Il bisogno crescente di monitoraggio strutturale auto-rifornito

Mentre i grattacieli superano il segno di 1.000 metri, le richieste sui sistemi di monitoraggio della salute strutturale (SHM) crescono esponenzialmente, questi sistemi si basano su reti dense di sensori che misurano continuamente lo stress, la tensione, lo spostamento, l'inclinazione e le vibrazioni.

Le linee di cavi sono costose, pesanti e vulnerabili ai danni. Le batterie richiedono una sostituzione periodica in aree difficili da accedere, e la loro disposizione solleva problemi ambientali, creando una pressante necessità di fonti energetiche alternative che possono mantenere i sensori in funzione per decenni con un minimo intervento umano.

La raccolta di energia vibrante offre una soluzione convincente: i grattacieli sono in costante movimento: le raffiche, i sistemi meccanici, il traffico dei piedi e anche gli eventi sismici lontani producono vibrazioni meccaniche su un'ampia gamma di frequenze. Catturando una piccola frazione di quella energia cinetica ambientale, possiamo alimentare i nodi dei sensori dedicati indefinitamente.

La sfida dei sensori di alimentazione ad Altitudine

I sensori di posizionamento su un grattacielo sono un compromesso tra copertura e accessibilità. Le posizioni più critiche, i piani superiori, il tetto, la facciata esterna e profondo all'interno del nucleo, sono anche le più difficili da raggiungere. Un pacco batterie che dura cinque anni in un laboratorio può durare solo due anni negli sbalzi di temperatura estremi e carichi di vento di un ambiente ad alta velocità.

I cavi devono essere percorsi attraverso le fermate antincendio e gli elementi strutturali, creando potenziali punti di guasto. In un ambiente di costruzione attivo o durante i progetti di retrofit, l'esecuzione di nuovi fili è spesso proibitiva.

Questi vincoli hanno spinto gli ingegneri edilizi verso [l'autonomia energetica[]]]—i sensori che possono raccogliere abbastanza energia dal loro ambiente immediato per funzionare senza connessioni esterne. La raccolta di vibrazioni è il candidato più promettente perché direttamente si inserisce nel movimento naturale dell'edificio, che si verifica continuamente e prevedibilmente.

Come funziona l'irrigazione dell'energia vibrante

La raccolta di energia vibrante converte il movimento meccanico ambientale in energia elettrica utilizzando uno dei diversi meccanismi di trasduzione. Il principio fondamentale è semplice: una struttura vibrante contiene energia cinetica, e accoppiando un risonatore meccanico a quel movimento, possiamo generare una tensione o una corrente che può essere rettificata e memorizzata.

La maggior parte dei raccoglitori è progettata per essere tuned alle frequenze di vibrazione dominanti della struttura ospitante. Per un tipico grattacielo, la frequenza di sway fondamentale può variare da 0,1 a 0,5 Hz (per l'oscillazione di massa dell'edificio) fino a diverse decine di Hz per le vibrazioni del pavimento locale.

La potenza raccolta è spesso molto piccola, che va dai microwatt ai pochi milliwatt per dispositivo, ma i moderni microsensori possono operare su poche decine di microwatt. Memorizzando l'energia in una batteria a condensatore o a film sottile, un raccoglitore a vibrazioni può accumulare una carica sufficiente per prendere una lettura del sensore, elaborare i dati e trasmetterla in modalità wireless a un hub centrale.

I circuiti di gestione del potere sono un componente critico, devono corrispondere all’uscita variabile del raccoglitore alle esigenze di potenza del sensore, immagazzinare l’energia in eccesso e regolare la tensione.

Tipi di raccordi per l'energia vibrante

Tre tecnologie principali di trasduzione dominano il campo: piezoelettrico, elettromagnetico e triboelettrico, ognuna con punti di forza distinti ed è più adatta alle diverse condizioni di vibrazione e ai requisiti di potenza.

Raccordi piezoelettrici

I materiali piezoelettrici generano una carica elettrica quando si estendono meccanicamente. In una tipica mietitrice, un fascio di cantilever con uno strato piezoelettrico è attaccato all'edificio. Come l'edificio vibra, il fascio si piega, producendo una tensione alternante. I materiali comuni includono il titanato di piombo zirconato (PZT) e il fluoro di polivinileidene (PVDF).

I raccoglitori piezoelettrici sono compatti, non contengono parti mobili diverse dal fascio stesso, e possono essere fabbricati utilizzando le tecniche MEMS (microelettromeccaniche) che eccelleno a frequenze più elevate (sopra 10 Hz) e possono fornire densità di potenza nell'intervallo di 10–100 μW/cm3 quando sintonizzate correttamente. Tuttavia, sono suscettibili a fatica che si rompe su milioni di cicli, e il loro rendimento di potenza

Generatori elettromagnetici

I raccoglitori elettromagnetici funzionano sullo stesso principio di una dinamo: un magnete permanente si muove rispetto a una bobina, inducendo una corrente. In un'applicazione grattacielo, il magnete viene sospeso su una molla all'interno di un tubo avvolto con filo di rame. Il movimento di costruzione agita l'assemblaggio, causando il magnete per oscillare e generare energia elettrica.

Questi dispositivi sono adatti a vibrazioni a bassa frequenza (dieci 10 Hz), che corrispondono al movimento di sway degli edifici alti. Possono produrre correnti relativamente elevate ma tensioni inferiori rispetto ai disegni piezoelettrici. Un mietitore elettromagnetico ben progettato può fornire 0.5–5 mW da tipico sway edificio indotto dal vento. I loro principali svantaggi sono di dimensioni maggiori e la presenza di parti in movimento che possono portare nel tempo.

Nanogeneratori triboelettrici (TENGs)

Due materiali con diverse affinità elettrone vengono portati a contatto e poi separati, creando uno squilibrio di carica che spinge la corrente attraverso un circuito esterno. I TENG possono essere realizzati con polimeri leggeri e flessibili e possono raccogliere energia da movimenti di bassa frequenza e alta luminosità.

I recenti progressi nella nanotecnologia hanno prodotto TENG con notevoli densità di potenza, fino a diverse centinaia di watt per metro quadrato in funzione pulsata, sebbene la potenza continua media sia molto inferiore. La loro semplicità, basso costo e capacità di raccolta da vibrazioni irregolari li rendono attraenti per alcune applicazioni di grattacielo.

Vantaggi per il monitoraggio della salute strutturale di Skyscraper

L'adozione di una raccolta di energia vibrazionale per la potenza del sensore produce diversi vantaggi concreti che vanno oltre semplicemente eliminando le batterie.

  • Funzionamento senza manutenzione. Una volta installato, un nodo sensore a vibrazione può funzionare per la vita dell'edificio—20, 50 o più anni—senza alcun intervento fisico. Questo è particolarmente prezioso per i sensori incorporati in cemento, sigillati all'interno di colonne strutturali, o appositi alla parete esterna della tenda.
  • Scalabilità e densità.[ Poiché ogni mietitore è indipendente, le reti dei sensori possono essere impiegate ad alta densità, i calamari o migliaia di nodi, senza preoccuparsi della distribuzione di energia. Più punti di dati significano una risoluzione spaziale più fine del comportamento strutturale, consentendo un rilevamento anticipato dei danni localizzati.
  • Sostenibilità ambientale.[ Non ci sono batterie per la produzione, la nave, il rimpiazzo o lo smaltimento. L'impronta ambientale di un grande sistema SHM è notevolmente ridotta. L'energia sfruttata dall'edificio stesso è una fonte pulita e rinnovabile che altrimenti sarebbe dissipata come calore.
  • Risilienza durante le interruzioni. I raccoglitori di vibrazione continuano ad operare anche se la potenza principale viene persa a causa di un terremoto o di una tempesta. Ciò assicura che i sensori rimangano attivi durante gli stessi eventi che minacciano la struttura, raccogliendo dati critici post-evento per l'analisi forense.
  • Integrazione con comunicazione wireless. I moderni protocolli wireless a bassa potenza (ad esempio, LoRaWAN, Bluetooth Low Energy, Zigbee) consumano solo microjoule per trasmissione. Un raccoglitore di vibrazioni che produce una potenza media di 1 mW può supportare un sensore che richiede letture ogni 5-10 minuti e trasmette i dati a un gateway centrale.

Sfide e soluzioni ingegneristiche attuali

Nonostante la sua promessa, la raccolta delle vibrazioni per i sensori di grattacielo non è ancora una tecnologia plug-and-play, ma rimangono diversi ostacoli tecnici e pratici.

Densità energetica e bilancio energetico

I livelli di vibrazioni ambientali in un tipico piano d'ufficio di un edificio ad alto rischio sono bassi, spesso inferiori a 0,1 g (1 g = 9,8 m/s2) a frequenze superiori a 1 Hz. Un mietitore può produrre solo 10–100 μW in queste condizioni. Ciò è sufficiente per un sensore di temperatura o umidità a basso ciclo, ma più dispositivi di potenza come gli accelerometri che si campionano a 1 kHz o le telecamere di buffering più grandi

Frequenza Mismatch e Larghezza di banda

Se la frequenza di vibrazione dominante dell'edificio cambia, a causa di modifiche strutturali, di massa aggiunta o anche di variazioni di temperatura stagionali, il raccoglitore può essere detuito e la sua uscita può cadere da un ordine di grandezza. Le soluzioni includono tuning attivo]] (utilizzando piccole attuatori per regolare la risonanza), [[FLTmulque disegni a banda larga]

Installazione e integrazione

L’aggiunta di mietitrebbia a un grattacielo esistente richiede un’attenta collocazione per massimizzare l’esposizione alle vibrazioni. Le posizioni vicino al nucleo dell’edificio possono avere un minimo di movimento, mentre i piani superiori e i bordi a sbalzo più. L’orientamento del raccordino deve allinearsi alla direzione dominante delle vibrazioni. L’integrazione nei sistemi elettrici e di dati dell’edificio deve essere pianificata per evitare di interferire con le infrastrutture esistenti.

Durata e affidabilità

I cantilever piezoelettrici possono rompere dopo miliardi di cicli se non adeguatamente progettati. Le sospensioni a molla elettromagnetiche possono degradare. Il ciclismo termico, l'umidità e l'esposizione UV sull'esterno dell'edificio sottolineano ulteriormente i dispositivi.

Registri di ricerca e tecnologie emergenti

La ricerca attiva sta spingendo i confini di ciò che le mietitrici di vibrazioni possono raggiungere, con diversi viali promettenti per applicazioni di grattacielo.

Nanomateriali e Harvester flessibili

I nanotubi di carbonio e i polimeri piezoelettrici (come PVDF) consentono di ottenere raccolti ultra-sottili e flessibili che possono essere attaccati a superfici curve o anche verniciati su elementi strutturali. Un team dell'Università del Wisconsin-Madison ha dimostrato un raccoglitore flessibile in PVDF che ha prodotto 10 μW/cm2 da vibrazioni a bassa frequenza, aprendo la possibilità di coprire grandi aree di facciata con film di cattura di energia.

Raccordi ibridi

Combinando due o più meccanismi di trasduzione in un unico dispositivo, è possibile migliorare l'efficienza complessiva. Ad esempio, un ibrido piezoelettrico-elettromagnetico può raccogliere energia da componenti ad alta frequenza e bassa frequenza contemporaneamente. I ricercatori cinesi hanno costruito un prototipo che ha fornito 25 mW totale da vibrazioni tipiche dell'edificio, purché alimentare un nodo del sensore wireless continuamente. Vedi la carta].

Intelligenza artificiale per l'ottimizzazione del potere

Gli algoritmi di apprendimento automatico possono prevedere modelli di movimento ed adattare i parametri del raccoglitore in tempo reale. Un sistema che conosce le previsioni del vento, il tempo del giorno, e la storia delle vibrazioni recenti può regolare il suo ciclo di dovere o la messa a punto attiva per massimizzare la cattura di energia.

Energia-Arvesting cemento

Forse il concetto più futuristico è incorporare nanoparticelle piezoelettriche direttamente nella matrice di cemento. Come i flex dell'edificio, il cemento stesso genera una piccola tensione. Mentre la densità di potenza è attualmente troppo bassa per i sensori pratici, i progressi nella nano-ingegneria potrebbero un giorno trasformare l'intera struttura in un gigantesco raccoglitore di energia.

Applicazioni e progetti pilota reali

I sensori a vibrazione sono già in fase di test in edifici ad alta velocità e in grandi infrastrutture. Il grattacielo Taipei 101, famoso per il suo ammortizzatore di massa sintonizzato da 660 tonne, è stato utilizzato come base di prova per le mietitrici elettromagnetiche poste vicino alle guide dello smorzatore.

In Giappone, la Tokyu Land Corporation ha installato le mietitrici a vibrazioni all’esterno di un edificio di 30 piani a Tokyo nel 2019. I sensori di inclinazione dei dispositivi che monitorano la risposta dell’edificio ai terremoti. Dopo tre anni, tutte le mietitrici erano ancora operative e la qualità dei dati corrispondeva a quella dei sensori alimentati a batteria.

La gestione del Burj Khalifa ha espresso interesse alla raccolta delle vibrazioni come parte di una spinta verso l’operazione energetica net-zero. Sebbene non siano state annunciate le distribuzioni pubbliche, gli studi interni suggeriscono che l’immissione dei raccoglitori sui piani spere e superiori occupati potrebbe generare diversi watt di potenza, purché si gestisca un piccolo sottosistema SHM.

Guardando la testa: un grattacielo auto-rifornito

Ogni sensore, dai manometri delle colonne agli accelerometri sul tetto, sarebbe alimentato interamente dai movimenti dell’edificio. I dati verranno trasmessi in modalità wireless a un’intelligenza centrale che valuta continuamente la salute strutturale e gli orari di manutenzione predittiva.

Con il rapido progresso dell'elettronica a bassa potenza, dei materiali di trasduzione efficienti e della gestione intelligente dell'energia, i pezzi tecnici stanno cadendo in posizione. Le restanti sfide sono economiche, riducendo il costo per-sensore di un mietitore e regolando, assicurando che i mietitori incontrano i codici fuoco e sismici.