图8示出了用于从流体流收集电力的示例性方法800的流程图。在802处，响应于流体流过钝头体，由钝头体和联接到钝头体的收集器诱发振荡涡旋。在803处，响应于诱发振荡涡旋而生成电力。在804处，在一些实施方式中，生成电力可以包括响应于振荡涡旋而使悬臂梁在钝头体中振动。一旦生成电力，在806处，电力可被存储在电池、电容器或任何其它电存储装置中。在808处，存储在电存储装置内的电力可以为诸如井下传感器、致动器或通信装置的装置供电。虽然本公开中描述的电力收集系统通常在井筒的背景下被描述，但是实施方式也可以存在于一般的流动管路中。例如，该系统可用于远程管线状态监测、无线流量计量、远程H₂S监测以及收集电力可能有用的任何其它应用。

虽然本公开包含许多具体实施方式细节，但是这些不应被解释为对任何公开的范围或可以要求保护的内容的范围的限制，而是作为对具体实施方式特定的特征的描述。在本公开中在单独的实施方式的背景中描述的某些特征也可在单个实施方式中组合地实施。相反，在单个实施方式的背景中描述的各种特征也可以单独地在多个实施方式中或在任何合适的子组合中被实施。此外，尽管特征可以在以上被描述为在某些组合中起作用并且甚至最初被这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中被去除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。

因此，已经描述了本主题的特定实施方式。其它实施方式在所附权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中所述的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。另外，附图中描述的过程不一定要求所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。