Giải pháp thu hoạch năng lượng từ hiệu ứng ma sát điện ứng dụng cho giày thông minh

Nghiên cứu đề xuất một giải pháp thu hoạch và lưu trữ năng lượng từ hiệu ứng ma sát điện xảy ra khi một cặp hai vật liệu khác nhau được cọ sát với nhau. Việc triển khai các cặp ma sát điện nhiều lớp đặt dưới đế giày có thể thu hoạch được năng lượng lên tới 32 mW/m2 .

CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION NINE GIẢI PHÁP THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG TỪ HIỆU ỨNG MA SÁT ĐIỆN ỨNG DỤNG CHO GIÀY THÔNG MINH Nguyễn Thanh Hùng*, Lê Quang Huy, Trần Minh Ngọc, TS Lê Minh Thùy Sinh viên môn Kỹ thuật Đo Tin học công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Liên hệ tác giả: thanhhungnguyen1210@gmail.com TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, đề xuất chạy, truyền tin công nghệ BLE với công giải pháp thu hoạch lưu trữ suất tiêu thụ cực thấp tích hợp lượng từ hiệu ứng ma sát điện xảy giày Giải pháp thu hoạch lượng từ cặp hai vật liệu khác cọ sát hiệu ứng ma sát điện cung cấp nguồn cho với Việc triển khai cặp ma sát điện cảm biến không dây giày thông minh nhiều lớp đặt đế giày thu hoạch Giải pháp phát triển phục vụ nhu cầu lượng lên tới 32 mW/m2 Công vận động viên người đam mê suất thu đủ cung cấp cho nút cảm môn chạy với cảm biến công suất cực biến đo thông số sải bước, tốc độ thấp tích hợp giày Từ khóa: giày thơng minh, hiệu ứng ma sát điện, thu hoạch lượng từ hiệu ứng ma sát điện, tiết kiệm lượng GIỚI THIỆU Thu hoạch lượng trình chuyển tăng vọt từ 3.67 mW/m2 lên tới 313 W/m2 đổi nguồn lượng tự nhiên [1] sản sinh trình sinh hoạt hàng lượng cho thiết bị, nút cảm biến ngày người Trong nghiên cứu này, công suất thấp tự chủ chúng tơi đề xuất việc thu hoạch lượng không cần phải sử dụng pin Vấn lượng từ sản sinh người đề khó khăn chúng tơi giải đề bước Nguồn lượng sản xuất tích hợp mạch thu hoạch sinh người chuyển động, việc lượng vào đế giày với kích thước thu hoạch lượng 5cmx5cm phải đảm bảo chất lượng nhóm nghiên cứu giới thực từ đế giày không bị ảnh hưởng Nhược điểm năm 2012 đến Với mật độ lượng nghiên cứu[2] ứng dụng mở giải pháp cung cấp DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO | 181 CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION NINE kích thước lớn có độ cứng lượng cho nút cảm biến hoạt động đo cao vật liệu sử dụng để chế tạo tốc độ chạy, sải bước, truyền thông theo thu hoạch lượng làm từ nhựa Đối với công nghệ BLE nghiên cứu[3], chuyển động bước chân người có chiều lên xuống nên việc tiếp xúc trượt quay đề xuất trong[3] khó triển khai thực Đề xuất chúng tơi có cơng suất thu 80 uW với mật độ lượng 32 mW/m2 đủ để cung cấp Hình Sơ đồ khối chức thu hoạch lượng từ hiệu ứng ma sát điện PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2 Kỹ thuật thu thập liệu 2.1 Kiến trúc đề xuất Bảng tổng hợp kết cơng trình Mơ hình thu hoạch lượng nghiên cứu liên quan Theo[5], mức tiêu thụ đề xuất cấu trúc cặp ma sát điện lượng tối đa công nghệ BLE vào nhiều lớp tăng lượng thu từ khoảng 15 mW, nguồn lượng từ động tăng diện tích tiếp xúc hiệu ứng ma sát điện hoàn toàn đủ để nút ma sát điện Lựa chọn vật liệu có tính chất cảm biến khơng dây công nghệ BLE tự âm lớn sử dụng nghiên cứu PTFE trì hoạt động với vật liệu có tính chất dương để tích hợp làm cực nhôm Silicon thêm vào để tăng độ đàn hồi giúp kiến trúc trở lại Bảng Các cơng trình nghiên cứu liên quan trạng thái ban đầu không bị tác động ngoại lực Kiến trúc đề xuất thể hình 2.3 Phân tích mơ hình tốn học Hình Kiến trúc đề xuất chế tạo a) cặp ma sát điện lớp b) cặp ma sát điện lớp với vật liệu nhơm PTFE Hình Mơ hình mạch tương đương Mơ hình hóa tương đương kiến trúc đề xuất hình Cơng thức tính điện áp hở mạch VOC (Q điện tích cực, σ mật độ điện tích 182 | DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION NINE mặt sau va chạm) Ghép nối với tải trở ta có điện áp rơi tải theo cơng thức (2) (ghép nối để đo cơng suất) Hình Kết đo a) cặp ma sát điện lớp b) cặp ma sát điện lớp với vật liệu nhôm PTFE Các kết đo đạc thực với Kết nhận xét Hình thể kết chế tạo hình thể kết đo thu hoạch lượng từ hiệu ứng ma sát điện điều kiện đo cắm trực tiếp tải 10 MΩ vào đầu thu hoạch lượng từ hiệu ứng ma sát điện Cặp ma sát điện lớp thu điện áp đỉnh – đỉnh từ 30V, công suất thu tải 11.25 uW Cặp ma sát điện lớp thu điện áp đỉnh – đỉnh 80V, công suất thu tải 80 uW tồn 150 ms Kết khảo sát cho thấy thực nhiều lớp cặp ma sát điện cho kết tốt nhiều cặp ma sát điện Công suất thu lớp ma sát điện cao lần cặp ma sát điện lớp Năng lượng thu lớp ma sát điện 12 uJ bước chân chuyên động Nút cảm biến thiết kế đặt đế giày thiết kế với IC DA14585 có điện áp cung cấp 3.3 V với công suất tiêu thụ tối đa 11 mW hoạt động Khi nút cảm biến truyền tin có khung truyền tinh 50 bytes với tốc độ 1Mbps thời gian truyền Hình Chế tạo a) cặp ma sát điện lớp b) cặp ma sát điện lớp với vật liệu nhôm PTFE 400 us tiêu thụ lượng 4.4 uJ theo công nghệ BLE Trong điều kiện lý tưởng tích trữ DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO | 183 CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION NINE lượng khơng bị hao phí, lượng TÁC GIẢ Ý TƯỞNG lượng thu hoạch từ bước chân đủ để Nguyễn Thanh Hùng sinh viên khóa 61 cung cấp cho nút cảm biến hoạt động môn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội KẾT LUẬN Kiến trúc khối thu hoạch lượng từ Trần Minh Ngọc sinh viên khóa 63 mơn hiệu ứng ma sát điện đề xuất Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp, Viện viết chế tạo đo kiểm Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đối với tải 10 MΩ, công suất thu bước chân từ hiệu ứng sử dụng cặp ma sát điện lớp 80 uW thu lượng ma sát điện có mật độ cơng suất 32 mW/m2 Lê Quang Huy sinh viên khóa 63 mơn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS Lê Minh Thùy giảng viên hướng TÀI LIỆU THAM CHIẾU 1] Wang Zhong Lin, “Triboelectric Nanogenerators as dẫn thực đề tài Hiện giảng New Energy Technology for Self-Powered Systems viên môn Kỹ thuật đo Tin học công and as Active Mechaincal and Chemical Sensors,” nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách ACS Nano., vol 7, pp 9533-9557, Nov 2013, doi: khoa Hà Nội 10.1021/nn404614z [2] G Zhu et al., “Toward Large-Scale Energy Harvesting by a Nanoparticle-Enhanced Triboelectric Nanogenerator,” Nano Lett., vol 13, no 2, pp 847-853, Feb 2013, doi: https://doi org/10.1021/nl4001053 [3] L Lin et al., “Segmentally Structured Disk Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy,” Nano Lett., vol 13, no 6, pp 2916-2923, Jun 2013, doi: 10.1021/ nl14013002 [4] W Jiang et al., “Fully Bioabsorbable NaturalMaterials-Based Triboelectric Nanogenerators,” Adv Mater., vol.30, no 32, p 1801895, Aug 2018, doi: 10/1002/adma.201801895 [5] Torbjorn Ovrebekk, The Importance of Average Power Consumption to Battery Life,” Sep 30, 2020 https://blog.nordicsemi.com/getconnected/theimportance-of-average-power-consumption-tobattery-life 184 | DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ... vào đầu thu hoạch lượng từ hiệu ứng ma sát điện Cặp ma sát điện lớp thu điện áp đỉnh – đỉnh từ 30V, công suất thu tải 11.25 uW Cặp ma sát điện lớp thu điện áp đỉnh – đỉnh 80V, công suất thu tải... 150 ms Kết khảo sát cho thấy thực nhiều lớp cặp ma sát điện cho kết tốt nhiều cặp ma sát điện Công suất thu lớp ma sát điện cao lần cặp ma sát điện lớp Năng lượng thu lớp ma sát điện 12 uJ bước... đo a) cặp ma sát điện lớp b) cặp ma sát điện lớp với vật liệu nhôm PTFE Các kết đo đạc thực với Kết nhận xét Hình thể kết chế tạo hình thể kết đo thu hoạch lượng từ hiệu ứng ma sát điện điều