Phân tích hiệu quả thu hồi năng lượng từ rung động của máy nén trong hệ thống HVAC bằng pin áp điện

1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, thu hồi năng lượng thành nguồn năng lượng thay thế cho việc sử dụng nguồn điện từ lưới, pin đang được phát triển cho các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Lê Thành Chương

Lời cảm ơn trân trọng đầu tiên tôi muốn dành tới Thầy TS Nguyễn Ngọc Linh, người

đã dìu dắt và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn, sự chỉ bảo và định hướng của thầy giúp tôi tự tin nghiên cứu những vấn đề mới và giải quyết bài toán một cách khoa học Đồng thời, tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn tới Ths Nguyễn Văn Mạnh

và Ths Vũ Anh Tuấn, giảng viên Khoa Cơ khí trường Đại học Xây dựng đã có những thảo luận, góp ý trong suốt quá trình hoàn thành Luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Trường Đại học Thủy Lợi, Viện đào tạo và Khoa học ứng dụng Miền Trung, phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học và các thầy cô trong trường, đã tạo điều kiện cho tôi có môi trường học tập tốt trong suốt thời gian tôi học tập, nghiên cứu tại trường

Tôi xin trân trọng cảm ơn bố mẹ, vợ, con tôi đã mang tới tất cả niềm tin, định hướng

và theo dõi tôi suốt chặng đường đời Nâng đỡ và đến bên tôi những giây phút khó khăn nhất của cuộc sống

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Hành chính Tổng hợp, Phòng Đào tạo – Đối ngoại và đồng nghiệp Trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận, những người đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong công việc và học tập để tôi có thể theo học và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Tuy có nhiều cố gắng, nhưng trong luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong Quý thầy cô, các chuyên gia, những người quan tâm đến đề tài, đồng nghiệp và bạn bè tiếp tục có những ý kiến đóng góp, giúp đỡ để luận văn hoàn thiện tốt hơn Trân trọng cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Vật liệu áp điện 6

1.3 Các phương trình liên kết 8

1.4 PEH kiểu công xôn một lớp áp điện 13

1.5 Giới thiệu về hệ thống HVAC 13

1.6 Một số phương pháp thu hồi năng lượng từ trong hệ thống HVAC bằng PEH 19

1.7 Đề xuất hướng nghiên cứu 20

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT PEH KIỂU DẦM CÔNG XÔN THON MỘT LỚP 22

2.1 Các đại lượng tương đương của PEH kiểu dầm công xôn thon chịu kích động nền 22

2.2 Mô hình dao động một bậc tự do của PEH 26

2.3 Hiệu suất của PEH 30

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ RUNG ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG HVAC 36

3.1 Khảo sát về rung động trong hệ thống điều hòa không khí cục bộ 36

3.2 Thiết kế PEH kiểu dầm công xôn thon loại một lớp 38

iv

KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC 50

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số vật liệu áp điện và thông số vật lý 7

Bảng 1.2 So sánh các công nghệ truyền dẫn không dây 17

Bảng 1.3 Các mô-đun và thông số truyền thông không dây điển hình 18

Bảng 1.4 Thông số và mô-đun vi xử lý điển hình 19

Bảng 1.5 Các mô-đun và thông số cảm biến điển hình 19

Bảng 3.1 Các thông số của máy đo độ rung Huatec HG - 6360Error! Bookmark not defined Bảng 3.2 Kết quả đo khảo sát tần số, biên độ điều hòa treo tườngError! Bookmark not defined. Bảng 3.3 Tính chất hình học và vật liệu của dầm PEH công xôn thon 38

Bảng 3.4 Các giá trị của h s với các tần số kích động  khác nhau 39

Bảng 3.5 Các đáp ứng X ap , P in , P out,  với q= 1, m t = 0, hệ số cản c thay đổi 40

Bảng 3.6 Các đáp ứng X ap , P in , P out,  với q= 10, m t = 0, hệ số cản c thay đổi 41

Bảng 3.7 Các đáp ứng X ap , P in , P out,  với q= 20, m t = 0, hệ số cản c thay đổi 41

Bảng 3.8 Các đáp ứng X ap , P in , P out,  với q=1, m t = 10g, hệ số cản c thay đổi 43

Bảng 3.9 Các đáp ứng X ap , P in , P out,  với q= 10, m t = 10g, hệ số cản c thay đổi 43 Bảng 3.10 Các đáp ứng X ap , P in , P out,  với q= 1, m t = 20g, hệ số cản c thay đổi 44 Bảng 3.11 So sánh P in , P out,  với q= 1 cho hai trường hợp m t = 0, m t = 10 44

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Dòng năng lượng trong PEH [7] 5

Hình 1.2 a) hiệu ứng áp điện thuận (trực tiếp); b) hiệu ứng áp điện nghịch 6

Hình 1.3 Phân cực của vật liệu gốm áp điện đa tinh thể 8

Hình 1.4 Phân tố ứng suất 9

Hình 1.5 Sơ đồ biến dạng nhỏ 9

Hình 1.6 Các kiểu hiệu ứng áp điện của PZT phân cực theo trục 3 12

Hình 1.7 Dầm công xôn 1 lớp áp điện 13

Hình 1.8 Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong nhà 15

Hình 1.9 Các đơn vị của cảm biến không dây và công nghệ khai thác năng lượng15 Hình 1.10 Hệ thống cảm biến tự duy trì trong HVAC [27] 19

Hình 1.11 PEH trong đường ống HVAC 20

Hình 1.12 Dàn ngưng tụ: (a) vị trí dán, (b) PEH kiểu màng mỏng 20

Hình 2.1 Mô hình PEH với dầm công xôn thon chịu kích động nền 22

Hình 2.2 Kết cấu của PEH 22

Hình 2.3 Mô men uốn dầm Euler-Bernoulli 24

Hình 2.4 Mô hình PEH một bậc tự do [7] 27

Hình 3.1 Đo tại máy nén (ngang) 36

Hình 3.2 Đo tại máy nén (đứng) 36

Hình 3.3 Đo tại giá đỡ dàn nóng 36

vii

Hình 3.4 Đồ thị quan hệ  và h s với q = [1, 5, 10, 15, 20] 40 Hình 3.5 Ảnh hưởng của cản đến hiệu suất (r = 1, %= 1) 41

Hình 3.6 Ảnh hưởng của tỉ số tần số đến hiệu suất (r = 1, c = 0,1) 42

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, thu hồi năng lượng thành nguồn năng lượng thay thế cho việc sử dụng nguồn điện từ lưới, pin đang được phát triển cho các thiết bị điện tử có công suất thấp và hạn chế việc bảo trì, với các ứng dụng đa dạng như các cảm biến hay các thiết bị đo dùng trong xe cộ, thiết bị công trình hay các bộ phận sinh học nhân tạo,

do đó đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu Nhiều thiết kế và phương pháp tiếp cận đã được đề xuất để chuyển đổi năng lượng cơ từ các nguồn rung động trong môi trường sang năng lượng điện Nổi bật trong số đó, thiết bị khai thác năng lượng kiểu áp điện (piezoelectric energy harvester - PEH) được sử dụng phổ biến Đối với mỗi mô hình vật lí cụ thể, hiệu suất chuyển đổi năng lượng là đại lượng được sử dụng

để đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng của mô hình đó Do bản chất vật lý của thiết

bị PEH là chuyển đổi năng lượng từ rung động sang năng lượng điện, qua một chuyển đổi trung gian là biến dạng của vật rắn đàn hồi, nên hiệu suất chuyển đổi năng lượng

sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố Vì vậy, hướng nghiên cứu của đề tài này nhằm trả lời câu hỏi cơ bản cho một mô hình thu hồi năng lượng bằng vật liệu áp điện áp dụng trong hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC): làm thế nào để xác định và tính toán hiệu suất chuyển đổi năng lượng

2 Tình hình nghiên cứu

Theo nguyên lý làm việc, thiết bị PEH có thể phân làm hai loại là kiểu quán tính và kiểu phi quán tính Đối với kiểu phi quán tính, kích động tác dụng trực tiếp lên hệ và làm cho vật liệu áp điện bị co hay dãn để tạo ra điện Đối với kiểu quán tính, kích động không trực tiếp làm biến dạng vật liệu áp điện mà là lực quán tính trong hệ

Để đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng bằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng, hiện nay có một số đề xuất xuất phát từ cả lý thuyết lẫn thực nghiệm Năm 2004, Richards

và cộng sự [10] đưa ra công thức chính xác để xác định hiệu suất dựa trên mô hình đơn

giản một bậc tự do, trong đó hiệu suất η chỉ phụ thuộc vào các hệ số chất lượng và hệ

số liên kết cơ-điện của cả hệ Năm 2006, Shu và Lien [11] phân tích hiệu suất chuyển đổi năng lượng lý thuyết trong miền cộng hưởng của một thiết bị PEH kiểu công xôn

2

với mạch chỉnh lưu cầu Họ giả thiết năng lượng cơ học đầu vào bằng tổng của năng lượng điện thu được và năng lượng hao tán do cản của kết cấu Năm 2009, Liao và Sodano [12] đề xuất điều chỉnh công thức xác định hiệu suất theo định nghĩa truyền thống bằng tỉ số của công suất đầu ra của năng lượng biến dạng trên một chu kỳ Năm

2017, Erturk và cộng sự [7] tiến hành xây dựng công thức tính toán hiệu suất cho thiết

bị PEH một lớp áp điện từ mô hình một bậc tự do và kiểm chứng bằng thực nghiệm Trong phạm vi đề tài luận văn này sẽ tập trung vào phân tích hiệu quả thu hồi năng lượng từ thiết bị PEH kiểu dầm công xôn thon theo mô hình của Erturk và cộng sự đề xuất trong [7]

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: máy nén trong hệ thống HVAC

- Phạm vi nghiên cứu: mô hình thu hồi năng lượng bằng vật liệu áp điện tuyến tính trên dầm công xôn thon, có xét đến vấn đề cộng hưởng

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế thừa;

- Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập thông tin, thống kê và xử lý số liệu;

- Phương pháp giải tích, phương pháp số

6 Kết quả dự kiến đạt được

- Mô hình vật lí, mô hình toán mô tả thu hồi năng lượng bằng vật liệu áp điện tuyến

3

tính trên dầm công xôn thon, có xét đến vấn đề cộng hưởng

- Đánh giá được hiệu quả bộ thu hồi năng lượng từ rung động bằng vật liệu áp điện trong hệ thống HVAC

Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo của PEH [12]

Theo nguyên lý làm việc, PEH có thể phân làm hai loại là kiểu quán tính và kiểu phi quán tính Đối với kiểu phi quán tính, kích động tác dụng trực tiếp lên hệ và làm cho vật liệu áp điện bị biến dạng để tạo ra điện Đối với kiểu quán tính, kích động không trực tiếp làm biến dạng vật liệu áp điện mà là lực quán tính trong hệ Loại PEH quán tính phổ biến thường sử dụng dầm công xôn gắn với nguồn rung động, trên bề mặt dầm dán lớp vật liệu áp điện Sơ đồ nguyên lý của PEH với dầm công xôn được mô tả

Năng lượng cơ học

Mạch

trữ

5

như Hình 1.1

Trong phân tích dòng năng lượng của các hệ thống khai thác năng lượng kiểu áp điện, hiệu suất của PEH quán tính là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả chuyển đổi năng lượng Có 3 pha chuyển đổi năng lượng cơ bản trong PEH là [23] [7]

- Chuyển đổi năng lượng cơ học - cơ học: liên quan tới năng lượng cơ học thu được

từ nguồn rung động và chuyển đổi cho PEH

- Chuyển đổi năng lượng cơ học - điện: liên quan tới sự chuyển đổi năng lượng cơ học sang năng lượng điện trong PEH

- Chuyển đổi năng lượng điện - điện: liên quan tới sự truyền hay chuyển đổi năng lượng điện tới tải ngoài

Hình 1.1 Dòng năng lượng trong PEH [7]

Do bản chất vật lý của PEH là chuyển đổi năng lượng từ rung động sang năng lượng điện, qua một chuyển đổi trung gian là biến dạng của vật rắn đàn hồi, nên hiệu suất chuyển đổi năng lượng sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố Quá trình phát triển mô hình lý thuyết tính toán hiệu suất của PEH có một số kết quả đáng chú ý Năm 2004, Richards

và cộng sự [10] đưa ra công thức chính xác để xác định hiệu suất dựa trên mô hình đơn

giản một bậc tự do, trong đó hiệu suất η phụ thuộc vào các hệ số áp điện và hệ số liên

kết cơ-điện của cả hệ Năm 2006, Shu và Lien [11] phân tích hiệu suất chuyển đổi năng lượng lý thuyết trong miền cộng hưởng của PEH kiểu công xôn với mạch chỉnh lưu cầu Họ giả thiết năng lượng cơ học đầu vào bằng tổng của năng lượng điện thu được và năng lượng hao tán do cản của kết cấu Năm 2009, Liao và Sodano [12] đề xuất điều chỉnh công thức xác định hiệu suất bằng tỉ số của công suất đầu ra và năng

6

lượng biến dạng trên một chu kỳ Năm 2017, Erturk và cộng sự [7] tiến hành xây dựng công thức tính toán hiệu suất cho PEH một lớp áp điện từ mô hình một bậc tự do và kiểm chứng bằng thực nghiệm

Để nâng cao hiệu quả của PEH, nhiều nghiên cứu gần đây đã đề xuất một số dạng hình học của kết cấu PEH nhằm có được ứng suất, biến dạng lớn hơn, theo đó thu được điện áp và công suất cao hơn Một bài báo dài hơn 50 trang của Inman và cộng sự được xuất bản năm 2018 [25] đã cung cấp một cái nhìn tổng quan rất chi tiết về các kỹ thuật khai thác năng lượng kiểu áp điện được phát triển trong 10 năm qua Cùng với công trình này, nhiều nghiên cứu mới khác, như [26] [19] cho thấy một số dạng dầm công xôn thon dạng hình thang, hình tam giác nhất định có thể thu được năng lượng lớn hơn ở tần số kích động cao so với dầm công xôn dạng chữ nhật

1.2 Vật liệu áp điện

Vật liệu áp điện là vật liệu điện môi hoạt động qua tương tác cơ-điện, đồng thời nó cũng được coi là vật liệu sắt điện đa tinh thể được phân cực Tính chất cơ bản của vật liệu áp điện là hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện có tính thuận nghịch, hiệu ứng thuận là sự xuất hiện điện tích khi vật liệu chịu ứng suất còn hiệu ứng nghịch là sự biến dạng của vật liệu khi đặt trong điện trường (Hình 1.2) Trong cả hai trường hợp,

độ biến dạng tỷ lệ với điện trường Trong hiệu ứng áp điện nghịch, khi điện trường đổi chiều thì chiều biến dạng cũng đổi theo

Lực tác dụng

Vật liệu pin

áp điện

Điện tạo ra

Vật liệu pin

áp điện

Căng bề mặt

Điện trường ứng dụng

Hình 1.2 a) hiệu ứng áp điện thuận (trực tiếp); b) hiệu ứng áp điện nghịch

Các vật liệu áp điện được sử dụng phổ biến trong PEH là PbZriO3 - PbTiO3 (PZT), polyvinylidene fluoride (PVDF), BaTiO3 (BT), Pb[Mg1/3Nb2/3]O3- PbTiO3 (PMN-PT), Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbTiO3 (PZN-PT) Các vật liệu này có cấu trúc tinh thể pe-rov-skit trong pha lập phương Bảng 1.1 liệt kê một số thông số cơ bản của vật liệu áp điện,

7

trong đó các hằng số của vật liệu áp điện như d 15 , d 33 , d 31 đặc trưng cho hiệu ứng áp

điện mạnh hay yếu Ta thấy tính chất chung của các hằng số trên là d 15 >> d 33 > d 31 PMN-PT và PZN-PT có hiệu ứng áp điện mạnh nhưng nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, dễ bị mỏi, và khó chế tạo hơn so với PZT Do đó, PZT là loại vật liệu áp điện được sử dụng phổ biến nhất trong PEH

Bảng 1.1 Một số vật liệu áp điện và thông số vật lý

BaTiO3 PZT-4

PZT-5A

5H

PZT-PZT-8 PVDF

PMN-33%PT

6%PT

8

Hình 1.3 Phân cực của vật liệu gốm áp điện đa tinh thể (a) Sắp xếp ngẫu nhiên của các đô-men trước khi phân cực; (b) Phân cực dưới tác dụng của điện trường tĩnh; (c) Duy trì sự phân cực sau khi loại bỏ điện trường

1.3 Các phương trình liên kết

Theo tiêu chuẩn IEEE về vật liệu áp điện, ở một mức độ điện trường và biến dạng nhất định, vật liệu áp điện có ứng xử tuyến tính, làm việc như một vật liệu đàn hồi trực hướng được gọi là vật liệu áp điện tuyến tính Dựa trên lý thuyết đàn hồi, trạng thái ứng suất một phần tử gồm 9 thành phần, gồm các ứng suất pháp và ứng suất tiếp ijnhư biểu diễn ở Hình 1.4 Tương ứng, có 9 thành phần biến dạng S Do tính chất đối ij

xứng của ứng suất và biến dạng, ij ji,S ij S ji, nên ứng suất và biến dạng có thể

được mô tả bằng 6 thành phần, và 1

2

j i ij

u u S

9

Hình 1.4 Phân tố ứng suất Hình 1.5 Sơ đồ biến dạng nhỏ

Đối với vật liệu đàn hồi trực hướng tuyến tính, theo định luật Hooke ta có

với  C là ma trận hệ số độ cứng, do vật liệu có 3 mặt phẳng đối xứng đàn hồi vuông

góc với nhau từng đôi một nên ma trận độ cứng có dạng

Mặt khác, vật liệu áp điện là vật liệu điện môi, sự nạp điện hay phân cực theo các trục

1, 2, 3 được mô tả bởi véc tơ điện trường    1 2 3

T

E  E E E và véc tơ độ dịch chuyển điện    1 2 3

Khi thiết lập quan hệ ứng suất-biến dạng và điện trường-độ dịch chuyển điện cho vật

liệu áp điện, cần phải xét đến sự thay đổi của biến dạng S và độ dịch chuyển điện D theo 3 phương do ảnh hưởng của mối quan hệ qua lại giữa điện trường E và ứng suất

T Đại lượng đặc trưng cho tác động qua lại này là hệ số ứng suất áp điện e, được mô

tả bởi ma trận 3x6 Với đặc điểm vật liệu PZT phổ biến phân cực theo trục 3, ta có

T C S e E

D e S  E

Thực tế, nhiều tài liệu sử dụng hệ số biến dạng áp điện d thay vì hệ số ứng suất áp điện

e Hai hệ số áp điện e và d liên hệ với nhau qua độ cứng C, viết dưới dạng ma trận là

Có thể thấy trong công thức (13), các phần tử khác 0 của ma trận hệ số ứng suất áp

điện là e33, e31 (bằng e32) và e15 (bằng e24) Vì vậy, liên kết điện-đàn hồi được thể hiện theo ba kiểu hiệu ứng áp điện cơ bản (mode) là kiểu dọc (“33”), kiểu ngang (“31”) và kiểu trượt ("15") như mô tả trên Hình 1.6

Các phương trình liên kết tương ứng với các kiểu (“33”), (“31”), ("15") lần lượt là

12

c)Hình 1.6 Các kiểu hiệu ứng áp điện của PZT phân cực theo trục 3

a) Kiểu dọc (“33”), b) Kiểu ngang (“31”), c) Kiểu trượt ("15")

Về mặt vật lý, vật liệu áp điện với hiệu ứng kiểu 33 tức là ứng suất và biến dạng tác dụng theo phương song song với trục phân cực 3 cùng hướng với điện trường được hình thành Vật liệu áp điện với hiệu ứng kiểu 31 nghĩa là ứng suất và biến dạng tác dụng theo trục 1 vuông góc với điện trường được hình thành dọc theo trục phân cực 3

Các hệ số biến dạng áp điện d 31 và d 33 được sử dụng để đánh giá tính chất mạnh yếu

của vật liệu áp điện Thông thường, hệ số d 33 lớn hơn d 31, đối với PZT thì d31 0.5d33 Hiệu ứng kiểu 33 rất phù hợp với các kết cấu chịu nén-kéo Trong khi đó, kiểu 31 thích hợp với các kết cấu chịu uốn nhờ tận dụng được biến dạng lớn theo trục 1 Theo tổng kết trong [25], PEH với hiệu ứng áp điện kiểu 33 có thể tạo ra điện áp cao hơn, còn PEH kiểu 31 có thể tạo ra dòng điện cường độ lớn hơn

Cần chú ý là trong cả hai kiểu 31 và 33 như mô tả trên Hình 1.6a,b thì các điện cực

được đặt vuông góc với hướng phân cực P o, tức là điện trường cùng phương phân cực Còn ở kiểu 15 hoạt động với biến dạng trượt, các điện cực cần được lắp trên các bề mặt song song với hướng phân cực (Hình 1.6c), do đó cần xử lý phức tạp hơn về mặt

13

kỹ thuật so với hai kiểu 31 và 33

1.4 PEH kiểu công xôn một lớp áp điện

Dầm công xôn là dạng kết cấu được sử dụng nhiều nhất trong PEH, đặc biệt là ứng dụng khai thác năng lượng từ dao động, nhờ có biến dạng lớn Hơn nữa, tần số cộng hưởng của dầm công xôn thấp hơn nhiều so với các dạng kết cấu khác nên phù hợp với rất nhiều ứng dụng thực tế vốn có tần số kích động thấp Theo số lớp áp điện dán ở hai mặt trên và dưới của dầm cơ sở, PEH công xôn được chia làm hai loại cơ bản là loại một lớp (unimorph) và loại hai lớp (bimorph) Loại một lớp có thể áp dụng cả hai kiểu hiệu ứng áp điện 31 và 33 như mô tả ở Hình 1.7 Trong kiểu 31 lớp áp điện nằm giữa hai điện cực, còn trong kiểu 33 các đầu điện cực được đặt xen kẽ nhau trên lớp áp điện Phạm vi đề tài luận văn này chỉ tập trung tới loại PEH công xôn một lớp kiểu 31, các đặc điểm của loại hai lớp có thể tham khảo trong các tài liệu chuyên ngành

Hình 1.7 Dầm công xôn 1 lớp áp điện

a) Kiểu 31; b) Kiểu 33

1.5 Giới thiệu về hệ thống HVAC

HVAC là viết tắt của cụm từ Heating, Ventilating and Air Conditioning (Hệ thống

sưởi ấm, thông gió và điều hoà không khí) gọi chung là hệ thống điều hòa không khí

Ngày nay, HVAC được ứng dụng rất rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta như ứng dụng trong hệ thống điều hoà không khí và thông gió tại gia đình, các toà nhà cao tầng, trung tâm thương mại các ngành công nghiệp nặng như nhà máy điện hay các phương tiện vận tải như ô tô, máy bay…

Cấu tạo của HVAC:

- Hệ thống sưởi (heating): Được dùng để tạo ra nhiệt (độ ấm) trong các toà nhà hay

- Hệ thống thông gió (ventilation): Nhiệm vụ của hệ thống này sẽ là thay đổi hoặc là thay thế luồng không khí trong không gian bất kỳ nhằm kiểm soát nhiệt độ hoặc là loại

bỏ bất kỳ sự kết hợp giữa độ ẩm, mùi, khói, nhiệt, bụi, hay là vi khuẩn bên trong không khí hoặc là CO2 và bổ xung Oxy Trong nhiều trường hợp, thông gió cũng bao gồm cả việc thực hiện trao đổi luồng không khí với bên ngoài cũng như lưu thông luồng không khí trong toà nhà Hệ thống thông gió được xem là một trong những yếu

tố rất quan trọng nhằm duy trì chất lượng của không khí bên trong mỗi khu vực trong các toà nhà

- Điều hòa không khí (air conditioning): Nhiệm vụ cung cấp luồng không khí theo yêu cầu cài đặt từ trước và độ ẩm cho toàn bộ hoặc là một phần của toà nhà Điều hoà không khí và làm lạnh thường được tạo ra bằng các loại bỏ nhiệt từ bên trong hệ thống Nhiệt độ của không khí có thể được loại bỏ bằng bức xạ, đối lưu hoặc truyền dẫn qua một thiết bị làm lạnh Một vài phương tiện giúp truyền dẫn lạnh như nước, không khí, nước đá, hoá chất hay gọi chung là chất làm lạnh Những chất làm lạnh này được dùng trong hệ thống bơm nhiệt, mà trong đó, máy nén được sử dụng để điều khiển chu trình làm mát bằng nhiệt động lực học, hoặc trong một hệ thống làm lạnh bằng việc sử dụng máy bơm để vận chuyển một chất làm lạnh (thường là nước hoặc là một hỗn hợp glycol)

Hệ thống HVAC gồm các thiết bị như máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi, quạt, bơm và nhiều thiết bị khác Tất cả các thiết bị này được kết nối với nhau thông qua các ống dẫn chất lỏng hoặc khí Khi hoạt động, các thiết bị này luôn tạo ra sự rung động Rung động bắt nguồn thông qua các thiết bị quay như máy nén, quạt, bơm và chuyển động của không khí, của chất lỏng trong các ống dẫn Rung động có thể được

15

gây ra bởi một loạt các nguyên nhân như trục quay bị uốn cong, mất cân bằng trong các bộ phận quay, bánh răng bị mòn hoặc cong, vòng bi bị hỏng, khớp nối hoặc vòng

bi bị sai lệch, lực điện từ, vv…

Hình 1.8 Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong nhà

Hình 1.9 Các đơn vị của cảm biến không dây và công nghệ khai thác năng lượng

Mạng điều khiển

Trung tâm điều khiển

Ống dẫn khí

16

Do các hệ thống HVAC liên quan đến nhiều bộ phận chuyển động, nên có một số rung động xảy ra ngay cả trong một hệ thống được lắp đặt và bảo trì tốt Rung động có xu hướng tăng theo thời gian khi các bộ phận, chi tiết cơ khí bị hao mòn Do đó, ta có thể thu hồi các rung động này chuyển hóa thành điện năng để phục vụ cho các thiết bị điều khiển, cảm biến là rất hữu ích

Trong những năm gần đây, hệ thống điều khiển vi khí hậu được phát triển nhanh chóng cho HVAC (Hình 1.8), với yêu cầu đa dạng về mạng cảm biến không dây tự duy trì

Hiện nay, các mạng cảm biến không dây (wireless sensor networks, viết tắt WSN) mới nhất đã trở thành một giải pháp hữu ích và hiệu quả Ngoài việc có các lợi thế về chi phí lắp đặt và vận hành với thấp, WSN còn có ưu điểm là tiêu thụ điện năng thấp, tính linh hoạt cao và thực hiện giám sát điều khiển từ xa theo thời gian thực Trong WSN mỗi cảm biến được gọi là một “nút” (node) Nói chung, một nút cảm biến không dây bao gồm bốn “đơn vị” (unit) chính: đơn vị cảm biến, đơn vị xử lý, đơn vị truyền thông

và đơn vị năng lượng như mô tả trong Hình 1.9

Đơn vị năng lượng đặt ra một vấn đề quan trọng bởi vì pin thông thường có tuổi thọ hữu hạn, mật độ năng lượng và dung lượng hạn chế Ngoài ra, hiệu suất của pin không được cải thiện nhiều so với sự gia tăng mức tiêu thụ năng lượng trong các thiết bị điện

tử Khi pin cạn kiệt, việc thay thế hoặc sạc lại có thể là một nhiệm vụ tốn kém và khó khăn, đặc biệt là khi các nút ở vị trí xa hoặc khó tháo lắp

Đơn vị truyền thông được đặc trưng bởi các công nghệ truyền dẫn không dây được tiêu chuẩn hóa chính bao gồm Wi-Fi, Bluetooth năng lượng thấp (BLE), ZigBee và tần

số radio (RF) cao (như 433 MHz, 915 MHz, 2.45 GHz và 5,8 GHz) EnOcean, Z-wave

và ANT là các công nghệ truyền thông độc quyền mới có phát triển tiềm năng trong các lĩnh vực nhà thông minh, điều khiển tự động, vận chuyển và logistics Thông số cơ bản của các hệ thống WSN công suất thấp này được trình bày như trong các Bảng 1.2,

17

Bảng 1.3, Bảng 1.4, Bảng 1.5, là cơ sở để thiết kế các thiết bị khai thác năng lượng để vận hành chúng [17] Bảng 1.2 đưa ra sự so sánh các công nghệ truyền dẫn không dây Tuy nhiên, do sự khác biệt về ứng dụng và công nghệ chế tạo, các công nghệ truyền dẫn không dây có hiệu suất sử dụng năng lượng khác nhau ngay cả khi chúng thuộc

18

Bảng 1.3 cho thấy rằng năng lượng tiêu thụ thường ở mức milliWatt hoặc Watt Cả Wi-Fi và BLE đều có mức tiêu thụ năng lượng và khả năng truyền dữ liệu tốt hơn so với các công nghệ truyền thông không dây khác

Bảng 1.2 So sánh các công nghệ truyền dẫn không dây

Công nghệ

Tốc độ truyền tải (bps)

Khoảng cách truyền tải

Tiêu thụ năng lượng

Đặc tính Nghỉ

(μW)

Truyền (mW)

Nhận (mW)

Tốc độ cao, khoảng cách dài , băng thông rộng, tiêu thụ năng lượng thấp

và khả năng tương thích

cao

BLE 4.2 1M

Lên đến 100m, bình thường hoạt động trong 10m

Tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí thấp, bảo mật cao và độ trễ thấp

ZigBee 250k 10m đến

Tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí thấp, độ phức tạp thấp và tự tổ

và xử lý dữ liệu Bảng 1.4 liệt kê các mô-đun vi xử lý điển hình với mức tiêu thụ hoạt động ở mức khoảng Watt Trong thực tế, chi phí điện của bộ vi xử lý phụ thuộc vào khối lượng tín hiệu được xử lý Nói cách khác, việc thực hiện các thuật toán phức tạp lớn dẫn đến sự gia tăng đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của bộ vi xử lý cho mỗi nút cảm biến, ví dụ, từ hàng chục milliWatts hoặc hàng trăm milliWatts

Tiêu thụ năng lượng

Nghỉ (μW)

Truyền (mW)

Nhận (mW)

32-bit Tensilica L106 @

80 MHz or 160 MHz 32-bit ARM Cortex-M4

@ 80 MHz 32-bit STM32 ARM Cortex-M3 @ 120MHz

72.2 M 54M 54M

45 43.92 49.5

420

990 1115.4

168 201.64 36.5

BLE 5

nRF52840 CC2640R2F

CC2650 RF Core

32-bit ARM Cortex-M4F

@ 64MHz 32-bit ARM Cortex-M0

@ 32 MHz 32-bit ARM Cortex-M0

@ 32 MHz

2M 2M 1M

2.1×10 -3 9×10 -3

8.1×10 -3

40.8 27.3 27.3

19.2 18.3 18.3

BLE 4.2

RN4871 PAN1760A

8-bit Microchip

8051 @

16 MHz 32-bit ARM Cortex-M0

@ 32 MHz

10k 115.2 k

-

1.65×10 -4

39 10.89

39 10.89

ZigBee

4-AUI-001 ATSAMR21B18

- 32-bit ATSAMR21 ARM Cortex-M0+ @ 48 MHz

165 35.4

Ram (KB)

Sử dụng (μW)

Chế độ nghỉ (μW)

Tiêu thụ năng lượng

Đo (μW) Chế độ

nghỉ (μW)

Gia tốc kế

ADXL345 MPU-6050 LIS2DS12TR

10bits 16bits 16bits

Max 3200 Max 1000 Max 6400

100

1650

270

0.25 16.5 1.26 Nhiệt kế TMP006

D6T-44L-06

0.03125 ◦C 0.14 ◦C

1.6 Một số phương pháp thu hồi năng lượng từ trong hệ thống HVAC bằng PEH

Trong những năm gần đây, khai thác năng lượng từ dao động trong hệ thống HVAC được nhiều nhà nghiên cứu tập trung phát triển các thiết bị PEH để cung cấp nguồn nuôi cho các cảm biến không dây và hệ thống cảm biến tự duy trì (Hình 1.10) Nguồn rung động phong phú và đa dạng, từ rung động của kết cấu cơ khí cho tới dao động tạo bởi các dòng khí trong HVAC Trong [15], phát triển một hệ thống cảm biến tự duy trì với nguồn nuôi được nạp điện từ PEH lắp tại các cấp gió của đường ống HVAC

Hình 1.10 Hệ thống cảm biến tự duy trì trong HVAC [27]

21

Hình 1.11 PEH trong đường ống HVAC

[16] nghiên cứu PEH đặt bên trong đường ống của HVAC (Hình 1.11) Dòng gió xoáy tác động đến dầm và sự tách rời của các vòng xoáy xen kẽ tạo ra một lực hình điều hòa tác động lên dầm PEH theo hướng ngang với hướng của dòng khí, tạo ra rung động của dầm áp điện tạo ra năng lượng điện Các mô hình trong [15], [16] sử dụng PEH kiểu dầm công xôn

Trong [14] nghiên cứu PEH kiểu màng mỏng, dán trên dàn ngưng tụ của HVAC (Hình 1.12) Vị trí dán PEH là ở mặt trên của vỏ dàn ngưng tụ để khai thác rung động của vỏ, thực chất là do máy nén sinh ra Các tác giả giải quyết hai vấn đề là tối ưu hóa cấu trúc liên kết và tối ưu hóa hình dạng của vật liệu PEH Công suất tạo ra lên tới 3,7 mW

Hình 1.12 Dàn ngưng tụ: (a) vị trí dán, (b) PEH kiểu màng mỏng

1.7 Đề xuất hướng nghiên cứu

Trong phạm vi đề tài luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học một bậc tự do cho PEH kiểu dầm công xôn thon một lớp áp điện, trong đó một số

Dòng gió xoáy

Dòng gió đến

công xôn

Chỉnh lưu

Tụ điện

22

đại lượng đặc trưng được tính toán từ mô hình dầm Euler-Bernoulli Hiệu quả thu hồi năng lượng từ thiết bị PEH được phân tích dựa trên mô hình tính toán hiệu suất của Erturk và cộng sự [7] Kết quả đo đạc về rung động của một số bộ phận, thiết bị HVAC do học viên thực hiện được sử dụng làm thông số đầu vào để tính toán, phân tích cho mô hình PEH kiểu dầm công xôn thon một lớp áp điện

Hình 2.1 Mô hình PEH với dầm công xôn thon chịu kích động nền

Hình 2.2 Kết cấu của PEH Xét PEH kiểu dầm công xôn thon một lớp chịu kích động nền có trục tọa độ địa

phương oxyz như Hình 2.1 Lớp piezo được dán trên toàn bộ bề mặt dầm cơ sở Dầm ghép có một đầu ngàm, đầu tự do gắn khối lượng gia tốc m t Nền tại đầu ngàm có dịch

chuyển Z(t), đầu tự do có dịch chuyển tương đối X(t) so với đầu ngàm Kết cấu của PEH như mô tả ở Hình 2.2a [24], với chiều dài L, tiết diện là hình chữ nhật với chiều dày dầm cơ sở h s và chiều dày lớp piezo h p không đổi, chiều rộng b thay đổi theo quy

luật mũ dọc theo chiều dài dầm (Hình 2.2b,c) như sau

Ký hiệu  s, p,E E s, p lần lượt là khối lượng riêng và mô đun đàn hồi của vật liệu dầm

cơ sở và vật liệu piezo; ,E x I x   , là khối lượng riêng, mô đun đàn hồi và mô men

quán tính tương đương của dầm ghép; h b , h c là khoảng cách từ mép ngoài và mép trong của lớp piezo đến trục trung hòa của dầm ghép (Hình 2.2c) Giả thiết các vật liệu dầm cơ sở và piezo là đồng nhất, đẳng hướng, tuân theo định luật Hooke Khối lượng

và khối lượng riêng của dầm ghép xác định được là

h h b x h b x

h h

h h b x h

h h

h h h h h

Để xác định tần số dao động tự nhiên của dầm ghép, xét trường hợp dầm ghép công

xôn chịu tải trọng tập trung P tại đầu tự do như Hình 2.3 Theo lý thuyết dầm