Kỹ thuật nạp năng lượng đặt ra một sự lựa chọn trong việc thiết kế nguồn của cảm biến, cho phép không cần dùng pin, giảm chi phí và có thể mở rộng các tiện ích của cảm biến trong nhiều ứng dụng. Edward và Steve đã giới thiệu ứng dụng của một loại cảm biến áp suất không dây và bộ demo của nó tương thích với tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, được cấp nguồn bằng cách lấy năng lượng rung từ một phần tử sợi gốm áp điện.
Ngày nay ta có thể triển khai các ứng dụng giám sát không dây có chi phí thấp, tuổi thọ cao và tiêu thụ ít điện năng theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 và cảm biến ZigBee. Pin có tuổi thọ cao đã cho phép các cảm biến tồn tại độc lập trong nhiều môi trường mà không cần nối dây cấp nguồn. Nhưng với hàng triệu cảm biến không dây sẽ được triển khai trong thập kỉ tới, việc thay thế hàng triệu quả pin (hay toàn bộ cảm biến) sẽ phải chịu một chi phí lớn, đặc biệt là các cảm biến nhúng và cảm biến ở những nơi khó tiếp cận.
Cơ sở của việc nạp năng lượng
Việc khai thác các nguồn năng lượng từ môi trường xung quanh như sự dao động có thể loại bỏ việc phải sử dụng pin trong các ứng dụng giám sát, kéo dài tuổi thọ và giảm đáng kể chi phí vận hành của cảm biến. Năng lượng lấy được do sự dao động của các sợi áp điện giá rẻ trở thành nguồn có sẵn thay thế cho pin trong các ứng dụng giám sát. Các cảm biến được cấp nguồn từ sự dao động có thể dễ dàng được tích hợp vào trong kết cấu và máy hoặc có thể lắp đặt trong các môi trường khắc nghiệt mà bình thường rất khó khăn trong việc thay pin.
Năng lượng từ sự dao động có thể được khai thác bằng rất nhiều cách khác nhau như chuyển đổi điện từ, tĩnh điện hoặc áp điện. Trong phương pháp áp điện (piezo), dựa trên cơ sở dao động của các vật liệu áp điện, người ta có thể chế tạo nên một bộ nạp để phát ra một điện áp có độ lớn tương ứng với kích cỡ và hình dạng của vật liệu áp điện cũng như tính chu kì và độ lớn của lực tác động.
Bằng cách sử dụng một quá trình đã được cấp bằng sáng chế, Advanced Cerametrics sản xuất các sợi piezo gồm dài, linh hoạt và rẻ. Độ linh hoạt được cải thiện đáng kể bằng cách thêm một lớp dát mỏng, cung cấp bộ chuyển đổi phức hợp rất bền và có thể tạo hình theo định dạng của người dùng, cho phép gắn chặt vào các cơ cấu cơ khí có sự dao động. Các bộ chuyển đổi loại này đã được ứng dụng để chuyển đổi cơ năng thành điện năng với hiệu suất đạt 70%.
Công nghệ sợi gốm mới khơi nguồn năng lượng piezo
Hãy thử tưởng tượng rằng pin điện thoại có thể tự nạp điện lại khi bạn đeo nó bên hông. Hoặc một cảm biến không dây được cấp điện từ sự chuyển động của thiết bị mà nó cảm ứng. Công nghệ chống rung đã được cấp nguồn như thế nào từ sự di chuyển mạnh mà chúng đang cố gắng triệt tiêu?
Những ứng dụng kiểu như vậy mới chỉ là phần nổi của tảng băng trôi. Advanced Cerametrics của Lambertville, New Jersey đã phát triển một công nghệ mới có thể tạo ra một nguồn điện có công suất bằng 10 lần của các dạng piezo linh hoạt khác.
Công nghệ này là một biến thể hoàn toàn mới dựa trên phương tiện phát điện cũ và đáng lưu tâm là áp điện.
Từ điện năng tới cơ năng và ngược lại
Năm 1880, Pierre và Jacques Curie đã phát hiện ra rằng các tinh thể phát ra một điện tử khi bị tác động mạnh. Họ đã tưởng rằng đó là các tinh thể piezo, theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là ép.
Các tinh thể áp điện đóng vai trò như những bộ chuyển đổi. Chúng biến cơ năng thành điện năng. Một bộ chuyển đổi cơ năng sang điện năng thông thường là một bộ đánh lửa. Trong đó sẽ có một chiếc búa gõ vào một tinh thể áp điện để tạo ra tia lửa điện làm mồi cho ngọn lửa ga.
Giống như việc chuyển đổi cơ năng thành điện năng, các tinh thể áp điện chuyển đổi điện năng thành các chuyển động, những chiếc loa chính là các bộ chuyển đổi điện năng thành cơ năng. Sự thay đổi điện áp sẽ làm cho các vật liệu áp điện rung lên, sau đó được khuếch đại và tạo ra âm thanh.
Tuy nhiên các vật liệu áp điện truyền thống thường cồng kềnh, dễ vỡ và không hiệu quả nên khi chịu sự tác động của trường điện từ hoặc dòng điện chúng sẽ giãn nở hoặc co lại một lượng nhỏ.
Các sợi gốm áp điện của Advanced Cerametrics giải quyết được tất cả các hạn chế đó. Chúng khá linh hoạt do vậy rất dễ dàng trong việc triển khai ứng dụng. Chúng tạo ra một công suất bằng 10 lần công suất do vật liệu polymer linh hoạt truyền thống. Một bộ chuyển đổi có trọng lượng 2 gram (Hình 1) sử dụng các sợi gốm có thể dễ dàng tạo ra một điện áp vài trăm vôn.
Các sợi gốm áp điện của Advanced Cerametrics nhận các dao động trong một dải tần rộng lớn. Ví dụ đối với việc cảm nhận tiếng ghita điện, chúng sẽ nhận được nhiều âm thanh hơn từ các sợi dây đang rung. Công suất ra lớn cho phép chúng có thể được phát lại mà không cần phải khuếch đại trung gian, làm giảm trọng lượng của hệ thống và tạo ra âm thanh trung thực hơn.
Nếu đem so sánh với các loại gốm lớn khác, các sợi gốm của Advanced Cerametrics được sử dụng như là các bộ chuyển đổi điện năng thành cơ năng tạo ra lực cơ học lớn hơn trên một dải chuyển động rộng hơn — tương ứng 35% trọng lượng. Một phiến tổng sợi piezo tổng hợp có trọng lượng 2 gram sử dụng trong chế độ kích thích có thể tạo ra một sức nặng tương ứng với 60 pounds.
Dải ứng dụng rộng lớn
Advanced Cerametrics sản xuất các sợi áp điện dựa trên hợp chất ziricon-titanic hay còn gọi là PZT, là loại vật liệu piezo cơ bản sử dụng trong điện thoại di động, máy tính, lò vi sóng hay máy nhắn tin.
Các ứng dụng của sợi PZT được chia thành hai nhóm chính: nhóm có chế độ nạp năng lượng và nhóm có chế độ kích thích. Một vài trường hợp điển hình là:
Cảm biến không dây: Cảm biến không dây nghe có vẻ như là một ý kiến rất hay cho đến khi có người đặt ra câu hỏi: “Ai là người sẽ thay hàng nghìn quả pin?”. Nhưng nếu pin không cần thay hoặc thậm chí chúng còn được loại bỏ đi thì cuộc chơi lại trở lại và hứa hẹn về cảm biến không dây hoàn toàn có thể thành hiện thực.
Cảm biến không cần dùng pin: cho dù được lắp đặt bên trong một đường ống không khí hoặc gắn trên các hệ thống giám sát thì phần lớn các cảm biến đều ở trong môi trường mà cơ năng quanh nó đã bị lãng phí rất lớn. Các sợi PZT của Advanced Cerametrics sẽ tận dụng các cơ năng đó để nạp lại pin hoặc cấp điện trực tiếp cho cảm biến mà không cần dùng pin.
Cảm biến thông minh: Hãy tưởng tượng cảm biến thông minh sẽ nhắc bạn khi nào cần thay hoặc các động cơ hoặc khung máy bay có khả năng thông báo k hi có sự cố xảy ra mà không cần phải gắn pin hoặc cấp điện ngoài cho cảm biến và transmitter. Thay vào đó chúng sẽ được cấp điện từ chính sự dao động mà chúng đo được.
Chiếu sáng: Các sợi áp điện của Advanced Cerametrics có thể chuyển cơ năng thành ánh sáng mà không cần các thiết bị điện tử. Chúng tôi không đề cập đến một nguồn sáng đặc biệt nào cả mà cho bất cứ một loại đèn phát quang nào. Khả năng này mở ra cơ hội cho việc cấp điện chiếu sáng trên những chiếc cầu, đèn tín hiệu và phao cứu sinh trong các ứng dụng khác.
Chống rung: bên cạnh việc khai thác nguồn năng lượng từ sự dao động của môi trường xung quanh (theo định luật chuyển đổi năng lượng), các hợp chất PZT của Advanced Cerametrics còn được sử dụng để chống rung tích cực. Quá trình chống rung sử dụng cả hai đặc tính của piezo (tác động trực tiếp và ngược lại). Khi sự dao động tạo ra nguồn điện, mạch điện tạo sẵn sẽ chuyển quá trình nạp vào bộ vi xử lý để đo biên độ của sự dao động và đưa ra một tín hiệu đã được khuếch đại từ đó sẽ kéo căng hoặc thả lỏng cơ cấu chấp hành. Trong một số ứng dụng điển hình của việc chống rung, Head Sport AG ở Hennelbach, Áo đã sử dụng các hợp chất PZT của Advanced Cerametrics để giảm sự rung của vợt tennis và ván trượt tuyết.
