הגידול צריך ניטור עצמי-Powered Structural

כאשר גורדי שחקים דוחקים את סימן 1000 מטר, הדרישות של ניטור הבריאות המבני שלהם (SHM) מערכות צומחות באופן אקספונציאלי.מערכות אלה מסתמכות על רשתות צפופות של חיישנים הממדדים באופן מתמיד לחץ, מתח, עקירה, הטיה ודרטט.הנתונים שהם אוספים הם קריטיים לגילוי סימנים מוקדמים של עייפות, נזק, או תנודות מסוכנות.

גישות מסורתיות - הפעלת כבלי חשמל ייעודיים או להסתמך על סוללות שניתן להחליף - להיות לא מעשי בגבהים קיצוניים. , הכבלים הם יקר, כבד, פגיע לנזק.בטריקים דורשים תחליף תקופתי באזורים שקשה לגשת אליהם, וסילוקם מעלה חששות סביבתיים.מגבלות אלה יוצרות צורך דחוף במקורות אנרגיה חלופיים שיכולים לשמור על חיישנים לרוץ במשך עשרות שנים עם התערבות אנושית מינימלית.

קצירת אנרגיה ויגמית מציעה פתרון משכנע. Skyscrapers הם בתנועה מתמדת: גורים רוח, מערכות מכניות, תנועה ברגל ואפילו אירועים סיסמית מרוחקים מייצרים תנודות מכניות בטווח רחב של תדרים. על ידי לכידת חלק קטן של אנרגיה קינטית זו, אנו יכולים להקדש את החיישן ללא הגבלת זמן.זה הופך אתגר מבני - המבנים הבלתי נמנעים - בכוח מתחדש, כוח מתחדש.

האתגר של חיישנים כוחנים ב-Altitude

חיישנים מתפתלים על גורדי שחקים הוא סחרחורת בין כיסוי וגישה. המקומות הקריטיים ביותר - הקומות העליונות, הגג, החזית החיצונית, ועמוקה בתוך הליבה - הם גם הקשים ביותר להגיע.חבילה סוללה שנמשכת חמש שנים במעבדה עשויה להימשך רק שנתיים בטמפרטורות קיצוניות עומסי רוח של סביבה גבוהה.

מערכות Wired מציגות את החסרונות שלהן.מערכת SHM מלאה למגדל סופר-טול עשויה לדרוש קילומטרים של קלינג, הוספת משקל משמעותי ועלויות.הכבלים חייבים להיצמד באמצעות עצירות אש ואלמנטים מבניים, והם יוצרים נקודות פוטנציאליות של כשל בסביבה פעילה או במהלך פרויקטים רטרוfit, הפעלת חוטים חדשים היא לעתים קרובות משבשת.

אילוצים אלה הובילו מהנדסים לבניית חשמל לעבר FLT:0 אוטונומיה לאנרגיה אוטונומיה של 1 בינואר – רגישים שיכולים לקציר מספיק כוח מהסביבה הקרובה שלהם לתפקד ללא חיבורים חיצוניים. יבול הוויברציה הוא המועמד המבטיח ביותר, כי הוא ישירות נכנס להילוך הטבעי של הבניין, המתרחש ברציפות וצפוי.

כיצד אנרגיה מתחדשת עובדת

קצירת אנרגיה ויברגית ממירת תנועה מכנית מחלחלת לכוח חשמלי באמצעות אחת ממספר מנגנוני הפחתה.העיקרון הבסיסי הוא פשוט: מבנה רוטינג מכיל אנרגיה קינטית, ועל ידי הפיכה של מחזר מכני לתנועה זו, אנו יכולים ליצור מתח או זרם שניתן לתקן ולחסן.

רוב הקצירים נועדו להיות LT:0 (tunedFLT:1 ), לתדרים הדומיננטיים של המבנה המארח.עבור גורדי שחקים טיפוסיים, תדירות המסלול הבסיסי עשוי לנוע בין 0.1 ל-0.5 הרץ (עבור מסגרת ⁇ התחתונה של הבניין נמוך), עד כמה הרץ עבור תנודות מקומיות.

הכוח המנוסס לעתים קרובות מאוד קטן - החל ממיקרו-וואט לכמה מילימטרים למכשיר - אבל מיקרו-סנסורים מודרניים יכולים לפעול רק על כמה עשרות מיקרו-וואט. על ידי אחסון אנרגיה בכובע או סוללה דק-סרטית, קציר רטט יכול לצבור מספיק תשלום כדי לקחת קריאה חיישן, תהליך הנתונים, ולהעביר אותו אלחוטי למרכז.

מעגלי ניהול כוח הם מרכיב קריטי.הם חייבים להתאים את הפלט המשתנה של הקציר לדרישות הכוח של החיישן, לאחסן אנרגיה עודף, ולסדיר את המתח החדש שבבים כוח אולטרה סגול פותחו במיוחד עבור יישומים אנרגיה, המאפשרת הפעלה אמינה עם פחות מ 1 מיקרו-ו של כוח מתמשך.

סוגים של קצירי אנרגיה ויבונאליים

שלוש טכנולוגיות ניכוי עיקריות שולטות בתחום: ⁇ אלקטרית, אלקטרומגנטית וטריבואלקטרית.כל אחת מהן יש כוחות נפרדים והיא מתאימה ביותר לתנאי רטט שונים דרישות כוח.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

חומרים Piezoelectric לייצר מטען חשמלי כאשר מתוח מכני.ב לקצור טיפוסי, a cantilever beam עם שכבת אדזואלקטרי מחובר למבנה. as the Building vibrates, the beam bends, לייצר מתח משתנה.חומרים נפוצים כוללים zirconate titanate (PZT) ופוליvinylidene flueide (PV).

קצירים Piezoelectric הם קומפקטיים, לא מכילים חלקים נעים מלבד הדבורה עצמה, וניתן לגוון באמצעות MEMS (מיקרו-אלקטרוניקה-אלקטרוניקה) טכניקות.הם מצטיינים בתדרים גבוהים יותר (מעל 10 הרץ) ויכולים לספק דגני חשמל בטווח של 10-100 מיקרו-ו / סנטימטר כאשר הם מכוונים נכון.

גנרטורים אלקטרומגנטיים

קצירים אלקטרומגנטיים פועלים באותו עיקרון כמו דינמי: מגנטי קבוע נע יחסית ל סליל, גרימת זרם.ב יישום גורדי שחקים, המגנטי מושעה על האביב בתוך צינור עטוף חוט נחושת.בבניה תנועת מנענע את ההרכב, מה שגורם למגנט להתבודד וליצור חשמל.

מכשירים אלה מתאימים היטב לרטטים בתדר נמוך (below 10 הרץ), אשר מתאים להילוך של בניינים גבוהים.הם יכולים לייצר זרמים גבוהים יחסית, אבל מתח נמוך יותר מאשר עיצובים ⁇ electric. a היטב-engineer אלקטרומגנטי עשוי לספק 0.5-5 מ- 5 מ-V מהמסלול מבנה טבעי המושרה רוח טיפוסי.

Triboelectric Nanogenerators (TENG)

גנרטורים Triboelectric מסתמכים על אספקת מגע וחדירה אלקטרוסטטית. שני חומרים עם זיקה אלקטרונית שונה מובאים במגע ולאחר מכן מופרדים, יצירת חוסר איזון מטען שמניעה את הזרם דרך מעגל חיצוני.

ההתקדמות האחרונה ב- nanoטכנולוגיה יצרה את ה- TENGs עם תצפיות כוח מדהימות - עד כמה מאות וואט למכירה מרובעת במבצע הדופק - למרות שהכוח המתמשך הממוצע נמוך בהרבה.פשטות, עלות נמוכה ויכולת לקצור מרטטים לא סדירים, הופכים אותם אטרקטיביים עבור כמה יישומי גורדי שחקים.הם עדיין בשלב המחקר של ניטור מבני לטווח ארוך, אך הוכחו בפרויקטים של בנין על גבי חזיתות וחזית.

יתרונות עבור Skyscraper Structural Health Monitoring

אימוץ אנרגיה רטטית של כוח חיישן מניב כמה יתרונות קונקרטיים מעבר פשוט חיסול סוללות.

  • (FLT:0 True תחזוקה ללא הפעלה.FLT:1hil מותקן, חיישן מופעל רטט יכול לפעול עבור החיים של הבניין - 20, 50, או יותר שנים - ללא כל התערבות פיזית.זה חשוב במיוחד עבור חיישנים משובצים בטון, אטום בתוך עמודות מבניות, או משוכפל לקיר החיצוני.
  • (FLT:0) רגישות וצפיפות.FLT:1 כי כל קציר הוא עצמאי, רשתות חיישן ניתן לפרוס בצפיפות גבוהה - מאות או אלפי צמתים - ללא דאגה לחלוקת כוח.יותר נקודות נתונים פירושים פתרון מרחבי עדין יותר של התנהגות מבנית, המאפשר זיהוי מוקדם יותר של נזק מקומי.
  • (FLT:0) קיימות סביבתית.FLT:1 אין סוללות לייצור, ספינה, להחליף או להיפטר ממנו.הטביעה הסביבתית של מערכת גדולה של SHM מופחתת באופן דרמטי.האנרגיה המתרת מהמבנה עצמו היא מקור נקי ומתחדש, אשר אחרת יהיה מתפזר כמו חום.
  • (FLT:0) עמידות במהלך הזינוק.FIRLT:1 , קצירי הווייברציה ממשיכים לפעול גם אם כוח ראשי אבד עקב רעידת אדמה או סערה.זה מבטיח כי חיישנים נשארים פעילים במהלך האירועים המאיימים על המבנה, איסוף נתונים לאחר ביקורתי לניתוח פלילי.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם תקשורת אלחוטית.Figbee 1: ; מודרני פרוטוקולים אלחוטיים בעוצמה נמוכה (למשל, LoRaWAN, Bluetooth Low Energy, Zigbee) לצרוך רק מיקרו-joules לשידור. A Harvester המייצר כוח ממוצע של 1 מ"ו יכול לתמוך חיישן שלוקח קריאה כל 5-10 דקות ומעביר את הנתונים לשער מרכזי זה מבטל את הצורך עבור כבלים גם כן.

אתגרים ופתרונות הנדסה

למרות ההבטחה שלה, קצירת רטט עבור חיישני גורדי שחקים היא עדיין לא טכנולוגיה של Plug-and-play. כמה מכשולים טכניים ומעשיים נשארים.

אנרגיה הכחשת תקציב

רמות הרטט הממוקדות בקומה אופיינית של בניין קומות נמוכות - לעתים קרובות פחות מ-0.10 גרם (1 g = 9.8 מ'/s2) בתדרים מעל 1 הרץ. A Harvester עשוי לייצר רק 10-100 מיקרו-W בתנאים אלה.זה מספיק לטמפרטורה של מחזור נמוך או לחיישן, אבל יותר מכשירים של כוח-כוך כגון Accelerometers אשר מדגמי 1 או מ-CLCer.

תדירות מיסקבת ו Bandwidth

(הפועלים היעילים ביותר הם מכשירים רדומים של פס צר-פס (אם השינויים בתדירות הרטט הדומיננטית של הבניין) – עקב שינויים מבניים, תוספת מסה, או אפילו משמרות טמפרטורה עונתיות - הקציר יכול להיות מחוספס והתפוקה שלו יכולה ליפול על ידי סדר גודל. Solutions כוללים בו-זמנית: 0active tuningFLT:1 (באמצעות פועלים קטנים כדי להתאים את ההתחדשות), F2: 3.

התקנה ואינטגרציה

הוספת קצירים אל קצה קיים דורש מיקום זהיר כדי למקסם את החשיפה לתנודות.מיקומים ליד הליבה של הבניין עשויים להיות תנועה מינימלית, בעוד הקומות העליונות ונקודות מחוסנות יש צורך ליישר עם הכיוון הדומיננטי של עומס הרטט.אינטגרציה לתוך מערכת החשמל והמידע של הבניין יש צורך לתכנן כדי למנוע התערבות עם תשתיות קיימות, עבור בנייה חדשה, מטבולת קצירת קצירת קצירת יבולים בזמן התיאום אפשרי אבל דורשות פלדה.

אחריות ויציבות

כל רכיב נע או רכיב מתוח בתוך קציר הוא כפוף עייפות. ⁇ יכול סדק לאחר מיליארדי מחזורים אם לא תוכנן כראוי.טיטוס האביב יכול לדהום. אופניים, לחות וחשיפה UV על הבניין החיצוני מדגיש עוד יותר את המכשירים. Accelerated Life Testing ו- hermetic Imetic Imetic משבשת קריטי במבנה אמיתי שבו אובדן נתונים.

שיטות מחקר וטכנולוגיות מתפתחות

מחקר פעיל דוחף את הגבולות של מה קצירי רטט יכולים להשיג, עם כמה דרכים מבטיחות עבור יישומי גורדי שחקים.

ננו-חומרים ותומכים גמישים

Graphene, צינורות פחמן, ופולימרים אדזואלקטריים (כגון PVDF) מאפשרים אולטרה-ת'ין, קציר גמיש שניתן לחבר אותם על משטחים מעוקלים או אפילו לצייר על אלמנטים מבניים. A צוות באוניברסיטת ויסקונסין-Madison הדגים קציר PVDF גמיש אשר הפיק 10 μW / ס"מ מרטטים נמוכים, פתח את האפשרות של כיסוי שטחים גדולים עם אנרגיה-capirder: 1.

יבולים היברידיים

שילוב של שני מנגנוני הפחתה או יותר במכשיר יחיד יכול לשפר את היעילות הכוללת.לדוגמה, היברידית אדזואלקטרית-אלקטרוניקה יכולה לקצור אנרגיה הן ממרכיבים גבוהים והן ממרכיבים נמוכים בו זמנית.

אינטליגנציה מלאכותית לאופטימיזציה של כוח

אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לחזות תבניות תנועה ולהתאים פרמטרים קציר בזמן אמת.מערכת שמכירה את תחזית הרוח, זמן של יום, והיסטוריית הרטט האחרונים יכולה להתאים את מחזור החובה שלה או כוונון פעיל כדי למקסם את לכידת האנרגיה מוקדם ב-MIT הראה שיפור של 40% בכוח שנאסף באמצעות בקר למידה חיזוק.

אנרגיה – Concrete

אולי הרעיון העתידני ביותר הוא הטמעת חלקיקים אדזואלקטריים ישירות לתוך הממטריקס הבטוני.כפי שהמבנה גמיש, הבטון עצמו מייצר מתח קטן, בעוד צפיפות הכוח נמוכה מדי עבור חיישנים מעשיים, התקדמות ב nano-engineering יכול יום אחד להפוך את המבנה כולו למסיק אנרגיה ענק.

פרויקטים אמיתיים ופיילוט

חיישנים מופעלים של Vibration כבר נבדקו בבניינים גבוהים ובתשתיות גדולות.The Tai 101 Skyscraper, מפורסם עבור 660-tonne מכוונן המוני לחי, שימש כמבחן עבור קצירים אלקטרומגנטיים שהוצבו ליד רכבת המדריכים של טאיפה.

ביפן, תאגיד טוקיו לנד Corporation התקין קצירי רטט על החיצוני של בניין בן 30 קומות בטוקיו בשנת 2019.המכשירים כוח הטיה חיישנים לפקח על תגובת הבניין לרעידות אדמה.לאחר שלוש שנים, כל הקצירים עדיין היו מבצעיים, ואיכות הנתונים תואמת את זה של חיישני סוללה המופעלים על ידי סוללות.

הנהלת Burj Khalifa הביעה עניין בקצירת הרטט כחלק מדחף לעבר פעילות האנרגיה של אפס הנקי, בעוד שאף פריסות ציבוריות לא הוכרזו, מחקרים פנימיים מצביעים על כך שהובלת קצירים על הצואה והקומה העליונה עלולה לייצר כמה וואט של כוח - מספיק כדי להפעיל תת-מערכת קטנה של SHM.

ראשי > Ahead: A Self-Powered Skyscraper

החזון האולטימטיבי הוא גורד שחקים המשגיח על עצמו ללא כל קלט אנרגיה חיצוני.כל חיישן, ממדנים על העמודות ועד מאיץמטרים על הגג, יונע לחלוטין על ידי תנועות הבניין עצמו.

חזון זה אינו מדע בדיוני.עם ההתקדמות המהירה באלקטרוניקה בעוצמה נמוכה, חומרי נזיפה יעילים וניהול אנרגיה חכם, החלקים הטכניים נופלים למקום.האתגרים הנותרים הם כלכליים - תוך כדי עלייה של העלות של קציר - ו הרגולטורים - מבטיח כי קצירים עומדים באש וקודים סיסמיים עירוניים ממשיכים להתרכז בבניינים אי פעם, במקרה של חיישנים חזקים יותר, לא יהיו חזקים יותר, אלא גם יותר ויותר חזקים יותר, הם יהיו חזקים יותר ויותר חזקים יותר ויותר חזקים יותר ויותר.