Trong môi trường thực tế công nghiệp và đời sống, nguồn nhiệt cũng rất phổ biến. Phương pháp thu năng lượng nhiệt và biến đổi thành điện năng để cung cấp cho các thiết bị vi điện tử nói chung và cho cảm biến không dây nói riêng là một trong những hướng được quan tâm và phát triển trong những năm gần đây. Hướng nghiên cứu thể hiện tiềm năng cho nguồn thay thế của mạng cảm biến không dây [70]. Nguyên lý chung của phương pháp dựa trên hiệu ứng nhiệt điện hay còn gọi là hiệu ứng Seebech được phát hiện vào năm 1821 bởi nhà khao học Tomas Seebech, khi có hai thanh kim loại khác nhau về bản chất được hàn nối với nhau ở một đầu gọi là đầu làm việc, các đầu còn lại của mỗi thanh tách rời nhau hay còn gọi là đầu tự do. Một hiệu điện thế gọi sức nhiệt điện động giữa hai đầu tự do của hai thanh sẽ xuất hiện khi có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa đầu làm việc và đầu tự do. Sức nhiệt điện động này có giá trị phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ đó. Hình 2.11 mô tả về sơ đồ nguyên lý và mô hình cấu trúc một thiết bị thu và biến đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện theo nguyên lý của cặp nhiệt điện [71].
Hình 2.11. Cấu trúc bộ thu và biến đổi nhiệt thành điện năng [71].
Điện áp sinh ra do hiệu ứng Seebeck tại hai đầu điện cực cặp nhiệt điện, điện áp tại các điện cực của thiết bị nhiệt điện (VTEG), cường độ dòng điện trong mạch (ITEG),
31 công suất đầu ra của thiết bị thu nhiệt điện (PTEG) được biểu diễn lần lượt bởi các biểu thức 2.15, 2.16, 2.17 và 2.18. 𝑉𝑆𝑒𝑒𝑏𝑒𝑐𝑘 = (𝛼𝑃 − 𝛼𝑁)(𝑇ℎ − 𝑇𝑐) (2.15) 𝑉𝑇𝐸𝐺 = 𝑉2− 𝑉1= 𝑛(𝐼𝑅 − 𝛼𝑃𝑁∆𝑇) = 𝑛𝐼𝑅 − 𝑉𝑆𝑒𝑒𝑏𝑒𝑐𝑘 (2.16) 𝐼𝑇𝐸𝐺 = 𝑉𝑆𝑒𝑒𝑏𝑒𝑐𝑘 𝑛𝑅+𝑅𝐿 = 𝑛𝛼𝑃𝑁∆𝑇 𝑛𝑅+ 𝑅𝐿 (2.17) 𝑃𝑇𝐸𝐺 = − 𝑉𝑇𝐸𝐺𝐼𝑇𝐸𝐺 = 𝑛(𝑅𝐼𝑇𝐸𝐺2 − 𝛼𝑃𝑁𝐼𝑇𝐸𝐺∆𝑇) (2.18) Các nghiên cứu dựa trên nguyên lý chung và phát triển các cấu trúc thiết bị năng lượng nhiệt điện đã có những kết quả thực nghiệm nhất định, chẳng hạn như trong đánh giá tổng thể của FK. Shaikh và S. Readally về thu thập năng lượng nhiệt đã tổng hợp và so sánh một số kết quả của một số bộ thu năng lượng nhiệt nhằm cung cấp cho các nút cảm biến, Hình 2.12 minh họa một số hình ảnh về thiết bị thu thập năng lượng nhiệt và biến đổi thành năng lượng điện cấp cho các nút cảm biến không dây.
Hình 2.12. Thu năng lượng nhiệt cho cảm biến không dây [48].
Các nút cảm biến có thể sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng thu từ môi trường hoặc lưu trữ vào pin đối với những nút có khả năng thu năng lượng với công suất tương đối cao. Bảng 2.4 chỉ ra một số nút cảm biến thực nghiệm thu năng lượng nhiệt theo nguyên lý hiệu ứng Seebeck.
Bảng 2.4. Đặc điểm của một số nút thu năng lượng nhiệt khác nhau [48].
Nút thực nghiệm Nhiệt độ theo Seebeck (T1/T2)0C
Công suất thu (mW)
Loại lưu trữ điện
Room heater TEG 55/21 150 Pin/Tụ
Flex TEG 22/16 100 -
Wearable TEG 36/30 0.026 Pin
Về cơ bản công suất thu thập năng lượng nhiệt phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của cặp nhiệt điện. Phương pháp này không thể áp dụng cho tất cả các cảm biến thậm chí chỉ có thể áp dụng cho một số nút trong một ứng dụng tại những vị trí có sự chênh lệch nhiệt đủ lớn. Thực tế, các vị trí đặt cảm biến có sự chênh lệch nhiệt độ cao tới hàng chục độ là không nhiều nên khả năng và mức thu thập năng lượng nhiệt cho các nút cảm biến cũng hạn chế, không đủ đáp ứng cho nút làm việc lâu dài, và rất cần thêm sự hỗ trợ của phương pháp tiết kiệm năng lượng khác để kéo dài tuổi thọ của nút cảm biến.
32