Büyüyü Kendi kendini Güçlendirilmiş Yapısal İzlemeye İhtiyacı Var

Gökyüzüler 1.000 metre işaretini geçmişken, yapısal sağlık izleme (SHM) sistemleri üst düzeye çıkarmaktadır. Bu sistemler sürekli stres, gerginlik, yer değiştirme, eğim ve titreşimleri ölçen sensörlerin yoğun ağlarına güvenir. topladıkları veriler, erken yorgunluk belirtileri, hasar veya tehlikeli osilasyonları tespit etmek için kritiktir.

Geleneksel yaklaşımlar - özel güç kablolarını veya yedeklenebilir bataryalara güvenmek - aşırı yüksek yüksekliklerde pratik olmayan bir şekilde çalışır. Kablolar pahalı, ağır ve hasara karşı savunmasızdır. Piller erişim için zor olan alanlarda periyodik yedek gerektirir ve onların tasarrufları çevresel endişeler yaratır. Bu kısıtlamalar, sensörleri minimum insan müdahalesi ile yıllarca süren alternatif enerji kaynaklarına baskı sağlar.

Titreşimli enerji hasat çekici bir çözüm sunuyor. Skyscrapers sürekli hareket halindedir: rüzgar gusts, mekanik sistemler, ayak trafiği ve hatta uzak sismik olaylar geniş bir frekans aralığında mekanik titreşimler üretir.Bu ortam kinetik enerjiyi ele alarak, güçten ayırarak, yapısal bir meydan okuma dönüştürebiliriz - binanın kaçınılmaz bir şekilde - güvenilir bir güç kaynağında - verimli bir şekilde.

Güçlendirici Sensörlerin Altitudes'taki Zorluk

Bir gökyüzündeki sensörlerin tutulması, bir laboratuvarda beş yıl süren bir ticarettir. En kritik yerler - çatı, dış cephe ve temeldeki derin - ayrıca bir izleme süresi içinde beş yıl süren bir batarya paketi, yüksek sıcaklık hızdaki hızdaki iki yıl boyunca sürebilir.

Wired sistemleri kendi dezavantajlarını sunuyor. süpertall kule için tam bir SHM sistemi genellikle önemli ağırlık ve maliyet ekleyerek taksitli bir şekilde mahvedilebilir. kablolar yangın durakları ve yapısal elementler aracılığıyla rotalanmış olmalı ve aktif bir inşaat ortamında veya retrofit projelerinde potansiyel puanlar yaratırlar, yeni teller genellikle zararlıdır.

Bu kısıtlamalar, inşaat mühendislerini doğru yola çıkardılar:0) Enerji özerkliği). - dış bağlantı olmadan işlev için yeterli güce sahip olabilecekler. Titreşim hasatı, binanın doğal hareketine doğrudan dokunur, ki bu sürekli olarak meydana gelir ve tahmin edilebilir.

Titreşimli Enerji Nasıl Çalışır

Titreşimli enerji üretimi, birkaç transdüksiyon mekanizmasından birini kullanarak elektrik enerjisine dönüşür. Temel ilke basit: vibrating yapısı kinetik enerji içerir ve bu hareket için mekanik bir rezonansa bağlanır, yeniden tanımlanabilir ve depolanabilir bir gerilim veya mevcut üretebiliriz.

Çoğu hasat, 0.1 ila 0.5 Hz arasında (eskiden düşük frekanslı oscilla) ev sahibi yapının baskın titreşim frekanslarına kadar tasarlanır. Tipik bir gökler için, binadaki ortalama 0.1 ila 0.5 Hz arasında (eskiden düşük frekanslı oscilla) ve göreceli hareket için onlarca Hz'ye kadar uzanan bir şekilde yeniden dönüştürülür.

hasat edilen güç genellikle çok küçük - mikrowattlardan birkaç miliwatt'a kadar ayarlanıyor - ancak modern mikro-sensörler sadece birkaç mikrowatt üzerinde çalışabilirler. Gerçek film izlemesinde enerji tasarrufu yaparak, bir vibrasyon toplayıcısı, veriyi okumak için yeterli bir şarj edebilir ve kablosuz bir merkeze iletebilir.Bu işlem, görev döngüsü, gerçek dünya izleme için bile mütevazı güç seviyeleri pratik yapar.

Power management devreleri kritik bir bileşendir.Ürünün değişken çıktısını sensörün gücüne kıyasla, fazla enerji depolamak ve gerilim düzenlemeli. Yeni ultra-düşük güç çipleri özellikle enerji harcama uygulamaları için gelişmiştir, sürekli güç 1 μW ile güvenilir bir operasyona izin vermek zorundadır.

Titreşim Enerji Sualtılarının Türleri

Üç ana transdüksiyon teknolojileri alana hükmediyor: pastazoelektrik, elektromanyetik ve triboelektrik. Her biri farklı güçlülere sahiptir ve farklı titreşim koşullarına ve güç gereksinimlerine en uygun olanıdır.

Piezoelektrikli Subay

Piezoelektrik malzemeleri mekanik olarak sulandığında elektrikli bir şarj yaratır. Tipik bir hasatta, bir kantileli flora ile bir zoelektrik tabakası binaya bağlanır. Bina vibrates olarak, kirişler, kirişler, bir alternating voltaj üretir. Ortak malzemeler zirkonate titanate (PZT) ve polivinydene flororide (PVDF).

Piezoelektrik hasatçıları kompakttır, 10-100 μW /cm3'ün sabit bir şekilde kırıldığı zaman, milyonlarca döngüyü bozmak için hassastırlar ve güç çıktıları yüksek titreşim frekanslarında (above 10 Hz) yükselirler ve 10-100 μW/cm3 aralığındaki güç kesintilerini doğru bir şekilde keşfederler.

Elektromanyetik Jeneratörler

Elektromanyetikler aynı ilke üzerinde bir dynamo olarak çalışır: kalıcı bir mıknatıs bir zille hareket eder, bir mevcut bir uygulamayı azaltmak için.Bir gökyüzündeki duygusal uygulama, magnet bakır tel ile birlikte bir tüp içinde askıya alınır. Bina hareketi, oscillate'ya ve elektrik üretmesine neden olur.

Bu cihazlar düşük frekanslı vibrasyonlara uygundur (daha uzun binalardaki sway hareketini karşılaştırır. nispeten yüksek akımlar üretebilirler, ancak modern manyetik malzemeler ve ilkbahar tasarımları ile, 10 yıldan fazla bir süre boyunca ömür boyu boyunca iyi bir motorlu elektromanyetik hasat sunar.

Triboelektrik Nanojeneratörleri (TENGs)

Triboelektrik jeneratörleri, farklı elektron alanındaki iki malzeme temasa geçti ve sonra ayrı ayrı, dış bir devre üzerinden sürücülerin oluşturduğu bir sorumluluk yaratıyor. TENGs hafif, esnek polimerlerden ve enerjiyi çok düşük frekanslı hareketlerden alabilir.

Nanoteknolojideki son gelişmeler TENG'leri olağanüstü güç kesintileriyle üretti - uzun vadeli yapısal izleme için kare başına birkaç yüz watt'a kadar - ortalama sürekli güç çok daha düşük olsa da, düşük maliyet ve düzensiz viscraper uygulamalardan hasat etme yeteneği hala uzun vadeli yapısal izleme için araştırma aşamasındadır, ancak bina cephelerinde ve ayak köprülerde pilot projelerde gösterilmiştir.

Skyscraper Yapısal Sağlık İzleme için Avantajları

Gürültülü enerji sensör gücü için hasat etmek, sadece bataryaları ortadan kaldırmak için giden birkaç somut fayda sağlar.

  • [FONT:0] Gerçek bakımsız operasyon.[DÜDÜT:1] Bir kez kurulduktan sonra, binanın yaşamı için vitreatsız sensör düğümü - 20, 50 veya daha fazla yıl – herhangi bir fiziksel müdahale olmadan, özellikle de betonda gömülü sensörler için değerli, yapısal sütunlar içinde mühürlenmiş veya dış perde duvarına bağlı olarak çalıştırılabilir.
  • [FONT:0]Scalability and yoğunluk.[[Dönetici:0]Scalability and yoğunluk.[[Dönetici:0)) Çünkü her hasat bağımsızdır, sensör ağları yüksek yoğunlukta dağıtılabilir - binlerce düğüm - güç dağılımı konusunda endişe duymadan. Daha fazla veri noktası, yerelleştirilmiş hasar tespitinin daha erken tespitinin sağlanması anlamına gelir.
  • [FONT:0)Environmental sürdürülebilirlik.[DÜT:1] Üretime, gemiye, değiştirilmesine veya elden çıkarılmasına gerek yok. Büyük bir SHM sisteminin çevresel ayak izi dramatik bir şekilde azaltılır. Binadan enerji kullanımı, aksi takdirde ısı olarak dağıtılacak temiz, yenilenebilir bir kaynaktır.
  • [FONT:0]Döneklilik sırasındaki farklar.[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ:0)Geçmişler sırasındaki farklar; [Dönderler: 0,8|Döneticiler)))) Cihazın anas gücü bir deprem veya fırtına nedeniyle kaybedilmiş olsa bile, bu, sensörlerin yapıyı tehdit eden olaylar sırasında aktif kalmasını sağlar, kritik posta sonrası verileri adli analiz eder.
  • [FONT:0) Kablosuz iletişimle ilgili olarak kesintiye uğramak.[DÜDÜDÜ] Modern düşük güç kablosuz protokolleri (örneğin, LoRaWAN, Bluetooth Low Energy, Zigbee) sadece elektrik kabloları olarak kullanım gerektirir.Bir vibür üreten 1 mW ortalama güç, her 5-10 dakikayı okuyan bir sensöre destek olabilir ve verileri merkezi bir ağ geçidine iletir.

Mevcut Zorluklar ve Mühendislik Çözümleri

Onun sözüne rağmen, göksel sensörler için vibrasyon henüz bir eklenti ve oyun teknolojisi değildir. Birkaç teknik ve pratik engel kalır.

Enerji Yoğunluğu ve Güç Bütçesi

Ortam titreşim seviyeleri, yüksek katlı bir binanın tipik bir yerinde düşük - daha az 0.1 g (1 g = 1 Hz. A hasatçının üzerindeki frekanslarda 1 μW, bu koşullar altında sadece 10-100 μW üretebilir. Bu, düşük seviyeli bir sıcaklık veya nem sensörü için yeterlidir, ancak 1 kHz veya kameradaki daha fazla güçlendirici cihazlar için bu örneği gerektirir.

Frekans Mismatch ve Band Wide

En verimli hasatçılar dar bant resonant cihazlardır.Eğer binanın baskın titreşim frekansı değişiklikleri - yeniden ortaya çıkarmak için, kitle veya hatta mevsimsel sıcaklık değişimleri - hasat edilen ve çıktısı, ölçeklendirmeleri ile düşebilir.(örneğin, pozisyonlar arasındaki sabit ayarlar) ve DÖRTÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN

Kurulum ve Entegrasyon

Mevcut bir göklere hasat etmek, binanın çekirdeğine karşı en az hareket edebilir, üst katlar ve kantilemiş kenarlar boyunca, daha fazla kablo yönlendirmesi ile koordinasyon gerektirir. Binanın elektrik ve veri sistemlerine entegrasyon, mevcut altyapıya müdahale etmek için planlanmalıdır.Yeni inşaat için, beton dökme veya çelik ereksiyon sırasında hasat edenler için, beton dökmek için daha fazla koordinasyon gerektirir.

Durability ve Reliability

Bir hasat içinde herhangi bir hareketli parça veya vurgulanan bileşen yorgunluka tabidir. Piezoelektrik cantilevers, milyarlarca döngüden sonra düzgün tasarlanmamışsa, Elektronöresel bahar süspansiyonları bozulabilir. Termal bisiklet, nem ve UV maruziyeti daha fazla stres, cihazlar üzerinde sıkışıklık. Accelerated yaşam testleri ve hismetici mühürleme, veri kaybı anlamına gelen gerçek bir yapıda dağıtımdan önce kritiktir.

Araştırma yolları ve Gelişen Teknolojiler

Aktif araştırma, viscraper uygulamaları için birkaç umut verici vaat eden avenues ile viscraper elde edebileceklerinin sınırlarını zorluyor.

Nanomalzemeler ve Esnek Atıklar

Graphene, karbon nanotüpler ve lazoelektrik polimerleri (örneğin PVDF) ultra-tüzücüler, yüksek cephe alanlarının enerji kaynakları ile kaplı olması olasılığına sahip olan esnek hasatçılara sahip oldu.[0] Araştırmayı oku [Dönetici:0]

Hibrit Atıklar

Tek bir cihazda iki veya daha fazla transdüksiyon mekanizmasının toplanması genel verimliliği artırabilir. Örneğin, bir pastazoelektrikli tolektromantik hibrit her iki yüksek frekanslı ve düşük frekanslı bileşenlerden de enerji üretebilir. Çinli araştırmacılar 25 mW toplam tipik bina titreşimlerini teslim eden bir prototip inşa etti - sürekli olarak güç için.

Güç Optimizasyonu için Yapay Zeka

Makine öğrenme algoritmaları, hareket modellerini tahmin edebilir ve hasat parametrelerini gerçek zamanlı olarak uyarlayabilir. Rüzgar tahminlerini bilen bir sistem, gün boyunca rüzgar tahminlerini, zamanı ve son titreşim tarihini en yüksek enerji yakalamasını veya aktif ayarını en yüksek seviyeye kadar ayarlayabilir. MIT'de erken çalışma, bir takviye testi kullanarak% 40'ı göstermiştir.

Enerji betonarme betonu

Belki de en futuristik konsept, nano-mühendislik için doğrudan beton matrisine yerleştirilmiştir. Bina flexes olarak, betonun kendisi küçük bir gerilim yaratır. şu anda nano-mühendislik için çok düşük olsa da, bir gün tüm yapıyı büyük bir enerji toplayıcısına çevirebilir.

Gerçek Dünya Uygulamaları ve Pilot Projeler

Titreşimli sensörler zaten yüksek binalarda ve büyük altyapıda test ediliyor. Taipei 101 göklerce, 660 ton melodili kütle demper için ünlü, Taipei 101 çalışmasına yakın yerleştirilen elektromanyetik hasatçiler için test edildi).

Japonya'da Tokyu Land Corporation, 2019'da Tokyo'da 30 katlı bir binanın dış tarafında vitreus toplayıcıları kurdu. Binanın depremlere tepkisini izleyen cihazlar güç eğim sensörleri. Üç yıl sonra, tüm hasatçiler hala operasyonelydi ve veri kalitesi batarya destekli sensörlerle eşleşti.

Burj Khalifa'nın yönetimi, küçük bir SHM sistemi çalıştırmaya yönelik bir güç parçası olarak vibrasyona ilgi gösterdi.

Ahead: A Self-Powered Skyscraper

Nihai vizyon, dış enerji girişi olmadan kendisini izleyen bir gökseldir. Her sensör, sütunlarda çatıdaki hız ölçümlerden, binanın kendi hareketleriyle tamamen güçlendirilecektir. Data, yapısal sağlık ve planlamaları sürekli olarak değerlendiren merkezi bir AI'ya aktarılacaktır.

Bu vizyon bilim kurgusu değildir. Düşük güç elektroniklerinde hızlı ilerleme ile, verimli transdüksiyon malzemeleri ve akıllı enerji yönetimi, teknik parçalar yer içine düşüyor. Kalan zorluklar ekonomiktir - sadece yüksek ücretli olmayan binalara mal oluyor - ve düzenleyici - hasat edenler yangın ve sismik kodlarla tanıştırıyor.