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

Tại Pháp một số nhà cung cấp dịch vụ mạng đã bắt đầu triển khai một mạng lưới LoRa cho thị trường 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 người 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 người cao tuổi ở trong trường hợp khẩn cấp ví dụ trường hợp điển hình của một người già bị bệnh Alzheimer bị lạc trong thành phố Bộ định vị toàn cầu GPS mô đun WiFi và Bluetooth tất cả sẽ được bao gồm trong một thiết bị đeo duy nhất được thiết kế cho người cao tuổi sử dụng và để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng Việc sử dụng các hệ thống thu thập năng lượng khác nhau máy phát điện nhiệt cơ hoặc pin năng lượng mặt trời để mở rộng sự tự chủ của thiết bị Tác giả đã nghiên cứu các giải pháp thu thập năng lượng để kéo dài tuổi thọ pin của thiết bị Một vài kỹ thuật thu hoạch sẽ được đánh giá và kết hợp

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng - Năm 2018

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Quốc Huy

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Đà Nẵng, ngày 12 tháng 5 năm 2018

Tác giả luận án

TRƯƠNG HOÀI NAM SƠN

THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM CÁC GIẢI PHÁP THU THẬP NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ ĐEO TAY CÓ TRUYỀN DẪN

KHÔNG DÂY DIỆN RỘNG LoRa

Học viên: Trương Hoài Nam Sơn Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60520216 Khóa: 33PFIEV Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN

Tóm tắt- Tại Pháp, một số nhà cung cấp dịch vụ mạng đã bắt đầu triển khai một mạng lưới LoRa

cho thị trường 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 người 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 người cao tuổi ở trong trường hợp khẩn cấp (ví dụ: trường hợp điển hình của một người già bị bệnh Alzheimer bị lạc trong thành phố) Bộ định vị toàn cầu (GPS), mô đun WiFi và Bluetooth, tất cả sẽ được bao gồm trong một thiết bị đeo duy nhất, được thiết kế cho người cao tuổi

sử dụng và để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng Việc sử dụng các hệ thống thu thập năng lượng khác nhau (máy phát điện nhiệt, cơ hoặc pin năng lượng mặt trời) để mở rộng sự tự chủ của thiết bị Tác giả đã nghiên cứu các giải pháp thu thập năng lượng để kéo dài tuổi thọ pin của thiết bị Một vài kỹ thuật thu hoạch sẽ được đánh giá và kết hợp

Từ khóa – thu thập năng lượng, năng lượng mặt trời, piezoelectric, năng lượng nhiệt điên, quản lý

năng lượng

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 Internet- of-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 tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương 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 lượng 2

7 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG LƯỢNG 3

1.1 Năng lượng là gì? 3

1.2 Tại sao cần thu thập năng lượng? 3

1.3 Các nguồn năng lượng sẵn có thường được khai thác cho thu thập năng lượng 4

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP NĂNG LƯỢNG 7

2.1 Thu thập năng lượng 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 lượng rung động 13

2.2.1 Vật liệu 14

2.2.2 Mô hình 14

2.3 Thu thập năng lượng nhiệt điện 16

2.3.1 Hiệu ứng Seebeck 17

2.3.2 Máy phát nhiệt điện 17

2.3.3 Vật liệu 19

CHƯƠNG 3 QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG 21

3.1 Quản lý năng lượng 21

3.2 Hệ thống lưu trữ 23

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM CHO THIẾT BỊ ĐEO TAY CÓ

TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY DIỆN RỘNG LoRa 25

4.1 Đo năng lượng tiêu thụ của thiết bị đeo tay 26

4.2 Cấu trúc hệ thống thu thập năng lượng 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

(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 IL và một diode qua đó một

ID dòng thông Dòng điện còn lại, I, chạy qua tải

8

2.2 Thiết kế của một pin năng lượng mặt trời silicon đơn tinh thể 10

2.4 (a) Chuyển mạch nối tiếp và (b) Bộ điều chỉnh chuyển mạch shunt 12

2.8 Bố cục chung của dao động piezoelectric với cưỡng bức cơ bản 16

2.9 Hiệu ứng Seebeck: điện áp tạo ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ trên

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

4.6

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)

29

Số hiệu

4.8 Điện áp thu thập nhiệt điện TEG (40mmx40mm) thông qua nhiệt

độ cơ thể với môi trường xung quanh V=147 mV, I=38 uA 31 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch thu năng lượng nhiệt điện 32

4.10

Kết quả thu thập năng lượng nhiệt điện dựa trên chênh lệch nhiệt

độ giữa cơ thể con người và môi trường xung quanh không kết

nối tải

32

4.11 Thu năng lượng TEG tạo VOUT =3.3V không kết nối tải 33

4.14 Kết quả thu năng lượng mặt trời tạo VOUT=3.3V và sạc tụ 680uF

4.15 Thu thập năng lượng mặt trời để cung cấp cho thiết bị IoT sử

dụng công nghệ truyền không dây diện rộng LoRa 35

4.16

Các khối chính của LTC3588 với mạch điều khiển BUCK và hai

MOSFET bên trong để tăng hiệu quả cung cấp năng lượng cho tụ

điện đầu ra

36

4.17 Mối quan hệ điện áp giữa VIN, VIN2, VCAP 37

4.19 Điện áp thu thập từ modul piezo dựa trên lực nhấn làm biến dạng

4.20 Sơ đồ nguyên lý thu năng lượng Piezoelectric 40

4.22 Sơ đồ nguyên lý thu năng lượng Piezo tạo điện áp VOUT=3.3V 42 4.23 Thu thập năng lượng Piezoelectric tạo VOUT=3.3V không kết nối

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 tử

 Truyền thông công nghệ LoRa tiêu thụ năng lượng thấp

 Ý nghĩa thực tiễn:

 Sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng có thể kéo dài tuổi thọ của pin hoặc ít phụ thuộc vào pin

 Các công nghệ kỹ thuật năng lượng thấp ít tiêu tốn năng lượng

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

1.1 Năng lượng là gì?

Năng lượng 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 lượng như: động năng làm dịch chuyển vật thể, nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của vật thể

Trong tự nhiên, có nhiều kiểu năng lượng khác nhau: điển hình nhất là năng lượng mặt trời và tất cả những nguồn năng lượng đó đến từ vũ trụ dưới dạng tia vũ trụ, tia X, sóng hấp dẫn, vật chất tối, v.v… Năng lượng xung quanh là nguồn năng lượng

tự nhiên như ánh sáng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, nhiệt địa

Thu thập năng lượng là quá trình mà năng lượng có nguồn gốc từ các nguồn bên ngoài (còn được gọi là năng lượng môi trường xung quanh) được thu thập và lưu trữ cho các thiết bị tự động không dây, nhỏ, giống như những thiết bị điện tử dùng để đeo được và mạng cảm biến không dây

Ví dụ điển hình của các nguồn môi trường là ánh sáng mặt trời và bất kỳ nguồn nhân tạo như rung động hoặc nhiệt từ động cơ hoặc cơ thể người Các bộ chuyển đổi năng lượng như pin mặt trời, máy phát điện nhiệt và piezoelectric chuyển năng lượng này thành năng lượng điện Mục tiêu của mỗi hệ thống thu thập năng lượng là thay thế các pin được sử dụng để kéo dài năng lượng sạc cho linh kiện lưu trữ

1.2 Tại sao cần thu thập năng lượng?

Các thiết bị thu hoạch năng lượng chuyển đổi năng lượng xung quanh thành năng lượng điện đã thu hút được nhiều quan tâm đến cả quân sự và thương mại.Một

số hệ thống chuyển đổi chuyển động, như sóng biển thành điện năng được sử dụng bởi các cảm biến giám sát hải dương học cho hoạt động tự động hóa.Các ứng dụng trong tương lai có thể bao gồm các thiết bị đầu ra công suất cao (hoặc mảng của các thiết bị như vậy) được triển khai tại các vị trí từ xa để phục vụ như các trạm điện đáng tin cậy cho các hệ thống lớn.Một ứng dụng khác là trong thiết bị điện tử đeo được, nơi các thiết bị thu hoạch năng lượng 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 trường và có phạm vi rộng của độ nhạy động để khai thác toàn bộ phổ của chuyển động sóng

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 Sơ đồ hệ thống điển hình như Hình 1.1 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

Năng lượng điện thu thập được rất ít (khoảng 1 mW/cm3 đến 100mW/cm3) Vì vậy, hệ thống hoạt động chế độ năng lượng thấp Các loại tải điện tử như cảm biến, vi điều khiển, thiết bị truyền thông không dây Tiêu thụ năng lượng khoảng micro ampe cho lần đầu tiên của hai linh kiện và vài mA cho truyền thông Điều này phải được xem xét khi thiết kế hệ thống thu thập năng lượng

1.3 Các nguồn năng lượng sẵn có thường được khai thác cho thu thập năng lượng

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 kết nối vạn vật (IoT) Trong Bảng 1-1 tóm tắt các nguồn năng lượng chính

Năng lượng đầu vào

Điều chỉnh điện áp Tải

Lưu trữ

Hình 1.2 Tải điển hình

Bảng 1.1 Nguồn năng lượng thu thập chính

Năng lượng Loại Năng lượng thu thập

Công nghiệp Rung động 100 µW/cm2

Công nghiệp Nhiệt độ 1-10 µW/cm2

có góc nghiêng và hướng của pin mặt trời để đạt được bức xạ cực đại cho hệ thống công suất lớn Mặt trời chiếu tới mặt đất với mật độ năng lượng ít nhất là 1350 J/m2, với tổng công suất trên mặt đất khoảng 170 * 109 MW

Như trong hầu hết các biến đổi, động năng là cơ sở của việc thu thập về chuyển động của các hạt như photon (mặt trời) hoặc các loại sóng nói chung Sự chuyển động hoặc biến dạng được chuyển đổi thành năng lượng điện ở ba chế độ chính: điện cảm, tĩnh điện và piezoelectric

Bảng 1.2 Nguồn rung động

Ví dụ như con người đi bộ là một trong những hoạt động có nhiều năng lượng hơn liên quan đến sản xuất tín hiệu điện Có thể phân biệt hai chế độ năng lượng: hoạt động và thụ động Năng lượng hoạt động của các thiết bị điện tử xảy ra khi người dùng cần làm một công việc cụ thể để cấp năng lượng cho thiết bị Phương thức thụ động thay vào đó là khi con người không được làm bất kỳ công việc nào ngoài hoạt động hằng ngày: di chuyển ngón tay, đi bộ, nhiệt độ cơ thể

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

Bất kỳ hệ thống điện tử độc lập nào ở ngoài trời, trong các phòng có cửa sổ, hoặc thường 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 lượng 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 thường kém hiệu quả dưới mức chiếu sáng thấp Các thiết bị tốt nhất, thường là rất đắt tiền các tế bào "tập trung", được thiết kế

để hoạt động dưới năng lượng của nhiều mặt trời và có hiệu suất lên đến 40% Mật độ năng lượng có sẵn từ các tế bào năng lượng mặt trời hoạt động ngoài trời có thể vượt quá các công nghệ thu năng lượng khác đưa ra bởi cường độ khác nhau (xem Bảng 2-1) Giá trị ít hơn nhiều đối với hoạt động trong nhà Nhưng, thu năng lượng ánh sáng trong nhà có thể cung cấp mật độ năng lượng đủ cho các công nghệ năng lượng thấp như các nút cảm biến không dây Cần cân nhắc cẩn thận về tính chất và tần số của điều kiện chiếu sáng và tổng lượng điện sử dụng của thiết bị, và diện tích pin mặt trời đã sử dụng phải được lựa chọn phù hợp Hơn nữa, các thiết bị phải có hệ thống quản lý năng

lượng và lưu trữ để đảm bảo rằng các tính năng thiết yếu có thể được 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 được thêm vào đường nối p-n và điện áp, V, được áp dụng, và dòng điện, , đi qua các thiết bị có thể được mô tả bằng phương trình diode

lý tưởng:

(2.1) Trong đó là dòng bão hòa ngược, k là hằng số Boltzmann, và T là nhiệt độ Hình thức của phương trình này được vẽ như đường cong phía trên trong hình 2.1 Áp dụng sai lệch về phía trước (điện áp dương) chống lại trường tích hợp và giảm lớp rào khuếch tán, dẫn đến sự gia tăng hàm lượng dòng điện khuếch tán lên điện áp Ngược lại, việc áp dụng một xu hướng đảo ngược (điện áp âm) bổ sung vào trường tích hợp

và do đó làm tăng rào cản khuếch tán Dòng khuếch tán được giảm theo cấp số nhân với điện thế áp dụng, chỉ còn lại dòng trôi Dưới điều kiện bóng tối, dòng trôi rất nhỏ, vào vùng cạn kiệt

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 và một diode qua đó một dòng thông Dòng điện còn lại, I, chạy qua tải

Ánh sáng được 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 đường nối, điện áp mạch hở ( ) Nếu các vùng n và p được kết nối bằng một đường

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 đường giao nhau Nếu tải được thêm vào mạch, năng lượng có thể được 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 được kết hợp vào phương trình diode như là một dòng chiếu sáng, Một pin mặt trời có mạch tương đương là nguồn dòng và diode hình 2.1(b), với các đặc tính I-V được mô tả bởi

( ) (2.2) Dòng chiếu sáng làm lệch đường cong I-V xuống phía dưới, tạo ra một khu vực

ở góc dưới bên phải của đồ thị hình 2.1(a) Hình chữ nhật công suất tối đa được xác định bởi điện áp và giá trị hiện tại (Vp và Ip) của điểm công suất lớn nhất (MPP), đạt được bằng cách tối ưu hóa điện trở của tải để thu được công suất cực đại từ mạch Tỉ lệ diện tích của hình chữ nhật năng lượng 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 lượng của pin mặt trời càng tốt

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng, η, là tỷ số năng lượng tối đa thu được từ pin (cell),

Pp, đến công suất ánh sáng tới, Pi, nghĩa là,

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 hìp-nh thàp-nh trop-ng một tấm mỏp-ng silicop-n (Wafer of silicop-n) Với đầu p-nối trêp-n cùng và dưới cùng để cho phép năng lượng được chiết ra từ thiết bị và một màng mỏng phản chiếu trên mặt trước để giảm thiểu lượng ánh sáng bị mất do phản xạ hình 2.2 Mặt kết nối phía sau thường là lớp kim loại, trong khi các tiếp điểm kim loại phía trước thường ở dạng đường kẻ tách ra để cho phép ánh sáng vào trong pin Nhiều biến thể có thể có trên thiết kế đơn giản này đã được 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 được đóng gói dưới dạng các mô đun hình 2.3 Có 3 mục đích chính:

 Để bảo vệ các pin khỏi bị hư hỏng cơ học;

 Để tránh nước ăn mòn các tiếp điểm kim loại;

 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 lượng và kích thước của pin mặt trời để được kết hợp vào một mô-đun được xác định bởi các yêu cầu năng lượng của hệ thống Ví dụ, một mô-đun bao gồm 36 pin năng lượng 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), cường độ ánh sáng thấp hơn, và hoạt động tối ưu Các thiết bị yêu cầu công suất thấp hơn, vì vậy mô-đun

có thể nhỏ hơn nhiều và được 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 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

Các hệ thống quang điện bao gồm các trạm điện MW, các hệ thống trong nước kết nối lưới, các hệ thống điện công suất riêng và các thiết bị điện tử tự cung cấp (từ

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 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

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 lượng là mối quan tâm chính Năng lượng tạo

ra bởi hệ thống PV phải lớn hơn năng lượng yêu cầu của ứng dụng trong bất kỳ khoảng thời gian nào Mặt khác, hệ thống phải được thiết kế để phục hồi từ hết hoàn toàn năng lượng hoặc có chế độ không an toàn năng lượng thấp để giữ thời gian hoặc

ít nhất là cho phép phục hồi hệ thống Trong nhiều hệ thống điện năng thấp, hoặc trong trường hợp không có giới hạn về kích thước của mảng PV và công suất phát ra luôn lớn hơn nhiều so với công suất tiêu thụ, hệ thống tương đối đơn giản có thể được 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 thước của mảng và năng lượng tối đa phải được 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 tương ứng của thiết bị quang điện và mô tả chi tiết về tải trọng Các tế bào năng lượng mặt trời cần phải được 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 lượng mặt trời được 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 lượng mặt trời hoặc một số các tế bào năng lượng mặt trời mắc nối tiếp phải tạo ra đủ điện áp để vượt qua ngưỡng điện áp thông của diode và sau đó nạp pin Ứng dụng (tải) được gắn vào thiết bị đầu cuối của pin và được 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 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

Nói chung, có một giới hạn đối với dòng điện cần được sử dụng để sạc pin (ở giai đoạn nạp) và khi pin được sạc đầy thì điện áp của pin sẽ tự giảm (ở giai đoạn tự xả)

Thật vậy, việc sử dụng các linh kiện bán dẫn như các thành phần điện trở có thể yêu cầu tản nhiệt đáng kể trong linh kiện bán dẫn, do đó, như là một sự thay thế, các linh kiện bán dẫn như một công tắc để đảm bảo không quá năng lượng 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 ưu được yêu cầu bởi pin mặt trời sẽ thay đổi với cả ánh sáng và nhiệt độ Để tối đa hóa việc chuyển năng lượng từ tế bào sang tải (pin), các bộ chuyển đổi DC-DC được 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 thường, linh kiện công tắc là một linh kiện bán dẫn hiệu ứng trường MOS 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):

(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 được 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 được áp dụng để tìm ra điểm tối ưu "Leo núi", "điện áp mạch phân đoạn," và "nhiễu loạn và quan sát" các thuật toán được phổ biến, và "mạng nơ-ron nhân tạo" và "logic mờ" đã được thử

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 Mức độ rung động hữu ích được 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, phương tiện giao thông như máy bay, ô tô và các công trình dân dụng như tòa nhà và cầu Sự di chuyển của con người tạo ra tần số thấp và độ dịch chuyển biên độ cao Số lượng năng lượng điện có thể đạt được bằng các phương pháp tiếp cận này phụ thuộc vào số lượng và hình thức năng lượng động học có sẵn trong môi trường cũng như hiệu quả của cả máy phát điện và thiết bị điện tử chuyển đổi năng lượng điện

2.2.1 Vật liệu

Các tinh thể đơn như thạch anh, LiNbO3, GaPO4, hoặc Langasite (La3Ga5SiO14) thường ít được sử dụng làm thiết bị áp điện cho Pb (ZRX Ti1-x) O3 (PZT), tuy nhiên,

có một số ứng dụng thường được sử dụng liên quan đến tần số cao hoặc yêu cầu nhiệt

độ cao Quá trình sản xuất vật liệu polycrystalline piezoceramic thường bao gồm hai giai đoạn Sau khi chuẩn bị bột gốm, nó cung cấp cho việc nấu hỗn hợp bột oxit (calcination) và sau đó xay thành bột mịn, gốm được nung lên đến hình dạng mong muốn Trong việc điều chế Pb (ZRX Ti1-x) O3, các oxit bột của PbO, ZrO2, và TiO2được tỷ lệ khối lượng thích hợp Trong quy trình thiêu kết, các loại bột nung thường pha trộn với hình dạng mong muốn Quá trình gia nhiệt cuối cùng ở nhiệt độ cao (khoảng 1200 trong 16 giờ đối với PZT) cho phép gốm đạt đến mật độ tối ưu Các vật liệu polycrystalline piezoceramic phải được phân cực trong một điện trường để sắp xếp các lưỡng cực điện để cải thiện các đặc tính áp điện của vật liệu Hơn nữa, chất kích thích với một lượng nhỏ các tạp chất có thể cải thiện đáng kể các tính chất

2.2.2 Mô hình

Một vật liệu piezoelectric là một bộ biến năng chuyển đổi năng lượng điện sang

cơ học và ngược lại Mô tả cấu trúc tại hình 2.6 Cổng điện được xác định bởi hai tham số: cường độ của điện trường E và điện môi chuyển D Cổng cơ học, thay vào đó, được đại diện bởi sự gây cơ khí T và áp lực cơ học S

Tỷ số của các tham số cổng được mô tả theo phương pháp toán học cấu thành phương trình Các phương trình sử dụng ứng suất cơ học T và điện trường E là các biến độc lập và được gọi là công thức d Công thức tương tự áp dụng trong trường hợp thu thập năng lượng, T và D là các biến độc lập Trong trường hợp này được biểu hiện như sau:

Hình 2.6 Bố cục chung của vật liệu piezoelectric

Trong đó:

: sự tuân thủ (nghịch đảo của mô đun Young) được đo bằng điện tích trên các

điện cực không đổi (m/N)

: hằng số điện môi trong khoảng thời gian nhất định T (C/mV)

Thiết bị piezo

E,D Điện

T,S

Cơ học

g: hệ số piezoelectric (Vm/N)

Các vật liệu piezoelectric là các vật liệu dị hướng cho các hằng số là các phép

đo sai số và các giá trị điện và cơ của cổng được thể hiện bằng các vectơ

dò piezoelectric đi kèm với cấu trúc cơ học và kết nối với một hệ thống lưu trữ năng lượng bằng một mạch thu năng lượng Trong khi một hệ thống thu thập năng lượng có thể được mô tả như là một mô hình hai cổng với một bậc tự do (hình 2.6) do thực tế là một thiết bị thu thập năng lượng thường được điều chỉnh đến một tần số nhất định Trong trường hợp này, các phương trình vi phân được mô tả như sau:

A: hệ số piezoelectric

Cp: Công suất phụ thuộc vào hình học của bộ chuyển đổi và hướng tải

Sơ đồ hệ thống được minh họa trong hình 2.5 Các phương trình điều khiển hệ thống như sau:

(2.14)

Trong trường hợp này, q(t)=u(t)-s(t) là sự dịch chuyển khác nhau của khối lượng m và kích thích của cơ sở Thiết bị piezoelectric thường được mô hình như nguồn dòng

Hình 2.7 Bố cục chung của dao động piezoelectric

Hình 2.8 Bố cục chung của dao động piezoelectric với cưỡng bức cơ bản

2.3 Thu thập năng lượng nhiệt điện

Năng lượng nhiệt có mặt ở mọi nơi và được tìm thấy trong hầu hết mọi môi trường Một lượng lớn sẽ mất đi không sử dụng Các ví dụ điển hình bao gồm nhiệt thải từ ống xả xe và bộ tản nhiệt, địa nhiệt từ lòng đất, nước làm mát của các nhà máy thép và các quá trình công nghiệp khác, và sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy đại dương Các thiết bị nhiệt điện, có khả năng biến đổi nhiệt thành điện, có tiềm năng thu thập năng lượng nhiệt Thành công cũa sự nỗ lực này sẽ có ý nghĩa rộng lớn trong

cả việc cung cấp năng lượng và môi trường Các thiết bị nhiệt điện có thể giúp cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm phát thải khí CO2 của các hệ thống nhiên liệu hóa thạch thông qua việc thu hồi nhiệt thải Chúng cũng có thể được tích hợp vào các hệ thống tự quản để nâng cao năng lực và tuổi thọ của năng lượng tự nhiên bằng cách thu thập năng lượng nhiệt từ môi trường của chúng, hoặc thậm chí là nạp cho các bộ cảm biến không dây và các thiết bị di động từ nhiệt độ cơ thể

2.3.1 Hiệu ứng Seebeck

Hiệu ứng Seebeck mô tả hiện tượng tạo ra một điện áp bằng một gradient nhiệt

độ Hình 2.6 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

Trong chất bán dẫn thì nó lớn hơn nhiều, có thể lên tới 1.000 μV ⋅ K−1

Một thiết bị nhiệt điện hoạt động ở chế độ Seebeck chuyển đổi nhiệt thành điện và là một máy phát điện

Hình 2.9 Hiệu ứng Seebeck: điện áp tạo ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ trên các

điểm nối 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 Đây được gọi là hiệu ứng Seebeck được mô tả trong chương này và được sử dụng trong đo lường và kiểm soát nhiệt độ

Trong các cặp nhiệt điện, để tạo ra năng lượng, một phần được thay thế bằng các hạt bán dẫn, tiếp xúc với các dải kim loại dẫn điện cao Với các vật liệu này, đạt được cường độ lớn hơn và cũng có thể được sử dụng trong các thiết bị màng mỏng để

đo nhiệt độ Do đó các lớp cặp nhiệt kế có độ dày micro-mét được lắng đọng bởi nhiều

kỹ thuật khác nhau trên bề mặt mỏng của màng cách điện Bộ chuyển đổi nhiệt điện tuân theo các quy luật của nhiệt động lực học; Hiệu suất được định nghĩa là tỷ số giữa điện năng cung cấp cho tải và nhiệt hấp thụ tới bề mặt nóng (hình 2.9 và hình 2.10)

Các biểu thức cho các tham số quan trọng trong việc tạo ra nhiệt điện có thể dễ dàng suy ra bằng cách xem xét máy phát điện bao gồm một cặp nhiệt điện đơn và các chất bán dẫn loại n và p như trong hình 2.9 Các cặp nhiệt điện là được tạo bởi hai nhánh, một loại vật liêụ dạng n, một loại dạng p với chiều dài và , và các mặt cắt ngang liên tục và

Hình 2.10 Bố trí chung của cặp nhiệt điện

Hình 2.11 Máy phát nhiệt điện

Hai nhánh được kết nối với dây kim loại có điện trở không đáng kể Nhiệt chỉ được truyền bằng cách dẫn điện dọc theo các nhánh của cặp nhiệt kế Cặp nhiệt kế

được sử dụng như là một máy phát điện bằng các hiệu ứng Seebeck hoặc Peltier Hiệu suất của máy phát điện được định nghĩa bằng tỷ số giữa năng lượng cung cấp cho tải

và nhiệt hấp thụ bởi điểm nối Năng lượng tải liên quan đến dòng điện và tự trở; Truyền nhiệt thay vì liên kết bởi sự dẫn nhiệt và sau đó là các tham số độ dẫn nhiệt của hai vật liệu, với sự phụ thuộc khác từ hiệu ứng Peltier Dòng được tạo ra được cho bởi:

Trong đó:

R: điện trở của hai khối chất bán dẫn n và p

2.3.3 Vật liệu

Ba tham số được sử dụng để phân loại các vật liệu nhiệt điện, độ dẫn điện;

độ dẫn nhiệt, và hệ số Seebeck Độ dẫn điện được cho bởi tích số của nồng độ và tính

di động của các hạt mang điện Nó cao hơn trong kim loại, rất thấp trong vật liệu cách

ly, với một vị trí trung gian được làm bởi chất bán dẫn Khi đo điện áp hiệu dụng của một vật liệu nhiệt điện là hệ số chất lượng, ba tham số trên đã đề cập đến tạo thành phần thiết yếu của nó Hệ số Seebeck giảm xuống khi nồng độ các hạt mang tăng lên trong khi độ dẫn điện tăng; Do đó, hệ số công suất điện (tham số tỷ lệ với độ dẫn nhân với hệ số Seebeck bình phương) có một cực đại lớn nhất nằm xung quanh nồng độ hạt mang khoảng Có hai thành phần của độ dẫn nhiệt: kiểu rung động và phần điện tử Loại thứ hai cũng tăng với nồng độ các hạt mang và thường chiếm khoảng một phần ba độ dẫn nhiệt Lượng năng lượng tối đa rơi vào vùng bán dẫn Do đó, các chất bán dẫn là vật liệu được lựa chọn để thúc đẩy phát triển các thiết bị nhiệt điện Các thiết bị nhiệt điện được phân loại tiếp theo với các mức nhiệt độ mà chúng có thể được sử dụng hữu ích Một hướng phát triển tích cực là giảm độ dẫn nhiệt, một nghiên cứu khác cái gọi là phonon thuỷ tinh tinh thể điện tử, trong đó giả định rằng các cấu trúc tinh thể với các nguyên tử hoặc các phân tử bị ràng buộc trong khung nguyên tử phải dẫn nhiệt như thủy tinh, nhưng dẫn điện như một tinh thể Trong thập kỷ qua, các nhà khoa học vật liệu đã lạc quan với niềm tin của họ rằng các cấu trúc bậc thấp như nguồn lượng tử (các vật liệu mỏng đến mức về cơ bản là hai chiều 2D), dây lượng tử (phần rất nhỏ và được coi là một chiều 1D và được gọi là dây nano), các chấm lượng

tử bị hạn chế ở tất cả các hướng, và các lớp phủ siêu lớp (một cấu trúc nhiều lớp của các giếng lượng tử) sẽ tạo ra một con đường để đạt được một sự cải thiện đáng kể về

hệ số chất lượng Cũng có những nỗ lực liên tục nhằm nâng cao khả năng cạnh tranh của các vật liệu nhiệt điện theo những hướng khác với những hệ số chất lượng như giảm chi phí, phát triển các vật liệu thân thiện với môi trường hơn

Thông thường, một vật liệu nhiệt điện kiểu n và một loại p được bố trí song song bằng nhiệt và bằng điện theo chuỗi như thể hiện trong hình 2.9 Hệ số hiệu suất nhiệt điện của hai vật liệu được sử dụng trong một mô đun có thể được định nghĩa như sau:

(2.21)

Trong trường hợp này ZT được tính như là hàm của nhiệt độ trung bình

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 Mặc dù đây là những khía cạnh quan trọng của các thiết bị điện tử công suất thấp được cung cấp bởi các thiết bị thu thập năng lượng, 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 Điều này đòi hỏi phải kiểm soát trở kháng đầu vào của mạch, bộ chuyển đổi

 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

Các mô đun piezoelectric và các thiết bị thu thập tạo điện áp đầu ra mV, thay đổi theo điều kiện môi trường và vật liệu đã sử dụng Các mạch điện tử, chẳng hạn như

vi điều khiển hoặc bộ thu phát không dây thường sử dụng nguồn năng lượng thu thập được, điện áp hoạt động từ 1,8V-5V Chúng cần năng lượng hằng số để tối đa hóa hiệu suất Để giới hạn sự dao động, các mạch khách nhau của quản lý năng lượng như bộ chuyển đổi tăng áp được sử dụng Vấn đề ngưỡng điện áp sẽ làm cho mạch điện không

có năng lượng nếu không vượt qua 0.3V Nhiều kỹ thuật (mạch khởi động) được sử dụng trong quá trình khởi động khi pin không có trong hệ thống Sau khi chuyển đổi mức, ngay sau khi chuyển đổi cung cấp điện áp ổn định cho mạch, mạch khởi động sẽ ngắt Các mạch này được sử dụng chủ yếu bằng bộ tạo nhiệt Một khía cạnh quan trọng nữa là trở kháng của hệ thống Với một công suất nhất định, nguồn phải cung cấp công suất cực đại cho tải Để đáp ứng trở kháng, như mạch tìm điểm công suất cực đại hay được sử dụng trong các tấm quang điện Trong các bộ điều chỉnh chuyển đổi, biến đổi tần số ảnh hưởng ngược lại sự thay đổi trở kháng đầu vào Bằng cách này, bộ theo dõi điều khiển điện trở đầu vào để đạt được công suất cực đại Đối với một

piezoelectric, để thu nhiều năng lượng phải bố trí hoàn hảo lớp quản lý quản lý năng lượng Một máy thu phát cần thời gian và dòng hằng số để truyền dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định Những cân nhắc này có thể được thể hiện như sau:

Trong đó:

lưu lượng dữ liệu của tốc độ dữ liệu (byte/s)

D: các byte của dữ liệu được truyền

n: các byte của gói tin

m: chiều dài của gói tin

Trong chế độ gửi và nhận dữ liệu, tất cả các khối cần thiết được kích hoạt không giống như chế độ ngủ Dòng điện trung bình được yêu cầu bởi bộ thu phát là như sau:

Trong đó:

Dòng điện sử dụng bởi máy thu phát ở chế độ ngủ với thời gian ngủ tương ứng

Dòng điện tiêu thụ trong thời gian truyền

Thời gian truyền là tổng thời gian ngủ và thời gian truyền

Các thông số quan trọng trong việc lựa chọn cảm biến cho các ứng dụng thu thập năng lượng là mức tiêu thụ dòng điện ở cả chế độ hoạt động và thụ động, công suất trung bình và thời gian ngủ Bộ cảm biến có thể cung cấp đầu ra tương tự hoặc số Chuẩn truyền thông I2C/SPI để truyền dữ liệu đến mạch số như vi điều khiển Độ nhạy của cảm biến là lượng biến đổi của tín hiệu đầu ra theo giá trị đo Một mạch ổn áp để quản lý điện áp đầu ra trước khi cung cấp đến thiết bị điều khiển được yêu cầu Các vi điều khiển có chế độ hoạt động khác nhau tiêu thụ dòng điện Chế độ hoạt động rõ ràng tiêu thụ năng lượng lớn hơn chế độ ngủ vì một số bộ phận mạch bị tắt Trong hình 5-1, thể hiện sơ đồ khối chung của một vi điều khiển năng lượng thấp, trong khi hình 5-2 trình bày một đồ thị điển hình dòng điện tiêu thụ cho một máy thu không dây Trong một hệ thống thu thập năng lượng nói chung, máy thu phát ở chế độ chờ trong hầu hết thời gian để duy trì mức tiêu thụ năng lượng trung bình ở mức tối thiểu Khi

dữ liệu được truyền đi, chế độ truyền được kích hoạt và sau đó dòng điện cực đại được tiêu thụ

Hình 3.1 Sơ đồ khối của vi điều khiển công suất thấp

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

3.2 Hệ thống lưu trữ

Trong một hệ thống thu thập năng lượng, điện áp đầu ra không phải là hằng số trong mọi thời điểm Nó rất quan trọng để có năng lượng hằng số liên tục theo thời gian Điều đó có nghĩa là có công suất trung bình bằng hệ thống tải trong khoảng thời gian 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 Mục đích là để trình bày cách tính toán sạc thiết bị lưu trữ ban đầu trước khi vận hành và lượng năng lượng tối đa cần để lưu trữ Trước tiên, đề tài phải xác định toán học năng lượng được cung cấp bởi bộ lưu trữ năng lượng và năng lượng tiêu thụ Công suất trung bình trong khoảng thời gian T:

Năng lượng thu thập được bởi đầu dò và được gửi đưa đến bộ lưu trữ năng lượng sẽ nằm trong một biên độ nhất định:

Mục tiêu cho một thiết bị có thể đeo và các nút mạng truyền không dây, là để loại bỏ sự cần thiết phải thay thế hoặc sạc pin 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)

: năng lượng tự xả của phần tử lưu trữ

Trong trường hợp các chế độ tiêu thụ năng lượng khác nhau như hình 3.2, việc tính toán năng lượng yêu cầu theo phương trình sau:

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM CHO THIẾT BỊ ĐEO TAY CÓ TRUYỀN

DẪN KHÔNG DÂY DIỆN RỘNG LoRa

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 Mục đích hiệu quả của thu được năng lượng là giảm kích thước hoặc kéo dài tuổi thọ của pin Sơ đồ cấu trúc của hệ thống như trên Hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc của ứng dụng

4.1 Đo năng lƣợng tiêu thụ của thiết bị đeo tay

Thiết bị hoạt động ở các chế độ khác nhau nhƣ 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 đƣợc tính nhƣ sau:

dòng điện tiêu thụ chế độ hoạt động

: dòng điện tiêu thụ chế độ ngủ

: thời gian chế độ hoạt động

: thời gian chế độ ngủ

Với chu kỳ =10 phút; thì = 0.07 mA

4.2 Cấu trúc hệ thống thu thập năng lượng

Hình 4.4 Cấu trúc đơn

Trong kiến trúc đơn truyền thống, chỉ có một thiết bị lưu trữ năng lượng chính,

có thể là pin, siêu tụ hoặc cả hai Tất cả năng lượng được phân phối từ thu thập được

sử dụng để nạp năng lượng lưu trữ để cấp nguồn cho tải thông qua một bộ chuyển đổi DC/DC Luồng năng lượng cho loại kiến trúc này được mô tả trong hình 4.4 Một mạch theo dõi điểm cực đại (MPPT) cũng có thể được tích hợp vào bộ chuyển đổi năng lượng để tối đa hóa năng lượng đầu ra, kiến trúc này rất đơn giản và dễ thực hiện, nhưng phải chịu thời gian khởi động Để giảm bớt vấn đề này, lưu trữ năng lượng thường sạc vào một điện áp nhất định trước khi triển khai

AC/DC DC/DC

Pin Siêu tụ

Bộ điều chỉnh điện áp

Hình 4.5 Cấu trúc kép

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

Lĩnh vực nghiên cưu về thu thập năng lượng gần đây đã có một sự quan tâm ngày càng tăng, và do đó nhiều nghiên cứu đã được hướng tới việc thiết kế các mạch tích hợp cho các bộ chuyển đổi Cụ thể, công ty "Linear Technology" gần đây đã sản xuất một loạt các mạch tích hợp năng lượng thấp cho các ứng dụng thu thập năng lượng Các mạch này có thể chủ yếu để chuyển đổi năng lượng rung động (piezo), năng lượng mặt trời và nhiệt (thermopile, thermocouple) và có một hiệu quả chuyển đổi cao LTC3108 của công ty “Linear Technology” là một bộ chuyển đổi tăng áp, có thể hoạt động với điện áp đầu vào rất thấp, từ 20 mV đến 0.5 V và do đó có thể được

sử dụng cho hệ thống thu năng lượng ở tần số vô tuyến Nó cung cấp giải pháp quản lý năng lượng cho thiết bị sử dụng năng lượng thấp Bộ lưu trữ năng lượng cung cấp năng lượng khi nguồn điện áp đầu vào không có sẵn Có nhiều ngưỡng điện áp đầu ra nên rất phù hợp với mục tiêu của đề tài

Quản lý dòng năng lượng

Tải

MCU

RF Cảm biến

DC/DC

Bộ lưu trữ

năng lượng