Trong thực tế, cảm biến thường được đặt tại các nơi có nguồn rung động cơ học và các nguồn phổ biến như các rung động do máy móc trong công nghiệp, các chuyển động của động vật hoặc con người [62], … Vì vậy đây cũng là nguồn năng lượng có thể thu thập cho các nút cảm biến trong các ứng dụng thực tế. Nguyên lý thông dụng của kỹ thuật thu thập năng lượng này là thông qua sự rung động cơ học sẽ tạo ra chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây kết quả sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng và nối kín mạch sẽ tạo ra dòng điện [63], hoặc ứng dụng hiệu ứng áp điện của các vật liệu có tính chất áp điện cũng tạo ra năng lượng, nguyên lý sinh ra điện của hiệu ứng này rất đơn giản. Từ các chuyển động sinh ra lực cơ học tác động làm biến dạng tấm vật liệu sẽ sinh ra các điện tích trái dấu trên hai bề mặt tấm vật liệu và kết quả là tạo ra một hiệu điện thế giữa hai mặt tấm vật liệu này, lượng điện tích sinh ra phụ thuộc vào độ biến dạng của tấm vật liệu. Tấm vật liệu có tính chất áp điện sẽ được cấu tạo bởi ba chất là chì, titan và zirconia. Một nghiên cứu của N.G. Stephen về thu năng lượng từ rung động của môi trường xung quanh [64], hệ thống thu thập và biến đổi năng lượng rung động thành năng lượng điện còn được gọi là máy phát điện quán tính. Hình 2.9 mô tả một mô hình máy phát điện quán tính tuyến tính và mô hình hóa mạch điện, khối vật chất có khối lượng chính là khối nam châm sẽ dao động khi có kích thích cơ học để tạo ra dòng điện trên cuộn dây. Khi có kích thích m sẽ dao động theo dao động của lò xo với độ cứng là và dao động này được ổn định hơn nhờ bộ giảm chấn có hệ số giảm chấn , nên khi dao động khối sẽ chịu cả hai lực tác động này.
Hình 2.9. Mô hình phát điện quán tính tuyến tính [64].
Giả sử rung động cơ học tạo ra một dao động với trạng thái ổn định có phương trình được biểu diễn như 2.10.
= ( −∅) = √( − 2 )2+ 2 2 { { ∅ = −1 ( − 2 ) Trong đó: : lực tác động của rung động (N) : hệ số giảm chấn : độ cứng của lò xo (N/m)
: tần số góc của dao động (rad/s)
∅ : góc pha ban đầu (rad)
: khối lượng của khối dao động (Kg)
Định luật Kirchhoff được áp dụng cho mô hình mạch điện của hệ thông thu năng lượng rung động, dòng điện đầu ra, công suất tức thời và công suất trung bình ở đầu ra của hệ thống được biểu diễn lần lượt theo các công thức 2.12, 2.13 và 2.14.
( + )− ( ̇− ̇)=0 = + ( + ∅) (2.11) (2.12) (2.13) (2.14) Trong đó:
: dòng điện đầu ra (A) : công suất tức thời ở đầu ra (W) : công suất trung bình ở đầu ra (W) : điện trở của tải (W)
: điện trở trong của hệ thống (Ω)
: hệ số chuyển đổi cơ – điện
: biên độ kích thích cơ học sơ cấp (m) : biên độ dao động của khối m (m).
Nguyên lý thu năng lượng rung động được áp dụng cho các cảm biến trong nhiều ứng dụng thực tế có thể thu được năng lượng rung động như các cảm biến có thể gắn trên vỏ máy rung động khi làm việc, các cơ cấu chuyển động [65][66]. Mạng cảm biến không dây trên cơ thể người, các cảm biến có thể được gắn trên giày, quần áo hoặc mũ, khi con người di chuyển sẽ tạo ra rung động và tạo ra năng lượng [67][68]. Thậm chí cảm biến có thể được gắn bên trong cơ thể người như tại tim cho những ứng dụng y tế theo dõi và điều trị người bệnh về tim [69]. Một số ứng dụng thu năng lượng từ rung động, lực cơ học cho nút cảm biến được chỉ ra như Hình 2.10-a-b-c.
a-Thu năng lượng rung động gắn trên vỏ máy hoặc cơ cấu chuyển động [65][66].
b-Thu năng lượng rung động gắn trên mũ hoặc giày [67][68].
c-Thu năng lượng rung động gắn trên tim hoặc các khớp [69]. Hình 2.10. Một số ứng dụng thu năng lượng từ rung động.
Các nghiên cứu đã đưa ra những kết quả thực nghiệm về thiết bị thu năng lượng từ rung động với các điều kiện và thông số khác nhau như tần số rung, kích thước, khối lượng khối rung thứ cấp,… và cho ra công suất đầu ra khác nhau. Một số thiết bị thu năng lượng rung động được tổng hợp và so sánh như trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3. Một số thiết bị thu năng lượng rung động [63].
Máy phát VIBES Mk2 EM Glynne-Jones EM Perpetuum EM Ching EM White PZ Roundy PZ Hong PZ Jeon PZ Mitcheson ES Despesse ES
Các số liệu cho thấy rung động có tần số dải rộng, khối rung có khối lượng và kích thước rất đa dạng, và công suất thu năng lượng rung động nhỏ chỉ tính theo µW. Tuy nhiên, giải pháp thu năng lượng rung động có khả năng sử dụng trong một số
môi trường đặc biệt như trên cơ thể người thậm chí bên trong cơ thể người nơi mà việc thay thế pin rất khó khăn phức tạp và không có khả năng tìm các nguồn năng lượng thay thế thì việc tiết kiệm năng lượng bằng các giải pháp tối ưu hóa sử dụng năng lượng càng cần thiết được nghiên cứu và triển khai. Hơn nữa, tần số từ các nguồn rung trong một số trường hợp có thể gây ảnh hưởng tiêu cực cho nút cảm biến. Vì vậy giải pháp này cũng có nhiều hạn chế khi triển khai rộng rãi trong ứng dụng thực tế.