研究人員3D打印壓電能量收集裝置，為鐵路監(jiān)測提供能源

2024年6月30日，南極熊獲悉，來自塞維利亞大學(xué)高等工程技術(shù)學(xué)院的研究人員采用3D 打印開發(fā)一種壓電能量收集裝置，通過將列車振動(dòng)轉(zhuǎn)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(tǒng)通常難以監(jiān)測和維護(hù)，該方案的問世也解決了鐵路檢測系統(tǒng)電力能源供應(yīng)和長期監(jiān)測方面的一大挑戰(zhàn)。

相關(guān)研究以題為“Design and optimisation of3D-printed energy harvesters for railway bridges”的論文被發(fā)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(jiān)測應(yīng)用中實(shí)施傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要限制因素之一是缺乏長期和低維護(hù)電源。大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)都需要更換電池，難以訪問和維護(hù)操作不頻繁會(huì)限制其實(shí)際實(shí)施。從這個(gè)意義上講，壓電能量收集正在成為偏遠(yuǎn)地區(qū)傳感器和節(jié)點(diǎn)電力供應(yīng)的替代方案。

在這項(xiàng)工作的背景下，許多研究項(xiàng)目都集中在開發(fā)基于壓電效應(yīng)的能量收集器，以將鐵路引起的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，用于小功率設(shè)備和傳感器。最常見的類型是雙晶片懸臂梁。該系統(tǒng)能夠從頻率范圍為 3 - 100 Hz 的環(huán)境振動(dòng)中產(chǎn)生能量。這與軌道交通引起的頻率相匹配，使其能夠?yàn)榈湍芎脑O(shè)備和傳感器供電。然而，能量產(chǎn)生僅限于其共振附近的窄頻帶，當(dāng)非共振時(shí)會(huì)降低輸出。

為了優(yōu)化這一過程，研究人員利用 3D 打印技術(shù)開發(fā)了調(diào)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(shè)計(jì)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(jìn)行了測試，該橋梁因火車駛過而產(chǎn)生垂直振動(dòng)。調(diào)整至橋梁的基本振動(dòng)模式時(shí)可實(shí)現(xiàn)最佳性能?；疖囁俣?、橋梁特性以及與結(jié)構(gòu)和土壤的相互作用等因素會(huì)帶來不確定性，使頻率調(diào)整變得復(fù)雜。

△研究項(xiàng)目中的 HSL 橋

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證實(shí)了調(diào)節(jié)過程，測試顯示能量水平在 40-55 Hz 左右。收集器的性能在實(shí)驗(yàn)室和運(yùn)行條件下得到驗(yàn)證，證明了從列車引起的振動(dòng)中有效收集能量。

△實(shí)驗(yàn)裝置：（a）電路板、能量收集器和加速度計(jì)視圖（從左到右）；（b）振動(dòng)計(jì)激光器和筆記本電腦

該研究旨在估算實(shí)現(xiàn)最大能量收集的最佳調(diào)諧頻率。采用統(tǒng)計(jì)方法，分析列車引起的橋梁振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能。調(diào)諧頻率通過統(tǒng)計(jì)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(jiān)控提供了可行的電源，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整可以顯著提高效率。