Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích hiệu quả thu hồi năng lượng từ rung động của máy nén trong hệ thống hvac bằng pin áp điện

Chuyên đề nghiên cứu Phân Tích Hiệu Quả Thu Hồi Năng Lượng Từ Rung Động Máy Nén Trong Hệ Thống HVAC, cập nhật xu hướng mới, giá trị tham khảo cao cho

• Tác giả: Lê Thành Chương
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Linh
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Phân Tích Hiệu Quả Thu Hồi Năng Lượng Từ Rung Động Máy Nén Trong Hệ Thống HVAC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Vật liệu áp điện
• 1.3. Các phương trình liên kết
• 1.4. PEH kiểu công xôn một lớp áp điện
• 1.5. Giới thiệu về hệ thống HVAC
• 1.6. Một số phương pháp thu hồi năng lượng từ rung hệ thống HVAC bằng PEH
• 1.7. Đề xuất hướng nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT PEH KIỂU DẦM CÔNG XÔN THON
• 2.1. Các đại lượng tương đương của PEH kiểu dầm công xôn thon chịu kích động nền
• 2.2. Mô hình dao động một bậc tự do của PEH
• 2.3. Hiệu suất của PEH
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ RUNG ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG HVAC
• 3.1. Khảo sát về rung động trong hệ thống điều hòa không khí cục bộ
• 3.2. Thiết kế PEH kiểu dầm công xôn thon loại một lớp
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan

Năng lượng tái tạo ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu sử dụng năng lượng bền vững. Thu hồi năng lượng từ rung động máy nén trong hệ thống HVAC là một trong những phương pháp tiềm năng nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Hệ thống HVAC thường tạo ra nhiều rung động trong quá trình hoạt động, và việc khai thác năng lượng từ những rung động này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Các thiết bị khai thác năng lượng kiểu áp điện (PEH) đã được phát triển để chuyển đổi năng lượng cơ học từ rung động thành điện năng. Nghiên cứu này sẽ phân tích hiệu quả thu hồi năng lượng từ rung động máy nén, nhằm đánh giá khả năng áp dụng của công nghệ này trong thực tiễn.

1.1 Tình hình nghiên cứu

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của PEH phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cấu trúc vật liệu và tần số rung động. Các nghiên cứu trước đây đã đề xuất nhiều mô hình lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá hiệu suất của thiết bị PEH. Đặc biệt, nghiên cứu của Erturk và cộng sự đã cung cấp một công thức tính toán hiệu suất cho PEH một lớp áp điện từ mô hình một bậc tự do, và nghiên cứu này sẽ áp dụng công thức đó để phân tích hiệu quả thu hồi năng lượng từ rung động máy nén trong hệ thống HVAC.

II. Vật liệu áp điện và nguyên lý hoạt động

Vật liệu áp điện đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng. Các vật liệu như PZT và PVDF được sử dụng phổ biến trong các thiết bị PEH. Hiệu ứng áp điện có tính thuận nghịch, cho phép vật liệu tạo ra điện khi bị tác động bởi lực. Nguyên lý hoạt động của PEH dựa trên việc biến dạng của vật liệu khi chịu ứng suất, từ đó tạo ra điện áp. Nghiên cứu này sẽ khảo sát các loại vật liệu áp điện và phân tích hiệu suất thu hồi năng lượng từ rung động trong hệ thống HVAC. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi năng lượng và tối ưu hóa công suất của thiết bị.

2.1 Các loại vật liệu áp điện

Các loại vật liệu áp điện như PZT, PVDF, và PMN-PT đều có những đặc tính riêng biệt ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng. PZT thường được ưa chuộng do hiệu suất cao và khả năng chế tạo dễ dàng. PVDF lại có ưu điểm về độ dẻo và khả năng linh hoạt, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu tính di động. Nghiên cứu này sẽ phân tích chi tiết các thông số vật lý của các loại vật liệu này, nhằm xác định loại vật liệu nào phù hợp nhất cho việc thu hồi năng lượng từ rung động máy nén trong hệ thống HVAC.

III. Phân tích hiệu quả thu hồi năng lượng

Để đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng từ rung động máy nén, cần thực hiện một loạt các thử nghiệm và phân tích. Các yếu tố như tần số rung động, biên độ rung, và cấu trúc của thiết bị PEH sẽ được xem xét. Phân tích này sẽ chỉ ra cách thức tối ưu hóa thiết kế của PEH để đạt được hiệu suất cao nhất. Bên cạnh đó, việc áp dụng các mô hình toán học để dự đoán hiệu suất cũng sẽ được thực hiện, nhằm cung cấp cơ sở lý thuyết cho các kết quả thực nghiệm.

3.1 Kết quả và thảo luận

Kết quả thu được từ các thử nghiệm sẽ được so sánh với các mô hình lý thuyết đã đề xuất. Phân tích sẽ chỉ ra rằng hiệu suất thu hồi năng lượng có thể đạt được từ rung động máy nén trong hệ thống HVAC là khả thi và có nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Việc giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống HVAC không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Những phát hiện này có thể mở ra hướng đi mới cho việc phát triển công nghệ PEH trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển bền vững và nhu cầu tiết kiệm năng lượng ngày càng tăng, việc khai thác năng lượng từ các nguồn rung động cơ học trong hệ thống HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning) trở thành hướng nghiên cứu quan trọng. Theo ước tính, hệ thống HVAC chiếm khoảng 40% tổng năng lượng tiêu thụ trong các tòa nhà thương mại và dân dụng, do đó việc thu hồi năng lượng từ các rung động phát sinh trong hệ thống này có ý nghĩa thiết thực trong việc giảm tải điện năng và tăng hiệu quả vận hành. Luận văn tập trung phân tích hiệu quả thu hồi năng lượng từ rung động của máy nén trong hệ thống HVAC bằng pin áp điện (Piezoelectric Energy Harvester - PEH) kiểu dầm công xôn thon một lớp, với mục tiêu xây dựng mô hình toán học và đánh giá hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều hòa không khí cục bộ tại một số địa phương, khảo sát các thông số rung động thực tế tại máy nén và các bộ phận liên quan trong hệ thống HVAC. Nghiên cứu nhằm trả lời câu hỏi làm thế nào để xác định và tính toán hiệu suất chuyển đổi năng lượng của PEH trong điều kiện rung động thực tế, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị thu hồi năng lượng tự duy trì cho mạng cảm biến không dây trong hệ thống HVAC, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm chi phí vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết vật liệu áp điện và mô hình động lực học dầm Euler-Bernoulli. Vật liệu áp điện được sử dụng phổ biến là PZT (PbZrTiO3), có khả năng chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng thông qua hiệu ứng áp điện thuận và nghịch. Các khái niệm chính bao gồm:

• Hiệu ứng áp điện thuận và nghịch: Biến dạng cơ học tạo ra điện áp và ngược lại.
• Mô hình dầm công xôn thon một lớp: Mô tả cấu trúc PEH với lớp áp điện dán trên dầm cơ sở, chịu kích động nền.
• Hiệu suất chuyển đổi năng lượng: Tỷ số giữa công suất điện đầu ra và công suất cơ học đầu vào, phụ thuộc vào các hệ số liên kết cơ-điện, hệ số cản và tần số kích động.

Mô hình động lực học một bậc tự do được áp dụng để mô tả dao động của PEH, trong đó các đại lượng tương đương như khối lượng, độ cứng và hệ số liên kết được xác định từ mô hình dầm Euler-Bernoulli và phương pháp Rayleigh-Ritz. Công thức tính hiệu suất theo Erturk và cộng sự (2017) được sử dụng để đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu đo đạc rung động thực tế tại các vị trí khác nhau của máy nén và dàn nóng trong hệ thống điều hòa không khí cục bộ, sử dụng máy đo độ rung Huatec HG-6360 với dải tần từ 10 Hz đến 10 kHz. Cỡ mẫu khảo sát gồm nhiều vị trí đo ba lần để đảm bảo độ tin cậy.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học PEH kiểu dầm công xôn thon một lớp áp điện dựa trên lý thuyết vật liệu áp điện và động lực học dầm.
• Tính toán các đại lượng tương đương (khối lượng, độ cứng, hệ số liên kết) và tần số tự nhiên bằng phương pháp số sử dụng Matlab.
• Phân tích hiệu suất thu hồi năng lượng dựa trên công thức của Erturk và cộng sự, kết hợp với dữ liệu rung động thực tế làm đầu vào.
• So sánh kết quả tính toán với các nghiên cứu trước và đánh giá ảnh hưởng của các tham số hình học, vật liệu và điều kiện vận hành.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, bao gồm giai đoạn khảo sát thực địa, xây dựng mô hình, tính toán và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc điểm rung động trong hệ thống HVAC: Kết quả đo tại máy nén cho thấy tần số rung động chủ yếu dưới 100 Hz tại các vị trí như chân máy nén, mặt trước dàn nóng và đỉnh dàn nóng, với biên độ dao động từ 0.0072 mm đến 0.027 mm. Tần số cao hơn (>680 Hz) xuất hiện tại máy nén theo phương ngang và đứng, nhưng biên độ nhỏ hơn. Điều này cho thấy nguồn rung động hiệu quả để khai thác năng lượng là các vị trí chân máy nén theo phương đứng với biên độ lớn hơn.

2. Mô hình PEH kiểu dầm công xôn thon một lớp: Thiết kế PEH sử dụng vật liệu áp điện PZT-SA và dầm cơ sở bằng nhôm với chiều dài 100 mm, chiều rộng 5 mm, chiều dày dầm cơ sở 0.5 mm và lớp áp điện 0.5 mm. Tần số tự nhiên của dầm được xác định trong khoảng 944 Hz đến 1495 Hz tùy thuộc vào hình dạng biên dạng dầm (hệ số biên dạng q từ 1 đến 20). Chiều dày dầm cơ sở ảnh hưởng lớn đến tần số cộng hưởng, với chiều dày trung bình khoảng 1.5 mm phù hợp cho ứng dụng.

3. Hiệu suất thu hồi năng lượng: Phân tích cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng phụ thuộc mạnh vào hệ số liên kết cơ-điện, hệ số cản trong và tần số kích động. Khi tần số kích động gần với tần số cộng hưởng của dầm, công suất đầu ra đạt giá trị tối đa. Tuy nhiên, điều kiện để đạt công suất lớn nhất không trùng với điều kiện hiệu suất cao nhất. Ví dụ, với tỉ số điện trở ngoài r = 1, công suất đầu ra tối đa đạt được nhưng hiệu suất không phải là cao nhất.

4. Ảnh hưởng của hệ số cản và tỉ số tần số: Khi hệ số cản trong nhỏ (tỉ số cản ξ → 0), hiệu suất chuyển đổi năng lượng có thể đạt đến khoảng 47%. Sự lựa chọn vật liệu dầm cơ sở có hệ số cản nhỏ như nhôm giúp tăng hiệu suất. Ngoài ra, tỉ số tần số kích động và tần số tự nhiên của dầm ảnh hưởng đến biên độ dao động và công suất thu hồi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các phát hiện trên xuất phát từ bản chất vật lý của PEH, trong đó hiệu suất chuyển đổi năng lượng bị giới hạn bởi các tổn hao do cản trong và cản ngoài, cũng như sự không đồng bộ giữa tần số kích động và tần số cộng hưởng. So sánh với các nghiên cứu trước cho thấy kết quả phù hợp với mô hình của Erturk và cộng sự, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm từ hệ thống HVAC thực tế tại Việt Nam.

Việc lựa chọn mô hình dầm công xôn thon một lớp áp điện giúp đơn giản hóa phân tích nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cao trong dự báo hiệu suất. Kết quả cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thiết kế hình học dầm và lựa chọn vật liệu phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất thu hồi năng lượng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ quan hệ giữa tần số kích động và công suất đầu ra, hiệu suất chuyển đổi, cũng như bảng so sánh các thông số rung động tại các vị trí đo đạc trong hệ thống HVAC.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thiết kế PEH: Hành động điều chỉnh chiều dày dầm cơ sở và hình dạng biên dạng dầm để đạt tần số cộng hưởng phù hợp với tần số rung động thực tế trong hệ thống HVAC, nhằm tăng công suất đầu ra và hiệu suất chuyển đổi. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu kỹ thuật cơ khí và vật liệu.

2. Lựa chọn vật liệu dầm cơ sở có hệ số cản thấp: Ưu tiên sử dụng nhôm hoặc hợp kim nhôm có hệ số cản trong thấp để giảm tổn hao năng lượng, nâng cao hiệu suất thu hồi. Thời gian triển khai 3 tháng, do phòng thí nghiệm vật liệu và kỹ thuật cơ khí đảm nhiệm.

3. Phát triển hệ thống cảm biến không dây tự duy trì năng lượng: Ứng dụng PEH làm nguồn năng lượng cho các nút cảm biến trong mạng WSN của hệ thống HVAC, giảm chi phí bảo trì và thay pin. Thời gian thực hiện 12 tháng, phối hợp giữa các đơn vị nghiên cứu công nghệ thông tin và kỹ thuật điện tử.

4. Nghiên cứu điều chỉnh điện trở ngoài động: Phát triển mạch điều chỉnh điện trở ngoài tự động để duy trì tỉ số điện trở r gần 1 ở nhiều tần số kích động khác nhau, tối ưu hóa công suất đầu ra mà không tiêu tốn năng lượng lớn. Thời gian thực hiện 9 tháng, do nhóm nghiên cứu điện tử và điều khiển thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và vật liệu: Hưởng lợi từ mô hình toán học và phương pháp phân tích hiệu suất PEH, áp dụng trong thiết kế các thiết bị thu hồi năng lượng cơ học.

2. Chuyên gia phát triển hệ thống HVAC và quản lý năng lượng tòa nhà: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để tích hợp các thiết bị thu hồi năng lượng, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm chi phí điện năng.

3. Nhà phát triển công nghệ cảm biến không dây và IoT: Sử dụng nguồn năng lượng thu hồi từ rung động để phát triển các mạng cảm biến tự duy trì, giảm phụ thuộc vào pin truyền thống.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí, điện tử và tự động hóa: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình lý thuyết và ứng dụng thực tế trong luận văn để phục vụ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. PEH là gì và tại sao lại chọn kiểu dầm công xôn thon một lớp?
   PEH (Piezoelectric Energy Harvester) là thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học từ rung động thành điện năng. Kiểu dầm công xôn thon một lớp được chọn vì có biến dạng lớn, tần số cộng hưởng thấp phù hợp với tần số rung động trong HVAC, đồng thời cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo.

2. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của PEH được xác định như thế nào?
   Hiệu suất được tính bằng tỷ số giữa công suất điện đầu ra và công suất cơ học đầu vào, phụ thuộc vào hệ số liên kết cơ-điện, hệ số cản trong, tần số kích động và điện trở ngoài. Công thức tính dựa trên mô hình một bậc tự do của Erturk và cộng sự.

3. Nguồn rung động trong hệ thống HVAC có đặc điểm gì?
   Nguồn rung động chủ yếu phát sinh từ máy nén, quạt và các thiết bị chuyển động khác, với tần số chủ yếu dưới 100 Hz và biên độ dao động nhỏ nhưng ổn định, đủ để khai thác năng lượng bằng PEH.

4. Làm thế nào để tối ưu hóa công suất đầu ra của PEH?
   Cần điều chỉnh tần số cộng hưởng của dầm PEH gần với tần số rung động thực tế, lựa chọn vật liệu có hệ số cản thấp, và điều chỉnh điện trở ngoài để đạt tỉ số điện trở r gần 1, đồng thời thiết kế hình học phù hợp.

5. Ứng dụng thực tế của PEH trong hệ thống HVAC là gì?
   PEH có thể cung cấp nguồn năng lượng cho các cảm biến không dây trong mạng WSN, giúp hệ thống điều khiển vi khí hậu tự duy trì năng lượng, giảm chi phí bảo trì và tăng tính linh hoạt trong giám sát và điều khiển.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình vật lý và toán học cho PEH kiểu dầm công xôn thon một lớp áp điện, phù hợp với điều kiện rung động trong hệ thống HVAC.
• Xác định được tần số tự nhiên, độ cứng và khối lượng tương đương của dầm PEH bằng phương pháp Euler-Bernoulli và Rayleigh-Ritz.
• Phân tích hiệu suất thu hồi năng lượng dựa trên mô hình một bậc tự do, cho thấy hiệu suất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hệ số liên kết cơ-điện, hệ số cản và tần số kích động.
• Đo đạc thực tế rung động tại máy nén HVAC cung cấp dữ liệu đầu vào chính xác cho mô hình, xác định vị trí và điều kiện tối ưu để lắp đặt PEH.
• Đề xuất các giải pháp thiết kế và ứng dụng PEH trong hệ thống HVAC nhằm nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng và phát triển các hệ thống cảm biến không dây tự duy trì.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm thực tế thiết bị PEH được thiết kế, đồng thời phát triển mạch điều chỉnh điện trở ngoài và tích hợp vào hệ thống cảm biến không dây. Mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm hợp tác để ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong các hệ thống HVAC hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN 1.1 Giới thiệu “Các công nghệ năng lượng tái tạo thường bao gồm hai quá trình riêng biệt: sản xuất năng lượng (sử dụng các nguồn năng lượng sẵn có từ mặt ười, gió, v.) và lưu trữ năng lượng (vi du như pin). Quá tình đầu tiên chuyển đổi dạng năng lượng ban đầu thành điện năng và quá trình thứ hai chuyển đổi điện thành năng lượng hóa học. Với ‘it liệu áp điện, năng lượng rung động cơ học có thể được chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện và lưu trữ trong pin. Nhờ kết cầu nhỏ gọn, thiết bị như vậy có nhiều khả năng ứng dụng trong các hệ thing công suất thấp t tri (low-power autonomous systems).

Một cách “dan da”, thiết bị như vậy có thể gọi li pin - áp điện. Xuất phát từ tên tiếng Anh của thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ sang điện (piezoelectric energy harvester), có thể được gọi là thiết bị khai thác năng lượng kiểu áp điện, viết tắt PEH, a (pen Nang lăng lug lượng cơ học. a Mạch i en Khối lượng. ám Lenin ta Hình 1.

1 Sơ dé cấu tạo của PEH [12] ‘Theo nguyên lý làm việc, PEH có thé phân làm hai loại là kiểu quán tính và kiểu phi quấn tính. Đối với kiểu phí quán tính, ích động tác dụng trực p lên hệ và làm cho ‘vat liệu ấp điện bị biển dang để to ra điện. Đối với iễu quản tinh, kich động không trực tiếp làm biến dang vật liệu áp điện mà là lực quán tính trong hệ. Loại PEH quán tính phổ biến thường sử dụng dim công xôn gắn với nguồn rung động, trên bề mặt dầm đán lớp vật liệu áp điện.

Sơ đỗ nguyên lý của PEH với dim công xôn được mô tả 4 như Hình 1.1 “Trong phân tích đồng năng lượng của các hệ thống khai thác năng lượng kiểu áp điện, hiệu suất của PEH quán tính là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả chuyển đổi năng lượng. Có 3 pha chuyển đổi năng lượng cơ bản trong PEH là [23] [7] - Chuyển đổi năng lượng cơ học - cơ học: liên quan tới năng lượng cơ học thu được từ nguồn rung động và chuyển đổi cho PEH ~ Chuyển đổi năng lượng cơ học - điện: in quan tới sự chuyển đổi năng lượng cơ "học sang năng lượng điện trong PEH ~ Chuyển đổi năng lượng điện - điện: liên quan tới sự truyền hay chuyển đổi năng lượng điện tới ải ngoài Hình 1.1, Dong năng lượng trong PEH [7] Do bản chất vật lý của PEH là chuyển đối năng lượng từ rung động sang năng lượng điện, qua một chư! cđỗi trung gian là biển dạng của vật rn đàn hồi, nên hiệu suất chuyển đổi năng lượng sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Quá trình phát triển mô hình lý thuyết tinh toán hiệu suất của PEH có một số kết quả đáng chú "Năm 2004, Richards và cộng sự [10] đưa ra công thức chính xác để xác định hiệu suất dựa trên mô hình đơn giản một bộc tự do, trong đồ hiệu sult phụ (huộc vào các hệ số dp điện và hộ số liên kết co-dign của cả hệ. Năm 2006, Shu và Lien [11] phân tích hiệu suất chuyển đổi năng lượng lý thuyết trong miễn cộng hướng của PEH kiểu công xôn với mạch chỉnh ưu cầu.

Ho giả thiết năng lượng cơ học đầu vào bằng tổng của năng lượng điện thu được và năng lượng hao tấn do cán của kết cấu, Năm 2009, Liao và Sodano [12] đề xuất điều chỉnh công thức xác định hiệu suất bằng tỉ số của công suất đầu ra và năng lượng ến dạng trên một chu kj. Năm 2017, Erurk và cộng sự [7Ịiến hành xây dụng công thức tính toán hiệu suất cho PEH một lớp áp điện từ mô hình một bậc tự do và kiểm chứng bing thực nghiệm, "ĐỂ nâng cao hiệu quả của PEH, nhiều nghiên cứu gin đây đã đề xuất một số dạng hình học của kết cấu PEH nhằm có được ứng suất, biến dạng lớn hơn, theo đó thu được điện áp và công suất cao hơn, Một bài báo dai hơn $0 trang của Inman và cộng sự được xuất bản năm 2018 [25] đã cung cấp một cái nhìn tổng quan rat chỉ tiết về các kỹ thuật khai thác năng lượng kiểu áp lên được phát triển trong 10 năm qua. Cùng với công trình này, nhiễu nghiên cứu mới khác, như [26] [19] cho thấy một số dang dim công xôn thon dạng hình thang, hình tam giác nhất định có thể thu được năng lượng lớn hơn ở tần số kích động cao so với dim công xôn dang chữ nhật 1.2 Vậtliệu áp điện Vật iu áp điện là vật liệu điện môi hoạt động qua tương tác co-dign, đồng thời nó cũng được coi là vật liệu sắt điện da tỉnh thể được phân cực. Tính chất eo bản của vật Hi áp điện là hiệu ứng áp diện.

Hiệu ứng áp điện có tinh thuận nghịch, hiệu ứng thuận à sự xuất hiện điện ch khí vật liệu chịu ứng suất còn hiệu ứng nghịch là sự biển dạng của vật liệu khi đặt trong điện trường (Hình 1. Trong cả hai trường hop, 4 biến dạng tỷ lệ với điện trường. Trong hiệu ứng áp điện nghịch, kh điện trường đối chiều thì chiều biển dạng cũng đổi theo, vn sap FAT ‘ip dien Pert! Hình 1.2 ) hiệu ứng áp điện thuận (tực tiếp) b) hiệu ứng áp điện nghịch 'Các vật liệu áp điện được sử dụng phổ biến trong PEH là PbZriO› - PhTiO› (PZT), polyvinylidene fluoride (PVDF), BaTiOs (BT), Pb[MgvaNbzs]O-- PETiO: (PMN-PT), Pb[ZnisNbaz]Os-PbTiO: (PZN-PT). Các vật liệu này có cấu trúc tỉnh thé pe-rov-skit trong pha lập phương.1 liệt kẽ một số thông số cơ bản của vật liệu áp điện, 6 trong dé các hằng số của vật liệu áp điện như dis, dss, dy đặc trưng cho hiệu ứng áp.

điện mạnh hay yếu. Ta thấy tính chất chung của các hing số trên là dis >> dss > dy. PMN-PT và PZN-PT có hiệu ứng áp mạnh nhưng nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, d8 bị mei, và khó chế go hơn so với PZT. Do đó, PZT là loại vậ liệu áp điện được sử dụng ph bin nhất trong PEH, Bảng 1.

Một số vậ liệu áp điện và thông số vật ý BaNO.400, as we | sea T7 | 380 œu103VwWN) | 5 | lll | 14) 91 | HH [316 7 | 243 ms Tar [361 | 388 | OT | aa | 390. 4 7 8T se 394 | 382 | 268 | 289 ks | 04s 07 | 071 | 075 | 06 | 015 093 T 09 Độnhẫmchấtcơ | 300 | S00 | TS | 6 |1000| #10 69 Điện mỗi giảm 04% 24 | Om 048% Nhiệt độ (°C) 1 328 | 365 193 | 300 100 145 100 PZT thường được chế tạo từ bột PZT mịn bằng cách gia nhiệt, làm khô hoặc ép tạo. Sau một số quá trình nhiệt luyện để có cấu trúc tỉnh thể, sẽ trải qua khâu cuối cùng là phân cực. Trước khi bị phân cực, PZT là một vật liệu da tinh thể với các đô- men phân cực (polar domain) sip xép ngẫu nhiên (Hình 1.32), do đó nó không có hiệu ‘img áp điện, Khi đặt lên vật liệu một trường tinh điện lớn hơn trường bão hoa nhưng nhỏ hơn trường đánh thủng ở nhiệt độ cao.

gần điểm chuyển pha sắt điện, thi các đô- men phân cực dé dàng được định hướng theo điện trường ngoài (Hình 1. Sau khi giảm nhiệt độ và loại bỏ điện trường, đô-men phân cực được khóa lại ở vị trí đã được định hướng, gin như thẳng hàng (Hình 1. Quả trình nảy được gọi là phân cục. Kết quả là ật liệu này được phân cục vĩnh viễn và có hiệu ứng áp điện Hình 1.

Phân cực của vật liệu gồm áp điện đa tinh thể (a) Sip sếp ngẫu nhiên của các d-men tước khi phân cực, (b) Phân cục dưới tác dụng của điện tường nh: (©) Day tả sự phân cục xá Ki lại bo điện rim 1.3 Các phương trình liên kết ‘Theo tiêu chuẩn II IE về vật liệu áp điện, ở một mức độ điện trường và biển dạng nhất định. vật liệu áp điện có ứng xử tuyển tính, làm việc như một vật liệu din hồi trực hướng được gọi là vật liệu áp điện tuyển tính. Dựa trên lý thuyết đàn hồi, trạng thái ứng suit một phin tử gồm 9 thành phần, gồm các ứng suất pháp và ứng suất tiếp ơ, như biểu diễn ở Hình 1.4, Tương ứng, có 9 thành phin biển dang 5,. Do tính chất đối xứng của ứng suất và biển dạng, Ø, ;„:S, =Ÿ„„ nôn ứng suất và biến dạng có thé eu được mô tả bằng 6 hành phần.

và 5, lễ ) theo lý thuyết biển dạng nhỏ như mô tà rong sơ đồ Hình L5, Sử dụng ký hiệu củ tiêu chuẩn IEEE, các vc to ứng suất và biển dạng được biểu diễn như sau. Phân tổ ứng suất Hình 1.5, Sơ đồbiến dạng nhỏ. Đối với vật liệu đàn hoi trực hướng tuyến tính, theo định luật Hooke ta có. trị-[elts) @ với [C] là ma trận hệ số độ cứng, do vật liệu có 3 mặt phẳng đối xứng dn hồi vuông.

súc với nhau từng đôi một nên ma trận độ cứng có dang Cy C2 Cy 0 0 0 Cy Cy Cy 0 0 0 Gs Co Cy 0 0 0 (Fo 0 0 cy 0 0 @ = 7 3 h oo 0 €0 0 0 0 0 0 by ‘Mit khác, vật liệu áp điện là vật liệu điện môi, sự nạp điện hay phân cực theo các trục 1,2, 3 được mô tả bởi véc tơ điện trường {E} =[E,E,E,]Ï và véc tơ độ dịch chuyển. điện {Ð} =[D,D,D, ]Ï theo công thức {)=[elI£l @ trong dé [e] là ma trận bằng số điện môi tương đối của vật liệu trực hướng, @ Khi thiết lập quan hệ ứng suắtbiến dang và lên trường-độ dịch chuyển điện cho vật liệu áp điện, cần phải xét đến sự thay đổi của biến dạng § và độ dịch chuyển điện D theo 3 phương do ảnh hưởng của mồi quan hệ qua lại giữa điện trường £ và ứng suất T. Đại lượng đặc trưng cho tác động qua lại này là hệ số ứng suất áp điện e, được môi tả bởi ma trận 3x6. Với đặc điểm vật liệu PZT phổ biến phân cực theo trục 3, ta có.