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 𝑚 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 𝑘 và dao động này được ổn định hơn nhờ bộ giảm chấn có hệ số giảm chấn 𝑐, nên khi dao động khối 𝑚 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.
28 { 𝑥 = 𝑋𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 − ∅) { 𝑋 = 𝐹 √(𝑘−𝜔2𝑚)2+𝑐2𝜔2 ∅ = 𝑡𝑎𝑛−1( 𝑐𝜔 𝑘−𝜔2𝑚) (2.10) Trong đó: 𝐹 : lực tác động của rung động (N) 𝑐 : hệ số giảm chấn 𝑘 : độ cứng của lò xo (N/m)
𝜔 : tần số góc của dao động (rad/s)
∅ : góc pha ban đầu (rad)
𝑚 : 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.
𝑖(𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 + 𝑅𝑖𝑛𝑡) − 𝐾(𝑥̇ − 𝑦̇) = 0 (2.11) 𝑖 = 𝐾 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑+ 𝑅𝑖𝑛𝑡𝜔𝑛𝑍𝑚𝑎𝑥𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑛𝑡 + ∅) (2.12) 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑠𝑡 = 𝑖2𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝐾2𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑𝜔𝑛2𝑍𝑚𝑎𝑥2 (𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑+𝑅𝑖𝑛𝑡)2 𝑐𝑜𝑠2(𝜔𝑛𝑡 − ∅) (2.13) 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑎𝑣 = 𝐾2𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑𝑚𝜔𝑛3𝑌𝑍𝑚𝑎𝑥 2(𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑+𝑅𝑖𝑛𝑡)(𝑐𝑚(𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑+𝑅𝑖𝑛𝑡)+𝐾2) (2.14) Trong đó:
𝑖 : dòng điện đầu ra (A)
𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑠𝑡 : công suất tức thời ở đầu ra (W) 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑎𝑣 : công suất trung bình ở đầu ra (W) 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 : điện trở của tải (W)
𝑅𝑖𝑛𝑡 : điện trở trong của hệ thống (Ω) 𝐾 : hệ số chuyển đổi cơ – điện
𝑌 : biên độ kích thích cơ học sơ cấp (m) 𝑍𝑚𝑎𝑥 : 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.
29
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 Tần số (Hz)
Khối lượng khối rung thứ cấp (mass) (g) Kích thước (cm3) Công suất (µW) VIBES Mk2 EM 52 0.66 0.15 46 Glynne-Jones EM 99 2.96 4.08 4990 Perpetuum EM 100 50 30 4000 Ching EM 110 0.192 1 830 White PZ 80 0.8 0.125 2.1 Roundy PZ 120 9.15 1 375 Hong PZ 190 0.01 0.0012 65 Jeon PZ 13900 2.20x10-7 0.000027 1 Mitcheson ES 30 0.1 0.75 3.7 Despesse ES 50 104 1.8 1052
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
30 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.