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        鐵路行業的能量收集技術:壓電PVDF

            能量收集是一種有前途的技術,它可以幫助產生可再生和清潔的能源,并改善基礎設施的可持續性。能量收集是從周圍環境中收集少量環境能量以為自主電子設備或電路供電的技術。該技術用于從物理現象和最大可行能量中提取能量樣本。本文介紹了鐵路行業中用于將振動產生的能量轉換為電能的不同技術。
         
            能量收集系統
         
            為了更多地解釋能量收集系統背后的主要原理,可以從工業或環境環境中可用的不同來源收集能量,例如自然光或人造光,升高的噪聲水平,溫度梯度,機械振動,管道注入空氣或水。能量是在能量可用性的高峰時間內收集的。然后,將其保存并存儲在存儲設備中以供以后使用,以滿足指定時間段內電子系統日常運行的需求和供應。因此,能量收集的主要目標是存儲以后在需要的時間使用的電能。
         
            將振動轉換為電能的過程需要在能量收集系統中包含三個要素。首先,收割機是負責從周圍環境中收集能量的部分。其次,低功率管理系統負責將收集到的能量的電壓電平轉換為常規電子超聲的電壓水平,并為電子系統供電。最后一個要素是存儲系統,用于保存和存儲多余的能源。此過程可帶來許多環境和經濟效益,包括消除對電池的依賴,增強和增強設備的功能,延長設備的使用壽命,減少電源線,簡化安裝過程,降低設備的使用水平。環境浪費
         
            收獲類型
         
            目前,市場上有三種有效的收獲方式正在商業化。
         
            電磁感應
         
            第一個也是最古老的技術是電磁感應,它是200多年前由邁克爾·法拉第(MichaelFaraday)和詹姆斯·克萊克·麥克斯韋(JamesClerkMaxwell)發現的。但是,自1930年代初以來,電磁才被用來發電。根據HeliosVocca和LucaGammaitoni的說法,電磁收集器的基礎是電磁感應現象,電磁感應現象被定義為“當導體暴露于變化的磁場時,在導體兩端產生電壓”。
         
            “感應技術通常是通過將永磁體和螺線管彼此相對運動來實現的。這些系統相對于壓電技術在頻率帶寬和最佳負載方面表現出互補的行為。建議將它們用于低頻(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”一書中指出。
         
            此技術中使用的磁體和線圈具有自己的優勢,包括可靠,免維護,經濟高效和可配置。另一方面,它們具有許多缺點,包括相當高的價格,非常復雜的制造以及在混沌振動期間的易碎性。不管它們的缺點如何,這些收割機都是市場上效率最高的收割機,它通過振動產生最大的功率輸出。
         
            壓電陶瓷
         
            第二種技術是壓電陶瓷。在過去的幾十年中,隨著對高功率密度和長壽命電源的需求越來越高,壓電材料作為能量收集的機制發揮了至關重要的作用。壓電材料具有有助于將機械應變能轉換成電荷的晶體結構。這種結構在將施加的電勢轉換為機械應變方面也起著重要作用。這種結構轉換這些類型的能量的能力有助于向無線傳感器節點提供其電能需求。通過從特定環境中檢測并提取機械能,然后將其轉換為電能,這是可能的。
         
            在將機械能轉換為電能的過程中選擇壓電技術時,有許多優點。優點包括高的能量轉換效率,可大大縮小規模制造的能力以及簡單的實現。但是,壓電陶瓷技術可能是通過振動產生功率的最復雜的方法。首先,它是由劇毒材料制成的。其次,它易碎并且容易被不可逆轉地損壞,這對鐵路行業也不利,因為存在許多劇烈的振動。第三,它是昂貴的。除此之外,壓電陶瓷在效率水平上與市場的差異不大。因此,這可能是從振動中提取能量的最不希望的方式。
         
            壓電聚合物技術
         
            第三種方法是使用壓電聚合物技術或稱為PVDF的材料。在懸臂結構上組裝的易碎薄膜,末端質量在安裝到振動設備上時,末端質量會上下移動。這是通過振動發電的最新方法。就像電磁感應一樣,它也有其優點和缺點,包括較低的功率輸出和壽命限制。但是,以合理的較低價格提供所有產品,加速沖擊的耐久性更高,并且僅使用環保材料進行組裝。
         
            現代興趣
         
            在最近的幾十年中,對于電磁和壓電轉換機制的現代化解決方案的興趣變得越來越重要。這些解決方案包括更高的機電耦合能力,其可持續性策略,簡化的設計以及突破以往依賴電池的方式的能力。但是,從環境和經濟角度來看,壓電聚合物技術已證明其優于壓電陶瓷和電磁技術。

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