An investigation into harvesting energy from sleeper vibration due to a passing train

Abstract

The advances in microelectromechanical systems to power supply devices for monitoring the structural integrity, mainly for applications in remote areas or with difficult access, have made energy harvesting from ambient vibration a highly researched topic. Although several electromechanical mechanisms have been proposed for applications in a variety of fields, harvesting energy from railway track vibrations is relatively new, and only a small amount of research is ongoing in this topic. This thesis aims to determine the factors that govern the sleeper vertical vibration induced by a passing train, develop a methodology to emulate this vibration in a laboratory-based system and to derive a model of a load resistance attached to a linear electromagnetic transducer to determine the optimum energy harvested. The study shows the importance of knowing the vibration behaviour of the sleeper in order to tune the energy harvester to the correct excitation frequency. A comparison between piezoelectric and electromagnetic transducers is performed using a two-port network model to determine which transducer performs better for low frequency vibration. To emulate sleeper vibration due to a passing train using an electrodynamic shaker, a compensator filter is designed to remove the system dynamics. An analytical investigation into the energy dissipated by a load resistance attached to an electromagnetic transducer when subject to a time-limited base excitation, which may include the transient and steady-state responses, is carried out and compared with numerical analysis. This is validated with an experimental test in the laboratory-based system. This work has shown that in order to harvest the maximum energy from the vibrating source, the electromagnetic transducer must operate in the transient regime and its natural frequency should be tuned to the frequency with the largest acceleration amplitude. This was found to be achieved only using an ideal transducer. When the device is operating in a regime which may include or be only the steady-state, due to the internal coil resistance or, mainly, due to the mechanical damping, the transducer may perform better when the natural frequency is tuned to the frequency with the largest velocity amplitude. For the case studied in this work, from the sleeper vertical vibration induced due to the passage of an Inter-city train travelling at Steventon site, the 3rd trainload frequency has the largest velocity amplitude and the 7th trainload frequency has the largest acceleration amplitude.

Avanços em sistemas micro eletromecânico para fornecer energia à dispositivos para monitoramento de integridade estrutural, principalmente para aplicações em áreas remotas ou de difícil acesso, fez de extração de energia a partir de vibrações contidas no ambiente um tópico de pesquisa em destaque. Apesar de que diversos mecanismos eletromecânicos já foram propostos em uma variedade de aplicações, extração de energia à partir de vibrações em linhas férreas é, relativamente, novo e somente algumas pesquisas estão sendo realizadas sobre esse tópico. Esta Tese busca determinar os fatores que governam a vibração vertical do dormente induzida devido a passagem de um trem, desenvolver uma metodologia para emular esta vibração em um sistema em laboratório e derivar um modelo para um transdutor linear eletromagnético com uma carga resistiva acoplada. O estudo mostrou a importância de conhecer o comportamento vibracional do dormente de modo a sintonizar o extrator de energia com a frequência correta de excitação. Uma comparação entre transdutores piezoelétrico e eletromagnético é realizado utilizando um modelo quadripolo para determinar qual transdutor tem um melhor desempenho para vibrações em baixa frequência. Para emular a vibração do dormente devido a passagem de um trem em um agitador eletrodinâmico, um filtro compensador é projetado para remover a dinâmica do sistema. Uma investigação analítica da energia dissipada pela carga resistiva acoplada à um transdutor eletromagnético quando sujeito a excitação na base de tempo limitado, no qual possa incluir as respostas transiente e permanentes, é realizada e comparada com a análise numérica. Isso é validado com um experimento em um sistema em laboratório. Neste trabalho foi mostrado que para extrair à máxima energia de uma fonte de vibração, o transdutor eletromagnético deve operar no regime permanente e a sua frequência natural deve ser sintonizada com a frequência com a maior amplitude de aceleração. Foi mostrado que isso só ocorreria se um transdutor ideal fosse utilizado. Quando o dispositivo opera em um regime que possa incluir ou ser somente o regime estacionário, devido aos efeitos da resistência interna da bobina ou, principalmente, devido ao fator de amortecimento mecânico, o transdutor possa operar melhor quando sua frequência natural fosse sintonizada com a frequência com a maior amplitude de velocidade. Para o caso estudado neste trabalho, a partir da vibração vertical do dormente induzida devido a passagem de um Inter-city 125 viajando em Steventon, a 3ª frequência de carga do trem possui a maior amplitude de velocidade e a 7ª frequência de carga do trem possui a maior amplitude de aceleração.