Интеграция технологии сбора энергии для применения в гражданской инфраструктуре является постоянно растущей областью. В последнее время интенсивно изучаются достоинства различных форм методов сбора энергии и их использование для конкретных структурных применений. Из таких доступных методов сбора энергии именно использование вибрационного сбора энергии вышло на первый план при рассмотрении приложений гражданского строительства.
Это привело к тому, что сбор энергии из мостовых конструкций стал предметом ряда исследований.
Обзор сбора энергии от мостовых колебаний через вибрационные энергетические устройства основаны на трех основных методах преобразования, а именно:
- электромагнитном;
- электростатическом;
- пьезоэлектрическом
Использование пьезоэлектрических энергетических устройств для автомобильных мостов доступно также и для железнодорожных мостов.
Пьезоэлектрический эффект основан на возникновении электрического заряда при механической деформации определенного материала.
Пока такую собранную энергию можно использовать для того чтобы привести в действие электронику малого масштаба. Похоже на преобразователь температура-ток, но только по принципу деформация материала — ток.
Методика сбора пьезоэлектрической энергии
Пьезоэлектрические сборщики энергии используют активные пьезоэлектрические элементы которые преобразовывают деформацию в электрическую энергию. Наиболее распространенное пьезоэлектрическое устройство основано на консольном устройстве, при котором активный пьезоэлемент соединен с поверхностью консольной подложки.
Для целей настоящего исследования рассмотрено пьезоэлектрическое устройство сбора энергии с активным пьезоэлектрическим материалом, состоящим из цирконата титаната свинца. Используется керамический материал с хорошей пьезоэлектрической эффективностью и наиболее популярно используемый пьезоэлектрический материал для выработки энергии. Устройство сбора энергии прикрепляется в середине пролета мостовой конструкции.
Принимая среднюю величину сбора энергии от транспортных средств, движущихся с различными скоростями, и учитывая среднесуточное движение, можно получить оценку потенциала сбора энергии, а также оценить последствия ухудшения в течение многих лет и учесть влияние прогнозируемого роста объема перевозок.
Для армированного плитного моста оценка жизненного цикла проводилась с использованием анализа надежности по временному варианту, при этом использовалась временная деградация изгибной площади стали из-за равномерной модели коррозии.
Поскольку структурная деградация оказывает влияние на количество энергии получаемой из структуры это важный показатель состояния структуры. С этой точки зрения рассматривается среднее количество энергии, которое может быть собрано из структуры, а не из конкретных проходов транспортного средства.
В настоящей работе исследована возможность использования устройств сбора энергии для мониторинга мостовой конструкции в течение всего срока ее эксплуатации. В связи с этим было рассмотрено пьезоэлектрическое устройство сбора энергии для железобетонной конструкции моста. Оценка предполагаемого роста объема перевозок и связанного с этим сбора энергии производилась путем оценки среднесуточных объемов сбора энергии по ряду типов транспортных средств и скоростей движения на различных типах дорог и с использованием прогнозов.
Это первоначальное исследование подчеркивает возможность использования устройств сбора энергии для мониторинга мостовой конструкции в течение всего срока службы, и хотя точность теряется за счет усреднения значений оно обеспечивает определенной электроэнергией.
Также отмечается, что занятые мосты, мосты с ухудшением качества или те, которые имеют комбинированные последствия увеличения трафика и ухудшения качества, собирают значительно больше энергии, когда происходят эти изменения, что делает сбор энергии естественным выбором для долгосрочного мониторинга.
