以树为灵感的振动能量采集平台

2016-02-24 09:48:00
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        在强风和地震冲击下维持树木稳定的阻尼机制,启发了美国俄亥俄州立大学(University of Ohio)和密歇根大学(University of Michigan)的研究人员着手探讨以“树”状结构开发出能量采集系统的可能性,期望将同样的振动与风力刺激有效转化为电能。

        根据俄亥俄州立大学研究人员的研究证实,采用机电材料制造出类似树的结构,适用于将随机的动力——风力或桥上踩踏——转化为足以产生电能的强大结构性振动。

        这种“树”(tree)状结构相对简单——每支树干只有几个分支但无树叶——他们并不会大规模地扩展于传统森林中或与风车或太阳能发电场竞争。更可能的情况是针对建筑物结构完整或其他土木工程结构的监测应用中,使其用于为传感器进行小规模的供电。

        “建筑物在风中产生极其轻微地摆动、当我们驾车于桥上时桥梁会振荡,而汽车悬吊则吸收了路面的颠簸,”主导这项研究的俄亥俄州立大学机械与航空工程助理教授兼声学与振动研究实验室(LSVR)主任Ryan Harne表示,“事实上,其中存在许多与那些动作有关的大量动能,不过后来却都耗损了。我们希望为其恢复并回收一部份的动能。”

        Harne设计出一种微型的“树”,可将电压馈入桥梁下或高层建筑物内部大梁中的传感器。因此,结构监测系统就可以经由其所监测的主体振动进行供电。

        以往人们认为机械结构并不适用于从广泛存在的振动频谱中采集能量。Harne则透过数学建模证实情况并非如此,而是应该能够利用内部谐振建立一种机电树结构,从而在?定低频下以较大振幅振动。

        为了进行数学测试,Harne与其他研究人员利用以机电材料——聚偏二氟乙烯(PVDF)连结的小型钢梁打造出一种树状结构,从而将运动转化成电能。利用来自嘈杂的高频输入,它可将树状结构置于低频振荡下,从而在2V时产生能量来源。

        “此外,在我们导入大量噪声后发现,这种饱和现象十分稳建,电压输出也十分可靠,这是以往的研究从未发现的,”Harne表示。

        这项研究的技术细节已刊载于最新一期的《声音与振动》期刊(Journal of Sound and Vibration)中。

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updated: 2020-10-27 05:10:25