Thiết kế và thử nghiệm các giải pháp thu thập năng lượng cho thiết bị di động đeo tay có truyền dẫn không dây diện rộng LoRA

Thu thập năng lượng có sẵn trong môi trường xung quanh có khả năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng năng lượng thấp, ví dụ như các thiết bị đeo tay wearable devices, giúp cho

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



TRƯƠNG HOÀI NAM SƠN

THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM CÁC GIẢI PHÁP THU THẬP NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ

DI ĐỘNG ĐEO TAY CÓ TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY DIỆN RỘNG LoRA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Quốc Huy

Phản biện 1: TS Nguyễn Bê

Phản biện 2: TS Nguyễn Quốc Định

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại

Trường Đại học Bách khoa vào ngày 19 tháng 5 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Thư viện khoa điện, trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Để giảm bớt sự phụ thuộc vào pin của thiết bị điện tử đeo tay Con người đã tiến hành khai thác thêm các nguồn năng lượng có sẵn như: năng lượng mặt trời, năng lượng của các rung động (vibration), năng lượng nhiệt v.v Kỹ thuật truyền thông không dây LoRa với năng lượng tiêu thụ thấp, kết hợp với việc thu thập năng lượng từ môi trường xung quanh cho thiết bị sử dụng LoRa hiện nay đang rất phát triển

Thu thập năng lượng có sẵn trong môi trường xung quanh có khả năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng năng lượng thấp, ví dụ như các thiết bị đeo tay (wearable devices), giúp cho các thiết bị điện tử đeo tay tự chủ hơn, tự cung cấp năng lượng 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 lượng phổ biến (từ quang năng, nhiệt năng, năng lượng từ rung động), quản lý năng lượng thu thập được, lưu trữ năng lượng Từ đó tạo ra một nguồn cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử hoặc sạc cho pin, siêu tụ, nhằm tang tính ổn định và hiệu quả kinh tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu:

- Pin năng lượng mặt trời

- Thiết bị tạo năng lượng theo hiệu ứng nhiệt điện (hiệu ứng

Seebeck)

- Năng lượng cơ, piezoelectric

- Sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng để cung cấp năng

lượng cho thiết bị điện tử đeo tay

- Sử dụng công nghệ truyền dẫn diện rộng LoRa để truyền

thông tiêu thụ năng lượng 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 lượng riêng lẻ tạo năng lượng đầu ra theo yêu cầu của thiết bị

- Đồng thời tập trung vào các thiết bị sử dụng năng lượng

thấp

4 Phương pháp nghiên cứu

• Khảo sát, phân tích tổng hợp

• Thiết kế mạch nguyên lý

• Đánh giá kết quả dựa trên thực tế

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

❖ Ý nghĩa khoa học:

• Các vật liệu tạo năng lượng nhờ mặt trời, cơ, nhiệt độ

• Việc thu thập năng lượng sẵn có giúp cho công nghệ năng lượng phát triển và tính tự động của thiết bị điện tử cao

• Quản lý năng lượng và lưu trữ năng lượng của thiết bị điện

6 Tổng quan các nghiên cứu về nghiên cứu thu thập năng lượng

Trước đây đã có nhiều nghiên cứu về thu thập năng lượng các năng lượng có sẵn trong môi trường xung quanh Chưa

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 như:

• Năm 2012, S Bandyopadhyay và A P Chandrakasan: kiến trúc nền tảng cho năng lượng mặt trời, nhiệt, rung, kết hợp với MPPT và cuộn cảm đơn

• Năm 2015, L.T Nhan A Pegatoquet, thiết kế năng lượng 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 lượng và quản lý năng lượng được giới thiệu trong phần tài liệu tham khảo

7 Cấu trúc luận văn

• Mở đầu

• Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG LƯỢNG

Giới thiệu tổng quan về thu thập năng lượng

• Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP NĂNG LƯỢNG

Thu thập năng lượng mặt trời, rung động, nhiệt điện

• Chương 3: QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG

Quản lý năng lượng và hệ thống lưu trữ

• Chương 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM CHO THIẾT BỊ ĐEO TAY CÓ TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY DIỆN RỘNG LoRa

Thiết kế thu thập năng lượng

• Kết luận và kiến nghị

• Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG LƯỢNG

1.2 Tại sao cần thu thập năng lượng?

Hệ thống thu thập năng lượng bao gồm một hoặc nhiều đầu

dò năng lượng, điều chỉnh điện áp, bộ chuyển đổi DC-DC và bộ lưu trữ năng lượng Các khối được mô tả như sau:

• Đầu dò năng lượng chuyển đầu vào năng lượng xung quanh thành năng lượng điện Nguồn năng lượng xung quanh được chuyển như 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 lượng 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 lượng từ đầu dò và chuyển đổi điện áp Điện áp này sẽ được lưu trữ hoặc sử dụng

• Bộ lưu trữ năng lượng để cân bằng cung cấp năng lượng và yêu cầu năng lượng

• Tải: trở kháng của hệ thống điện Có nhiều cách tiêu thụ năng lượng khác nhau làm cho toàn bộ hệ thống làm việc tại chế độ năng lượng thấp

Hình 1.1 Tổng quan hệ thống thu thập năng lượng

1.3 Năng lượng sẵn có

Các nguồn năng lượng chính là mặt trời, cơ và nhiệt Các thiết bị tự cung cấp năng lượng thường có kích thước nhỏ thuộc về thiết bị có thể đeo được hoặc bằng cách khác tạo thành một phần của

hệ thống internet vạn vật (IoT)

Bảng 1.1 Nguồn năng lượng thu thập chính

Năng lượng Loại Năng lượng thu thập

Năng lượng đầu vào

Điều chỉnh điện áp Tải

Lưu trữ

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP NĂNG LƯỢNG 2.1 Thu thập năng lượng mặt trời

Thu thập năng lượng mặt trời là phương pháp phổ biến nhất thường được ứng dụng cho thu thập năng lượng Bảng 2.1 cho thấy

ưu thế nổi bật về mật độ năng lượng trên một khối lượng toàn hệ thống của hệ thống thu thập năng lượng mặt trời

Bảng 2.1 Mật độ năng lượng của các công nghệ thu hoạch năng

lượng khác nhau

Công nghệ thu năng lượng Mật độ năng lượng trên một khối

lượng của toàn hệ thống (μW/cm3) Quang điện (ngoài trời, η =

2.1.1 Đặc tính của pin mặt trời

Nếu các tiếp điểm điện được thêm vào đường nối p-n và điện

áp, V, được áp dụng, và dòng điện, 𝐼𝑑, đi qua các thiết bị có thể được

mô tả bằng phương trình diode lý tưởng:

𝐼𝑑= 𝐼0(𝑒𝑞𝑉𝑘𝑇− 1) (2.1) Trong đó 𝐼0 là dòng bão hòa ngược, k là hằng số Boltzmann,

và T là nhiệt độ

2.1.2 Đặc tính của Mô đun

Một pin năng lượng mặt trời tiêu chuẩn silicon thường bao gồm một liên hợp p-n được hình thành trong một tấm mỏng silicon (Wafer of silicon)

2.1.3 Hệ thống quang điện

Hệ thống pin quang điện (cũng là hệ thống PV hoặc hệ thống năng lượng mặt trời) sử dụng pin mặt trời thu nhận và chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng Năng lượng được phát bởi hệ thống này đảm bảo sạch sẽ, đáng tin cậy và không gây tiếng ồn Vì ánh sáng ngoài trời hoặc trong nhà ít khi liên tục và gần như luôn luôn là khá khó dự đoán, các mảng PV phải hoạt động kết hợp với việc lưu trữ năng lượng, đặc biệt là dùng pin để lưu trữ năng lượng

Hệ thống đơn giản nhất có thể xây dựng bằng cách sử dụng một pin mặt trời, một diode và một pin Hệ thống đơn giản này không kiểm soát việc xả pin hoặc chống quá ngưỡng 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

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)

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

Chu kỳ khá nhanh (thường 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):

𝑉𝐿

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

lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai

𝑉𝐿

(a)

(b)

Hình 2.5 (a) Buck và (b) Boost DC-DC

2.2 Thu thập năng lượng rung động

Năng lượng động học thường có trong môi trường như rung động, chuyển vị ngẫu nhiên, hoặc lực và được chuyển đổi thành năng lượng điện sử dụng các cơ chế điện từ, piezoelectric hoặc điện

Điện

T,S

Cơ học

Hình 2.8 Hiệu ứng Seebeck: điện áp tạo ra bởi sự chênh lệch

nhiệt độ trên các điểm nối

Hình 2.8 cho thấy một mạch gồm hai kim loại hoặc chất bán dẫn khác nhau kết hợp với nhau Bằng cách áp dụng sự chênh lệch nhiệt độ trên hai mối ghép, một điện áp V sẽ được tạo ra trong mạch,

V = α ab ΔT (2.16)

Trong đó ΔT = (T H − T C) là chênh lệch nhiệt độ trên hai nút giao và αabđược gọi là hệ số Seebeck

2.3.2 Máy phát nhiệt điện

Một cặp nhiệt điện thường bao gồm - như tên gọi - hai loại

kim loại khác nhau hoặc hợp kim Khi ở hai điểm nối có nhiệt độ khác nhau, một điện thế thấp, khoảng 10 mV/K được tạo ra

2.3.3 Vật liệu

CHƯƠNG 3 QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG 3.1 Quản lý năng lượng

Trong hầu hết các hệ thống điện năng thấp, quản lý năng lượng thường được coi là một khả năng chuyển đổi một số bộ phận của hệ thống hoặc đặt chúng ở trạng thái năng lượng thấp khi không yêu cầu và để quản lý việc sạc pin có rất nhiều lý do cơ bản để yêu cầu năng lượng điện tử trong một hệ thống thu thập năng lượng hơn

là chỉ đơn giản là quản lý pin và tiết kiệm năng lượng:

• Để đạt được mật độ năng lượng cao từ thu thập năng lượng, nên có một số hình thức phù hợp trở kháng giữa nguồn năng lượng, bộ chuyển đổi và hệ thống điện

• Điện áp đầu ra và dòng điện từ thu thập năng lượng ít khi trực tiếp tương thích với các thiết bị điện tử tải và do đó cần phải điều chỉnh điện áp

• Một số kiểu lưu trữ năng lượng gần như chắc chắn là cần thiết vì nguồn năng lượng thu thập không liên tục không có một ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động liên tục của hệ thống

Hình 3.2 Dạng tiêu thụ dòng điện điển hình cho một bộ thu phát

không dây

3.2 Hệ thống lưu trữ

Một thiết bị lưu trữ năng lượng là không cần thiết nếu năng lượng tiêu thụ của thiết bị điện tử luôn luôn thấp hơn năng lượng tạo

ra bởi thiết bị thu thập năng lượng, chỉ được kích hoạt khi có điện tạo

ra Đối với các trường hợp còn lại, thiết bị lưu trữ năng lượng được yêu cầu như pin Công suất trung bình trong khoảng thời gian T:

Do đó, cần phải đảm bảo rằng pin luôn được duy trì với năng lượng

mà thiết bị điện tử yêu cầu Để đảm bảo điều này, tổng năng lượng phải lớn hơn lượng tiêu thụ bởi tải, mặt khác (với B là năng lượng được lưu trữ trong pin)

Đề tài tiến hành thiết kế, lắp đặt và thử nghiệm hệ thống thu

thập năng lượng sử dụng 3 nguồn năng lượng phổ biến là nhiệt điện (TEG), Piezoelectric, mặt trời để tạo ra điện áp ổn định 3.3V cung cấp cho một nút cảm biến có modul truyền thông LoRa Đó là ngưỡng điện áp hoạt động của thiết bị điện tử tiêu thụ năng lượng thấp gồm vi điều khiển Arduino Promini 328-3.3V-8 MHz và modul truyền thông LoRa Hope RFM95W 868MHz Đồng thời, quản lý dòng chảy của năng lượng để nạp cho bộ lưu trữ pin hoặc cung cấp điện áp cho thiết bị, nếu dưới điều kiện năng lượng không đủ sẽ sử dụng điện áp của pin để cung cấp cho thiết bị

Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc của ứng dụng

4.1 Đo năng lượng tiêu thụ của thiết bị đeo tay

Thiết bị hoạt động ở các chế độ khác nhau như chế độ hoạt động hoặc chế độ ngủ Dòng tiêu thụ tại chế hoạt động là 12 mA, chế

độ ngủ là 7uA

Hình 4.2 Năng lượng tiêu thụ tại chế độ hoạt động

Hình 4.3 Năng lượng tiêu thụ tại chế độ ngủ

Dòng điện tiêu thụ trung bình trong 1 chu kỳ sẽ được tính như sau:

𝐼𝑎𝑣𝑔=𝐼𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 ×𝑇𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒+𝐼𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝×𝑇𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝

𝑇𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒+𝑇𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝

(4.1)

Trong đó:

𝐼𝑎𝑣𝑔: dòng điện tiêu thụ trung bình

𝐼𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒: dòng điện tiêu thụ chế độ hoạt động

𝐼𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝: dòng điện tiêu thụ chế độ ngủ

𝑇𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒: thời gian chế độ hoạt động

𝑇𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝: thời gian chế độ ngủ

Với chu kỳ 𝑇𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝=10 phút; 𝑇𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 = 3𝑠 thì 𝐼𝑎𝑣𝑔= 0.07 mA

4.2 Cấu trúc hệ thống thu thập năng lượng

Hình 4.4 Cấu trúc đơn

Hình 4.5 Cấu trúc kép

AC/DC DC/DC

Tải MCU

RF Cảm biến

DC/DC

Bộ biến đổi năng lượng

Bộ điều chỉnh điện áp

Tải MCU

RF Cảm biến

DC/DC

Bộ lưu trữ năng lượng

Quản lý dòng năng lượng

Sự khác biệt cơ bản giữa cấu trúc kép so với cấu trúc đơn là việc sử dụng bộ điều khiển dòng chảy năng lượng Các khối chính của cấu trúc kép được trình bày trong hình 4.5 Khi ở điều kiện năng lượng thích hợp, tất cả năng lượng thu thập được sẽ sạc cho bộ lưu trữ năng lượng để cấp nguồn cho tải Mặt khác, khi năng lượng của môi trường xung quanh không đủ, năng lượng còn lại được lấy ra từ bộ lưu trữ năng lượng để đảm bảo hoạt động liên tục của tải Ưu điểm của loại kiến trúc này là khởi động nhanh từ bộ lưu trữ trống

Hình 4.6 Các khối chính của LTC3108 với mạch điều khiển sạc và hai MOSFET bên trong cung cấp luồng năng lượng kép: khi có năng lượng thu thập (VIN ≥ 20mV), COUT được nạp vào điện áp điều chỉnh (1) trước khi CSTORE được sạc (2) Khi không có năng lượng thu hoạch được nữa, COUT được tính bằng CSTORE (3)

Vi mạch LTC3108 sử dụng một bộ chuyển mạch MOSFET

để tạo ra bộ dao động bước sóng cộng hưởng bằng cách sử dụng một biến áp nhỏ tăng áp bên ngoài và một tụ điện nối tiếp nhỏ Điều này cho phép nó tăng điện áp đầu vào thấp nhất đến 20mV Tần suất dao động được xác định bởi độ tự cảm của cuộn dây thứ cấp biến áp và thường trong khoảng 10kHz đến 100kHz Cuộn dây thứ cấp tăng áp thành điện áp AC có giá trị theo tỷ lệ của biến áp và được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng tụ bên ngoài (từ cuộn dây thứ cấp đến chân C1)

và mạch chỉnh lưu được tích hợp bên trong LTC3108 Mạch chỉnh lưu cung cấp dòng điện đến chân VAUX, sạc cho tụ bên ngoài tại chân VAUX và các đầu ra khác Dòng năng lượng kép được xử lý bằng bộ xử lý sạc và hai MOSFET (MF1 và MF2) như trong hình 4.6 Khi VAUX vượt quá VREF=2.5V và VOUT < VREF, mạch điểu khiển sạc đóng MOSFET MF1 (bật) để nạp COUT đầu tiên (Dòng năng lượng 1 trong hình 4-6) Ngay khi VOUT >VREF, nghĩa là COUT đã được sạc đầy, MF1 tắt và MF2 đang bật để nạp CSTORE (luồng năng lượng 2 trong hình 4.6) Mặt khác, khi không có năng lượng thu thập,

VOUT < VREF do sự rò rỉ và năng lượng tiêu thụ của tải, và do đó MF1 bật nhưng MF2 tắt Năng lượng từ CSTORE đi qua một Diode Schottky D1 và sạc COUT (dòng năng lượng 3 trong hình 4.6)

Đề tài sử dụng vi điều khiển và module LoRa với điện áp hoạt động 3.3V, nên VS2=GND, VS1=VAUX để tạo điện áp ra

VOUT=3.3V và dòng điện tiêu thụ 𝐼𝑎𝑣𝑔= 0.07 mA nên giá trị của tụ

COUT= 470 𝜇𝐹

𝐶𝑂𝑈𝑇(𝜇𝐹) ≥𝐼𝑎𝑣𝑔 (𝑚𝐴)∗𝑡 𝑃𝑈𝐿𝑆𝐸 (𝑚𝑠)

Trong đó:

𝐶𝑂𝑈𝑇: giá trị của tụ điện

𝐼𝐿𝑂𝐴𝐷: dòng điện tiêu thụ trung bình