eng
Выпуск #4/2016
И.Васильев, А.Чуприн
Разработка автономного пьезоэлектрического генератора тока для навигационной поддержки железнодорожного транспорта
Разработка автономного пьезоэлектрического генератора тока для навигационной поддержки железнодорожного транспорта
Просмотры: 4140
Исследованы параметры колебаний разных типов грузовых вагонов. Предложено несколько конструкций пьезогенераторов для эффективного преобразования механических колебаний в электроэнергию. На основе экспериментальных данных проведено сравнение разных типов и конструкций пьезогенераторов. Оценено количество энергии, необходимое для работы устройства приема-передачи информации. Полученные данные могут быть использованы для разработки пьезоэлектрического генератора тока, предназначенного для обеспечения автономным питанием грузовых вагонов и платформ.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.52.59
DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.52.59
Теги: energy conversion piezoelectric element piezoelectric energy harvester renewable energy возобновляемые источники энергии преобразование энергии пьезоэлектрический генератор тока пьезоэлемент
В целях оптимизации работы системы железнодорожного транспорта актуальна задача создания единой информационной системы, которая обеспечит следующие преимущества:
•реализацию в полном объеме функции автоматизированного контроля состава поездов, а также уменьшение штата сотрудников, контролирующих составы поездов;
•внедрение безбумажных информационных технологий;
•повышение достоверности и оперативности отчетности о состоянии вагонных и локомотивных парков;
•высокий уровень информационного сервиса во внутренних и транзитных международных перевозках.
Для этого необходимо оснастить каждую подвижную единицу железнодорожного транспорта набором датчиков, которые способны отслеживать ее параметры и отправлять полученные сведения в центр обработки данных. Основной проблемой при реализации такой идеи является отсутствие системы электропитания на грузовых вагонах. Применение электрических кабелей или гальванических элементов – сложное и дорогостоящее решение [1], поэтому одним из перспективных направлений является использование солнечной, ветряной, тепловой или механической энергии [2]. Основным критерием выбора системы, применяемой в качестве автономного источника энергии, является возможность работы в условиях эксплуатации железнодорожного транспорта. Несмотря на простую структуру солнечных элементов, для них характерно снижение накапливаемой энергии в темное время суток, а также деградация оптических характеристик при загрязнении поверхности элемента [3]. Термогенераторы имеют малые размеры и продолжительный срок эксплуатации, однако для их эффективной работы необходима большая разность температур [4]. Ветрогенератор преобразует энергию потока воздуха в электроэнергию, но при малых размерах турбины характеризуется сложностью конструкции и низкой производительностью [5]. Автономные генераторы тока на основе пьезоэлектрического эффекта отвечают прочностным требованиям и способны эффективно работать в широких диапазонах температур и влажности, а также выдерживать вибрации и механические удары, возникающие при движении поезда [6–9].
Для обеспечения максимально эффективного преобразования механической энергии вибраций целесообразно провести исследования колебаний грузовых вагонов и определить частотный диапазон с наибольшими значениями ускорений. Экспериментальное сравнение разных типов пьезогенераторов позволит сделать заключение о возможности создания автономного источника питания для обеспечения навигационной поддержки на железнодорожном транспорте.
Исследование параметров колебаний
грузовых вагонов
Исследования проводились на различных участках Московской железной дороги на следующих типах вагонов:
•вагон-цистерна на тележках модели 18-100. Данный тип был выбран как наиболее неблагоприятный с точки зрения динамического поведения, так как вагоны-цистерны имеют высокий центр тяжести;
•полувагон универсальный на тележках модели 18-9855. Данный тип вагона выбран как наиболее массовый вид подвижного состава. Универсальные полувагоны предназначены для перевозки большой номенклатуры грузов, не требующих защиты от атмосферных осадков: насыпных непылевидных, навалочных, штабельных и тарно-штучных.
Аппаратура, регистрирующая динамические показатели вагона, располагалась в вагоне-лаборатории опытного поезда, а аппаратура, регистрирующая показатели воздействия вагона на путь и стрелочные переводы, – в измерительных модулях, стационарно установленных вблизи измерительных участков пути.
Основным средством регистрации данных являлся тензометрический усилитель Spider-8 (HBM, Германия). Регистрация осуществлялась с помощью компьютера с установленным специализированным программным обеспечением для сбора и обработки данных. Для измерения ускорений использовались акселерометры типа В12/500 с диапазоном измерений ± 100g. Оцифровка велась с частотой 200 Гц и фильтром низких частот 20 Гц. Весь измерительно-регистрирующий комплекс был аттестован по принятой в РФ технологии и прошел поверку.
Как видно из рис.1, уровень вертикальных ускорений зависит от типа подвижного состава (конструкции и типа тележек), а также загруженности, причем у груженой цистерны уровень ускорений больше, чем у порожней, а у полувагона наоборот.
Минимальные вертикальные ускорения равны 0,015g на скорости 10 км/ч (соответствуют маневровой скорости), однако при проходе стрелочных переводов возникают одиночные выбросы ускорений, превышающие основной уровень в три раза и более.
На эксплуатационной скорости (80 км/ч) минимальные ускорения равны 0,054g, а максимальные – 0,22g. Одиночные всплески ускорений, возникающие от стыков и дефектов пути, могут достигать 0,8g и более.
Частоты колебаний лежат в пределах 1,5–18 Гц. Имеются частоты, напрямую зависящие от скорости движения (от взаимодействия колеса и рельса, колебания на рессорах), например, пиковая амплитуда при 60 км/ч находится на частоте около 5,6 Гц, а при 135 км/ч – на 12,1 Гц.
Анализ полученных данных позволяет сделать выводы, которые полностью подтверждают теоретические представления о колебательных процессах в системе "вагон – железнодорожное полотно":
•с увеличением скорости вагона увеличивается ускорение и частота колебаний;
•разница между груженым и порожним вагоном не является существенной, так как полная масса меняется не более чем в два раза.
Разработка и исследование пьезоэлектрического генератора тока
Исходя из параметров колебаний подвижного состава, были выбраны два типа пьезоэлементов, которые позволяют наиболее эффективно преобразовывать энергию механических колебаний в электрическую: балочный и мембранный. Для проведения экспериментальных исследований в качестве балочного образца использовался пьезоэлемент V25W фирмы Mide Technology, а в качестве мембранного – ПБ 100 × 0,51 (рис.2). Для подстройки собственной частоты под частоту вынуждающей силы на пьезоэлемент устанавливались дополнительные грузы разной массы. Выпрямление электрического сигнала с пьезоэлемента осуществлялось с помощью электронной схемы, представленной на рис.3.
Измерения проводились на электродинамической вибрационной установке V650 HPAK-CE. Чтобы обеспечить прогиб пьезоэлемента во время воздействия внешних вибраций, для каждого типа пьезоэлементов была изготовлена специальная оснастка.
Экспериментальные исследования балочного пьезогенератора проводились при параметрах внешнего воздействия, приведенных в таблице. Для ряда резисторов с электрическим сопротивлением из диапазона 10–1 000 кОм были измерены значения выходного напряжения и мощности пьезогенератора (рис.6).
Чтобы оценить возможность использования пьезогенератора в качестве автономного источника питания для обеспечения навигационной поддержки на железнодорожном транспорте, был проведен расчет количества энергии, необходимого для работы устройства приема-передачи данных, состоящего из GPS-модуля Jupiter SE868-AS и GSM/GPRS-модуля GL865-DUAL фирмы Telit. Предполагалось, что на каждом вагоне установлен пьезогенератор, состоящий из 100 балочных пьезоэлементов. Выходная мощность каждого пьезоэлемента, исходя из экспериментальных данных, принималась равной 3,5 мВт. Во время движения поезда ведется постоянное отслеживание местоположения вагона, а во время стоянки GPS-модуль находится в режиме периодического отслеживания (12 с – ожидание, 3 с – работа). Данные с вагона передаются в сервисный центр по
GSM/GPRS-каналу один раз в 5 мин при движении состава и один раз в 15 мин во время стоянки. Чтобы учесть возможные потери при преобразовании энергии с пьезоэлемента, а также зарядке и саморазряде аккумулятора, полезная доля энергии принималась равной 60% от изначально полученной с пьезоэлемента. В худшем случае, когда вагон находится в простое 80% времени, балочный пьезогенератор способен выработать 104% от количества энергии, необходимого для работы устройства приема-передачи данных.
Для увеличения выходной мощности балочного пьезогенератора предложена конструкция, которая позволяет регистрировать не только вертикальные, но и горизонтальные колебания вагона. Для этого пьезоэлементы располагаются на специальном держателе в трех пространственных измерениях (рис.4). Дополнительной особенностью такого расположения является более плотная компоновка и, как следствие, увеличение плотности мощности пьезогенератора.
Параметры внешнего воздействия при проведении экспериментальных исследований мембранного пьезоэлемента приведены в таблице. Для уменьшения изначально высокой собственной частоты пьезоэлемента (500 Гц) использовалась конструкция, представленная на рис.5. Наличие пружины между пьезоэлементом и грузом позволяет значительно снизить собственную частоту всей системы в зависимости от коэффициента жесткости и геометрических размеров пружины. Кроме того, такая конструкция позволяет регистрировать как вертикальные, так и горизонтальные механические колебания. Результаты измерений для разных пружин представлены на рис.6. Для сравнения были проведены измерения пьезоэлемента с грузом без пружины. Как видно из графиков, выходная мощность мембранного пьезогенератора увеличивается при использовании пружин с малым коэффициентом жесткости (пружины № 1, 2), и, по мере увеличения жесткости (пружины № 3, 4), уменьшается до значения, получаемого в случае отсутствия пружины.
Малые значения выходной мощности мембранного пьезогенератора относительно балочного обусловлены особенностями первого. Для достижения больших значений выходной мощности необходимо изготовить пьезоэлемент с менее жестким металлическим основанием и двумя слоями пьезокерамики. Однако полученные данные позволяют качественно сравнивать эффективность разных конструкций пьезогенераторов.
Заключение
В статье изложены основные этапы разработки пьезоэлектрического генератора тока, предназначенного для обеспечения автономным электропитанием грузовых вагонов и платформ с целью навигационной поддержки железнодорожной инфраструктуры. Проведено исследование параметров колебаний разных типов грузовых вагонов, на основе которого определены частотный диапазон и характерные значения ускорений. Исходя из полученных данных рассмотрены наиболее подходящие типы пьезоэлементов и предложены конструкции пьезогенераторов на их основе. Экспериментальные исследования пьезогенераторов показывают возможность накопления достаточного количества электроэнергии для определения местоположения железнодорожного транспорта и передачи информации в сервисный центр.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.579.21.0086 от 21.11.2014 г.)
ЛИТЕРАТУРА
1.Grudén M. et al. Field operational testing for safety improvement of freight trains using wireless monitoring by sensor network // IET Wirel. Sens. Syst. 2014. Vol. 4, N 2. Р. 54–60.
2.Tuna G., Gungor V.C. Energy harvesting and battery technologies for powering wireless sensor networks // Industrial Wireless Sensor Networks. WP, 2016. Cp. 2. Р. 25–38.
3.Win K.K. et al. Efficient Solar Energy Harvester for Wireless Sensor Nodes // IEEE Int. Conf. Communication Systems (ICCS) (Singapore, 17–19 Nov, 2010). 2010. Р. 289–294.
4.Vullers R. et al. Energy Harvesting for Autonomous Wireless Sensor Network // IEEE Solid-State Circuits Mag. 2010. Vol. 2. Р. 29–38.
5.Akaydin H.D., Elvin N., Andreopoulos Y. Energy Harvesting from Highly Unsteady Fluid Flows Using Piezoelectric Materials // J. of Intell. Mater. Syst. Struct. 2010. Vol. 21, N 13. Р. 1263–78.
6.Zuo L., Tang X. Large-scale vibration energy harvesting // J. of Intell. Mater. Syst. Struct. 2013. Vol. 24, № 11. Р. 1405–1430.
7.Gatti G. Harvesting energy from the vibration of a passing train using a single-degree-of-freedom oscillator // Mechanical Systems and Signal Processing. 2016. Vol. 66–67. Р. 785–92.
8.Wischke M. et al. Vibration harvesting in traffic tunnels to power wireless sensor nodes // Smart Mater. Struct. 2011. Vol. 20. Р. 085014.
9.Song D. et al. Piezoelectric energy harvesting system for the vertical vibration of superconducting Maglev train // J Electroceram. 2013. Vol. 31,
N 1–2. Р. 35–41.
•реализацию в полном объеме функции автоматизированного контроля состава поездов, а также уменьшение штата сотрудников, контролирующих составы поездов;
•внедрение безбумажных информационных технологий;
•повышение достоверности и оперативности отчетности о состоянии вагонных и локомотивных парков;
•высокий уровень информационного сервиса во внутренних и транзитных международных перевозках.
Для этого необходимо оснастить каждую подвижную единицу железнодорожного транспорта набором датчиков, которые способны отслеживать ее параметры и отправлять полученные сведения в центр обработки данных. Основной проблемой при реализации такой идеи является отсутствие системы электропитания на грузовых вагонах. Применение электрических кабелей или гальванических элементов – сложное и дорогостоящее решение [1], поэтому одним из перспективных направлений является использование солнечной, ветряной, тепловой или механической энергии [2]. Основным критерием выбора системы, применяемой в качестве автономного источника энергии, является возможность работы в условиях эксплуатации железнодорожного транспорта. Несмотря на простую структуру солнечных элементов, для них характерно снижение накапливаемой энергии в темное время суток, а также деградация оптических характеристик при загрязнении поверхности элемента [3]. Термогенераторы имеют малые размеры и продолжительный срок эксплуатации, однако для их эффективной работы необходима большая разность температур [4]. Ветрогенератор преобразует энергию потока воздуха в электроэнергию, но при малых размерах турбины характеризуется сложностью конструкции и низкой производительностью [5]. Автономные генераторы тока на основе пьезоэлектрического эффекта отвечают прочностным требованиям и способны эффективно работать в широких диапазонах температур и влажности, а также выдерживать вибрации и механические удары, возникающие при движении поезда [6–9].
Для обеспечения максимально эффективного преобразования механической энергии вибраций целесообразно провести исследования колебаний грузовых вагонов и определить частотный диапазон с наибольшими значениями ускорений. Экспериментальное сравнение разных типов пьезогенераторов позволит сделать заключение о возможности создания автономного источника питания для обеспечения навигационной поддержки на железнодорожном транспорте.
Исследование параметров колебаний
грузовых вагонов
Исследования проводились на различных участках Московской железной дороги на следующих типах вагонов:
•вагон-цистерна на тележках модели 18-100. Данный тип был выбран как наиболее неблагоприятный с точки зрения динамического поведения, так как вагоны-цистерны имеют высокий центр тяжести;
•полувагон универсальный на тележках модели 18-9855. Данный тип вагона выбран как наиболее массовый вид подвижного состава. Универсальные полувагоны предназначены для перевозки большой номенклатуры грузов, не требующих защиты от атмосферных осадков: насыпных непылевидных, навалочных, штабельных и тарно-штучных.
Аппаратура, регистрирующая динамические показатели вагона, располагалась в вагоне-лаборатории опытного поезда, а аппаратура, регистрирующая показатели воздействия вагона на путь и стрелочные переводы, – в измерительных модулях, стационарно установленных вблизи измерительных участков пути.
Основным средством регистрации данных являлся тензометрический усилитель Spider-8 (HBM, Германия). Регистрация осуществлялась с помощью компьютера с установленным специализированным программным обеспечением для сбора и обработки данных. Для измерения ускорений использовались акселерометры типа В12/500 с диапазоном измерений ± 100g. Оцифровка велась с частотой 200 Гц и фильтром низких частот 20 Гц. Весь измерительно-регистрирующий комплекс был аттестован по принятой в РФ технологии и прошел поверку.
Как видно из рис.1, уровень вертикальных ускорений зависит от типа подвижного состава (конструкции и типа тележек), а также загруженности, причем у груженой цистерны уровень ускорений больше, чем у порожней, а у полувагона наоборот.
Минимальные вертикальные ускорения равны 0,015g на скорости 10 км/ч (соответствуют маневровой скорости), однако при проходе стрелочных переводов возникают одиночные выбросы ускорений, превышающие основной уровень в три раза и более.
На эксплуатационной скорости (80 км/ч) минимальные ускорения равны 0,054g, а максимальные – 0,22g. Одиночные всплески ускорений, возникающие от стыков и дефектов пути, могут достигать 0,8g и более.
Частоты колебаний лежат в пределах 1,5–18 Гц. Имеются частоты, напрямую зависящие от скорости движения (от взаимодействия колеса и рельса, колебания на рессорах), например, пиковая амплитуда при 60 км/ч находится на частоте около 5,6 Гц, а при 135 км/ч – на 12,1 Гц.
Анализ полученных данных позволяет сделать выводы, которые полностью подтверждают теоретические представления о колебательных процессах в системе "вагон – железнодорожное полотно":
•с увеличением скорости вагона увеличивается ускорение и частота колебаний;
•разница между груженым и порожним вагоном не является существенной, так как полная масса меняется не более чем в два раза.
Разработка и исследование пьезоэлектрического генератора тока
Исходя из параметров колебаний подвижного состава, были выбраны два типа пьезоэлементов, которые позволяют наиболее эффективно преобразовывать энергию механических колебаний в электрическую: балочный и мембранный. Для проведения экспериментальных исследований в качестве балочного образца использовался пьезоэлемент V25W фирмы Mide Technology, а в качестве мембранного – ПБ 100 × 0,51 (рис.2). Для подстройки собственной частоты под частоту вынуждающей силы на пьезоэлемент устанавливались дополнительные грузы разной массы. Выпрямление электрического сигнала с пьезоэлемента осуществлялось с помощью электронной схемы, представленной на рис.3.
Измерения проводились на электродинамической вибрационной установке V650 HPAK-CE. Чтобы обеспечить прогиб пьезоэлемента во время воздействия внешних вибраций, для каждого типа пьезоэлементов была изготовлена специальная оснастка.
Экспериментальные исследования балочного пьезогенератора проводились при параметрах внешнего воздействия, приведенных в таблице. Для ряда резисторов с электрическим сопротивлением из диапазона 10–1 000 кОм были измерены значения выходного напряжения и мощности пьезогенератора (рис.6).
Чтобы оценить возможность использования пьезогенератора в качестве автономного источника питания для обеспечения навигационной поддержки на железнодорожном транспорте, был проведен расчет количества энергии, необходимого для работы устройства приема-передачи данных, состоящего из GPS-модуля Jupiter SE868-AS и GSM/GPRS-модуля GL865-DUAL фирмы Telit. Предполагалось, что на каждом вагоне установлен пьезогенератор, состоящий из 100 балочных пьезоэлементов. Выходная мощность каждого пьезоэлемента, исходя из экспериментальных данных, принималась равной 3,5 мВт. Во время движения поезда ведется постоянное отслеживание местоположения вагона, а во время стоянки GPS-модуль находится в режиме периодического отслеживания (12 с – ожидание, 3 с – работа). Данные с вагона передаются в сервисный центр по
GSM/GPRS-каналу один раз в 5 мин при движении состава и один раз в 15 мин во время стоянки. Чтобы учесть возможные потери при преобразовании энергии с пьезоэлемента, а также зарядке и саморазряде аккумулятора, полезная доля энергии принималась равной 60% от изначально полученной с пьезоэлемента. В худшем случае, когда вагон находится в простое 80% времени, балочный пьезогенератор способен выработать 104% от количества энергии, необходимого для работы устройства приема-передачи данных.
Для увеличения выходной мощности балочного пьезогенератора предложена конструкция, которая позволяет регистрировать не только вертикальные, но и горизонтальные колебания вагона. Для этого пьезоэлементы располагаются на специальном держателе в трех пространственных измерениях (рис.4). Дополнительной особенностью такого расположения является более плотная компоновка и, как следствие, увеличение плотности мощности пьезогенератора.
Параметры внешнего воздействия при проведении экспериментальных исследований мембранного пьезоэлемента приведены в таблице. Для уменьшения изначально высокой собственной частоты пьезоэлемента (500 Гц) использовалась конструкция, представленная на рис.5. Наличие пружины между пьезоэлементом и грузом позволяет значительно снизить собственную частоту всей системы в зависимости от коэффициента жесткости и геометрических размеров пружины. Кроме того, такая конструкция позволяет регистрировать как вертикальные, так и горизонтальные механические колебания. Результаты измерений для разных пружин представлены на рис.6. Для сравнения были проведены измерения пьезоэлемента с грузом без пружины. Как видно из графиков, выходная мощность мембранного пьезогенератора увеличивается при использовании пружин с малым коэффициентом жесткости (пружины № 1, 2), и, по мере увеличения жесткости (пружины № 3, 4), уменьшается до значения, получаемого в случае отсутствия пружины.
Малые значения выходной мощности мембранного пьезогенератора относительно балочного обусловлены особенностями первого. Для достижения больших значений выходной мощности необходимо изготовить пьезоэлемент с менее жестким металлическим основанием и двумя слоями пьезокерамики. Однако полученные данные позволяют качественно сравнивать эффективность разных конструкций пьезогенераторов.
Заключение
В статье изложены основные этапы разработки пьезоэлектрического генератора тока, предназначенного для обеспечения автономным электропитанием грузовых вагонов и платформ с целью навигационной поддержки железнодорожной инфраструктуры. Проведено исследование параметров колебаний разных типов грузовых вагонов, на основе которого определены частотный диапазон и характерные значения ускорений. Исходя из полученных данных рассмотрены наиболее подходящие типы пьезоэлементов и предложены конструкции пьезогенераторов на их основе. Экспериментальные исследования пьезогенераторов показывают возможность накопления достаточного количества электроэнергии для определения местоположения железнодорожного транспорта и передачи информации в сервисный центр.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.579.21.0086 от 21.11.2014 г.)
ЛИТЕРАТУРА
1.Grudén M. et al. Field operational testing for safety improvement of freight trains using wireless monitoring by sensor network // IET Wirel. Sens. Syst. 2014. Vol. 4, N 2. Р. 54–60.
2.Tuna G., Gungor V.C. Energy harvesting and battery technologies for powering wireless sensor networks // Industrial Wireless Sensor Networks. WP, 2016. Cp. 2. Р. 25–38.
3.Win K.K. et al. Efficient Solar Energy Harvester for Wireless Sensor Nodes // IEEE Int. Conf. Communication Systems (ICCS) (Singapore, 17–19 Nov, 2010). 2010. Р. 289–294.
4.Vullers R. et al. Energy Harvesting for Autonomous Wireless Sensor Network // IEEE Solid-State Circuits Mag. 2010. Vol. 2. Р. 29–38.
5.Akaydin H.D., Elvin N., Andreopoulos Y. Energy Harvesting from Highly Unsteady Fluid Flows Using Piezoelectric Materials // J. of Intell. Mater. Syst. Struct. 2010. Vol. 21, N 13. Р. 1263–78.
6.Zuo L., Tang X. Large-scale vibration energy harvesting // J. of Intell. Mater. Syst. Struct. 2013. Vol. 24, № 11. Р. 1405–1430.
7.Gatti G. Harvesting energy from the vibration of a passing train using a single-degree-of-freedom oscillator // Mechanical Systems and Signal Processing. 2016. Vol. 66–67. Р. 785–92.
8.Wischke M. et al. Vibration harvesting in traffic tunnels to power wireless sensor nodes // Smart Mater. Struct. 2011. Vol. 20. Р. 085014.
9.Song D. et al. Piezoelectric energy harvesting system for the vertical vibration of superconducting Maglev train // J Electroceram. 2013. Vol. 31,
N 1–2. Р. 35–41.
Отзывы читателей
