THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM CÁC GIẢI PHÁP THU THẬP
NĂNG LƢỢNG CHO THIẾT BỊ ĐEO TAY CÓ TRUYỀN DẪN
KHÔNG DÂY DIỆN RỘNG LoRa
Học viên: Trƣơng Hoài Nam Sơn. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.
Mã số: 60520216. Khóa: 33PFIEV. Trƣờng Đại học Bách khoa-ĐHĐN.
Tóm tắt- Tại Pháp, một số nhà cung cấp dịch vụ mạng đã bắt đầu triển khai một mạng lƣới LoRa
cho thị trƣờng IoT. Trong khuôn khổ này, mục tiêu của dự án này là tạo ra một nguyên mẫu của
một thiết bị có thể đeo để giám sát ngƣời cao tuổi trong các hoạt động hàng ngày của họ dựa trên
công nghệ Internet-of-Things (IoT). Thiết bị này sẽ cho phép lai hợp vị trí (ngoài trời và trong nhà),
phù hợp cho ngƣời cao tuổi ở trong trƣờng hợp khẩn cấp (ví dụ: trƣờng hợp điển hình của một
ngƣời già bị bệnh Alzheimer bị lạc trong thành phố). Bộ định vị toàn cầu (GPS), mô đun WiFi và
Bluetooth, tất cả sẽ đƣợc bao gồm trong một thiết bị đeo duy nhất, đƣợc thiết kế cho ngƣời cao tuổi
sử dụng và để giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng. Việc sử dụng các hệ thống thu thập năng lƣợng khác
nhau (máy phát điện nhiệt, cơ hoặc pin năng lƣợng mặt trời) để mở rộng sự tự chủ của thiết bị. Tác
giả đã nghiên cứu các giải pháp thu thập năng lƣợng để kéo dài tuổi thọ pin của thiết bị. Một vài kỹ
thuật thu hoạch sẽ đƣợc đánh giá và kết hợp.
Từ khóa – thu thập năng lƣợng, năng lƣợng mặt trời, piezoelectric, năng lƣợng nhiệt điên, quản lý
năng lƣợng
ENERGY HARVESTING FOR A WEARABLE IOT DEVICE USING LORA
TECHNOLOGY
Abstract- In France, several network providers have started to deploy a LoRa network for IoT
market. In this framework, the objective of this project is the creation of a prototype of a wearable
device enabling the monitoring of elderly people during their everyday activities based on Internetof-Things (IoT) technologies. The device will enable hybrid (outdoor and indoor) localization,
allowing elderly people to be located in case of emergency (e.g. typical case of an old person
suffering of Alzheimer’s disease who gets lost in town). Localization will be based on the smart
use of a variety of data sources, such Global Positioning System (GPS) receiver, WiFi and
Bluetooth modules, which will be all included in a single wearable device, designed for use by
elderly people and to minimize energy consumption. The use of various energy harvesting systems
(thermo-electric generator, mechanical or solar cell) to extend the device autonomy. The author
were dedicated to the study of energy harvesting solution to extend the device battery life. Several
harvesting techniques will be evaluated and combined.
Key words – energy harvesting, photovoltaic, piezoelectric, thermoelectric, power management
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu........................................................................ 1
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... 1
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................. 2
6. Tổng quan các nghiên cứu về nghiên cứu thu thập năng lƣợng ............................ 2
7. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 2
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG LƢỢNG ................................ 3
1.1. Năng lƣợng là gì?.................................................................................................. 3
1.2. Tại sao cần thu thập năng lƣợng? .......................................................................... 3
1.3. Các nguồn năng lƣợng sẵn có thƣờng đƣợc khai thác cho thu thập năng lƣợng ..... 4
CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THU THẬP NĂNG LƢỢNG ....................... 7
2.1. Thu thập năng lƣợng mặt trời ................................................................................ 7
2.1.1. Đặc tính của pin mặt trời ................................................................................ 8
2.1.2. Đặc tính của Mô đun ...................................................................................... 9
2.1.3. Hệ thống quang điện .................................................................................... 10
2.1.4. Bộ Điều khiển sạc ........................................................................................ 11
2.1.5. Bộ chuyển đổi DC-DC và điểm công suất cực đại (MPTT) .......................... 12
2.2. Thu thập năng lƣợng rung động .......................................................................... 13
2.2.1. Vật liệu ........................................................................................................ 14
2.2.2. Mô hình ....................................................................................................... 14
2.3. Thu thập năng lƣợng nhiệt điện ........................................................................... 16
2.3.1. Hiệu ứng Seebeck ........................................................................................ 17
2.3.2. Máy phát nhiệt điện ..................................................................................... 17
2.3.3. Vật liệu ........................................................................................................ 19
CHƢƠNG 3. QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG .............................................................. 21
3.1. Quản lý năng lƣợng............................................................................................. 21
3.2. Hệ thống lƣu trữ.................................................................................................. 23
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM CHO THIẾT BỊ ĐEO TAY CÓ
TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY DIỆN RỘNG LoRa .............................................. 25
4.1. Đo năng lƣợng tiêu thụ của thiết bị đeo tay ......................................................... 26
4.2. Cấu trúc hệ thống thu thập năng lƣợng ................................................................ 27
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 44
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TEG
Thermoelectric Generator
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
Tên bảng
bảng
Trang
1.1.
Nguồn năng lƣợng thu thập chính
5
1.2.
Nguồn rung động
6
2.1.
Mật độ năng lƣợng của các công nghệ thu hoạch năng lƣợng
khác nhau
7
4.1.
Ngƣỡng điện áp ra khi sử dụng chân VS1 và VS2
30
4.2.
Bảng ngƣỡng điện áp ra khi sử dụng D0,D1
38
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
Tên hình
hình
Trang
1.1.
Tổng quan hệ thống thu thập năng lƣợng
4
1.2.
Tải điển hình
5
(a) Biểu đồ thể hiện đặc tính I-V của một tế bào năng lƣợng mặt
trời lý tƣởng trong bóng tối (tối hơn, đƣờng cong phía trên) và dƣới
2.1.
ánh sáng (nhẹ, đƣờng cong dƣới). Các yếu tố điền là tỷ lệ của các
khu vực của hình chữ nhật. (b) Mạch tƣơng đƣơng cho một pin mặt
8
trời lý tƣởng, bao gồm một nguồn dòng IL và một diode qua đó một
ID dòng thông. Dòng điện còn lại, I, chạy qua tải.
2.2.
Thiết kế của một pin năng lƣợng mặt trời silicon đơn tinh thể
10
2.3.
Kết nối các pin thành một mô đun
10
2.4.
(a) Chuyển mạch nối tiếp và (b) Bộ điều chỉnh chuyển mạch shunt
12
2.5.
(a) Buck và (b) Boost DC-DC
13
2.6.
Bố cục chung của vật liệu piezoelectric
14
2.7.
Bố cục chung của dao động piezoelectric
16
2.8.
Bố cục chung của dao động piezoelectric với cƣỡng bức cơ bản
16
2.9.
Hiệu ứng Seebeck: điện áp tạo ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ trên
các điểm nối
17
2.10.
Bố trí chung của cặp nhiệt điện
18
2.11.
Máy phát nhiệt điện
18
3.1.
Sơ đồ khối của vi điều khiển công suất thấp
23
3.2.
Dạng tiêu thụ dòng điện điển hình cho một bộ thu phát không dây
23
4.1.
Sơ đồ cấu trúc của ứng dụng
25
4.2.
Năng lƣợng tiêu thụ tại chế độ hoạt động
26
4.3.
Năng lƣợng tiêu thụ tại chế độ ngủ
26
4.4.
Cấu trúc đơn
27
4.5.
Cấu trúc kép
28
Các khối chính của LTC3108 với mạch điều khiển sạc và hai
4.6.
MOSFET bên trong cung cấp luồng năng lƣợng kép: khi có năng
lƣợng thu thập (VIN ≥ 20mV), COUT đƣợc nạp vào điện áp điều
chỉnh (1) trƣớc khi CSTORE đƣợc sạc (2). Khi không có năng lƣợng
thu hoạch đƣợc nữa, COUT đƣợc tính bằng CSTORE (3).
29
Số hiệu
Tên hình
hình
4.7.
4.8.
4.9.
Bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện (TEG)
Điện áp thu thập nhiệt điện TEG (40mmx40mm) thông qua nhiệt
độ cơ thể với môi trƣờng xung quanh V=147 mV, I=38 uA
Sơ đồ nguyên lý mạch thu năng lƣợng nhiệt điện
Trang
31
31
32
Kết quả thu thập năng lƣợng nhiệt điện dựa trên chênh lệch nhiệt
4.10.
độ giữa cơ thể con ngƣời và môi trƣờng xung quanh không kết
32
nối tải.
4.11.
Thu năng lƣợng TEG tạo VOUT =3.3V không kết nối tải.
33
4.12.
Tấm pin mặt trời
33
4.13.
Sơ đồ nguyên lý thu năng lƣợng mặt trời.
34
4.14.
Kết quả thu năng lƣợng mặt trời tạo VOUT=3.3V và sạc tụ 680uF
16V không kết nối tải
34
4.15.
Thu thập năng lƣợng mặt trời để cung cấp cho thiết bị IoT sử
dụng công nghệ truyền không dây diện rộng LoRa
35
Các khối chính của LTC3588 với mạch điều khiển BUCK và hai
4.16.
MOSFET bên trong để tăng hiệu quả cung cấp năng lƣợng cho tụ
điện đầu ra.
36
4.17.
Mối quan hệ điện áp giữa VIN, VIN2, VCAP
37
4.18.
Bộ chuyển đổi Piezoelectric
39
4.19.
Điện áp thu thập từ modul piezo dựa trên lực nhấn làm biến dạng
vật thể
40
4.20.
Sơ đồ nguyên lý thu năng lƣợng Piezoelectric
40
4.21.
Điện áp đo tại chân VIN của LTC3588.
41
4.22.
Sơ đồ nguyên lý thu năng lƣợng Piezo tạo điện áp VOUT=3.3V
42
4.23.
Thu thập năng lƣợng Piezoelectric tạo VOUT=3.3V không kết nối
tải
42
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Để giảm bớt sự phụ thuộc vào pin của thiết bị điện tử đeo tay. Con ngƣời đã
tiến hành khai thác thêm các nguồn năng lƣợng có sẵn nhƣ: năng lƣợng mặt trời, năng
lƣợng của các rung động (vibration), năng lƣợng nhiệt...v.v.. Kỹ thuật truyền thông
không dây LoRa với năng lƣợng tiêu thụ thấp, kết hợp với việc thu thập năng lƣợng từ
môi trƣờng xung quanh cho thiết bị sử dụng LoRa hiện nay đang rất phát triển.
Thu thập năng lƣợng có sẵn trong môi trƣờng xung quanh có khả năng cung cấp
năng lƣợng cho các thiết bị sử dụng năng lƣợng thấp, ví dụ nhƣ các thiết bị đeo tay
(wearable devices), giúp cho các thiết bị điện tử đeo tay tự chủ hơn, tự cung cấp năng
lƣợng hoặc kéo dài tuổi thọ của pin.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các thiết bị chuyển đổi năng lƣợng phổ biến
(từ quang năng, nhiệt năng, năng lƣợng từ rung động), quản lý năng lƣợng thu thập
đƣợc, lƣu trữ năng lƣợng. Từ đó tạo ra một nguồn cung cấp năng lƣợng cho thiết bị
điện tử hoặc sạc cho pin, siêu tụ, nhằm tang tính ổn định và hiệu quả kinh tế.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu:
- Pin năng lƣợng mặt trời
- Thiết bị tạo năng lƣợng theo hiệu ứng nhiệt điện (hiệu ứng Seebeck)
- Năng lƣợng cơ, piezoelectric
- Sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng để cung cấp năng lƣợng cho thiết bị
điện tử đeo tay
- Sử dụng công nghệ truyền dẫn diện rộng LoRa để truyền thông tiêu thụ năng
lƣợng thấp
Phạm vi nghiên cứu:
- Do hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập trung vào việc nghiên
cứu thu thập năng lƣợng riêng lẻ tạo năng lƣợng đầu ra theo yêu cầu của thiết
bị.
- Đồng thời tập trung vào các thiết bị sử dụng năng lƣợng thấp
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Khảo sát, phân tích tổng hợp
Thiết kế mạch nguyên lý
Đánh giá kết quả dựa trên thực tế
2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Các vật liệu tạo năng lƣợng nhờ mặt trời, cơ, nhiệt độ
Việc thu thập năng lƣợng sẵn có giúp cho công nghệ năng lƣợng phát triển và
tính tự động của thiết bị điện tử cao
Quản lý năng lƣợng và lƣu trữ năng lƣợng của thiết bị điện tử
Truyền thông công nghệ LoRa tiêu thụ năng lƣợng thấp
Ý nghĩa thực tiễn:
Sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng có thể kéo dài tuổi thọ của pin hoặc ít
phụ thuộc vào pin
Các công nghệ kỹ thuật năng lƣợng thấp ít tiêu tốn năng lƣợng
6. Tổng quan các nghiên cứu về nghiên cứu thu thập năng lƣợng
Trƣớc đây đã có nhiều nghiên cứu về thu thập năng lƣợng các năng lƣợng có
sẵn trong môi trƣờng xung quanh. Chƣa có nghiên cứu nào ứng dụng cho thiết
bị IoT đeo tay sử dụng công nghệ truyền dẫn không dây diện rộng LoRa. Các
nghiên cứu đó điển hình nhƣ:
Năm 2012, S. Bandyopadhyay và A. P. Chandrakasan: kiến trúc nền tảng
cho năng lƣợng mặt trời, nhiệt, rung, kết hợp với MPPT và cuộn cảm đơn.
Năm 2015, L.T Nhan A. Pegatoquet, thiết kế năng lƣợng cho các mạng
cảm biến không dây tự động hóa dựa trên siêu tụ điện.
Ngoài ra còn khá nhiều các nghiên cứu về thu thập năng lƣợng và quản lý năng
lƣợng đƣợc giới thiệu trong phần tài liệu tham khảo.
7. Cấu trúc luận văn
Mở đầu
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG LƢỢNG
Giới thiệu tổng quan về thu thập năng lƣợng
Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THU THẬP NĂNG LƢỢNG
Thu thập năng lƣợng mặt trời, rung động, nhiệt điện
Chƣơng 3: QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG
Quản lý năng lƣợng và hệ thống lƣu trữ
Chƣơng 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM CHO THIẾT BỊ ĐEO TAY
CÓ TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY DIỆN RỘNG LoRa
Thiết kế thu thập năng lƣợng
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
3
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG LƢỢNG
1.1. Năng lƣợng là gì?
Năng lƣợng là khả năng làm thay đổi trạng thái hoặc thực hiện công năng lên
một hệ vật chất, là khái niệm quan trọng trong vật lý. Có nhiều dạng năng lƣợng nhƣ:
động năng làm dịch chuyển vật thể, nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của vật thể.
Trong tự nhiên, có nhiều kiểu năng lƣợng khác nhau: điển hình nhất là năng
lƣợng mặt trời và tất cả những nguồn năng lƣợng đó đến từ vũ trụ dƣới dạng tia vũ trụ,
tia X, sóng hấp dẫn, vật chất tối, v.v… Năng lƣợng xung quanh là nguồn năng lƣợng
tự nhiên nhƣ ánh sáng mặt trời, gió, mƣa, thủy triều, nhiệt địa.
Thu thập năng lƣợng là quá trình mà năng lƣợng có nguồn gốc từ các nguồn
bên ngoài (còn đƣợc gọi là năng lƣợng môi trƣờng xung quanh) đƣợc thu thập và lƣu
trữ cho các thiết bị tự động không dây, nhỏ, giống nhƣ những thiết bị điện tử dùng để
đeo đƣợc và mạng cảm biến không dây.
Ví dụ điển hình của các nguồn môi trƣờng là ánh sáng mặt trời và bất kỳ nguồn
nhân tạo nhƣ rung động hoặc nhiệt từ động cơ hoặc cơ thể ngƣời. Các bộ chuyển đổi
năng lƣợng nhƣ pin mặt trời, máy phát điện nhiệt và piezoelectric chuyển năng lƣợng
này thành năng lƣợng điện. Mục tiêu của mỗi hệ thống thu thập năng lƣợng là thay thế
các pin đƣợc sử dụng để kéo dài năng lƣợng sạc cho linh kiện lƣu trữ
1.2. Tại sao cần thu thập năng lƣợng?
Các thiết bị thu hoạch năng lƣợng chuyển đổi năng lƣợng xung quanh thành
năng lƣợng điện đã thu hút đƣợc nhiều quan tâm đến cả quân sự và thƣơng mại. Một
số hệ thống chuyển đổi chuyển động, nhƣ sóng biển thành điện năng đƣợc sử dụng bởi
các cảm biến giám sát hải dƣơng học cho hoạt động tự động hóa. Các ứng dụng trong
tƣơng lai có thể bao gồm các thiết bị đầu ra công suất cao (hoặc mảng của các thiết bị
nhƣ vậy) đƣợc triển khai tại các vị trí từ xa để phục vụ nhƣ các trạm điện đáng tin cậy
cho các hệ thống lớn. Một ứng dụng khác là trong thiết bị điện tử đeo đƣợc, nơi các
thiết bị thu hoạch năng lƣợng có thể nạp điện hoặc nạp điện cho điện thoại di động,
máy tính di động, thiết bị truyền thông vô tuyến ... Tất cả các thiết bị này phải chịu
đựng lâu dài với các môi trƣờng và có phạm vi rộng của độ nhạy động để khai thác
toàn bộ phổ của chuyển động sóng.
Hệ thống thu thập năng lƣợng bao gồm một hoặc nhiều đầu dò năng lƣợng, điều
chỉnh điện áp, bộ chuyển đổi DC-DC và bộ lƣu trữ năng lƣợng. Sơ đồ hệ thống điển
hình nhƣ Hình 1.1. Các khối đƣợc mô tả nhƣ sau:
4
Đầu dò năng lƣợng chuyển đầu vào năng lƣợng xung quanh thành năng lƣợng
điện. Nguồn năng lƣợng xung quanh đƣợc chuyển nhƣ nhiệt (mô đun nhiệt),
light (pin mặt trời), sóng RF (ăng-ten) và rung động (piezoelectric)
Điều chỉnh điện áp là cần thiết bởi vì điện áp đầu ra của đầu dò năng lƣợng có
thể không liên tục, khác tần số, khác nhau giữa điện áp ra của đầu dò và điện áp
vào của thiết bị
Bộ chuyển đổi DC-DC lấy năng lƣợng từ đầu dò và chuyển đổi điện áp. Điện
áp này sẽ đƣợc lƣu trữ hoặc sử dụng
Bộ lƣu trữ năng lƣợng để cân bằng cung cấp năng lƣợng và yêu cầu năng lƣợng
Tải: trở kháng của hệ thống điện. Có nhiều cách tiêu thụ năng lƣợng khác nhau
làm cho toàn bộ hệ thống làm việc tại chế độ năng lƣợng thấp.
Năng lƣợng đầu vào
Đầu dò
Bộ biến đổi
Tụ
Điều chỉnh điện áp
Tải
Lƣu trữ
Hình 1.1. Tổng quan hệ thống thu thập năng lượng
Năng lƣợng điện thu thập đƣợc rất ít (khoảng 1 mW/cm3 đến 100mW/cm3). Vì
vậy, hệ thống hoạt động chế độ năng lƣợng thấp. Các loại tải điện tử nhƣ cảm biến, vi
điều khiển, thiết bị truyền thông không dây. Tiêu thụ năng lƣợng khoảng micro ampe
cho lần đầu tiên của hai linh kiện và vài mA cho truyền thông. Điều này phải đƣợc
xem xét khi thiết kế hệ thống thu thập năng lƣợng.
1.3. Các nguồn năng lƣợng sẵn có thƣờng đƣợc khai thác cho thu thập năng
lƣợng
Các nguồn năng lƣợng chính là mặt trời, cơ và nhiệt. Các thiết bị tự cung cấp
năng lƣợng thƣờng có kích thƣớc nhỏ thuộc về thiết bị có thể đeo đƣợc hoặc bằng cách
khác tạo thành một phần của hệ thống internet kết nối vạn vật (IoT). Trong Bảng 1-1
tóm tắt các nguồn năng lƣợng chính
5
Hình 1.2. Tải điển hình
Bảng 1.1. Nguồn năng lượng thu thập chính
Năng lƣợng
Loại
Năng lƣợng thu thập
Con ngƣời
Rung động
4 µW/cm2
Công nghiệp
Rung động
100 µW/cm2
Con ngƣời
Nhiệt độ
25 µW/cm2
Công nghiệp
Nhiệt độ
1-10 µW/cm2
Trong nhà
Ánh sáng
10 µW/cm2
Bên ngoài
Ánh sáng
10 mW/cm2
GSM/3G/4G
RF
0.1 µW/cm2
Wi-Fi
RF
1 µW/cm2
Ánh sáng là nguồn năng lƣợng có sẵn cho các thiết bị công suất thấp và cao. Hệ
thống quang điện đƣợc ứng dụng rất phổ biến. Ánh sáng trên toàn bộ bề mặt trái đất,
phụ thuộc vào điều kiện của thời tiết và vị trí kinh tuyến và vĩ tuyến. Đối với mỗi vị trí
có góc nghiêng và hƣớng của pin mặt trời để đạt đƣợc bức xạ cực đại cho hệ thống
công suất lớn. Mặt trời chiếu tới mặt đất với mật độ năng lƣợng ít nhất là 1350 J/m2,
với tổng công suất trên mặt đất khoảng 170 * 109 MW.
Nhƣ trong hầu hết các biến đổi, động năng là cơ sở của việc thu thập về chuyển
động của các hạt nhƣ photon (mặt trời) hoặc các loại sóng nói chung. Sự chuyển động
hoặc biến dạng đƣợc chuyển đổi thành năng lƣợng điện ở ba chế độ chính: điện cảm,
tĩnh điện và piezoelectric.
6
Bảng 1.2. Nguồn rung động
Nguồn
Gia tốc tối đa (m/S2)
Tần số (Hz)
Lỗ thông hơi HVAC
0.2-1.5
4 50/60
Lò vi sóng
2.3
121
Máy sấy
3.5
121
Máy giặt
0.5
109
Rung động là nguồn năng lƣợng cho bộ chuyển đổi cơ học và đƣợc đặc trƣng
bởi hai tham số: gia tốc và tần số. Bảng 1-2 minh họa một danh sách các gia tốc tối đa
và tần số cho các nguồn rung khác nhau trong lĩnh vực công nghiệp. Từ những dữ liệu
này có thể lƣu ý rằng rung động của máy công nghiệp có gia tốc từ 60 đến 125 Hz. Có
ứng dụng khác là sử dụng cơ thể ngƣời nhƣ một nguồn rung động. Rung động liên
quan đến cơ thể ngƣời có gia tốc với tần số dƣới 108 Hz.
Ví dụ nhƣ con ngƣời đi bộ là một trong những hoạt động có nhiều năng lƣợng
hơn liên quan đến sản xuất tín hiệu điện. Có thể phân biệt hai chế độ năng lƣợng: hoạt
động và thụ động. Năng lƣợng hoạt động của các thiết bị điện tử xảy ra khi ngƣời dùng
cần làm một công việc cụ thể để cấp năng lƣợng cho thiết bị. Phƣơng thức thụ động
thay vào đó là khi con ngƣời không đƣợc làm bất kỳ công việc nào ngoài hoạt động
hằng ngày: di chuyển ngón tay, đi bộ, nhiệt độ cơ thể.
7
CHƢƠNG 2
CÁC PHƢƠNG PHÁP THU THẬP NĂNG LƢỢNG
2.1. Thu thập năng lƣợng mặt trời
Thu thập năng lƣợng mặt trời là phƣơng pháp phổ biến nhất thƣờng đƣợc ứng
dụng cho thu thập năng lƣợng. Bảng 2.1 cho thấy ƣu thế nổi bật về mật độ năng lƣợng
trên một khối lƣợng toàn hệ thống của hệ thống thu thập năng lƣợng mặt trời.
Bảng 2.1. Mật độ năng lượng của các công nghệ thu hoạch năng lượng khác nhau
Công nghệ thu năng lƣợng
Mật độ năng lƣợng trên một khối
lƣợng của toàn hệ thống (μW/cm3)
Quang điện (ngoài trời, η = 15% pin, 100
mW/cm2)
15,000
Quang điện (trong nhà, η = 6% pin, 100
mW/cm2)
30
Piezoelectric (gắn vào đế giày)
330
Rung (lò vi sóng nhỏ)
116
Tiếng ồn âm thanh (100 dB)
0.96
Bất kỳ hệ thống điện tử độc lập nào ở ngoài trời, trong các phòng có cửa sổ,
hoặc thƣờng xuyên sử dụng các nguồn sáng nhân tạo có thể sẽ thấy rằng công nghệ
quang điện (PV) có thể cung cấp nguồn điện chính. Ngoài trời, mặt trời có thể cung
cấp khoảng 100 mW/cm2 năng lƣợng quang, một ngày nhiều mây sẽ cung cấp khoảng
10 mW/cm2, và khoảng 0,5 mW/cm2 sẽ xảy ra trên hầu hết các bề mặt trong một
phòng có ánh sáng. Các pin mặt trời điển hình có giá trị hiệu suất trong khoảng từ 5%
đến 20% theo điều kiện tiêu chuẩn; Chúng thƣờng kém hiệu quả dƣới mức chiếu sáng
thấp. Các thiết bị tốt nhất, thƣờng là rất đắt tiền các tế bào "tập trung", đƣợc thiết kế
để hoạt động dƣới năng lƣợng của nhiều mặt trời và có hiệu suất lên đến 40%. Mật độ
năng lƣợng có sẵn từ các tế bào năng lƣợng mặt trời hoạt động ngoài trời có thể vƣợt
quá các công nghệ thu năng lƣợng khác đƣa ra bởi cƣờng độ khác nhau (xem Bảng 21). Giá trị ít hơn nhiều đối với hoạt động trong nhà. Nhƣng, thu năng lƣợng ánh sáng
trong nhà có thể cung cấp mật độ năng lƣợng đủ cho các công nghệ năng lƣợng thấp
nhƣ các nút cảm biến không dây. Cần cân nhắc cẩn thận về tính chất và tần số của điều
kiện chiếu sáng và tổng lƣợng điện sử dụng của thiết bị, và diện tích pin mặt trời đã sử
dụng phải đƣợc lựa chọn phù hợp. Hơn nữa, các thiết bị phải có hệ thống quản lý năng
8
lƣợng và lƣu trữ để đảm bảo rằng các tính năng thiết yếu có thể đƣợc duy trì trong
khoảng thời gian dài tối đa khi trời tối.
2.1.1. Đặc tính của pin mặt trời
Nếu các tiếp điểm điện đƣợc thêm vào đƣờng nối p-n và điện áp, V, đƣợc áp
dụng, và dòng điện,
lý tƣởng:
, đi qua các thiết bị có thể đƣợc mô tả bằng phƣơng trình diode
(2.1)
Trong đó
là dòng bão hòa ngƣợc, k là hằng số Boltzmann, và T là nhiệt độ.
Hình thức của phƣơng trình này đƣợc vẽ nhƣ đƣờng cong phía trên trong hình 2.1. Áp
dụng sai lệch về phía trƣớc (điện áp dƣơng) chống lại trƣờng tích hợp và giảm lớp rào
khuếch tán, dẫn đến sự gia tăng hàm lƣợng dòng điện khuếch tán lên điện áp. Ngƣợc
lại, việc áp dụng một xu hƣớng đảo ngƣợc (điện áp âm) bổ sung vào trƣờng tích hợp
và do đó làm tăng rào cản khuếch tán. Dòng khuếch tán đƣợc giảm theo cấp số nhân
với điện thế áp dụng, chỉ còn lại dòng trôi. Dƣới điều kiện bóng tối, dòng trôi rất nhỏ,
vào vùng cạn kiệt.
(a)
(b)
Hình 2.1. (a) Biểu đồ thể hiện đặc tính I-V của một tế bào năng lượng mặt trời lý
tưởng trong bóng tối (tối hơn, đường cong phía trên) và dưới ánh sáng (nhẹ, đường
cong dưới). Các yếu tố điền là tỷ lệ của các khu vực của hình chữ nhật. (b) Mạch
tương đương cho một pin mặt trời lý tưởng, bao gồm một nguồn dòng
diode qua đó một
và một
dòng thông. Dòng điện còn lại, I, chạy qua tải.
Ánh sáng đƣợc hấp thụ trong thiết bị, tạo ra cặp electron-lỗ hổng di động.
Trong các điều kiện mạch mở, việc tách các sóng mang dẫn đến sự tích tụ điện áp trên
đƣờng nối, điện áp mạch hở (
). Nếu các vùng n và p đƣợc kết nối bằng một đƣờng
9
dẫn dòng không có điện trở, dòng điện sẽ chảy, dòng ngắn mạch,
, để cân bằng
dòng chảy của các hạt mang điện thiểu số qua đƣờng giao nhau. Nếu tải đƣợc thêm
vào mạch, năng lƣợng có thể đƣợc chiết xuất từ thiết bị.
Trong thực tế, việc thêm các hạt mang điện thiểu số do sự hấp thụ các photon
làm tăng dòng trôi và điều này có thể đƣợc kết hợp vào phƣơng trình diode nhƣ là một
dòng chiếu sáng, . Một pin mặt trời có mạch tƣơng đƣơng là nguồn dòng và diode
hình 2.1(b), với các đặc tính I-V đƣợc mô tả bởi
(
)
(2.2)
Dòng chiếu sáng làm lệch đƣờng cong I-V xuống phía dƣới, tạo ra một khu vực
ở góc dƣới bên phải của đồ thị hình 2.1(a). Hình chữ nhật công suất tối đa đƣợc xác
định bởi điện áp và giá trị hiện tại (Vp và Ip) của điểm công suất lớn nhất (MPP), đạt
đƣợc bằng cách tối ƣu hóa điện trở của tải để thu đƣợc công suất cực đại từ mạch. Tỉ lệ
diện tích của hình chữ nhật năng lƣợng cực đại tới vùng của hình chữ nhật VOC/ Isc là
hệ số lấp đầy (f), và giá trị này càng gần nhau hơn, thì chất lƣợng của pin mặt trời càng
tốt.
(2.3)
Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng, η, là tỷ số năng lƣợng tối đa thu đƣợc từ pin (cell),
Pp, đến công suất ánh sáng tới, Pi, nghĩa là,
(2.4)
2.1.2. Đặc tính của Mô đun
Một pin năng lƣợng mặt trời tiêu chuẩn silicon thƣờng bao gồm một liên hợp pn đƣợc hình thành trong một tấm mỏng silicon (Wafer of silicon). Với đầu nối trên
cùng và dƣới cùng để cho phép năng lƣợng đƣợc chiết ra từ thiết bị và một màng
mỏng phản chiếu trên mặt trƣớc để giảm thiểu lƣợng ánh sáng bị mất do phản xạ hình
2.2. Mặt kết nối phía sau thƣờng là lớp kim loại, trong khi các tiếp điểm kim loại phía
trƣớc thƣờng ở dạng đƣờng kẻ tách ra để cho phép ánh sáng vào trong pin. Nhiều biến
thể có thể có trên thiết kế đơn giản này đã đƣợc phát triển để nâng cao hiệu quả, bao
gồm kết cấu bề mặt phía trên hoặc phía sau để giảm phản xạ, và để cải thiện bẫy ánh
sáng.
Khi hoạt động trong lĩnh vực này, pin mặt trời đƣợc đóng gói dƣới dạng các mô
đun hình 2.3. Có 3 mục đích chính:
Để bảo vệ các pin khỏi bị hƣ hỏng cơ học;
Để tránh nƣớc ăn mòn các tiếp điểm kim loại;
10
Để cho phép kết nối các pin riêng lẻ trong một chuỗi, qua đó tăng điện áp và
công suất ra mức hữu ích.
Số lƣợng và kích thƣớc của pin mặt trời để đƣợc kết hợp vào một mô-đun đƣợc
xác định bởi các yêu cầu năng lƣợng của hệ thống. Ví dụ, một mô-đun bao gồm 36 pin
năng lƣợng mặt trời tinh thể silicon, mỗi ô có diện tích 100 cm2 và mỗi giá trị đóng
góp khoảng 0.6V, sẽ cung cấp một điện áp hở mạch tối đa là 21V và do đó cần phải đủ
để sạc một pin 12-V khi tính đến điện áp giảm (voltage drops), cƣờng độ ánh sáng
thấp hơn, và hoạt động tối ƣu. Các thiết bị yêu cầu công suất thấp hơn, vì vậy mô-đun
có thể nhỏ hơn nhiều và đƣợc làm bằng các công nghệ rẻ hơn và kém hiệu quả hơn (ví
dụ, các pin Silicon vô định hình cho các máy tính bỏ túi).
Hình 2.2. Thiết kế của một pin năng lượng mặt trời silicon đơn tinh thể
Hình 2.3. Kết nối các pin thành một mô đun
2.1.3. Hệ thống quang điện
Hệ thống pin quang điện (cũng là hệ thống PV hoặc hệ thống năng lƣợng mặt
trời) sử dụng pin mặt trời thu nhận và chuyển hoá năng lƣợng mặt trời thành điện
năng. Năng lƣợng đƣợc phát bởi hệ thống này đảm bảo sạch sẽ, đáng tin cậy và không
gây tiếng ồn.
Các hệ thống quang điện bao gồm các trạm điện MW, các hệ thống trong nƣớc
kết nối lƣới, các hệ thống điện công suất riêng và các thiết bị điện tử tự cung cấp (từ
11
máy tính bỏ túi đến cảm biến không dây). Có một số tài liệu cung cấp các bài đánh giá
chi tiết về các hệ thống PV. Ở đây, tôi sẽ tập trung vào các thiết bị tự động nhỏ.
Vì ánh sáng ngoài trời hoặc trong nhà ít khi liên tục và gần nhƣ luôn luôn là khá
khó dự đoán, các mảng PV phải hoạt động kết hợp với việc lƣu trữ năng lƣợng, đặc
biệt là dùng pin để lƣu trữ năng lƣợng.
Các hệ thống ngoài trời sẽ trải qua chu kỳ hàng ngày, chu kỳ khí hậu và chu kỳ
một năm. Các hệ thống phụ thuộc vào đèn trong phòng cũng có chu kỳ hàng ngày và
hàng tuần rất khác nhau. Cân bằng năng lƣợng là mối quan tâm chính. Năng lƣợng tạo
ra bởi hệ thống PV phải lớn hơn năng lƣợng yêu cầu của ứng dụng trong bất kỳ
khoảng thời gian nào. Mặt khác, hệ thống phải đƣợc thiết kế để phục hồi từ hết hoàn
toàn năng lƣợng hoặc có chế độ không an toàn năng lƣợng thấp để giữ thời gian hoặc
ít nhất là cho phép phục hồi hệ thống. Trong nhiều hệ thống điện năng thấp, hoặc trong
trƣờng hợp không có giới hạn về kích thƣớc của mảng PV và công suất phát ra luôn
lớn hơn nhiều so với công suất tiêu thụ, hệ thống tƣơng đối đơn giản có thể đƣợc xây
dựng chỉ để sạc pin. Thiết kế hệ thống là một thách thức lớn hơn khi có giới hạn không
gian (hoặc tài chính) về kích thƣớc của mảng và năng lƣợng tối đa phải đƣợc trích
xuất. Để xây dựng hệ thống hiệu quả nhất, cần phải có một mô hình chi tiết về các mô
hình chiếu sáng, hiệu suất tƣơng ứng của thiết bị quang điện và mô tả chi tiết về tải
trọng. Các tế bào năng lƣợng mặt trời cần phải đƣợc hoạt động tại điểm công suất lớn
nhất - nơi có điện trở bên ngoài phù hợp với điện trở trong của pin PV và tìm điểm
công suất cực đại (MPPT) là cần thiết.
Hệ thống đơn giản nhất có thể xây dựng bằng cách sử dụng một pin mặt trời,
một diode và một pin. Khi tế bào năng lƣợng mặt trời đƣợc chiếu sáng, dòng điện đi
qua diode và sạc pin. Khi pin mặt trời đang ở trong bóng tối, diode sẽ ngăn không cho
pin tự xả qua pin mặt trời. Các tế bào năng lƣợng mặt trời hoặc một số các tế bào năng
lƣợng mặt trời mắc nối tiếp phải tạo ra đủ điện áp để vƣợt qua ngƣỡng điện áp thông
của diode và sau đó nạp pin. Ứng dụng (tải) đƣợc gắn vào thiết bị đầu cuối của pin và
đƣợc cung cấp liên tục bằng pin hoặc pin mặt trời hoặc cả hai. Hệ thống đơn giản này
không kiểm soát việc xả pin hoặc chống quá ngƣỡng sạc của pin. Hệ thống sẽ cung
cấp điện áp dao động và không trích xuất công suất cực đại của pin mặt trời. Đối với
các hệ thống đòi hỏi độ tin cậy dài lâu (và tối thiểu thay pin) nên sử dụng các bộ điểu
khiển.
2.1.4. Bộ Điều khiển sạc
Nói chung, có một giới hạn đối với dòng điện cần đƣợc sử dụng để sạc pin (ở
giai đoạn nạp) và khi pin đƣợc sạc đầy thì điện áp của pin sẽ tự giảm (ở giai đoạn tự
xả).
12
Thật vậy, việc sử dụng các linh kiện bán dẫn nhƣ các thành phần điện trở có thể
yêu cầu tản nhiệt đáng kể trong linh kiện bán dẫn, do đó, nhƣ là một sự thay thế, các
linh kiện bán dẫn nhƣ một công tắc để đảm bảo không quá năng lƣợng. Trong các thiết
kế chuyển mạch shunt và chuyển mạch nối tiếp, chu kỳ (bật/tắt) điều khiển dòng trung
bình thông qua các bộ điều chỉnh.
2.1.5. Bộ chuyển đổi DC-DC và điểm công suất cực đại (MPTT)
Độ chịu tải tối ƣu đƣợc yêu cầu bởi pin mặt trời sẽ thay đổi với cả ánh sáng và
nhiệt độ. Để tối đa hóa việc chuyển năng lƣợng từ tế bào sang tải (pin), các bộ chuyển
đổi DC-DC đƣợc điều khiển là bắt buộc. Hệ thống này tách riêng pin mặt trời ra khỏi
mảng và cũng có thể hình thành cơ sở theo dõi điểm cực đại (MPPT).
(a)
(b)
Hình 2.4. (a) Chuyển mạch nối tiếp và (b) Bộ điều chỉnh chuyển mạch shunt
Giảm và tăng áp là hai thiết kế DC-DC phổ biến. Mạch Buck là bộ biến đổi
nguồn DC-DC có điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào, sử dụng một thiết bị công
tắc nối tiếp cuộn dây và song song với tụ để san phẳng điện áp ra. Thông thƣờng, linh
kiện công tắc là một linh kiện bán dẫn hiệu ứng trƣờng MOS. Chu kỳ khá nhanh
(thƣờng 100 kHz) và khi ở chế động dòng liên tục, tỷ lệ điện áp tải và nguồn điện áp
bằng tỷ lệ chu kỳ bật/tắt (D):
(2.5)
Đối với một tần số cố định, điều chế độ rộng xung điểu khiển điện áp tải. Đối
với dòng điện thấp, điện áp tải tăng lên với điện áp nguồn và mất điểu khiển.
Mạch Boost là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu
vào. Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít nhất
một phần tử tích lũy năng lƣợng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai.
13
(2.6)
Trong chế độ dòng liên tục, thiết kế này dòng điện liên tục từ nguồn và do đó
không cần phải lọc giữa pin mặt trời và bộ chuyển đổi.
(a)
(b)
Hình 2.5. (a) Buck và (b) Boost DC-DC
Mặc dù thiết kế mạch Boost phổ biến, cả hai bộ chuyển đổi DC-DC này có thể
đƣợc sử dụng để điều khiển điểm công suất cực đại bằng cách điều khiển chu kỳ
bật/tắt và do đó điều khiển điện áp tải. Các thuật toán phù hợp có thể đƣợc áp dụng để
tìm ra điểm tối ƣu. "Leo núi", "điện áp mạch phân đoạn," và "nhiễu loạn và quan sát"
các thuật toán đƣợc phổ biến, và "mạng nơ-ron nhân tạo" và "logic mờ" đã đƣợc thử.
2.2. Thu thập năng lƣợng rung động
Năng lƣợng động học thƣờng có trong môi trƣờng nhƣ rung động, chuyển vị
ngẫu nhiên, hoặc lực và đƣợc chuyển đổi thành năng lƣợng điện sử dụng các cơ chế
điện từ, piezoelectric hoặc điện. Mức độ rung động hữu ích đƣợc tìm thấy trong nhiều
ứng dụng bao gồm các thiết bị trong nhà phổ biến (tủ lạnh, máy giặt và lò vi sóng),
thiết bị nhà máy công nghiệp, phƣơng tiện giao thông nhƣ máy bay, ô tô và các công
trình dân dụng nhƣ tòa nhà và cầu. Sự di chuyển của con ngƣời tạo ra tần số thấp và độ
dịch chuyển biên độ cao. Số lƣợng năng lƣợng điện có thể đạt đƣợc bằng các phƣơng
pháp tiếp cận này phụ thuộc vào số lƣợng và hình thức năng lƣợng động học có sẵn
trong môi trƣờng cũng nhƣ hiệu quả của cả máy phát điện và thiết bị điện tử chuyển
đổi năng lƣợng điện.
- Xem thêm -
.PDF 
73 
3 
147 
