研究人员3D打印压电能量收集装置，为铁路监测提供能源

2024年6月30日，南极熊获悉，来自塞维利亚大学高等工程技术学院的研究人员采用3D 打印开发一种压电能量收集装置，通过将列车振动转化为电能为铁路桥梁上的能量收集提供了一种替代方案。由于铁路系统通常难以监测和维护，该方案的问世也解决了铁路检测系统电力能源供应和长期监测方面的一大挑战。

相关研究以题为“Design and optimisation of3D-printed energy harvesters for railway bridges”的论文被发表在《Journal of Physics: Conference Series》期刊上。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2647/10/102001

在铁路监测应用中实施传感器网络的主要限制因素之一是缺乏长期和低维护电源。大多数现有系统都需要更换电池，难以访问和维护操作不频繁会限制其实际实施。从这个意义上讲，压电能量收集正在成为偏远地区传感器和节点电力供应的替代方案。

在这项工作的背景下，许多研究项目都集中在开发基于压电效应的能量收集器，以将铁路引起的振动转化为电能，用于小功率设备和传感器。最常见的类型是双晶片悬臂梁。该系统能够从频率范围为 3 - 100 Hz 的环境振动中产生能量。这与轨道交通引起的频率相匹配，使其能够为低能耗设备和传感器供电。然而，能量产生仅限于其共振附近的窄频带，当非共振时会降低输出。

为了优化这一过程，研究人员利用 3D 打印技术开发了调整能量收集器共振频率的方法，以提高性能。具体来说，他们使用 PAHT CF15 材料设计并 3D 打印了能量收集器的原型。

△3D 打印 PAHT CF15能源收集器原型。 （图片来源：Cámara-Molina 等人）

3D 打印的能源收集装置在一座桥梁上进行了测试，该桥梁因火车驶过而产生垂直振动。调整至桥梁的基本振动模式时可实现最佳性能。火车速度、桥梁特性以及与结构和土壤的相互作用等因素会带来不确定性，使频率调整变得复杂。

△研究项目中的 HSL 桥

实验验证证实了调节过程，测试显示能量水平在 40-55 Hz 左右。收集器的性能在实验室和运行条件下得到验证，证明了从列车引起的振动中有效收集能量。

△实验装置：（a）电路板、能量收集器和加速度计视图（从左到右）；（b）振动计激光器和笔记本电脑

该研究旨在估算实现最大能量收集的最佳调谐频率。采用统计方法，分析列车引起的桥梁振动产生的机械能。调谐频率通过统计方法确定，确保峰值能量遵循高斯分布。

总体而言，3D 打印的压电能量收集装置为铁路监控提供了可行的电源，通过适当的调整可以显著提高效率。