Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo được nghiên cứu và phát triển từ lâu. Năng lượng mặt trời sẵn có và mật độ năng lượng lớn. Kỹ thuật và công nghệ thu năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay là pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện. Pin mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một lượng lớn các photodiode có khả năng hấp thụ và biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện. Năng lượng, hiệu điện thế hoặc cường độ dòng điện được tạo ra phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên tế bào quang điện. Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp tại một mức chiếu sáng nhất định [55] của một tế bào quang điện được biểu diễn theo biểu thức 2.7.
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠[𝑒𝑥𝑝 (𝑏
𝑛(𝑉 + 𝐼𝑅𝑠)) − 1] − 𝐺𝑠ℎ(𝑉 + 𝐼𝑅𝑠) (2.7)
Trong đó:
𝐼 : dòng điện được tạo ra bởi tế bào quang điện (A)
𝑉 : điện áp được tạo ra bởi tế bào quang điện (V)
𝐼𝑝ℎ : dòng quang điện (A)
𝐼𝑠 : dòng bão hòa của diode (A)
𝑛 : hệ số chất lượng diode
𝑅𝑠 : điện trở nối tiếp diode (Ω)
𝐺𝑠ℎ : điện dẫn của trở shunt (Ω-1).
Vấn đề hiệu suất thu năng lượng được các nghiên cứu phát triển với nhiều phương pháp khác nhau dựa trên vật liệu nhạy ánh sáng và các kỹ thuật mạch điện tử. Nghiên cứu của Oscar López-Lapeña và cộng sự [56] đưa ra phương pháp thu năng lượng mặt trời công suất thấp cho các ứng dụng có công suất tiêu thụ nhỏ. Một sơ đồ khối nguyên lý thu năng lượng mặt trời được chỉ ra trong Hình 2.7, phương pháp này sử dụng một tụ điện ở đầu vào (Cin) nối song song với tấm pin năng lượng mặt trời, bộ so sánh điện áp sẽ cung cấp tín hiệu cho bộ chuyển đổi DC-DC.
25
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật điều khiển thu năng lượng mặt trời [56].
Trong khoảng thời gian sạc (Tcharge), chuyển mạch M1và M2 bị ngắt, và dòng điện của tấm pin sẽ sạc cho tụ điện Cin cho đến khi điện áp của tấm pin đạt giá trị mức cao VH = vm +VTH. Sau đó điện áp tại chân phản hồi (VFB) sẽ ở mức cao và kích hoạt lần lượt các chuyển mạch M1 và M2 trong khoảng thời gian xả (Tdisch), để chuyển điện tích từ tụ điện Cin đến đầu ra, cho đến khi điện áp của tấm pin giảm xuống mức thấp VL = vm-VTL. Chu trình cứ thế sẽ được lặp lại, thời gian để một chu trình hoàn tất được gọi là Tcycle, khi đó Tcycle = Tcharge + Tdisch.
Công suất đầu ra của tấm pin (Ps) trong khoảng thời gian Tcharge bằng công suất vào của Cin được biểu diễn bằng biểu thức 2.8.
𝑃𝑠 = 𝑣𝑠𝑖𝑠= 𝑣𝑠𝐶𝑖𝑛𝑑𝑣𝑠
𝑑𝑡 (2.8)
Công suất trung bình sẽ được biểu diễn như công thức 2.9.
𝑃̅ =𝑠 1 𝑇∫𝑡𝑡0+ 𝑇𝑃𝑠𝑑𝑡 0 =𝐶𝑖𝑛 𝑇 ∫𝑣𝑣𝑠(𝑡0+ 𝑇)𝑣𝑠𝑑𝑣𝑠 𝑠(𝑡0) (2.9) Trong đó:
𝑃𝑠 : công suất đầu ra của tấm pin (W)
𝑃̅𝑠 : công suất trung bình đầu ra của tấm pin (W)
𝑣𝑠 : điện áp ra của tấm pin (V)
𝑖𝑠 : dòng điện ra của tấm pin (A)
𝐶𝑖𝑛: điện dung tụ điện đầu vào mạch thu năng lượng (F)
𝑡0 : thời điểm mốc thời gian tùy ý (s)
𝑇 : khoảng thời gian chu kỳ thực hiện nạp-phóng (s).
Bộ khuếch đại và biến đổi DC/DC
Pin có khả năng sạc
26 Với điều kiện thực tế về môi trường, kỹ thuật và công nghệ của pin mặt trời cũng như công suất thu năng lượng rất phù hợp làm nguồn năng lượng bổ sung cho nút cảm biến trong nhiều ứng dụng nhất là những ứng dụng ngoài trời hoặc những nơi có thể tiếp xúc với nguồn ánh sáng đủ mạnh. Nhiều nghiên cứu đã mang lại kết quả đáng kể và được ứng dụng tích cực trong vấn đề thu năng lượng mặt trời cho cảm biến như thu năng lượng cho nút cảm biến không dây [57], thực hiện thu và sử dụng năng lượng mặt trời trong mạng cảm biến không dây [58][59], thiết kế hệ thống nhúng không dây thu năng lượng mặt trời [60]. Trong một nghiên cứu và đánh giá của FK. Shaikh và các cộng sự về thu thập năng lượng cho mạng cảm biến không dây đã đề cập đến các nghiên cứu và tổng hợp một số sản phẩm về thu thập năng lượng mặt trời [61]. Hình 2.8 chỉ ra một số kết quả công nghệ thu năng lượng mặt trời cho nút cảm biến không dây.
Hình 2.8. Thu năng lượng mặt trời cho nút cảm biến không dây [61].
Các nút cảm biến khác nhau có hiệu suất thu năng lượng mặt trời là khác nhau, thể hiện mức năng lượng thu được trên đơn vị diện tích tấm pin. Hiệu suất và mức năng lượng thu thập phụ thuộc nhiều yếu tố như cường độ ánh sáng chiếu tới, độ nhạy của tế bào quang điện của vật liệu sử dụng làm pin mặt trời và kích thước tấm pin. Bảng 2.2 so sánh đặc điểm về kích thước tấm pin và mức năng lượng thu được của một số nút cảm biến thu năng lượng mặt trời.
Bảng 2.2. Đặc điểm một số nút cảm biến thu năng lượng mặt trời [61].
Nút thực nghiệm
Kích thước tấm pin (in x in)
Công suất thu (mW) Loại lưu trữ điện IRN 3.75x2.5 400 Tụ BLSH 44x44 50 Tụ LTSN 4.5x3.5 1200 Pin HydroWatch 2.3x2.3 276 Pin Heliomote 3.75x2.5 190 Pin
Qua đó có thể thấy mật độ và mức năng lượng thu thập được từ mặt trời khá cao, rất hữu ích cho việc kéo dài tuổi thọ các nút cảm biến không dây nhất là các nút tiêu thụ năng lượng thấp. Tuy nhiên, mức thu thập năng lượng mặt trời phụ thuộc không gian, thời gian và thời tiết. Việc thu thập chỉ thực sự hiệu quả ở những vị trí có cường độ ánh sáng cao như ngoài trời hoặc vị trí gần cửa sổ vào những khoảng thời gian ban ngày khi có mặt trời. Ngoài ra, việc thu thập năng lượng từ mặt trời muốn có công suất thu cao đòi hỏi phải có kích thước tấm pin lớn, điều này sẽ gây trở ngại, không phù hợp khi mà các nút cảm biến ngày càng yêu cầu kích thước nhỏ gọn. Do đó, nguồn năng lượng này cũng không liên tục, nghĩa là nút cảm biến dù có thể thu thập
27 được năng lượng từ mặt trời vẫn có thể bị hết pin bất cứ lúc nào nếu không có sự điều phối sử dụng năng lượng cho nút theo một cách tối ưu hóa nhằm tiết kiệm năng lượng.