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铁路行业的能量收集技术:压电PVDF

    能量收集是一种有前途的技术,它可以帮助产生可再生和清洁的能源,并改善基础设施的可持续性。能量收集是从周围环境中收集少量环境能量以为自主电子设备或电路供电的技术。该技术用于从物理现象和最大可行能量中提取能量样本。本文介绍了铁路行业中用于将振动产生的能量转换为电能的不同技术。
 
    能量收集系统
 
    为了更多地解释能量收集系统背后的主要原理,可以从工业或环境环境中可用的不同来源收集能量,例如自然光或人造光,升高的噪声水平,温度梯度,机械振动,管道注入空气或水。能量是在能量可用性的高峰时间内收集的。然后,将其保存并存储在存储设备中以供以后使用,以满足指定时间段内电子系统日常运行的需求和供应。因此,能量收集的主要目标是存储以后在需要的时间使用的电能。
 
    将振动转换为电能的过程需要在能量收集系统中包含三个要素。首先,收割机是负责从周围环境中收集能量的部分。其次,低功率管理系统负责将收集到的能量的电压电平转换为常规电子超声的电压水平,并为电子系统供电。最后一个要素是存储系统,用于保存和存储多余的能源。此过程可带来许多环境和经济效益,包括消除对电池的依赖,增强和增强设备的功能,延长设备的使用寿命,减少电源线,简化安装过程,降低设备的使用水平。环境浪费
 
    收获类型
 
    目前,市场上有三种有效的收获方式正在商业化。
 
    电磁感应
 
    第一个也是最古老的技术是电磁感应,它是200多年前由迈克尔·法拉第(MichaelFaraday)和詹姆斯·克莱克·麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)发现的。但是,自1930年代初以来,电磁才被用来发电。根据HeliosVocca和LucaGammaitoni的说法,电磁收集器的基础是电磁感应现象,电磁感应现象被定义为“当导体暴露于变化的磁场时,在导体两端产生电压”。
 
    “感应技术通常是通过将永磁体和螺线管彼此相对运动来实现的。这些系统相对于压电技术在频率带宽和最佳负载方面表现出互补的行为。建议将它们用于低频(2–20Hz),小阻抗和中等尺寸,”Briand,Yeatman和Roundy在2015年出版的“微能量收集”一书中指出。
 
    此技术中使用的磁体和线圈具有自己的优势,包括可靠,免维护,经济高效和可配置。另一方面,它们具有许多缺点,包括相当高的价格,非常复杂的制造以及在混沌振动期间的易碎性。不管它们的缺点如何,这些收割机都是市场上效率最高的收割机,它通过振动产生最大的功率输出。
 
    压电陶瓷
 
    第二种技术是压电陶瓷。在过去的几十年中,随着对高功率密度和长寿命电源的需求越来越高,压电材料作为能量收集的机制发挥了至关重要的作用。压电材料具有有助于将机械应变能转换成电荷的晶体结构。这种结构在将施加的电势转换为机械应变方面也起着重要作用。这种结构转换这些类型的能量的能力有助于向无线传感器节点提供其电能需求。通过从特定环境中检测并提取机械能,然后将其转换为电能,这是可能的。
 
    在将机械能转换为电能的过程中选择压电技术时,有许多优点。优点包括高的能量转换效率,可大大缩小规模制造的能力以及简单的实现。但是,压电陶瓷技术可能是通过振动产生功率的最复杂的方法。首先,它是由剧毒材料制成的。其次,它易碎并且容易被不可逆转地损坏,这对铁路行业也不利,因为存在许多剧烈的振动。第三,它是昂贵的。除此之外,压电陶瓷在效率水平上与市场的差异不大。因此,这可能是从振动中提取能量的最不希望的方式。
 
    压电聚合物技术
 
    第三种方法是使用压电聚合物技术或称为PVDF的材料。在悬臂结构上组装的易碎薄膜,末端质量在安装到振动设备上时,末端质量会上下移动。这是通过振动发电的最新方法。就像电磁感应一样,它也有其优点和缺点,包括较低的功率输出和寿命限制。但是,以合理的较低价格提供所有产品,加速冲击的耐久性更高,并且仅使用环保材料进行组装。
 
    现代兴趣
 
    在最近的几十年中,对于电磁和压电转换机制的现代化解决方案的兴趣变得越来越重要。这些解决方案包括更高的机电耦合能力,其可持续性策略,简化的设计以及突破以往依赖电池的方式的能力。但是,从环境和经济角度来看,压电聚合物技术已证明其优于压电陶瓷和电磁技术。

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