Thiết kế và thử nghiệm các giải pháp thu thập năng lượng cho thiết bị di động đeo tay có truyền dẫn không dây diện rộng LoRA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


TRƯƠNG HOÀI NAM SƠN

THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM CÁC GIẢI PHÁP
THU THẬP NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ
DI ĐỘNG ĐEO TAY CÓ TRUYỀN DẪN
KHÔNG DÂY DIỆN RỘNG LoRA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Lê Quốc Huy

Phản biện 1: TS. Nguyễn Bê
Phản biện 2: TS. Nguyễn Quốc Định

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại
Trường Đại học Bách khoa vào ngày 19 tháng 5 năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện khoa điện, trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Để giảm bớt sự phụ thuộc vào pin của thiết bị điện tử đeo
tay. Con người đã tiến hành khai thác thêm các nguồn năng lượng có
sẵn như: năng lượng mặt trời, năng lượng của các rung động
(vibration), năng lượng nhiệt...v.v.. Kỹ thuật truyền thông không dây
LoRa với năng lượng tiêu thụ thấp, kết hợp với việc thu thập năng
lượng từ môi trường xung quanh cho thiết bị sử dụng LoRa hiện nay
đang rất phát triển.
Thu thập năng lượng có sẵn trong môi trường xung quanh có
khả năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng năng lượng
thấp, ví dụ như các thiết bị đeo tay (wearable devices), giúp cho các
thiết bị điện tử đeo tay tự chủ hơn, tự cung cấp năng lượng hoặc kéo
dài tuổi thọ của pin.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các thiết bị chuyển đổi
năng lượng phổ biến (từ quang năng, nhiệt năng, năng lượng từ rung
động), quản lý năng lượng thu thập được, lưu trữ năng lượng. Từ đó
tạo ra một nguồn cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử hoặc sạc
cho pin, siêu tụ, nhằm tang tính ổn định và hiệu quả kinh tế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
•

Đối tượng nghiên cứu:
- Pin năng lượng mặt trời
- Thiết bị tạo năng lượng theo hiệu ứng nhiệt điện (hiệu ứng
Seebeck)
- Năng lượng cơ, piezoelectric
- Sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng để cung cấp năng
lượng cho thiết bị điện tử đeo tay


2
- Sử dụng công nghệ truyền dẫn diện rộng LoRa để truyền
thông tiêu thụ năng lượng thấp
•

Phạm vi nghiên cứu:
- Do hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập
trung vào việc nghiên cứu thu thập năng lượng riêng lẻ tạo
năng lượng đầu ra theo yêu cầu của thiết bị.
- Đồng thời tập trung vào các thiết bị sử dụng năng lượng
thấp
4. Phương pháp nghiên cứu
•

Khảo sát, phân tích tổng hợp

•

Thiết kế mạch nguyên lý

•

Đánh giá kết quả dựa trên thực tế

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
❖ Ý nghĩa khoa học:
• Các vật liệu tạo năng lượng nhờ mặt trời, cơ, nhiệt độ
• Việc thu thập năng lượng sẵn có giúp cho công nghệ năng
lượng phát triển và tính tự động của thiết bị điện tử cao
• Quản lý năng lượng và lưu trữ năng lượng của thiết bị điện
tử
• Truyền thông công nghệ LoRa tiêu thụ năng lượng thấp
❖ Ý nghĩa thực tiễn:
• Sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng có thể kéo dài tuổi
thọ của pin hoặc ít phụ thuộc vào pin
• Các công nghệ kỹ thuật năng lượng thấp ít tiêu tốn năng
lượng
6. Tổng quan các nghiên cứu về nghiên cứu thu thập năng lượng
Trước đây đã có nhiều nghiên cứu về thu thập năng lượng
các năng lượng có sẵn trong môi trường xung quanh. Chưa


3
có nghiên cứu nào ứng dụng cho thiết bị IoT đeo tay sử dụng
công nghệ truyền dẫn không dây diện rộng LoRa. Các
nghiên cứu đó điển hình như:
• Năm 2012, S. Bandyopadhyay và A. P. Chandrakasan:
kiến trúc nền tảng cho năng lượng mặt trời, nhiệt,
rung, kết hợp với MPPT và cuộn cảm đơn.
• Năm 2015, L.T Nhan A. Pegatoquet, thiết kế năng

lượng cho các mạng cảm biến không dây tự động hóa
dựa trên siêu tụ điện.
Ngoài ra còn khá nhiều các nghiên cứu về thu thập năng
lượng và quản lý năng lượng được giới thiệu trong phần tài liệu tham
khảo.
7. Cấu trúc luận văn
•

Mở đầu

•

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG
LƯỢNG
Giới thiệu tổng quan về thu thập năng lượng

•

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP
NĂNG LƯỢNG
Thu thập năng lượng mặt trời, rung động, nhiệt điện

•

Chương 3: QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG
Quản lý năng lượng và hệ thống lưu trữ

•

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM CHO

THIẾT BỊ ĐEO TAY CÓ TRUYỀN DẪN KHÔNG
DÂY DIỆN RỘNG LoRa
Thiết kế thu thập năng lượng

•

Kết luận và kiến nghị

•

Tài liệu tham khảo


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG LƯỢNG
1.1. Năng lượng là gì?
Năng lượng là khả năng làm thay đổi trạng thái hoặc thực hiện
công năng lên một hệ vật chất, là khái niệm quan trọng trong vật lý.
Thu thập năng lượng là quá trình mà năng lượng có nguồn
gốc từ các nguồn bên ngoài (còn được gọi là năng lượng môi trường
xung quanh) được thu thập và lưu trữ cho các thiết bị tự động không
dây, nhỏ, giống như những thiết bị điện tử dùng để đeo được và
mạng cảm biến không dây.
1.2. Tại sao cần thu thập năng lượng?
Hệ thống thu thập năng lượng bao gồm một hoặc nhiều đầu
dò năng lượng, điều chỉnh điện áp, bộ chuyển đổi DC-DC và bộ lưu
trữ năng lượng. Các khối được mô tả như sau:
•

Đầu dò năng lượng chuyển đầu vào năng lượng xung quanh
thành năng lượng điện. Nguồn năng lượng xung quanh được
chuyển như nhiệt (mô đun nhiệt), light (pin mặt trời), sóng
RF (ăng-ten) và rung động (piezoelectric)

•

Điều chỉnh điện áp là cần thiết bởi vì điện áp đầu ra của đầu
dò năng lượng có thể không liên tục, khác tần số, khác nhau
giữa điện áp ra của đầu dò và điện áp vào của thiết bị

•

Bộ chuyển đổi DC-DC lấy năng lượng từ đầu dò và chuyển
đổi điện áp. Điện áp này sẽ được lưu trữ hoặc sử dụng

•

Bộ lưu trữ năng lượng để cân bằng cung cấp năng lượng và
yêu cầu năng lượng.

•

Tải: trở kháng của hệ thống điện. Có nhiều cách tiêu thụ
năng lượng khác nhau làm cho toàn bộ hệ thống làm việc tại
chế độ năng lượng thấp


5
Năng lượng đầu vào

Bộ biến đổi

Đầu dò

Tụ

Điều chỉnh điện áp

Tải

Lưu trữ
Hình 1.1. Tổng quan hệ thống thu thập năng lượng
1.3. Năng lượng sẵn có
Các nguồn năng lượng chính là mặt trời, cơ và nhiệt. Các
thiết bị tự cung cấp năng lượng thường có kích thước nhỏ thuộc về
thiết bị có thể đeo được hoặc bằng cách khác tạo thành một phần của
hệ thống internet vạn vật (IoT).
Bảng 1.1. Nguồn năng lượng thu thập chính
Năng lượng

Loại

Năng lượng thu thập

Con người

Rung động

4 µW/cm2

Công nghiệp

Rung động

100 µW/cm2

Con người

Nhiệt độ

25 µW/cm2

Công nghiệp

Nhiệt độ

1-10 µW/cm2

Trong nhà

Ánh sáng

10 µW/cm2

Bên ngoài

Ánh sáng

10 mW/cm2

GSM/3G/4G

RF

0.1 µW/cm2

Wi-Fi

RF

1 µW/cm2


6
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP NĂNG LƯỢNG
2.1. Thu thập năng lượng mặt trời
Thu thập năng lượng mặt trời là phương pháp phổ biến nhất
thường được ứng dụng cho thu thập năng lượng. Bảng 2.1 cho thấy
ưu thế nổi bật về mật độ năng lượng trên một khối lượng toàn hệ
thống của hệ thống thu thập năng lượng mặt trời.
Bảng 2.1. Mật độ năng lượng của các công nghệ thu hoạch năng
lượng khác nhau
Công nghệ thu năng lượng

Mật độ năng lượng trên một khối
lượng của toàn hệ thống (μW/cm3)

Quang điện (ngoài trời, η =

15,000

15% pin, 100 mW/cm2)
Quang điện (trong nhà, η =

30

6% pin, 100 mW/cm2)
2.1.1. Đặc tính của pin mặt trời
Nếu các tiếp điểm điện được thêm vào đường nối p-n và điện
áp, V, được áp dụng, và dòng điện, 𝐼𝑑 , đi qua các thiết bị có thể được
mô tả bằng phương trình diode lý tưởng:
𝑞𝑉

𝐼𝑑 = 𝐼0 (𝑒 𝑘𝑇 − 1)

(2.1)

Trong đó 𝐼0 là dòng bão hòa ngược, k là hằng số Boltzmann,
và T là nhiệt độ
2.1.2. Đặc tính của Mô đun
Một pin năng lượng mặt trời tiêu chuẩn silicon thường bao
gồm một liên hợp p-n được hình thành trong một tấm mỏng silicon
(Wafer of silicon).
2.1.3. Hệ thống quang điện


7
Hệ thống pin quang điện (cũng là hệ thống PV hoặc hệ thống

năng lượng mặt trời) sử dụng pin mặt trời thu nhận và chuyển hoá
năng lượng mặt trời thành điện năng. Năng lượng được phát bởi hệ
thống này đảm bảo sạch sẽ, đáng tin cậy và không gây tiếng ồn. Vì
ánh sáng ngoài trời hoặc trong nhà ít khi liên tục và gần như luôn
luôn là khá khó dự đoán, các mảng PV phải hoạt động kết hợp với
việc lưu trữ năng lượng, đặc biệt là dùng pin để lưu trữ năng lượng.
Hệ thống đơn giản nhất có thể xây dựng bằng cách sử dụng một pin
mặt trời, một diode và một pin. Hệ thống đơn giản này không kiểm
soát việc xả pin hoặc chống quá ngưỡng sạc của pin. Hệ thống sẽ
cung cấp điện áp dao động và không trích xuất công suất cực đại của
pin mặt trời. Đối với các hệ thống đòi hỏi độ tin cậy dài lâu (và tối
thiểu thay pin) nên sử dụng các bộ điểu khiển.
2.1.4. Bộ Điều khiển sạc
Trong các thiết kế chuyển mạch shunt và chuyển mạch nối tiếp, chu
kỳ (bật/tắt) điều khiển dòng trung bình thông qua các bộ điều chỉnh
2.1.5. Bộ chuyển đổi DC-DC và điểm công suất cực đại
(MPTT)
Giảm và tăng áp là hai thiết kế DC-DC phổ biến. Mạch Buck
là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu
vào.
Chu kỳ khá nhanh (thường 100 kHz) và khi ở chế động dòng
liên tục, tỷ lệ điện áp tải và nguồn điện áp bằng tỷ lệ chu kỳ bật/tắt
(D):
𝑉𝐿
𝑉𝑆

=𝐷

(2.5)

Mạch Boost là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra
lớn hơn điện áp đầu vào. Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn
(một diode và một transistor) và ít nhất một phần tử tích lũy năng


8
lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai.
𝑉𝐿
𝑉𝑆

1

= 1−𝐷

(2.6)

(a)

(b)
Hình 2.5. (a) Buck và (b) Boost DC-DC
2.2. Thu thập năng lượng rung động
Năng lượng động học thường có trong môi trường như rung
động, chuyển vị ngẫu nhiên, hoặc lực và được chuyển đổi thành năng
lượng điện sử dụng các cơ chế điện từ, piezoelectric hoặc điện.
2.2.1. Vật liệu
2.2.2. Mô hình
Một vật liệu piezoelectric là một bộ biến năng chuyển đổi
năng lượng điện sang cơ học và ngược lại. Mô tả cấu trúc tại hình 2.6
E,D
Điện

T,S

Thiết bị piezo

Cơ học

Hình 2.6. Bố cục chung của vật liệu piezoelectric


9
𝐷
∈𝑇

(2.7)

𝑆 = 𝑠𝑑 𝑇 + 𝑔𝐷

(2.8)

𝐸 = −𝑔𝑇 +
Trong đó:

𝑠𝑑 : sự tuân thủ (nghịch đảo của mô đun Young) được đo bằng
điện tích trên các điện cực không đổi (m/N)
∈𝑇 : hằng số điện môi trong khoảng thời gian nhất định T
(C/mV)
g: hệ số piezoelectric (Vm/N)
2.3. Thu thập năng lượng nhiệt điện
2.3.1. Hiệu ứng Seebeck

Hiệu ứng Seebeck mô tả hiện tượng tạo ra một điện áp bằng
một gradient nhiệt độ

Hình 2.8. Hiệu ứng Seebeck: điện áp tạo ra bởi sự chênh lệch
nhiệt độ trên các điểm nối
Hình 2.8 cho thấy một mạch gồm hai kim loại hoặc chất bán
dẫn khác nhau kết hợp với nhau. Bằng cách áp dụng sự chênh lệch
nhiệt độ trên hai mối ghép, một điện áp V sẽ được tạo ra trong mạch,
V = αabΔT

(2.16)

Trong đó ΔT = (TH − TC) là chênh lệch nhiệt độ trên hai nút
giao và αab được gọi là hệ số Seebeck.
2.3.2. Máy phát nhiệt điện
Một cặp nhiệt điện thường bao gồm - như tên gọi - hai loại


10
kim loại khác nhau hoặc hợp kim. Khi ở hai điểm nối có nhiệt độ
khác nhau, một điện thế thấp, khoảng 10 mV/K được tạo ra
2.3.3. Vật liệu
CHƯƠNG 3
QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG
3.1. Quản lý năng lượng
Trong hầu hết các hệ thống điện năng thấp, quản lý năng
lượng thường được coi là một khả năng chuyển đổi một số bộ phận
của hệ thống hoặc đặt chúng ở trạng thái năng lượng thấp khi không
yêu cầu và để quản lý việc sạc pin. có rất nhiều lý do cơ bản để yêu
cầu năng lượng điện tử trong một hệ thống thu thập năng lượng hơn

là chỉ đơn giản là quản lý pin và tiết kiệm năng lượng:
•

Để đạt được mật độ năng lượng cao từ thu thập năng lượng,
nên có một số hình thức phù hợp trở kháng giữa nguồn năng
lượng, bộ chuyển đổi và hệ thống điện.

•

Điện áp đầu ra và dòng điện từ thu thập năng lượng ít khi
trực tiếp tương thích với các thiết bị điện tử tải và do đó cần
phải điều chỉnh điện áp.

•

Một số kiểu lưu trữ năng lượng gần như chắc chắn là cần
thiết vì nguồn năng lượng thu thập không liên tục không có
một ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động liên tục của hệ thống

Hình 3.2. Dạng tiêu thụ dòng điện điển hình cho một bộ thu phát


11
không dây
3.2. Hệ thống lưu trữ
Một thiết bị lưu trữ năng lượng là không cần thiết nếu năng
lượng tiêu thụ của thiết bị điện tử luôn luôn thấp hơn năng lượng tạo
ra bởi thiết bị thu thập năng lượng, chỉ được kích hoạt khi có điện tạo
ra. Đối với các trường hợp còn lại, thiết bị lưu trữ năng lượng được
yêu cầu như pin. Công suất trung bình trong khoảng thời gian T:

𝑇

1

𝑝𝑠 = 𝑇 ∫0 𝑃𝑠 (𝑡)𝑑𝑡

(3.3)

Năng lượng thu thập được bởi đầu dò và được gửi đưa đến bộ lưu trữ
năng lượng sẽ nằm trong một biên độ nhất định:
1

𝑇

𝐸𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑇 ∫0 𝑃𝑠 (𝑡)𝑑𝑡 ≤ 𝐸𝑚𝑎𝑥

(3.4)

Do đó, cần phải đảm bảo rằng pin luôn được duy trì với năng lượng
mà thiết bị điện tử yêu cầu. Để đảm bảo điều này, tổng năng lượng
phải lớn hơn lượng tiêu thụ bởi tải, mặt khác (với B là năng lượng
được lưu trữ trong pin)
∑𝐸 > 0

(3.5)

∑𝐸 ≤ 𝐵

(3.6)

Trong trường hợp các chế độ tiêu thụ năng lượng khác nhau như
hình 3.2, việc tính toán năng lượng yêu cầu theo phương trình sau:
𝜏 = ∑𝑁
𝑖=1 𝑇𝑖 𝜏

(3.8)

𝑇𝑖 là khoảng thời gian năng lượng tiêu thụ 𝑃𝑖 .
𝑝𝑙 = ∑ 𝑃𝑖 𝑇𝑖

(3.9)
CHƯƠNG 4

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM CHO THIẾT BỊ ĐEO TAY CÓ
TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY DIỆN RỘNG LORA
Đề tài tiến hành thiết kế, lắp đặt và thử nghiệm hệ thống thu


12
thập năng lượng sử dụng 3 nguồn năng lượng phổ biến là nhiệt điện
(TEG), Piezoelectric, mặt trời để tạo ra điện áp ổn định 3.3V cung
cấp cho một nút cảm biến có modul truyền thông LoRa. Đó là
ngưỡng điện áp hoạt động của thiết bị điện tử tiêu thụ năng lượng
thấp gồm vi điều khiển Arduino Promini 328-3.3V-8 MHz và modul
truyền thông LoRa Hope RFM95W 868MHz. Đồng thời, quản lý
dòng chảy của năng lượng để nạp cho bộ lưu trữ pin hoặc cung cấp
điện áp cho thiết bị, nếu dưới điều kiện năng lượng không đủ sẽ sử
dụng điện áp của pin để cung cấp cho thiết bị.

Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc của ứng dụng

4.1. Đo năng lượng tiêu thụ của thiết bị đeo tay
Thiết bị hoạt động ở các chế độ khác nhau như chế độ hoạt
động hoặc chế độ ngủ. Dòng tiêu thụ tại chế hoạt động là 12 mA, chế
độ ngủ là 7uA.


13

Hình 4.2. Năng lượng tiêu thụ tại chế độ hoạt động

Hình 4.3. Năng lượng tiêu thụ tại chế độ ngủ
Dòng điện tiêu thụ trung bình trong 1 chu kỳ sẽ được tính
như sau:
𝐼𝑎𝑣𝑔 =

𝐼𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 ×𝑇𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 +𝐼𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝 ×𝑇𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝
𝑇𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 +𝑇𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝

(4.1)


14
Trong đó:
𝐼𝑎𝑣𝑔 : dòng điện tiêu thụ trung bình
𝐼𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 : dòng điện tiêu thụ chế độ hoạt động
𝐼𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝 : dòng điện tiêu thụ chế độ ngủ
𝑇𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 : thời gian chế độ hoạt động
𝑇𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝 : thời gian chế độ ngủ
Với chu kỳ 𝑇𝑠𝑙𝑒𝑒𝑝 =10 phút; 𝑇𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 = 3𝑠 thì 𝐼𝑎𝑣𝑔 = 0.07 mA.
4.2. Cấu trúc hệ thống thu thập năng lượng

Bộ điều chỉnh
điện áp
Thu thập
Mặt trời
Nhiệt
Rung động

AC/DC
DC/DC

Lưu trữ
năng lượng
Pin
Siêu tụ

DC/DC

Bộ biến đổi

năng lượng

Tải
MCU
RF
Cảm biến

Hình 4.4. Cấu trúc đơn
Thu thập
Mặt trời

Quản lý

Nhiệt

AC/DC

dòng năng

Rung động

DC/DC

lượng

Bộ lưu trữ
năng lượng

Hình 4.5. Cấu trúc kép

DC/DC

Tải
MCU
RF
Cảm biến


15
Sự khác biệt cơ bản giữa cấu trúc kép so với cấu trúc đơn là
việc sử dụng bộ điều khiển dòng chảy năng lượng. Các khối chính của

cấu trúc kép được trình bày trong hình 4.5. Khi ở điều kiện năng lượng
thích hợp, tất cả năng lượng thu thập được sẽ sạc cho bộ lưu trữ năng
lượng để cấp nguồn cho tải. Mặt khác, khi năng lượng của môi trường
xung quanh không đủ, năng lượng còn lại được lấy ra từ bộ lưu trữ
năng lượng để đảm bảo hoạt động liên tục của tải. Ưu điểm của loại
kiến trúc này là khởi động nhanh từ bộ lưu trữ trống.

Hình 4.6. Các khối chính của LTC3108 với mạch điều khiển sạc và
hai MOSFET bên trong cung cấp luồng năng lượng kép: khi có
năng lượng thu thập (VIN ≥ 20mV), COUT được nạp vào điện áp
điều chỉnh (1) trước khi CSTORE được sạc (2). Khi không có năng
lượng thu hoạch được nữa, COUT được tính bằng CSTORE (3).


16
Vi mạch LTC3108 sử dụng một bộ chuyển mạch MOSFET
để tạo ra bộ dao động bước sóng cộng hưởng bằng cách sử dụng một
biến áp nhỏ tăng áp bên ngoài và một tụ điện nối tiếp nhỏ. Điều này
cho phép nó tăng điện áp đầu vào thấp nhất đến 20mV. Tần suất dao
động được xác định bởi độ tự cảm của cuộn dây thứ cấp biến áp và
thường trong khoảng 10kHz đến 100kHz. Cuộn dây thứ cấp tăng áp
thành điện áp AC có giá trị theo tỷ lệ của biến áp và được hiệu chỉnh
bằng cách sử dụng tụ bên ngoài (từ cuộn dây thứ cấp đến chân C1)
và mạch chỉnh lưu được tích hợp bên trong LTC3108. Mạch chỉnh
lưu cung cấp dòng điện đến chân VAUX, sạc cho tụ bên ngoài tại
chân VAUX và các đầu ra khác. Dòng năng lượng kép được xử lý
bằng bộ xử lý sạc và hai MOSFET (MF1 và MF2) như trong hình
4.6. Khi VAUX vượt quá VREF=2.5V và VOUT < VREF, mạch điểu
khiển sạc đóng MOSFET MF1 (bật) để nạp COUT đầu tiên (Dòng
năng lượng 1 trong hình 4-6). Ngay khi VOUT >VREF, nghĩa là COUT đã

được sạc đầy, MF1 tắt và MF2 đang bật để nạp CSTORE (luồng năng
lượng 2 trong hình 4.6). Mặt khác, khi không có năng lượng thu thập,
VOUT < VREF do sự rò rỉ và năng lượng tiêu thụ của tải, và do đó MF1
bật nhưng MF2 tắt. Năng lượng từ CSTORE đi qua một Diode Schottky
D1 và sạc COUT (dòng năng lượng 3 trong hình 4.6).
Đề tài sử dụng vi điều khiển và module LoRa với điện áp
hoạt động 3.3V, nên VS2=GND, VS1=VAUX để tạo điện áp ra
VOUT=3.3V và dòng điện tiêu thụ 𝐼𝑎𝑣𝑔 = 0.07 mA nên giá trị của tụ
COUT= 470 𝜇𝐹
𝐶𝑂𝑈𝑇 (𝜇𝐹) ≥

𝐼𝑎𝑣𝑔 (𝑚𝐴)∗𝑡𝑃𝑈𝐿𝑆𝐸 (𝑚𝑠)
𝑉𝑂𝑈𝑇 (𝑉)

Trong đó:
𝐶𝑂𝑈𝑇 : giá trị của tụ điện
𝐼𝐿𝑂𝐴𝐷 : dòng điện tiêu thụ trung bình

(4.2)


17
𝑡𝑃𝑈𝐿𝑆𝐸 : thời gian tiêu thụ của tải
𝑉𝑂𝑈𝑇 : ngưỡng điện áp ra quy định

Hình 4.9. Sơ đồ nguyên lý mạch thu năng lượng nhiệt điện
Điện áp thu thập TEG dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ cơ thể
người và môi trường xung quanh VIN = 147mV nên đề tài sử dụng
biến áp tỷ lệ 1:100 và nối tiếp một tụ điện có giá trị C= 1nF để tăng
điện áp thành AC theo tỷ lệ 1:100 nhờ vào chuyển mạch đã được tích

hợp bên trong LTC3108. Chân VS1 được kết nối với chân VAUX
qua 1 tụ có giá trị C=1uF rồi đến đất để tạo ra VOUT=3.3V.

VAUX

VOUT


18
Hình 4.10. Kết quả thu thập năng lượng nhiệt điện dựa trên chênh
lệch nhiệt độ giữa cơ thể con người và môi trường xung quanh
không kết nối tải
Khi điện áp VAUX vượt quá 2.5V, VOUT < VREF = 2.5V thì đầu
tiên đã nạp cho COUT cho đến khi VOUT=3.3V theo ngưỡng điện áp đã
cài đặt sau khoảng thời gian 5.4s.

Hình 4.11. Thu năng lượng TEG tạo VOUT =3.3V không kết nối tải.

Hình 4.13. Sơ đồ nguyên lý thu năng lượng mặt trời.


19
Hình 4.14. Kết quả thu năng lượng mặt trời tạo VOUT=3.3V và sạc
tụ 680uF 16V không kết nối tải
Điện áp thu thập năng lượng mặt trời VIN=1.98V, IIN= 64mA
nên đề tài sử dụng biến áp nhỏ tỷ lệ 1:2. Khi điện áp VAUX vượt quá
2.5V, VOUT < VREF = 2.5V thì đầu tiên đã nạp cho COUT cho đến khi
VOUT=3.3V, IOUT= 32mA theo ngưỡng điện áp đã cài đặt sau khoảng
thời gian 0.4s.
Đề tài cho truyền dữ liệu điện áp của pin sử dụng công nghệ truyền

dẫn không dây diện rộng LoRa về trạm thu với chu kỳ T=10 phút và
3
giây.
Đưa
dữ
liệu
lên
internet
trên
trang
để giám sát điện áp của pin
Lithium-ion 3.7V-350mAh đã được tích hợp mạch nạp.

Điện áp của pin
3.75
3.7
3.65
3.6
3.55
3.5
3.45
3.4
3.35
3.3
3.25
3.2

1

2017-05-19 15:48:30 +0200

2017-05-19 15:13:52 +0200

2017-05-19 14:26:55 +0200

2017-05-19 13:52:14 +0200

2017-05-19 13:17:15 +0200

2017-05-19 12:18:45 +0200

2017-05-19 11:43:43 +0200

2017-05-19 11:10:06 +0200

2017-05-19 10:22:38 +0200

2017-05-18 18:12:58 +0200

2017-05-18 16:24:27 +0200

2017-05-18 15:49:23 +0200

2017-05-18 15:02:50 +0200

2017-05-18 14:28:19 +0200

2017-05-18 13:53:34 +0200

2017-05-18 12:48:12 +0200

2017-05-18 12:01:49 +0200

2017-05-18 11:01:00 +0200

2

Hình 4.15. Thu thập năng lượng mặt trời để cung cấp cho thiết bị


20

Hình 4.16. Các khối chính của LTC3588 với mạch điều khiển
BUCK và hai MOSFET bên trong để tăng hiệu quả cung cấp năng
lượng cho tụ điện đầu ra.

Hình 4.20. Sơ đồ nguyên lý thu năng lượng Piezoelectric


21
LTC3588-1 có bộ chỉnh lưu được tích hợp bên trong có thể
kết nối thông qua các đầu vào PZ1 và PZ2. Chân PZ1 và PZ2 được
nối với đầu thu năng lượng Piezo tạo điện áp một chiều được tích trữ
tại chân VIN thông qua tụ với giá trị VIN=2V, IIN=590 uA hình 4.21.

Hình 4.21. Điện áp đo tại chân VIN của LTC3588.

Hình 4.22. Sơ đồ nguyên lý thu năng lượng Piezo tạo điện áp
VOUT=3.3V

22

VAUX

VOUT
VIN

Hình 4.23. Thu thập năng lượng Piezoelectric tạo VOUT=3.3V
không kết nối tải
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Với yêu cầu đặt ra, trong phạm vi luận văn đã thực hiện
được thu thập năng lượng mặt trời, piezoelectric, nhiệt điện. Tạo điện
áp đầu ra 3.3V cung cấp điện áp cho nút cảm biến (có modul truyền
thông không dây LoRa, modul vi điều khiển Arduino pro mini). Đã
sử dụng công nghệ LoRa để truyền thông tín hiệu tiêu thụ năng
lượng thấp.
Những điểm đã và chưa làm được của luận văn như sau
❖ Những điểm đã làm được:
•

Thu thập năng lượng mặt trời để sạc pin và
cung cấp điện áp 3.3V cho thiết bị, thiết bị ít
phụ thuộc vào pin nên tự chủ hơn.

•

Thu thập năng lượng nhiệt điện,
piezoelectric, tạo điện áp đầu ra 3.3V không

kết nối phụ tải
o Quang điện: 3.3V-1A
o Piezo: 3.3V-300uA


23
o
•

Nhiệt điện: 80uA

Điều khiển dòng chảy năng lượng để cung
cấp năng lượng hoặc nạp cho bộ lưu trữ

•

Truyền thông dữ liệu bằng công nghệ LoRa,
hoạt động ở chế độ năng lượng thấp
❖ Những điểm chưa làm được:
•

Chưa tối ưu hóa được kích cỡ của thiết bị

•

Chưa tích hợp được các phương pháp thu
thập năng lượng

2. Hướng phát triển của đề tài
Đề tài có thể được phát triển tiếp theo như sau:

•

Lai hợp giữa công nghệ năng lượng mặt trời
và nhiệt điện

•

Tích hợp tìm điểm công suất cực đại
(MPPT) tối ưu thu thập năng lượng mặt trời

•

Tích hợp các công nghệ thu hoạch năng
lượng dựa trên sơ đồ nguyên lý