研究者らが鉄道監視用の電力供給のために圧電エネルギーハーベスターを3Dプリント

研究者らが鉄道監視用の電力供給のために圧電エネルギーハーベスターを3Dプリント
2024年6月30日、アンタークティックベアは、セビリア大学高等工学技術学校の研究者が3Dプリントを使用して、列車の振動を電気エネルギーに変換することで鉄道橋でのエネルギー収集の代替手段となる圧電エネルギー収集装置を開発したことを知りました。鉄道システムは一般的に監視と保守が難しいため、このソリューションの登場により、電力エネルギー供給と鉄道検査システムの長期監視における大きな課題も解決されます。
関連研究は、「鉄道橋梁用 3D プリントエネルギーハーベスターの設計と最適化」と題する論文として、Journal of Physics: Conference Series に掲載されました。

論文リンク: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2647/10/102001
鉄道監視アプリケーションにセンサー ネットワークを実装する際の主な制限要因の 1 つは、長期にわたってメンテナンスの手間が少ない電源が不足していることです。既存のシステムのほとんどはバッテリーの交換が必要であり、アクセスが困難でメンテナンス作業が頻繁でないことから、実用的な実装が制限されています。この意味で、圧電エネルギーハーベスティングは、遠隔地のセンサーやノードへの電力供給の代替手段として浮上しています。
この研究の文脈では、多くの研究プロジェクトが、鉄道の振動を低電力デバイスやセンサーで使用するための電気エネルギーに変換する圧電効果に基づくエネルギーハーベスターの開発に焦点を当てています。最も一般的なタイプは、デュアル要素カンチレバー ビームです。このシステムは、3~100 Hz の周波数範囲の周囲の振動からエネルギーを生成することができます。これにより、鉄道交通によって発生する周波数が一致し、低エネルギーのデバイスやセンサーに電力を供給することが可能になります。しかし、エネルギー生成は共鳴の周りの狭い周波数帯域に制限されるため、共鳴から外れると出力が低下します。
このプロセスを最適化するために、研究者らは 3D プリント技術を使用して、エネルギー ハーベスターの共振周波数を調整し、パフォーマンスを向上させる方法を開発しました。具体的には、 PAHT CF15材料を使用してエネルギー ハーベスターのプロトタイプを設計し、3D プリントしました。
△3DプリントされたPAHT CF15エネルギーハーベスタープロトタイプ。 (画像提供: Cámara-Molina 他)
3Dプリントされたエネルギー収集装置は、列車の通過によって垂直方向の振動を受ける橋でテストされました。橋の基本振動モードに合わせて調整すると、最適なパフォーマンスが得られます。周波数調整は、列車の速度、橋梁の特性、構造物や土壌との相互作用などの要因によって生じる不確実性によって複雑になります。
研究プロジェクトにおけるHSLブリッジの実験検証により、調整プロセスが確認され、テストではエネルギーレベルが約40〜55Hzであることが示されました。収穫機の性能は実験室および運用条件下で検証され、列車による振動からの効果的なエネルギー収穫が実証されました。
実験のセットアップ: (a) 回路基板、エネルギーハーベスター、加速度計の図 (左から右へ)、(b) 振動計レーザーとラップトップ この研究の目的は、最大のエネルギーハーベスティングを実現するための最適なチューニング周波数を推定することです。列車による橋の振動によって発生する機械的エネルギーを分析するために統計的手法が使用されます。チューニング周波数は統計的手法によって決定され、ピークエネルギーがガウス分布に従うことが保証されます。
全体として、3D プリントされた圧電エネルギー収集デバイスは、レール監視に実用的な電源を提供し、適切な調整によってその効率を大幅に向上させることができます。

鉄道監視

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