Chương 2 Các nghiên cứu liên quan
2.2. Thu năng lượng từ môi trường cho cảm biến
Việc tìm kiếm và phát triển nguồn năng lượng thay thế cung cấp cho các nút cảm biến được nghiên cứu rất tích cực, đó là phương pháp thu thập và biến đổi năng lượng từ môi trường xung quanh thành năng lượng điện để cung cấp cho các nút cảm biến. Nguồn năng lượng ở môi trường xung quanh cảm biến rất đa dạng như năng lượng mặt trời, năng lượng nhiệt, năng lượng gió, năng lượng RF, năng lượng rung động, ... [48][49]. Các dạng năng lượng thu thập cho mạng cảm biến từ môi trường xung quanh có thể nhìn nhận theo hai nhóm chính là năng lượng từ các nguồn thiên nhiên và năng lượng từ các nguồn tác nhân trong công nghiệp hoặc hoạt động của con người. Nguồn năng lượng từ môi trường thiên nhiên xung quanh cảm biến như năng lượng mặt trời (solar energy), năng lượng gió (wind energy), năng lượng nhiệt (thermal energy) và năng lượng sóng điện từ (radio frequency energy). Nguồn năng lượng từ các tác nhân trong môi trường làm việc của cảm biến như các năng lượng từ các nguồn cơ học (ví dụ như rung động của máy khi hoạt động, áp suất khí từ các hệ thống công nghiệp …), năng lượng từ con người (ví dụ như sự hoạt động của cơ thể, năng lượng sinh học). Hình 2.5 tổng hợp một số năng lượng cơ bản khả thi cho việc thu năng lượng trong môi trường xung quanh cảm biến.
Nguyên lý chung của hệ thống thu thập năng lượng từ môi trường đơn giản. Năng lượng từ môi trường sẽ được thu thập bởi một bộ thu thập năng lượng sau đó
cho qua bộ biến đổi thành năng lượng điện một chiều và điều chỉnh các thông số cho phù hợp với yêu cầu, từ đó có thể cấp cho cảm biến hoạt động hoặc lưu trữ [50] [51]. Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống thu năng lượng từ môi trường có thể được nhìn tổng quát như trong Hình 2.6.
Hình 2.5. Các nguồn thu năng lượng cho mạng cảm biến [48].
Hình 2.6. Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống thu năng lượng từ môi trường
Tùy thuộc vào loại năng lượng của môi trường sẽ có phương pháp, kỹ thuật và công nghệ thu khác nhau. Có thể cùng một loại năng lượng cũng sẽ có các phương pháp, kỹ thuật và công nghệ thu khác nhau. Điều quan trọng nhất là công nghệ thu năng lượng vì nó quyết định rất lớn đến hiệu suất thu năng lượng. Một vấn đề nữa là các nút cảm biến không dây yêu cầu kích thước nhỏ gọn để tiết kiệm năng lượng nên cũng yêu cầu kích thước của bộ phận thu năng lượng từ môi trường càng nhỏ càng tốt. Về cơ bản, cấu trúc của nút cảm biến không dây có khả năng thu năng lượng từ môi trường không khác nút cảm biến không dây thông thường, sự khác biệt là có thêm bộ phận thu năng lượng [52][53][54]. Thiết bị thu năng lượng từ môi trường có nhiệm vụ thu thập năng lượng sẵn có trong môi trường xung quanh nút cảm biến, rồi biến đổi và chuẩn hóa thành nguồn năng lượng một chiều, sau đó có
Năng lượng từ môi trường - Mặt trời,
- Nhiệt, - Rung động, - RF,
- ….
Mô đun thu năng lượng môi trường Chuẩn
hóa Bộ thu thập
thể cấp cho cảm biến hoạt động hoặc lưu trữ. Năng lượng của nút bao gồm nguồn nội tại và nguồn năng lượng thu thập từ môi trường sẽ được quản lí và điều phối bởi bộ vi điều khiển trung tâm của nút, chẳng hạn như khi cảm biến thu thập được năng lượng từ môi trường, tùy thuộc vào trạng thái và điều kiện cụ thể về năng lượng của nút cảm biến mà bộ vi điều khiển sẽ quyết định sử dụng năng lượng thu được như thế nào, lưu trữ hay sử dụng vào các quá trình hoạt động của cảm biến, …
Tuy nhiên, thực tế không phải nguồn năng lượng nào từ môi trường cũng phù hợp cho việc thu thập cho cảm biến. Các nguồn năng lượng được thu từ môi trường phải đảm bảo các yếu tố cơ bản như tính sẵn có và phổ biến trong môi trường đặt cảm biến, hệ thống thu thập năng lượng đơn giản và nhỏ gọn, có khả năng thu được năng lượng thường xuyên và mật độ năng lượng phải đủ lớn. Hiện nay, một số nguồn năng lượng từ môi trường đã được đề xuất nghiên cứu và thực hiện thu cho cảm biến có những thành quả nhất định như năng lượng mặt trời, năng lượng rung động, năng lượng nhiệt, năng lượng RF.
2.2.1.Phương pháp thu năng lượng mặt trời
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.
(2.7) Trong đó:
: dòng điện được tạo ra bởi tế bào quang điện (A) : điện áp được tạo ra bởi tế bào quang điện (V) : dòng quang điện (A)
: dòng bão hòa của diode (A) : hệ số chất lượng diode : điện trở nối tiếp diode (Ω) : 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.
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật điều khiển thu năng lượng mặt trời [56].
Trong khoảng thời gian sạc (), chuyển mạch và 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.
(2.8) Công suất trung bình sẽ được biểu diễn như công thức 2.9.
(2.9) Trong đó:
: công suất đầu ra của tấm pin (W)
: điện áp ra của tấm pin (V) : dòng điện ra của tấm pin (A)
: điện dung tụ điện đầu vào mạch thu năng lượng (F) : thời điểm mốc thời gian tùy ý (s)
: khoảng thời gian chu kỳ thực hiện nạp-phóng (s).
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 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.
2.2.2.Phương pháp thu năng lượng từ rung động cơ học
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.
(2.10) Trong đó: : lực tác động của rung động (N) : hệ số giảm chấn : độ cứng của lò xo (N/m) : (rad/s) : (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.
(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].
(Hz) thứ cấp (mass) (g) (cm 3) (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 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