研究人員3D打印壓電能量收集裝置，為鐵路監測提供能源
時間：2024-07-01 09:13 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年6月30日，來自塞維利亞大學高等工程技術學院的研究人員采用3D
打印開發一種壓電能量收集裝置，通過將列車振動轉化為電能為鐵路橋梁上的能量收集提供了一種替代方案。由于鐵路系統通常難以監測和維護，該方案的問世也解決了鐵路檢測系統電力能源供應和長期監測方面的一大挑戰。
相關研究以題為“Design and optimisation of3D-printed energy
harvesters for railway bridges”的論文被發表在《Journal of Physics: Conference
Series》期刊上。
論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2647/10/102001
在鐵路監測應用中實施傳感器網絡的主要限制因素之一是缺乏長期和低維護電源。大多數現有系統都需要更換電池，難以訪問和維護操作不頻繁會限制其實際實施。從這個意義上講，壓電能量收集正在成為偏遠地區傳感器和節點電力供應的替代方案。
在這項工作的背景下，許多研究項目都集中在開發基于壓電效應的能量收集器，以將鐵路引起的振動轉化為電能，用于小功率設備和傳感器。最常見的類型是雙晶片懸臂梁。該系統能夠從頻率范圍為
3 - 100 Hz
的環境振動中產生能量。這與軌道交通引起的頻率相匹配，使其能夠為低能耗設備和傳感器供電。然而，能量產生僅限于其共振附近的窄頻帶，當非共振時會降低輸出。
為了優化這一過程，研究人員利用 3D 打印技術開發了調整能量收集器共振頻率的方法，以提高性能。具體來說，他們使用 PAHT CF15 材料設計并 3D 打印了能量收集器的原型。
△3D 打印 PAHT CF15能源收集器原型。 （圖片來源：Cámara-Molina 等人）
3D 打印的能源收集裝置在一座橋梁上進行了測試，該橋梁因火車駛過而產生垂直振動。調整至橋梁的基本振動模式時可實現最佳性能。火車速度、橋梁特性以及與結構和土壤的相互作用等因素會帶來不確定性，使頻率調整變得復雜。
△研究項目中的 HSL 橋
實驗驗證證實了調節過程，測試顯示能量水平在 40-55 Hz 左右。收集器的性能在實驗室和運行條件下得到驗證，證明了從列車引起的振動中有效收集能量。
△實驗裝置：（a）電路板、能量收集器和加速度計視圖（從左到右）；（b）振動計激光器和筆記本電腦
該研究旨在估算實現最大能量收集的最佳調諧頻率。采用統計方法，分析列車引起的橋梁振動產生的機械能。調諧頻率通過統計方法確定，確保峰值能量遵循高斯分布。
總體而言，3D 打印的壓電能量收集裝置為鐵路監控提供了可行的電源，通過適當的調整可以顯著提高效率。
(責任編輯：admin)
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