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.