南極熊獲悉，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(fā)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(tǒng)通常難以監(jiān)測和維護，該方案的問世也解決了鐵路檢測系統(tǒng)電力能源供應和長期監(jiān)測方面的一大挑戰(zhàn)。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2647/10/102001

在鐵路監(jiān)測應用中實施傳感器網(wǎng)絡的主要限制因素之一是缺乏長期和低維護電源。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(qū)傳感器和節(jié)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(fā)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(tǒng)能夠從頻率范圍為 3 - 100 Hz 的環(huán)境振動中產(chǎn)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(chǎn)生僅限于其共振附近的窄頻帶，當非共振時會降低輸出。

研究人員利用 3D 打印技術開發(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(chǎn)生垂直振動。調(diào)整至橋梁的基本振動模式時可實現(xiàn)最佳性能?；疖囁俣取蛄禾匦砸约芭c結構和土壤的相互作用等因素會帶來不確定性，使頻率調(diào)整變得復雜。

△研究項目中的 HSL 橋

實驗驗證證實了調(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(xiàn)最大能量收集的最佳調(diào)諧頻率。采用統(tǒng)計方法，分析列車引起的橋梁振動產(chǎn)生的機械能。調(diào)諧頻率通過統(tǒng)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(jiān)控提供了可行的電源，通過適當?shù)恼{(diào)整可以顯著提高效率。