Bài viết nghiên cứu một trong những ứng dụng tiềm năng của hiệu ứng áp điện trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ-điện (thu hoạch năng lượng). Trong thiết bị này khi một phần tử áp điện được kích thích và dao động sẽ tạo ra các điện tích trên bề mặt để hình thành nên một điện áp xoay chiều (AC).
ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN TRONG THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG THE APPLICATION OF PIEZOELECTRIC EFFECT IN HARVESTING ENERGY NGUYỄN THẾ HƯNG Khoa Cơ sở - Cơ bản, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: nguyenthehung@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo nghiên cứu ứng dụng tiềm hiệu ứng áp điện thiết bị chuyển đổi lượng cơ-điện (thu hoạch lượng) Trong thiết bị phần tử áp điện kích thích dao động tạo điện tích bề mặt để hình thành nên điện áp xoay chiều (AC) Điện áp sau chỉnh lưu thành điện áp chiều (DC) sử dụng cho thiết bị điện tử tiêu thụ lượng thấp hiệu suất cao Trong cơng trình này, lựa chọn phần tử áp điện có độ bền cao, chịu rung động lớn mơ hình hóa cấu chuyển đổi để tối ưu hóa lượng điện thu từ rung động học Đây coi nguồn vi lượng tồn vô hạn Từ khóa: Hiệu ứng áp điện, thu hoạch lượng, phần tử áp điện, PbZrO 3-PbTiO3 (PZT), hệ vi điện tử (MEMS) Abstract This article focuses on one of potential uses of piezoelectric effect in devices of mechanicalto-electrical energy conversion (energy harvesters) In these devices, if a piezoelectric element is excited by external forces, it will vibrate and create electric charges on the surface of piezoelectric materials due to converse piezoelectric effect An AC piezoelectric voltage or current generated by the charges could be rectified to DC voltage in order to use for highly effective and low power electronic devices In this work, we have selected highly stable piezoelectric elements and these materials could undergo strong vibrations as well as modelling a converting structure to optimize electric energy from mechanical vibrations It is considered as clean and “infinite” lifespan micro-sources of energy Keywords: piezoelectric effect, energy harvesters, piezoelectric element, PbZrO3-PbTiO3 (PZT), Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Giới thiệu chung Một ứng dụng quan trọng hiệu ứng áp điện việc thu hoạch điện từ Đây nguồn lượng có khả tái tạo Các vật liệu áp điện ứng dụng nhìn chung có mật độ lượng cao chuyển đổi lượng học mà chúng biến dạng thành lượng điện chúng có khả chịu tác động với cường độ lớn Tuy nhiên việc thiết kế vật liệu để ứng dụng thiết bị có cơng suất thiêu thụ cao vấn đề lớn Do đó, chúng khơng thể cạnh tranh với thiết bị điện từ hầu hết ứng dụng thông thường để tạo lượng điện Tuy nhiên, vật liệu áp điện gần quan tâm lớn cho việc thu hoạch lượng điện từ rung động xung quanh Năng lượng sử dụng để cung cấp cho thiết bị điện tử công suất thấp [1-4] Các nỗ lực nghiên cứu thực suốt 10 năm qua sản phẩm thương mại xuất thị trường Những thiết bị thu hoạch lượng nhằm mục đích thay nguồn điện pin thiết bị điện tử có cơng suất tiêu thụ thấp chẳng hạn mạng lưới cảm biến hệ thống điều khiển không dây Ứng dụng việc sạc pin cho thiết bị di động phát triển [5, 6] Trong nghiên cứu này, hiệu ứng áp điện nghịch ứng dụng để tạo lượng điện từ rung động bên dùng cho thiết bị điện tử công suất thấp đưa cấu phù hợp bao gồm (thiết kế phần tử áp điện - vật liệu áp điện PZT, cấu trúc điện - vật liệu áp điện cấu trúc học, cấu chuyển đổi tín hiệu điện) nhằm tối ưu hóa lượng thu từ rung động môi trường xung quanh Quá trình chuyển đổi lượng điện Việc xem xét giai đoạn chuỗi chuyển đổi lượng yếu tố cần thiết cho việc tối ưu hóa hiệu thiết bị thu lượng Để thực điều đòi hỏi phải phân tích xác mơ hình hóa tương tác điện liên quan tới chuyển đổi lượng xuất giai đoạn Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 81 Sơ đồ chung trình chuyển đổi lượng điện hiệu ứng áp điện minh họa Hình Năng lượng đầu vào dạng khác nhau, chẳng hạn rung động hay va chạm với dải tần số khác Phần lượng truyền tới vật liệu áp điện phần tử quan trọng thiết bị thông qua cấu trúc học Nó hoạt động lọc thông giải (ở trạng thái hoạt động dừng) chí coi bể tích trữ trung gian (ở kiểu vận hành xung) Các rung động vật liệu áp điện bị biến dạng chuyển từ thành điện nghĩa diện tích biến đổi tạo điện cực áp điện nhờ hiệu ứng áp điện nghịch Rung động va chạm Biến dạng thay đổi Cấu trúc học Năng lượng Vật liệu áp điện (AC) điện Giao tiếp điện Năng lượng điện thu (DC) Hình Sơ đồ chuyển đổi lượng thiết bị thu lượng áp điện Điện áp dòng điện áp điện xoay chiều (AC) thu khơng thích hợp cho thiết bị tích trữ lượng thiết bị điện điện tử Những thiết bị thực tế đòi hỏi dòng chiều (DC) Do hệ chuyển đổi lượng cần phải có thêm phần tử khác gọi “giao tiếp điện” chức chuyển lượng điện xoay chiều thành chiều Hơn phần tử giao tiếp điện phải đảm bảo chức ổn định điện áp thu quan trọng tối ưu hóa hồn tồn cải thiện lượng điện Cấu trúc chuyển đổi lượng điện Nhiều cấu trúc học liên quan tới vật liệu áp điện khác khảo sát cho việc thu hoạch lượng Cấu trúc phổ biến cấu trúc rung áp điện giới thiệu Hình Cấu tạo rung áp điện dùng chuyển đổi Khối lượng dao Màng áp điện lượng bao gồm phần chuyển đổi (màng áp điện) động Seismic phần dao động (thanh dung đế Silic với khối lượng dao động Seismic gắn đầu rung) Các cấu trúc kích thích học dao động xung quanh để tạo chuyển động Các lực xuất ảnh hưởng quán tính độ cứng cấu trúc gây dao động nén hay dãn lên vật liệu áp điện Cấu trúc điện mơ hình hóa Đế dao động liên kết bậc tự kết hợp khối lượng, lò xo, giảm rung phần tử áp điện gần Hình Cấu trúc điện rung áp tần số cộng hưởng, thấy Hình điện để thu lượng Trong đó, khối lượng hiệu dụng M liên kết với lò xo có độ cứng K đặt giảm rung với hệ số tắt dần C phần u2 Phần tử áp điện Khối lượng tử áp điện đặc trưng hệ số áp điện Seismic M hiệu dụng điện dung C0 Các hệ số phụ thuộc vào đặc tính vật lý vật liệu Mạch thiết kế thiết bị thu lượng điện Các phương trình động lực học u1 cấu trúc điện cho phương trình vi phân (1), độ dịch chuyển hiệu Đế dụng u độ chênh lệch dịch chuyển khối lượng gây dao động “Seismic” u2 độ Hệ quy chiếu Galieo dịch chuyển đế máy phát u1 Đặc biệt, phương trình cho thấy tác dụng lực Hình Mơ hình bậc tự điện qn tính lên hệ, tích khối lượng hiệu 82 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 dụng M gia tốc học đế u1 '' Hệ số áp điện hiệu dụng cho thấy mối quan hệ lực áp điện hiệu dụng FP điện áp áp điện V Hệ số xác định mối liên hệ cường độ dòng điện áp điện bên với tốc độ học u ' viết dạng (2) M.u '' C.M.u ' K.u FP M.u1 '' (1) FP .V I .u ' (2) Mơ hình chi tiết phận điện thuận tiện cho việc phân tích chuyển đổi lượng Đây cách đơn giản để xem xét tất tương tác điện (b) 100 (a) Công suất (W) 10 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 421 423 425 427 429 431 433 Tần số (Hz) Hình (a) Thanh rung áp điện chuyển đổi lượng (cấu tạo hình 2); (b) Phổ tần số cộng hưởng rung với khối lượng dao động (MSeismic) khác Hình 4a giới thiệu linh kiện rung áp điện (cấu tạo Hình 2) với phần chuyển đổi lượng (vật liệu áp điện Pt/PZT/Pt) 5mm2 phần khối lượng gây dao động (MSeismic) từ 0,01 đến 2,56 g Phổ tần số cộng hưởng hình 4b cho thấy khối lượng MSeismic không ảnh hưởng nhiều đến tần số dao động cộng hưởng (fr = 456,4 Hz), nhiên lượng tạo tỷ lệ thuận với khối lượng Với linh kiện này, lượng cao thu 24,4 W với khối lượng MSeismic 2,56 g điện áp đầu cực đại đạt có giá trị Voutput = 400mV tần số dao động cộng hưởng f = 19,69 Hz [11] Giao tiếp điện chuẩn AC-DC Năng lượng điện tạo cấu trúc điện máy thu lượng truyền tới mạch điện minh họa Hình 5a Trường hợp ứng dụng để tích điện cho pin điện hóa Pin cần điện áp chiều ổn định Vb dao động phần tử áp điện lại tạo điện áp xoay chiều Hình 5b Do vậy, giao tiếp điện kết nối phần tử áp điện pin phải đảm bảo tính tương thích điện Điện áp áp điện V trước tiên chỉnh lưu mạch cầu điốt Vr sau qua điều khiển (DC-DC Converter) để tối ưu hóa lượng ổn định điện áp (a) I V C0 Vr u(t) DC-DC Converter Vb Phần tử áp điện (b) Vr -Vr V(t) Hình (a) Giao tiếp điện chuẩn (b) Dạng sóng đặc trưng độ dịch chuyển điện áp áp điện Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 83 Kết luận Các vật liệu áp điện thu hút quan tâm lớn việc chế tạo thiết bị chuyển đổi lượng dùng cho thiết bị điện tử tiêu thụ điện thấp hiệu suất cao từ rung động xung quanh Nhờ vào giảm lượng tiêu thụ thiết bị điện tử làm tăng ứng dụng tạo nguồn vi lượng có tuổi thọ vô hạn Yêu cầu thiết bị thu hoạch lượng (energy havesters) có khả làm việc tần số dao động thấp (vài trăm đến vài nghìn Hz), dao động thường có môi trường xung quanh đời sống hàng ngày Hơn nữa, thiết bị cần phải tạo lượng đủ lớn để sử dụng cho thiết bị điện tử như: máy nghe nhạc, điện thoại di động từ lượng lấy từ trình vận động người (thiết bị chuyển đổi lượng gắn đế giầy, điện sinh với vận động người hay chạy) Tuy có số cơng bố trình bày cấu khác để tạo lượng điện từ dao động xung quanh nhờ hiệu tượng áp điện [7-10] Nhưng chưa lựa chọn vật liệu áp điện phù hợp khảo sát tương tác điện Do báo vật liệu áp điện dạng màng mỏng đa lớp Pt/PZT/Pt kích thước 2,5 x 2,0 mm2 = mm2, bề dày 11m khối lượng dao động MSeismic = 2,56 g lựa chọn có độ bền cao, chịu tác động lớn Đồng thời mơ hình hóa cấu chuyển đổi lượng - điện dạng mơ hình dao động kỹ thuật với phần tử điện liên kết với để tối ưu hóa tương tác điện Hiện công nghệ vi điện tử (MEMS) cho phép chế tạo hàng loạt cấu trúc chuyển đổi lượng kết nối với giúp tăng cường lượng thu hoạch thời điểm hoạt động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Badel, A.; Lefeuvre, E.; Richard, C and Guyomar, D Efficiency enhancement of a piezoelectric energy harvesting device in pulsed operation by synchronous charge inversion Journal of Intelligent Materials Systems and Structures, Vol 16, N°10, pp 889-901, 2005 [2] Erturk, A.; Hoffmann, J & Inman, D J A piezomagnetoelastic structure for broadband vibration energy harvesting Applied Physics Letters, 2009 [3] Garbuio, L.; Lallart, M.; Guyomar, D.; Richard, C & Audigier D Mechanical Energy Harvester With Ultralow Threshold Rectification Based on SSHI Nonlinear Technique IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 56, No 4, pp.1048-1056, 2009 [4] Guyomar, D.; Jayet, Y.; Petit, L.; Lefeuvre, E.; Monnier, T.; Richard; C & Lallart, M Synchronized switch harvesting applied to selfpowered smart systems: Piezoactive microgenerators for autonomous wireless transmitters Sensors and Actuators A: Physical, Vol 138, N°1, pp 151-160, 2007 [5] H.S.Kim, J.H.Kim and J.Kim, A review of piezoelectric energy harvesting based on vibration.Inter.J.Prec.Eng.Manuf 12 (2011) Pp 1129-1141 [6] R.A.Steven, and A.S.Henry Two-DimensionalPiezoelectric MoS -Modulated Nanogenerator and Nanosensor Made of Poly(vinlydine Fluoride) Nanofiber Webs for SelfPowered Electronics and Robotics Smart Mater Struct.16 (2007) R1-R21 [7] S J Roundy, Energy scavenging for wireless sensor nodes with a focus on vibration to electricity conversion, Ph.D thesis, The University of California, Berkeley, USA, 2003 [8] S Roundy, J Intell On the Effectiveness of Vibration-based Energy Harvesting Mater Syst Struct 16, 809, 2005 [9] Y Zhao, Q Liao, G Zhang, Z Zhang, Q Liang, X Liao, and Y Zhang High output piezoelectric nanocomposite generators composed of oriented BaTiO3 Nano Energy 11, 719, 2015 [10] G Zhang, Q Liao, M Ma, Z Zhang, H Si, S Liu, X Zheng, Y Ding, and Y Zhang A rationally designed output current measurement procedure and comprehensive understanding of the output characteristics for piezoelectric nanogenerators Nano Energy 30, 180, 2016 [11] Minh D Nguyen, Evert Houwman, Matthijn Dekkers, Darrell Schlom, and Guus Rijnders Enhancement of figure of merit for energy-har vester s based on fr ee-st anding epit axial Pb(Zr0.52Ti0.48)0.99Nb0.01O3 thin-film cantilevers APL MATERIALS 5, 074201, 2017 Ngày nhận bài: 08/03/2019 Ngày nhận sửa: 05/04/2019 Ngày duyệt đăng: 10/04/2019 84 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 ... (AC) điện Giao tiếp điện Năng lượng điện thu (DC) Hình Sơ đồ chuyển đổi lượng thiết bị thu lượng áp điện Điện áp dòng điện áp điện xoay chiều (AC) thu khơng thích hợp cho thiết bị tích trữ lượng. .. liệu áp điện bị biến dạng chuyển từ thành điện nghĩa diện tích biến đổi tạo điện cực áp điện nhờ hiệu ứng áp điện nghịch Rung động va chạm Biến dạng thay đổi Cấu trúc học Năng lượng Vật liệu áp điện. .. cho việc thu hoạch lượng Cấu trúc phổ biến cấu trúc rung áp điện giới thiệu Hình Cấu tạo rung áp điện dùng chuyển đổi Khối lượng dao Màng áp điện lượng bao gồm phần chuyển đổi (màng áp điện) động