Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Phân tích hiệu quả thu hồi năng lượng từ rung động của máy nén trong hệ thống HVAC bằng pin áp điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BQ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THÀNH CHƯƠNG

PHAN TÍCH HIỆU QUA THU HOI NĂNG LƯỢNG TỪ RUNG ĐỘNG CỦA MÁY NÉN TRONG HỆ THÓNG HVAC BẰNG PIN

ÁP ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

RUONG ĐẠI HỌC THUY LỢI

LÊ THÀNH CHƯƠNG.

PHAN TÍCH HIỆU QUA THU HOI NANG LƯỢNG TỪ RUNGDONG CUA MAY NEN TRONG HE THONG HVAC BANG PIN

LỜI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghỉcứu của bản thân tôi Các kết quả nghiêncứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bắt kỳ một nginào và đưới bắt ÿ hình thức nào Việc tham khảo các nguẫ ti liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tả liệu tham khảo đúng quy định.

“Tác giả luận văn

Lê Thành Chương

LỜI CÁM ƠN

"Để boàn tất một luận văn the sĩ yêu cầu sự tập trung, sự cổ gắng và độc lập nghiên0 Bản thân tôi sau những năm tháng học tập vất va và nghiêt‘ru cùng đã cố gắng8 hoàn thành được luận văn này Tôi luôn ghỉ nhận những sự đồng góp giúp đỡ, sự.

ủng hộ, sự hỗ trợ nhiệt tình của những người bên cạnh mình, nhân đây tôi muốn gửi.

lời cảm ơn sâu sắc nhất tới họ.

Lời cảm ơn trân trọng đầu tiên tôi muốn dành tới Thầy TS, Nguyễn Ngọc Linh, người đã đâu đắt và hướng dẫn tôi tong suốt quế tình lầm luận văn, sự chỉ bản và định

hướng của thầy giúp tôi tự tin nghiên c

cách khoa học Đồng thời, tôi cũng xin bảy tỏ lòng cảm ơn tới Ths Nguyễn Văn Mạnhvà The, Vũ Anh Tuấn, giảng viên Khoa Cơ khí trường Đại học Xây dựng đã có những

thảo luận, góp ¥ trong suốt qué trình hoàn thành Luận van,

“Tôi xin trân trong cảm ơn tới Trường Đại học Thủy Lợi Viện dio tạo và Khoa họcứng dụng Miễn 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 tường,

Tôi xin trần trọng cảm ơn bổ me, vợ con tôi đã mang ti tắt cả tin, định hướng

và theo dõi tôi suốt chặng đường đời Nang 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, Phỏng 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 đểthể theo học và hoànthành Khóa luận tốt nghiệp

1g, nhưng trong luận văn không tránh khỏi những thiểu sót Kính

mong Quý thầy cô, các chuyên gia, những người quan tâm đến đ ti, đồng nghiệp và "bạn bè tiếp tục có những ý kiến đóng góp, giúp đỡ dé luận văn hoàn thiện tốt hơn.

‘Trin trong cảm ont

1.4 PEH kiểu công xôn một lớp áp điện 13

1.5 Giới thiệu vẻ hg thing HVAC 2B1.6 Một số phường pháp thu hii năng lượng từ rong hệ thing HVAC bing PEH, 91.7 ĐỀ xuất hưởng nghiên cứu 20CHUONG 2 CƠ SỐ LÝ THUYET TÍNH TOÁN HIỆU SUÁT PEH KIEU DAM CONG XÔN.‘THON MỘT LỚP nm22.1 Các đại lượng tương đương của PEH kiễu dim công xôn thon chia kích động nền 222.2 Mô hình dao động một bậc tự do của PEH 2634 Hiệu suất của PPH 30CHUONG 3 PHAN TÍCH HIỆU QUA THU HỘI NẴNG LƯỢNG TỬ RUNG ĐÔNG TRONGHE THONG HVAC 363.1 Khảo sát về rung động trong hệ thong điều hòa không khí cục bộ 36‘3.2 Thiết kế PEH kiểu dim công xôn thon loại mộtlớp x

KÉT LUẬN

“TÀI LIỆU THAM KHAO

4

DANH MỤC BANG

Bang 1.1 Một số vậtliệu áp điện và thông số vậtlý 7Bảng 1.2 So sánh các công nghệ truyền dẫn không dây 1Bảng 1.3 Các mô-đun và hông sổ truyền thông không đây điễn hình, 18

Bảng 1.4 Thông số va mô-đn vi xử lý điễn hình 9

Bang 1.5 Các mô-đun và thông số cảm biển điễn hình 9

Bảng 3.1 Các thông số của máy do độ rung Huatec HG - 6360Error! Bookmark not

Bảng 3.5 Các đáp ứng Xup, Pa, Pou, ;j với g= 1, cản c thay đổi 40

Bảng 3.6 Các đáp ứng Xap, Pi Pas r với = 10, m= 0, hệ số cản thay i

Bảng 37 Các đáp ứng Nap, Pa Pa „với g>20, m=O, số ôn thay i.

Bảng 3š Các đáp ứng Xap, Pạ Po với g1, m= 10s, hệsố cản chay đổi 43

Bảng 3.9 Các đắp ứng Kip, Pa Po g với = 10, m= 10g, hệ số cin c thay 461.43 Bảng 3.10 Các đáp ứng Xap, Pin, Pour, 1 với ạ= 1, m= 20g, hệ số cán c thay đối.44.

Bang 3.11 So sánh Po, Paw, ;j với q= 1 cho hai trường hợp m= 0, mụ= J0 44

DANH MỤC HÌNH VE

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

ih 1.3 Phân cực của vật liệu gồm áp điện đa tinh th 8

Hình 14 Phân tổ ứng suất 9

Hình 1.5 Sơ đỗ biến dạng nh 9

Hình 1.6 Các kiểu hiệu ứng áp điện của PZT phân cực theo trục 3 2

Hình 1.7 Dam công xôn 1 lớp áp điện 13 Hình 1.8 Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong nhà is

Hình 1.9 Các đơn vị của cảm biển không day và công nghệ khai thác năng lượngLŠ

1.10 Hệ thống cảm biển tự duy tì tong HVAC [27] 19

Hình 1.11, PEH trong đường ống HVAC 20Hình 1.12, Dan ngưng tụ: (a) vị trí đán, (b) PEH kiểu màng mong 20

Hình 2.1 Mô hình PEH với dim công xôn thon chịu kích động nỀn 2

Hình 22 Kết cấu của PEM 2 Hình 2.3 Mô men uốn dằm Ealer-Bemonlli 24

Hình 3.4 Đồ thi quan hệ ø và h với =[I 5, 10, 15,20] Hình 35 Ảnh hưởng của cân đến hiệu suất (r= 1, đ 1)

Hình 3.6 Ảnh hưởng của ti số tin số đến hiệu suất (r= 1, e = 0,1)

a

1 Tính cấp thiết của đề

“Trong những năm gin diy, thu hồi năng lượng thành nguồn năng lượng thay thé cho việc sử dụng nguồn điện từ lưới, pin đang được phát triển cho các thiết bị điện tử có sông suất chip và hạn chế việc bảo tả, với các ứng dung da dạng như các cảm biến hay che thiết bị đo đồng trong xe cô, thiết bị sông trình hay các bộ phân sinh học nhân tạo,

do đó đã thu hút được nhiỀu sự quan tâm nại cứu, Nhiễu thiết kế và phương pháp

tiếp cận đã được đề xuất để chuyển đổi năng lượng cơ từ các nguồn rung động trong

mỗi trường sang năng lượng điện Nỗi bật trong số đó, thiết bị khai thác năng lượng kiểu áp điện (piezoelectric energy harvester - PEH) được sử dụng phổ bién Đối với

w thể, hiệu suất chuyển đổi năng lượng là đại lượng được sử dụng

để đánh giá hiệu quả thu hỗi năng lượng của mô hình đó Do bản chất vật ý của thi

bị PEH là chuyển đổi năng lượng từ rung động sang năng lượng điện, qua một chuyển

4i trung gian là biển dạng của vật rắn din h „ nên hiệu suất chuyển đổi năng lượng

sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tổ Vì vậy, hướng nghiên cứu của đề tài này nhằm trả lời

câu hỏi cơ bản cho một mô hình thu hồi năng lượng bing vật liệu áp điện áp dụng trong hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC): làm thé 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 bai loại là kiểu quán tính và

kiểu phi quán tinh, Đối với kiểu phi quán tính kích động tác dụng trực tiếp lên hệ và

làm cho vật liệu áp điện bị co hay din để tạo ra điện Đối vớiu quan tính, kích động,

khong trực tiếp làm biển dạng vật liệu áp điện mà là lực quá nh trong hệ

"Để đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng bằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng, hiện

nay có một số dé 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 don

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

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

với mạch chỉnh lưu cầu Họ giả thiết năng lượng cơ học đầu vào bing tổng của năng

lượng điện thu được và năng lượng hao tén do cản của kết ấu Năm 2009, Liao và Sodamo [12] đề xuất điều chỉnh công thức xác định hiệu suất theo định nghĩa tuyển thống bằng tỉ số của công suất đầu ra của năng lượng bién dạng tiên một chủ kỷ 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 bing thực nghiệm.“Trong phạm vi đề ti luận văn này sẽ tập trùng vào phân tích hiệu quả thu hồi nănglượng tử thiết bị PEH

xuất trong [7]

u dim công xôn thon theo mô hình của Erturk à cộng sự đề

3 Mục đích nghiên cứu

+ Khảo sắt một số nguồn ring động rong hộ thống HVAC Phân tích lựa chọn mô hình

vậtí thu hồi năng lượng bằng pin áp điện từ rung động rong hệ thống HVAC.

- Xây đựng mô bình ton, thiết lập hệ phương tỉnh lên kết từ các phương tình cơ,

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

4 Đắi tượng và phạm vỉ nghiên cứu

~ Đối tượng nghiên cứu: my nền tong bệ thing HVAC

- Phạm vi nghiên cứu: mô hình thu hồi năng lượng bằng vật liệu áp điện tuyển tính

trên dm công xôn thon, có xét đến vấn để cộng hưởng.

5 Phương pháp nghiên cứu- Phương pháp kế thửn;

~ 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, mô hình toán mô tả thu hỗi năng lượng bing vậtiệu áp điện uy

tính trên đầm công xôn thon, có xt đến vấn để cộng hưởng

~ Đánh giá được hiệu quả bộ thu hồi năng lượng từ rung động bằng vật liệu áp điệntrong hệ thống HVAC.

CHƯƠNG 1 TONG QUAN

1.1 Giới thiệu

“Các công nghệ năng lượng tái tạo thường bao gồm hai quá trình riêng biệt: sản xuất năng lượng (sử dụng các nguồn năng lượng sẵn có từ mặt ười, gió, v.v.) và lưu trữ năng lượng (vi du như pin) Quá tình đầu tiên chuyển đổi dạng năng lượng ban đầu

thành điện năng và quá trình thứ hai chuyển đổi điện thành năng lượng hóa học Với

‘it liệu áp điện, năng lượng rung động cơ học có thể được chuyển đổi trực tiếp thành

năng lượng điện và lưu trữ trong pin Nhờ kết cầu nhỏ gọn, thiết bị như vậy có nhiều

khả năng ứng dụng trong các hệ thing công suất thấp t tri (low-power autonomous

systems) Một cách “dan da”, thiết bị như vậy có thể gọi li pin - áp điện Xuất phát từ

tên tiếng Anh của thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ sang điện (piezoelectric energy harvester), có thể được gọi là thiết bị khai thác năng lượng kiểu áp điện, viết tắt PEH,

Hình 1 1 Sơ dé cấu tạo của PEH [12]

‘Theo nguyên lý làm việc, PEH có thé phân làm hai loại là kiểu quán tính và kiểu phi

quấn tính Đối với kiểu phí quán tính, ích động tác dụng trực p lên hệ và làm cho‘vat liệu ấp điện bị biển dang để to ra điện Đối với iễu quản tinh, kich động không

trực tiếp làm biến dang vật liệu áp điện mà là lực quán tính trong hệ Loại PEH quán

tính phổ biến thường sử dụng dim công xôn gắn với nguồn rung động, trên bề mặt

dầm đán lớp vật liệu áp điện Sơ đỗ nguyên lý của PEH với dim công xôn được mô tả

4

như Hình 1.1

“Trong phân tích đồng 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: in 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 ải ngoài

Hình 1.1, Dong năng lượng trong PEH [7]

Do bản chất vật lý của PEH là chuyển đối năng lượng từ rung động sang năng lượng

điện, qua một chư!

chuyển đổi năng lượng sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố Quá trình phát triển mô hình lý

"Năm 2004, Richards

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

cđỗi trung gian là biển dạng của vật rn đàn hồi, nên hiệu suất

thuyết tinh toán hiệu suất của PEH có một số kết quả đáng chú

giản một bộc tự do, trong đồ hiệu sult phụ (huộc vào các hệ số dp điện và hộ số liên

kết co-dign của cả hệ Năm 2006, Shu và Lien [11] phân tích hiệu suất chuyển đổi

năng lượng lý thuyết trong miễn cộng hướng của PEH kiểu công xôn với mạch chỉnh ưu cầu Ho giả thiết năng lượng cơ học đầu vào bằng tổng của năng lượng điện thu

được và năng lượng hao tấn do cán 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

ến dạng trên một chu kj Năm 2017, Erurk và cộng sự [7Ịiến hành xây dụng

công thức tính toán hiệu suất cho PEH một lớp áp điện từ mô hình một bậc tự do và kiểm chứng bing thực nghiệm,

"ĐỂ nâng cao hiệu quả của PEH, nhiều nghiên cứu gin 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 dai hơn $0 trang của Inman và cộng sự

được xuất bản năm 2018 [25] đã cung cấp một cái nhìn tổng quan rat chỉ tiết về các kỹ

lên được phát

thuật khai thác năng lượng kiểu áp triển trong 10 năm qua Cùng vớicông trình này, nhiễu nghiên cứu mới khác, như [26] [19] cho thấy một số dang dimcông xôn thon dạng hình thang, hình tam giác nhất định có thể thu được năng lượnglớn hơn ở tần số kích động cao so với dim công xôn dang chữ nhật

1.2 Vật liệu áp điện

Vậtiu áp điện là vật liệu điện môi hoạt động qua tương tác co-dign, đồng thời nócũng được coi là vật liệu sắt điện da tỉnh thể được phân cực Tính chất eo bản của vậtHi áp điện là hiệu ứng áp diện Hiệu ứng áp điện có tinh thuận nghịch, hiệu ứngthuận à sự xuất hiện điện ch khí vật liệu chịu ứng suất còn hiệu ứng nghịch là sự

biển dạng của vật liệu khi đặt trong điện trường (Hình 1.2) Trong cả hai trường hop,

4 biến dạng tỷ lệ với điện trường Trong hiệu ứng áp điện nghịch, kh điện trường đối

chiều thì chiều biển dạng cũng đổi theo,

‘ip dien

Hình 1.2 ) hiệu ứng áp điện thuận (tực tiếp) b) hiệu ứng áp điện nghịch

'Các vật liệu áp điện được sử dụng phổ biến trong PEH là PbZriO› - PhTiO› (PZT),polyvinylidene fluoride (PVDF), BaTiOs (BT), Pb[MgvaNbzs]O PETiO: (PMN-PT),Pb[ZnisNbaz]Os-PbTiO: (PZN-PT) Các vật liệu này có cấu trúc tỉnh thé pe-rov-skittrong pha lập phương Bảng 1.1 liệt kẽ một số thông số cơ bản của vật liệu áp điện,

6

trong dé các hằng số của vật liệu áp điện như dis, dss, dy đặc trưng cho hiệu ứng áp.

điện mạnh hay yếu Ta thấy tính chất chung của các hing số trên là dis >> dss > dy.PMN-PT và PZN-PT có hiệu ứng ápmạnh nhưng nhạy cảm với sự thay đổi của

nhiệt độ, d8 bị mei, và khó chế go hơn so với PZT Do đó, PZT là loại vậ liệu áp điện được sử dụng ph bin nhất trong PEH,

Bảng 1.1 Một số vậ liệu áp điện và thông số vật ý

PZT thường được chế tạo từ bột PZT mịn bằng cách gia nhiệt, làm khô hoặc ép tạo.

hình Sau một số quá trình nhiệt luyện để có cấu trúc tỉnh thể, sẽ trải qua khâu cuối

cùng là phân cực Trước khi bị phân cực, PZT là một vật liệu da tinh thể với các

đô-men phân cực (polar domain) sip xép ngẫu nhiên (Hình 1.32), do đó nó không có hiệu

‘img áp điện, Khi đặt lên vật liệu một trường tinh điện lớn hơn trường bão hoa nhưngnhỏ hơn trường đánh thủng ở nhiệt độ cao gần điểm chuyển pha sắt điện, thi các

đô-men phân cực dé dàng được định hướng theo điện trường ngoài (Hình 1.3b) Sau khi

giảm nhiệt độ và loại bỏ điện trường, đô-men phân cực được khóa lại ở vị trí đã được

định hướng, gin như thẳng hàng (Hình 1.3) Quả trình nảy được gọi là phân cục Kết

ật liệu này được phân cục vĩnh viễn và có hiệu ứng áp điệnquả là

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

(a) Sip sếp ngẫu nhiên của các d-men tước khi phân cực, (b) Phân cục dưới tác

dụng của điện tường nh: (©) Day tả sự phân cục xá Ki lại bo điện rim

1.3 Các phương trình liên kết

‘Theo tiêu chuẩn II IE về vật liệu áp điện, ở một mức độ điện trường và biển dạng nhất định vật liệu áp điện có ứng xử tuyển tính, làm việc như một vật liệu din hồi trực hướng được gọi là vật liệu áp điện tuyển tính Dựa trên lý thuyết đàn hồi, trạng thái ứng suit một phin tử gồm 9 thành phần, gồm các ứng suất pháp và ứng suất tiếp ơ, như biểu diễn ở Hình 1.4, Tương ứng, có 9 thành phin biển dang 5, Do tính chất đối

xứng của ứng suất và biển dạng, Ø,;„:S, =Ÿ„„ nôn ứng suất và biến dạng có thé

lễ eu

được mô tả bằng 6 hành phần và 5, ) theo lý thuyết biển dạng nhỏ

như mô tà rong sơ đồ Hình L5, Sử dụng ký hiệu củ tiêu chuẩn IEEE, các vc to ứng

suất và biển dạng được biểu diễn như sau.

Hình 1.4 Phân tổ ứng suất Hình 1.5, Sơ đồ biến dạng nhỏ.

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

trị-[elts) @

với [C] là ma trận hệ số độ cứng, do vật liệu có 3 mặt phẳng đối xứng dn hồi vuông.

súc với nhau từng đôi một nên ma trận độ cứng có dang

‘Mit 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 {E} =[E,E,E,]Ï và véc tơ độ dịch chuyển điện {Ð} =[D,D,D, ]Ï theo công thức

{)=[elI£l @

trong dé [e] là ma trận bằng số điện môi tương đối của vật liệu trực hướng,

Khi thiết lập quan hệ ứng suắtbiến dang vàlên trường-độ dịch chuyển điện cho vậtliệu áp điện, cần phải xét đến sự thay đổi của biến dạng § và độ dịch chuyển điện Dtheo 3 phương do ảnh hưởng của mồi quan hệ qua lại giữa điện trường £ và ứng suất

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

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

'Thực tế, nhiều ti liệu sử dụng hệ số biến dang áp điện d thay vi hệ số ứng suất dp điện

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

“Tương tự ma tận [e|, ma trận [d] của vật liệu PZT phân cực theo trục 3 có dang

ana2

“Trong các phương trình liên kết (7), (10) còn được gọi là các phương trình cấu thành Dang đẫy đủ của phương tình ma trận (7) là

Ge Ge 0 0 OTS) [0 0 ey

Co Cy 0 0 0||s| |0 0 ey

0 0 cy, o Offs, |0 e, of)?

0 0 0 c& ols] le, 0 0| ^

0 0 0 o ŒjiSJ |0 0 0

) 3) Š

D) fo 0 0 0 & olf] fe, 0 0][E

De eo em 0 0 Off! [0 0 eal E, Ss

“Có thể thấy tong công thức (13), các phần tử khác 0 của ma trận hệ số ứng suất áp điện là ess, cai (bằng es;) và e¡s (bằng e2s) Vì vậy, liên kết điện-đàn hồi được thể hiện

theo ba kiểu hiệu ứng áp điện cơ bản (mode) là kiểu đọc (“33”), kiểu ngang (“31") vàkiểu trượt ("15") như mô tả trên Hình 1.6.

Cac phương trình liên kết tương ứng với các kiểu (“39 319,15°) lần lượt là

in

Hình 1.6 Các kiểu hiệu ứng áp điện của PZT phân cực theo trục 3a) Kiều doe (*33”), b) Kiểu ngang (*31), €) Kiểu trượt ("15")VE mặt vật lý, vậ liệu ấp 33 tức là ứng suất và bí

dụng theo phương song song với trục phân cục 3 cùng hướng với điện trường đượchình thành Vật liệu áp điện với hiệu ứng kiểu 31 nghĩa là ứng suất và biến dạng tácvới hiệu ứng ki dang tác

dụng theo trac 1 vuông góc với điện trường được hình thành dọc theo trục phân cực 3

CCác hệ số biến dang áp điện doy và đo được sử dụng để đánh giá tính chất mạnh yếu

của vật lí dụ lớn hơn dị, đối với PZT thì dụ =054,,áp điện Thông thường, hệ

Hiệu ứng kiểu 33 rất phù hợp với các kết cấu chịu nến-kéo Trong khi đó, kiểu 31

dlang lớn theo tre 1 Theo

tổng kết trong [25], PEH với hiệu ứng áp điện kiéu 33 có thé tạo ra điện áp cao hơn, còn PEH kiểu 31 có thể tạo ra dỏng điện cường độ lớn hơn.

thích hợp với các + cd chịu uốn nhờ tận dụng được bi

(Can chứ ý là trong cả hai kiểu 31 và 33 như mô tà trên Hình Lóab thì cc điện cực

được đặt vuông góc với hướng phân cực P,, tức là điện trường cùng phương phân cực.

Can ở kiểu 15 hoạt động với biến dạng trượt, các điện cục cin được lắp trên các bE

mặt song song với hướng phân cực (Hình 1c), do đó cần xử lý phúc tap hơn về mặt

12

kỹ thuật so với hai kiểu 31 và 33.

1.4 PEH kiểu công xôn một lớp áp

Dim công xôn là dạng kết cấu được sử dụng nhiều nhất trong PEH, đặc biệt là ứng

dụng khai thác năng lượng tir dao động, nhờ có biến dang lớn Hơn nữa, tin số cộng

hưởng của dim công xôn thấp hơn nhiều so với các dạng kết cấu khác nên phù hợp với.

rit nhiều ứng dụng thực té vin có tin số kich động thấp Theo số lớp áp điện dần ở hai

mặt trên và dưới của dim cơ sở, PEH công xôn được chia làm hai loại cơ bản là loạimột lớp (tnimorph) và loại ha lớp (bimorph) Loại một lip có thể áp dụng cả hai kiểuhiệu ứng áp điện 31 và 33 như mô tả ở Hình L7 Trong kiểu 31 lớp áp điện nằm giữa

hai điện cực, còn trong kiểu 33 các đầu điện cực được đặt xen kế nhau trên lớp áp điện Phạm vi để tài luận văn này chỉ tập trung tối loại PEH công xôn một lớp kiểu 31.

các đặc điểm của loại hai lớp có thể tham khảo trong các tà liệu chuyên ngành.

a) bì

Hình 1.7 Dim công xôn l 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 thốngu hòa không khí.

sưởi ấm, thông gió và điều hoà không khØ gọi chung là hệ thống đi

Ngày nay, HVAC được ứng dụng rit rộng ri ung cuộc sống hing ngày của chứng ta

như ứng dụng trong bệ thông iu hoà Không khí và thông gi ti gia din, các toà nhà cao ting, trùng tâm thương mại các ngành công nghiệp nặng như nhà may điện hay

các phương tiện vận ải như ö tô, máy bay.

Cấu tạo của HVAC:

- Hệ thống sưởi (heating): Dược dùng để tạo ra nhiệt độ Ẩm) trong các toà nhà hayl3

trang tâm thương mại, thông thường diễu này được thực hiện boi một hệ thống sưởi

trung tâm Cau tạo chung của hệ thông sưởi gồm có:

+ Nồi hơi

+ Lò subi hay bơm nhiệt: Dùng để dun nóng nước, hơi nước hoặc có thể là không khítại vị tr trung tâm như: phòng lò trong một ngôi nhà, phòng cơ khí trong một toà nhàlớn Phần hơi nóng có thể được chuyển bằng cách đối lưu, dẫn nhiệt hoặc là bức xạ

~ Hệ thống thông gió (ventilation): Nhiệm vụ của hệ thống này sẽ là thay đổi hoặc là thay thé luỗng không khí trong không gian bắt kỳ nhằm kiểm soát nhiệt độ hoặc à loại bỏ bắt kỳ sự kết hợp giữa độ dm, mùi, khói, nhiệt, bụi, hay là vi khuẩn bên rong Không khí hoặc là CO: và bổ xung Oxy, Trong nhiễu trường hợp, thông gió cũng bao

gồm cả việc thực hiện trao dồi luỗng không khí với bên ngoài cũng như lưu thông

luỗng không khí trong toà nhà Hệ thông thông gió được xem là một trong những yêu.

tổ rit quan trọng nhằm duy trì chất lượng của không khí bên trong mỗi khu vực trong.các toà nhà.

~ Điều hồn không khí (airconditioning): Nhiệm vụ cong cấp lung không khí theo yêucầu cải đặt từ trước và độ Âm cho toàn bộ hoặc là một phần của toà nhà Diễn hoàKhông 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 lại bổ bằng bức xạ, đối lưu hoc tuyển 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 chit làm lạnh này

.được dùng trong hệ thống bơm nhiệt, mà trong đó, máy nén được sử dụng để điều

Xhiển chu tình lầm mát bằng nhiệt động lực học, hoặc tong 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 glyco

Hệ thống HVAC gầm các thiết bị như máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi,

«qua, bơm và nhiễu thiết bị khác Tắt cả cá thiết bị này được kết nổi với nhau thông

‘qua các ống dẫn chất lang hoặc khí Khi hoạt động các thiết bị này luôn tạo ra sự rung.

động, Rung động bắt nguồn thông qua các thết bị quay như máy nén, quạt, bơm và chuyển động của không khí, của chit ling trong các ống dẫn Rung động có thé được

4

gây ra bởi một loạt các nguyễn nhân như trục quay bị uén cong, mắt cân bằng trong các bộ phận quay, bánh răng bị mon hoặc cong, vòng bi bị hỏng, khớp nổi hoặc vòng

"bi bị sai lệch, lực điện tử, wy.

Do các hệ thông HVAC liên quan đến nhiễu bộ phận chuyển động, sí có một số rùng

động xây ra ngay cả trong một hệ thống được lắp đặt và bảo tỉ tốt Rung động có xu

hướng tăng tho thôi gan khi các bộ phận, chỉ it oo khi bị hao mn, Do đố, ta cổ thétha hồi các rung động này chuyển hóa thành điện năng để phục vụ cho các thếtbị điềukhiển, cảm biển là rất hữu ích,

“Trong những năm gần đây, hệ thống điều khiển vi khí hậu được phát triển nhanh

chống cho HVAC (Hình 1.8), với yêu cầu da dang vé mạng cảm biển không day tựduy tr

Hiện nay, các mạng cảm biển không dây (wireless sensor networks, viết tắt WSN) mới

nhất đã tở thành một gi pháp hữu ích và hiệu quả Ngoài việc có các lợi thé về chỉ phí kip đặt và vận hành với thấp, WS \ còn có trù điểmiêu 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 biển không dây

"bao gồm bổn “don vị” (unit) chính: đơn vị cảm biển, đơn vị xử lý, đơn vị truyền thong

‘va đơn vị năng lượng như mô tả trong Hình 1.9,

‘Bon vị năng lượng đặt ra một vấn để quan trọng bởi vì pin thông thường có tuổi thọ

hữu hạn, mật độ năng lượng và dung lượng hạn chế Ngoài ra, hiệu s của pin không

được cat hiện nhiễu so với sự gia ting mức iêu thụ năng lượng trong các thiết bị điện tử Khi pin cạn kiệt, việc thay thể hoặc sạc lại có thé là một nhiệm vụ tốn kém và khó.

khăn, đặc biệt là khi các nút ở vị trí xa hoặc khó tháo lấp.

‘Don vị truyền thông được đặc trưng bởi các công nghệ truyền dẫn không day được

tiêu chuẩn hóa chính bao gdm Wi-Fi, Bluetooth năng lượng thấp (BLE), ZigBee và tin

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 tiểm năng tong sắc lĩnh vite nhà thông mình, điều khi tự động vận chuyển và logisies Thông số cơ bn của các hệ thống WSN công suất thấp này được trình bày như trong các Bảng L2,

16

Bảng L3, Bing L4, Bảng L5, là cơ sở để tiết kể 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 dung và công nghệ chế tạo các công nghệ truyền

din không dây có hiệu suất sử dụng năng lượng khác nhau ngay cả khi chúng thuộccùng một công nghệ truyền thông.

7

Bảng L3 choWi-Fi và BLE

Jing năng lượng tiêu thụ thường ở mức milliWatt hoặc Watt Cả \u có mức tiêu thụ năng lượng và khả năng truyền dữ liệu tốt hơn so.

‘ong nghệ truyền thông không dây khác.

Bảng 1.2 So sinh các công nghệ truyền dẫn không đâyThe độ Tiêu thụ năng lượng

Công nghệ | tuần Khoins ch "Nui | Truyện Nhận Đặcính

đạo ÂU | env) |e)

Wil nine Tốc độ ao công saltone thập | Sith - | 300 | 350 | 370 | eno eu ding vt din

FĐYH ‘ayes

TB độ can khoảng ichTheo ly di bing tông Ong,2M | auyerien | - | - | - | een ving omg ip

BLESO n 300m và khả năng tương thích.

100m, bin Tiêu thy năng lượngBLES? | IM thvimehost | 8 | 60 | 53 thi chỉnh tấp bàoâm ni Dũng sui wes te,

ANT 0k 0đBM 3 H6 | 75 thấp, độ déo cao

Công situ thụ của các đơn vị sử ý và cảm biến được sit dụng dễ thụ thập dữ lêuvà xử lý dữ liệu Bảng 1.4 liệt kê các mô-đun vi xử lý điển hình với mức tiêu thụ hoạtđộng ở mức khoảng Watt Trong thực té, chỉ phí điện của bộ vi xử lý phụ thuộc vàokhổi lượng tín hiệu được xử lý Nói cách khác, vige thực hiện các thuật toán phức tạplớn dẫn đến sy gia tăng đáng ké mức tiêu thụ năng lượng của bộ vi xử lý cho mỗi nútcảm biển, ví dụ, từ hàng chục milliWatts hoặc hàng trăm milliwatts

18

Bing 1.3 Các mô-đun và thông số truyền thông không diy điền hình

“Tiêu thy năng lượng.

giao dun Bo viata | Tf Nghĩ | Truyền | Nhận

không | Mtn | kẩngMCU, | BEER | Gay) | mW) | GW)

RNGETI sos @ tok ee)

BLEA2 | pay 300M4 ARM :

pantrooa | S28¢ARM | Tsyy | yosuio# | 1089 | 10.89

'Ngược hú, đơn vị cảm biển i thụ năng lượng ít nhất, thường ở mức micro Watt hoặc xmÌliWat, có thể được chứng nhận từ các tham số của các mô-dưn cảm biển nhữ trong Bang 1.5 Kinh nghiệm cho thấy don vị truyền thông của nút cảm biển không dây tiêu thụ hầu hết năng lượng gây ra mức tiêu thy năng lượng của toàn bộ một nút ở mức milliwat đến watt.

9

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

Bộvixiiý | PEHỆm[Ảnhsáng] Ram | Sirdung | Chếđộnghỉ

Bang 1.5 Các mô-đun và thông sổ cảm biến điễn hình

R R Tiêu thụ năng lượng.

Lesicim | cam niin ĐỘPHÊN as ate) Qe gay | Chế?

| là nghỉ (1W)

ADXLSS Tobie | M0 Ó 10 | 035Gia tốc kế |_MPU-6050 16bits Max 1000 1650 16.5LISĐDSISTR tobe | Max oo 2m | 125— `" hnn, :

pet-tiL06 018 - 2 :ẤpR | BMEMO | 0NH | 1 3ug | 0ã

‘Ame | HDCH00 1 Tabs | 1 246 i

Dosing | OPPDU Olle) I a5 :

1.6 Một số phương pháp thu hồi năng lượng từ trong hệ thống HVAC bằng PI Trong những năm gin đây, khai thác năng lượng từ dao động trong hệ thông HVAC cđược nhiễu nhà nghiên cửu tập trung phát tiễn các thiết bị PEH để cung ef

nuôi cho các cảm biển không đây và hệ thống cảm biển tự duy trì (Hình 1.10) Nguồn.nguồn

rung động phong phú va da dạng, từ rung động của kết cầu cơ khi cho tới dao động tạo.bởi các dòng khí trong HVACTrong [15] phát triển một hệ thống cảm biển tự duy trì

với nguồn nuôi được nạp điện từ PEH lắp ti các ắp gió của đường ống HVAC.

Mình 1.10 Hệ thông cảm biến tự duy tì trong HVAC [27]

20

Đồng sió xoáy,

fm Dam ip diga

Vit cin Dim pas 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 dim và sự tách rời của các vòng xoáy xen kể tạo ra một lực hình điều hòatác động lên dim PEH theo hướng ngang với hướng của đồng khí, go ra rung độngcia dim áp điện tạo ra năng lượng điện Các mô hình trong [15] [16] sử dụng PEHkiểu dầm công xôn.

“Trong [14] nghiên cứu PEH kiểu màng mỏng, dán trên dn ngưng tụ của HVAC (Hình

1.12) Vị ti dán PEH là ở mặt trên của vỏ dàn ngưng tụ để khai thác rung động của vỏ,

thực chỉ là do máy nén sinh ra, Các tác giả giải quyết hai vin đ là tố ru hóa cấu trúc

liên kết và tối ưu hóa hình dạng của vật liệu PEH Công suất tạo ra lên tới 3,7 mW.

es Chin S

so ; Tụ điệ a

fa) mm (b)

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

1.7 ĐỀ xuất hướng nghiên cứu

“Trong phạm vi dé tài luận văn này sẽ tập trung nghiên xây dựng mô hình động lực.

học một bộc tự do cho PEH kiểu dim công xôn thon một lớp áp điện, trong đó một số

2Ị

dại lượng đặc trưng được tinh toán từ mô hình dim Euler-Bernoullt Hiệu quả thu hồi

năng lượng từ thiết bị PEH được phân tích dựa trên mô hình tính toán hiệu suất của

Enurk và cộng sự [7] Kết quả đo đạc về rung động của một số bộ phận, thiết bị

HVÁC do học viên thực hiện được sử dụng làm thông số đầu vào để tính toán, phântích cho mô hình PEH kiểu dim công xôn thon một lớp áp điện

CHUONG 2 CƠ SỞ LÝ THUYET TÍNH TOÁN HIỆU SUÁT PEH KIỀU DAM CÔNG XON THON MOT LỚP.

2.1 Các đại lượng trơng đương của PEH kiểu dim công xôn thon chịu kích động

ở đâm cos rà

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

Hình 2.2 Kết cấu của PEH.

XXét PEH kiểu dim công xôn thon một lớp chịu động nền có trục toa độ dia

phương øxyz như Hình 2.1 Lớp piczo được dần trên toàn bộ bề mặt dim cơ sở, Dim

ghép có một đầu ngâm, đầu tr do gắn khối lượng gia tốc mu NỀn ti đầu ngàm có dich chuyển Z0), đầu tự do có dịch chuyển tương đối X() so với đầu ngầm Kết cầu của PEH như mô tả ở Hình 2.2a [24] với chiều dài 7, tiết diện là hình chữ nhật với chiều dày dim cơ sở h, và chiều dày lớp piezo hy không dai, chiễu rộng b thay đổi theo quy luật mũ dọc theo chiều đài dim (Hình 2.2b,c) như sau.

B(x) =by exp(-ax) 17)

hah +h, ạn

Ký hiệu 2,,9,,f,,E, lần lượt là khối lượng riêng và mô đun đàn hồi của vật liệu dâm cơ sở và vậ liệu piezo; p, E(x), (+) là khối lượng riêng, mô dun din hồi và mô men

“quấn tính tương đương của dim ghép; bu, hy là Khoảng cách từ mép ngoài và mép

trong của lớp piezo đến trục trung hòa của dim ghép (Hình 2.2) Giả thiết các vật liệu

đầm cơ sở và piezo là đồng nhất, đẳng hướng, tuân theo định luật Hooke Khôi lượng

và khối lượng ring cũa dim ghép xúc định được là

'phb(xỳh o(h, +h, Jf ep(-)h =(øh +øyly)[esp-aj (18)

ĐỂ xác định tin số dao động tự nhiên của dim ghép, xét trường hợp dim ghép công

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

Euler-24

'Bemouli, phương tình mô men tốn của dim ghép không có khối lượng gia tốc ở đầu dầm mô tả bởi phương trình sau

M(x) _ P(L-x)

z(x)=: =F (22)

FEET ENE)

Hinh 2.3 Mô men uốn dim Euler-Bernoulli

tích phân (22) với điều kiện tại x =0 z'(0)=0.z(0) =0, độ võng của dim là

(G0441—g)—s4(21431) (113Gi11~e)=34(21411)-(411) oy

Ham độ võng (23) có thể được sử dụng để mô tả dao động riêng của dim ghép Ap dụng phương pháp Rayleigh Ritz, tin số tự nhiên ø,của dầm ghép có thể được xác định từ điều kiện bảo toàn năng lượng Cụ thé, động năng và thé năng lớn nhất của