Table of Contents

Растущая потребность в самоуправляемом структурном мониторинге

По мере того, как небоскребы преодолевают отметку в 1000 метров, требования к их системам мониторинга состояния конструкций (SHM) растут экспоненциально. Эти системы полагаются на плотные сети датчиков, которые непрерывно измеряют напряжение, деформацию, перемещение, наклон и вибрацию. Данные, которые они собирают, имеют решающее значение для обнаружения ранних признаков усталости, повреждения или опасных колебаний. Однако питание сотен или тысяч датчиков, распределенных по стальному и бетонному скелету небоскреба, представляет собой значительную инженерную проблему.

Традиционные подходы — использование выделенных кабелей питания или использование сменных батарей — становятся непрактичными на экстремальных высотах. Пробеги кабеля дороги, тяжелы и уязвимы для повреждений. Батареи требуют периодической замены в труднодоступных районах, и их удаление вызывает экологические проблемы. Эти ограничения создают насущную потребность в альтернативных источниках энергии, которые могут поддерживать работу датчиков в течение десятилетий с минимальным вмешательством человека.

Вибрационный сбор энергии предлагает убедительное решение. Небоскребы находятся в постоянном движении: порывы ветра, механические системы, пешеходное движение и даже отдаленные сейсмические события производят механические вибрации в широком диапазоне частот. Захватывая небольшую часть этой окружающей кинетической энергии, мы можем бесконечно питать выделенные сенсорные узлы. Этот подход трансформирует структурную проблему - неизбежное влияние здания - в надежный, возобновляемый источник энергии.

Проблема питания датчиков на высоте

Размещение датчиков на небоскребе является компромиссом между покрытием и доступностью. Наиболее важные места - верхние этажи, крыша, внешний фасад и глубоко внутри ядра - также являются самыми трудными для достижения. Батарейный блок, который длится пять лет в лаборатории, может длиться только два года в экстремальных температурных колебаниях и ветровых нагрузках высотной среды. Замена одной батареи на 80-м этаже может потребовать экипажа, безопасного ремня безопасности и дня потерянного времени мониторинга.

Проводные системы представляют свои недостатки. Полная система ШМ для сверхвысокой башни может потребовать километров кабелей, добавляя значительный вес и стоимость. Кабели должны быть маршрутизированы через огневые остановки и конструктивные элементы, и они создают потенциальные точки отказа. В активной строительной среде или во время проектов модернизации запуск новых проводов часто непомерно разрушительн.

Эти ограничения привели инженеров-строителей к энергетической автономии — датчикам, которые могут собирать достаточно энергии из своей непосредственной среды для работы без внешних соединений.

Как работает вибрационная энергия

Вибрационная энергия, собирающая энергию, преобразует механическое движение окружающей среды в электрическую энергию с помощью одного из нескольких механизмов трансдукции.Фундаментальный принцип прост: вибрирующая структура содержит кинетическую энергию, и, подключив механический резонатор к этому движению, мы можем генерировать напряжение или ток, которые могут быть исправлены и сохранены.

Большинство комбайнов спроектированы так, чтобы быть настроенными на доминирующие частоты вибрации конструкции хозяина. Для типичного небоскреба частота фундаментального колебания может варьироваться от 0,1 до 0,5 Гц (для общего низкочастотного колебания здания) до нескольких десятков Гц для местных колебаний пола. Хорошо спроектированный комбайн будет резонировать на или вблизи одной из этих частот, чтобы максимизировать захват энергии. Когда здание движется, внутренняя масса комбайна колеблется относительно его рамы, и относительное движение преобразуется в электричество.

Собранная мощность часто очень мала — от микроватт до нескольких милливатт на устройство — но современные микродатчики могут работать всего на нескольких десятках микроватт. Храня энергию в конденсаторе или тонкопленочной батарее, вибрационный комбайн может накапливать достаточно заряда, чтобы считывать датчики, обрабатывать данные и передавать их по беспроводной сети в центральный концентратор. Эта прерывистая работа с рабочим циклом делает даже скромные уровни мощности практичными для реального мониторинга.

Схемы управления мощностью являются критическим компонентом. Они должны соответствовать переменной мощности комбайна требованиям мощности датчика, хранить избыточную энергию и регулировать напряжение. Новые чипы сверхнизкой мощности были разработаны специально для приложений сбора энергии, что позволяет надежно работать с мощностью менее 1 мкВт непрерывной мощности.

Типы вибрационных энергетических сборщиков

В этой области доминируют три основные технологии трансдукции: пьезоэлектрическая, электромагнитная и трибоэлектрическая. Каждая из них имеет различные сильные стороны и лучше всего подходит для различных условий вибрации и требований к мощности.

Пьезоэлектрические жатвы

Пьезоэлектрические материалы при механическом напряжении генерируют электрический заряд. В типичном комбайне к зданию прикреплен консольный пучок с пьезоэлектрическим слоем. По мере вибрирования здания пучок изгибается, производя переменное напряжение. Общие материалы включают в себя цирконат цирконат свинца (PZT) и поливинилиденфторид (PVDF).

Пьезоэлектрические комбайны компактны, не содержат движущихся частей, кроме самого луча, и могут быть изготовлены с использованием методов MEMS (микроэлектромеханические системы). Они превосходят на более высоких частотах (выше 10 Гц) и могут обеспечивать плотность мощности в диапазоне 10-100 мкВт / см3 при правильной настройке. Однако они подвержены усталостному растрескиванию в течение миллионов циклов, и их выходная мощность резко падает, если частота вибрации смещается от резонанса. Исследователи изучают широкополосные конструкции, такие как массивы пучков с различной длиной или нелинейные элементы жесткости, чтобы преодолеть это ограничение.

Электромагнитные генераторы

Электромагнитные комбайны работают по тому же принципу, что и динамо: постоянный магнит движется относительно катушки, вызывая ток. В приложении небоскреба магнит подвешивается на пружине внутри трубки, завернутой медным проводом. Движение здания потрясает сборку, заставляя магнит колебаться и вырабатывать электричество.

Эти устройства хорошо подходят для низкочастотных вибраций (ниже 10 Гц), которые соответствуют стремлению высоких зданий. Они могут производить относительно высокие токи, но более низкие напряжения, чем пьезоэлектрические конструкции. Хорошо спроектированный электромагнитный комбайн может доставлять 0,5-5 мВт от типичного ветрового колебания здания. Их основные недостатки - больший размер и наличие движущихся частей, которые могут носить с течением времени. Однако с современными магнитными материалами и пружинными конструкциями достижимы сроки службы, превышающие 10 лет.

Трибоэлектрические наногенераторы (TENG)

Трибоэлектрические генераторы полагаются на контактную электрификацию и электростатическую индукцию. Два материала с различными электронными аффинностями вступают в контакт и затем разделяются, создавая дисбаланс заряда, который пропускает ток через внешнюю цепь. TENG могут быть изготовлены из легких, гибких полимеров и могут собирать энергию из очень низкочастотных, высокоамплитудных движений.

Недавние достижения в области нанотехнологий привели к созданию TENG с замечательной плотностью мощности - до нескольких сотен ватт на квадратный метр в импульсной работе - хотя средняя непрерывная мощность намного ниже. Их простота, низкая стоимость и способность собирать урожай из нерегулярных вибраций делают их привлекательными для некоторых применений небоскребов. Они все еще находятся на стадии исследований для долгосрочного структурного мониторинга, но были продемонстрированы в пилотных проектах на фасадах зданий и пешеходных мостах.

Преимущества для мониторинга структурного здоровья Skyscraper

Принятие сбора вибрационной энергии для мощности датчика дает несколько конкретных преимуществ, которые выходят за рамки простого устранения батарей.

  • Настоящая бесперебойная работа.] После установки датчик с вибрацией может работать в течение срока службы здания — 20, 50 или более лет — без какого-либо физического вмешательства. Это особенно ценно для датчиков, встроенных в бетон, запечатанных в структурных колоннах или прикрепленных к внешней стене занавески.
  • Масштабируемость и плотность.] Поскольку каждый комбайн независим, сенсорные сети могут быть развернуты с высокой плотностью — сотни или тысячи узлов — не беспокоясь о распределении мощности.Больше точек данных означает более точное пространственное разрешение структурного поведения, что позволяет ранее обнаруживать локализованные повреждения.
  • Экологическая устойчивость.] Никаких батарей для производства, доставки, замены или утилизации. Экологический след большой системы ШМ резко снижается. Энергия, используемая в самом здании, является чистым, возобновляемым источником, который в противном случае был бы рассеян в виде тепла.
  • Устойчивость при перебоях.] Вибрационные комбайны продолжают работать даже в том случае, если электропитание сети теряется из-за землетрясения или шторма. Это гарантирует, что датчики остаются активными во время тех самых событий, которые угрожают структуре, собирая критические данные после события для криминалистического анализа.
  • Интеграция с беспроводной связью.] Современные беспроводные протоколы малой мощности (например, LoRaWAN, Bluetooth Low Energy, Zigbee) потребляют только микроджоули на передачу. Вибрационный комбайн, вырабатывающий среднюю мощность 1 мВт, может поддерживать датчик, который считывает каждые 5-10 минут и передает данные в центральный шлюз. Это устраняет необходимость в сигнальных кабелях, а также силовых кабелях.

Современные вызовы и инженерные решения

Несмотря на свои обещания, сбор вибраций для датчиков небоскребов еще не является технологией plug-and-play.

Энергоемкость и энергетический бюджет

Уровень вибрации окружающей среды в типичном офисном этаже высотного здания низкий - часто менее 0,1 г (1 г = 9,8 м / с2) на частотах выше 1 Гц. В этих условиях комбайн может производить только 10-100 мкВт. Этого достаточно для датчика температуры или влажности низкого цикла, но более энергоемкие устройства, такие как акселерометры, которые для выборки на 1 кГц или камеры требуют либо более крупных комбайнов, либо буферов хранения энергии.

Частотный несоответствие и пропускная способность

Наиболее эффективными комбайнами являются узкополосные резонансные устройства. Если доминирующие изменения частоты вибрации здания из-за структурных изменений, добавленной массы или даже сезонных сдвигов температуры, комбайн может быть отключен, и его выход может упасть на порядок. Решения включают активную настройку (с использованием небольших исполнительных механизмов для регулирования резонанса), широкополосные конструкции (например, бистабильные осцилляторы, которые щелкают между положениями) и многочастотные массивы , которые охватывают диапазон частот одновременно.

Установка и интеграция

Добавление комбайнов к существующему небоскребу требует тщательного размещения, чтобы максимизировать воздействие вибрации. Места вблизи ядра здания могут иметь минимальное движение, в то время как верхние этажи и консольные края больше колеблются. Ориентация сборщика должна соответствовать доминирующему направлению вибрации. Интеграция в электрические и информационные системы здания должна быть запланирована, чтобы избежать вмешательства в существующую инфраструктуру. Для нового строительства встраивание комбайнов во время бетонной заливки или стальной эрекции возможно, но требует координации со структурными инженерами, чтобы избежать компрометирующих путей нагрузки.

Долговечность и надежность

Любая движущаяся часть или напряженный компонент внутри комбайна подвержены усталости. Пьезоэлектрические консольные трости могут трескаться после миллиардов циклов, если не правильно спроектированы. Электромагнитные пружинные подвески могут разрушаться. Тепловая езда на велосипеде, влажность и УФ-облучение на внешней стороне здания дополнительно напрягают устройства. Ускоренное испытание срока службы и герметичная герметизация имеют решающее значение перед развертыванием в реальной структуре, где отказ означает потерю данных.

Направления исследований и новые технологии

Активные исследования расширяют границы того, чего могут достичь сборщики вибрации, с несколькими многообещающими возможностями для применения в небоскребах.

Наноматериалы и гибкие сборщики

Графен, углеродные нанотрубки и пьезоэлектрические полимеры (такие как PVDF) позволяют использовать ультратонкие гибкие комбайны, которые могут быть прикреплены к изогнутым поверхностям или даже окрашены на структурные элементы. Команда из Университета Висконсин-Мэдисон продемонстрировала гибкий комбайн PVDF, который производил 10 мкВт / см2 от низкочастотных вибраций, открывая возможность покрытия больших фасадных областей пленками для захвата энергии. Прочитайте исследование .

Гибридные жатвы

Комбинирование двух или более механизмов трансдукции в одном устройстве может повысить общую эффективность. Например, пьезоэлектрический-электромагнитный гибрид может одновременно собирать энергию как из высокочастотных, так и из низкочастотных компонентов. Китайские исследователи построили прототип, который обеспечивал общую мощность 25 мВт от типичных вибраций здания — достаточно для питания беспроводного сенсорного узла непрерывно. См. статью .

Искусственный интеллект для оптимизации мощности

Алгоритмы машинного обучения могут прогнозировать модели движения и адаптировать параметры комбайна в режиме реального времени. Система, которая знает прогноз ветра, время суток и недавнюю историю вибрации, может регулировать свой рабочий цикл или активную настройку для максимального захвата энергии. Ранние работы в MIT продемонстрировали 40%-ное улучшение собранной мощности с использованием контроллера усиления-обучения. Исследуйте исследование .

Энергосберегающий бетон

Возможно, самая футуристическая концепция заключается в встраивании пьезоэлектрических наночастиц непосредственно в бетонную матрицу. По мере того, как здание сгибается, само бетон генерирует небольшое напряжение. В то время как плотность мощности в настоящее время слишком низкая для практических датчиков, достижения в области наноинженерии могут однажды превратить всю структуру в гигантский сборщик энергии. Ранние полевые испытания на пешеходном мосту в Испании показали, что сегменты инструментированного бетона могут производить достаточно энергии для питания простого светодиодного индикатора. Узнайте больше .

Real-World и пилотные проекты

Датчики с вибрационным питанием уже тестируются в высотных зданиях и большой инфраструктуре. Небоскреб Taipei 101, известный своим 660-тонным настроенным массовым амортизатором, использовался в качестве испытательного стенда для электромагнитных комбайнов, расположенных вблизи направляющих рельсов амортизатора. Исследователи измеряли до 50 мВт от движения амортизатора во время тайфунов - гораздо больше, чем необходимо для сенсорной сети. Читайте об исследовании Taipei 101 .

В Японии корпорация Tokyu Land установила виброуборочные комбайны на внешней стороне 30-этажного здания в Токио в 2019 году. Устройства датчиков наклона мощности, которые контролируют реакцию здания на землетрясения. Через три года все комбайны все еще работали, а качество данных соответствовало качеству датчиков с батарейным питанием.

Руководство Бурдж-Халифы выразило заинтересованность в сборе вибраций в рамках продвижения к работе с нулевой энергией. Хотя не было объявлено о публичном развертывании, внутренние исследования показывают, что размещение комбайнов на шпиле и верхних занятых этажах может генерировать несколько ватт мощности - достаточно для запуска небольшой подсистемы SHM.

Оригинальное название: A Self-Powered Skyscraper

Конечным видением является небоскреб, который контролирует себя без какого-либо внешнего входа энергии. Каждый датчик, от тензодатчиков на колоннах до акселерометров на крыше, будет питаться исключительно собственными движениями здания. Данные будут передаваться по беспроводной сети в центральный ИИ, который постоянно оценивает здоровье конструкции и планирует прогнозное обслуживание.

Это видение не является научной фантастикой. С быстрым прогрессом в маломощной электронике, эффективных трансдукционных материалах и интеллектуальном управлении энергией технические элементы встают на свои места. Остальные проблемы являются экономическими - снижая стоимость комбайна на одного датчика - и нормативными - гарантируя, что комбайны отвечают пожарным и сейсмическим кодам. Поскольку городское население продолжает концентрироваться в зданиях с постоянными колебаниями, корпуса датчиков с вибрацией будут только укрепляться. Здания завтрашнего дня будут не только выше; они будут умнее, более устойчивыми и в значительной степени автономными.