Thiết bị thu hồi điện từ bước chân (MS: 048)

TÁC GIẢ:
Lê Hoàng Minh, Trần Duy Khang, Nguyễn Hồng Kim, Nguyễn Hoàng Gia Huy, Đỗ Nguyễn Chi Mai, Bùi Đức Nghị, Lê Văn Trí– Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG-HCM

VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT:
Vấn đề đầu tiên: Trong bối cảnh nền công nghiệp hóa-hiện đại hóa ở Việt Nam hiện tại, vấn đề cung cấp nguồn năng lượng điện đáp ứng cho nhu cầu sử dụng đời sống người dân cũng như trong vận hành nhà máy, công xưởng phục vụ sản xuất là cực kỳ cấp bách.
Theo Bộ Công Thương, Việt Nam có nguy cơ thiếu hụt điện từ năm 2021-2025 do chậm tiến độ tại nhiều dự án điện lớn ở cả miền Bắc và miền Nam. [1] Tính toán của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cho thấy, để đáp ứng nhu cầu điện tăng nhanh từ nay đến năm 2030, ngành điện cần đảm bảo sản lượng điện đạt 265-278 tỷ kWh vào năm 2020 và từ 572-632. tỷ kWh trong mười năm tiếp theo. Thứ trưởng Bộ Công Thương Hoàng Quốc Vượng cho biết: “Tốc độ tăng trưởng phụ tải điện ước tính khoảng 9% từ năm 2020 đến năm 2025 và 8% sau đó. Tuy nhiên, kinh tế phát triển mạnh hơn sẽ kéo theo nhu cầu điện năng cao hơn ”. Điều đó giải thích tại sao tình trạng thiếu điện có thể bắt đầu ngay từ những năm đầu của thời kỳ này, với dự đoán thiếu hụt trầm trọng vào năm 2022. [2]

 

Bên cạnh đó, Việt Nam lại là đất nước chịu tác động trầm trọng của biến đổi khí hậu, thì việc tìm kiếm một giải pháp mới giúp bảo vệ mội trường, tiết kiệm tài nguyên có ý nghĩa hết sức to lớn.
Một con đường nhỏ ở West End (London) đã được chuyển đổi thành một đoạn đường thông minh, hấp thu năng lượng đầu tiên trên thế giới, có tên gọi Pavegen. Pavegen có diện tích 10m2 nằm trên phố Bird Street, khai thác sự chuyển đổi năng lượng từ các bước chân thành điện năng, cung cấp năng lượng thắp sáng đèn đường và bộ phát âm thanh như tiếng chim trong khu vực.

 

Vấn đề thứ hai: Trong thời gian giãn cách xã hội ở Việt Nam, rất nhiều người thiếu các hoạt động thể chất, ít tập thể dục, dẫn đến nhiều vấn đề về sức khỏe. Theo Chỉ thị 16 về các quy định giãn cách xã hội, người dân Việt Nam được yêu cầu ở nhà và chỉ ra ngoài cho những mục đích rất cần thiết. [5] Thời gian giãn cách COVID-19 dẫn đến hành vi lười vận động ở mọi lứa tuổi. [6] Việc thiếu các hoạt động thể chất có thể gây ra bệnh tim mạch, tiểu đường loại 2, một số bệnh ung thư [7] và đặc biệt là bệnh béo phì ở Việt Nam [8]. Ngoài ra, những người bị cách ly còn gặp phải các vấn đề sức bao gồm căng thẳng, mất ngủ, kiệt sức, trầm cảm hay lạm dụng chất kích thích. [9]

Vấn đề thứ ba: Theo Bộ Công Thương vào tháng 5 năm 2021, Việt Nam đang tiếp tục triển khai Chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 3 đến năm 2030 [10]. Các nguồn năng lượng tái tạo là năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng chất thải rắn và năng lượng sinh khối [11]. Tuy nhiên, những nguồn năng lượng này đòi hỏi cơ sở hạ tầng phức tạp và tốn kém để khai thác.
Từ những vấn đề trên dẫn đến ý tưởng chúng tôi sẽ phát triển một thiết bị có tên là Thiết bị thu hồi điện từ bước chân, chuyển đổi năng lượng bước chân thành điện năng.
✔ Ý tưởng: Thiết bị thu hồi điện từ bước chân hoạt động dựa trên nguyên tắc phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator- TENG) là một trong những công nghệ có hiệu quả nhất thu năng lượng cơ học chuyển đổi thành điện năng. Công nghệ này đang thu hút được sự quan tâm lớn từ các tổ chức, cơ sở nghiên cứu, và phòng thí nghiệm lớn trên thế giới. TENG có rất nhiều ưu điểm lớn như chế tạo đơn giản, gọn nhẹ, mềm dẻo, độ bền lâu dài, sử dụng được nhiều loại vật liệu, và hiệu suất thu năng lượng cao. Đặc biệt, TENG có hiệu suất cao hơn nhiều các công nghệ khác khi thu năng lượng từ các nguồn dao động cơ học không ổn định có tần số thấp như chuyển động của con người, gió hay sóng biển.
✔ Thiết bị của chúng tôi hoàn toàn mới giúp thu dao động từ bước chân con người chuyển hóa thành điện năng phục vụ cho đời sống thay thế năng lượng truyền thống. Sản phẩm của chúng tôi phù hợp và giải quyết vấn đề ở Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh Covid hiện nay, nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng cao.

ƯU ĐIỂM CỦA GIẢI PHÁP SO VỚI CÁC GIẢI PHÁP KHÁC
*Sản phẩm chưa từng có trên thị trường
Công nghệ thu năng lượng xanh thì đã xuất hiện nhiều rồi, ví dụ như pin mặt trời, công nghệ điện gió. Nhưng cơ chế chuyển hóa dao động ma sát như thảm điện năng TENG thì chưa từng có trên thị trường.
*Hiệu suất cao:
Thiết bị thu dao động bước chân con người chuyển hóa thành điện năng với hiệu suất rất cao. Đó là điểm mạnh khi so sánh sản phẩm chúng tôi với các công nghệ khác trên thị trường.
*Giá thành sản phẩm thấp:
Thiết bị có cấu tạo đơn giản, chế tạo gọn nhẹ, lại rất an toàn cho người sử dụng.
❖ Điểm mạnh:
Sản phẩm do chúng tôi lên ý tưởng, có tính độc đáo và mới mẻ so với các công nghệ hiện có trên thị trường.
Chất lượng sản phẩm tốt, giá cả hợp lý, dễ dàng lắp đặt và thích hợp cho các gia đình có con nhỏ do sản phẩm chúng tôi vô cùng an toàn.
Thiết bị thu năng lượng từ bước chân nên đi lên thiết bị càng nhiều càng tích điện nhiều, thúc đẩy người tiêu dùng vận động, cải thiện sức khỏe và giảm các hội chứng stress, trầm cảm.
❖ Điểm yếu:
Chưa có tên tuổi trên thị trường.
Thảm cấu tạo còn thô sơ, đơn giản, chưa phù hợp với những nơi lắp đặt cần tính thẩm mĩ hay trang trọng như những quán café, trung tâm mua sắm.
Nét khác biệt: Sản phẩm hiện tại chưa có trên thị trường Việt Nam nên chưa có đối thủ cạnh tranh. Công nghệ thu năng lượng điện theo nguyên tắc khác biệt từ trước tới nay, thể hiện tính độc quyền của sản phẩm.

GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT
Giới thiệu sản phẩm:
Tên sản phẩm: Thiết bị thu hồi điện từ bước chân.
Nguyên tắc hoạt động:
Thiết bị thu hồi điện từ bước chân hoạt động trên nguyên tắc của máy phát điện nano (TENG) khai thác điện thế tĩnh điện được hình thành khi tiếp xúc bề mặt của hai vật liệu có ái lực electron khác nhau để chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện có thể sử dụng được. Khi 2 bề mặt vật liệu được tiếp xúc và tách ra tạo nên hiện tượng nhiễm điện dương ở một bề mặt vật liệu và nhiễm điện âm ở bề mặt vật liệu còn lại. Việc lựa chọn vật liệu ứng dụng cho TENG cũng vô cùng đa dạng. Vật liệu cách điện hay càng kém dẫn điện thì càng có khả năng nhiễm điện ma sát lớn.
Hình ảnh dưới đây thể hiện một số loại vật liệu tích điện ma sát phổ biến thường áp dụng cho TENG.

TENG là một trong những công nghệ có hiệu quả nhất thu năng lượng cơ học chuyển đổi thành điện năng. TENG hoạt động dựa trên 4 chế độ chính thể hiện như ở hình 4:
(a) The vertical contact-separation mode.
(b) The lateral sliding mode.
(c) The single-electrode mode.
(d) The free-standing mode.

 

Cấu tạo sản phẩm:
Thiết bị cấu tạo bao gồm: Vỏ bọc đệm vải bên ngoài và thiết bị TENG bên trong.

Hình 5: Hình chụp thực tế sản phẩm của nhóm

 

Hình 6: Hình thực tế cấu tạo máy phát điện nano TENG của nhóm

 

Tính khả thi sản xuất:
Quy trình sản xuất gồm 5 bước chính:
B1: Chế tạo khuôn đổ mẫu cấu trúc nano.
B2: Đổ khuôn mẫu vật liệu để chế tạo TENG (ở đây chúng tôi sử dụng PDMS).
B3: Khảo sát tính chất điện của PDMS với nhôm, đo đạc số liệu.
B4: Chế tạo thiết bị TENG cơ chế tiếp xúc – tách..
B5: Lắp TENG vào vỏ đệm bên ngoài.


Hình 7: Các màng film PDMS được chế tạo cho TENG

 

Hình 8: Ảnh chụp bề mặt cấu trúc nano của màng PDMS dưới kính hiển vi

Hình 9: Khảo sát tính chất điện của TENG

 

Cơ cấu chi phí, giá thành
Ưu điểm của sản phẩm là giá thành rẻ, dễ chế tạo, vật liệu thân thiện với người sử dụng.

GIẢI PHÁP CỦA DỰ ÁN:
■ Sản phẩm là một tấm thảm với cơ chế hoạt động là một máy phát điện nano TENG. Khi con người dẫm lên thảm, 2 lớp vật liệu PDMS và nhôm trong thảm sẽ tiếp xúc với nhau, khi nhấc chân lên, chúng sẽ quay về trạng thái tách. Đó là nguyên lý sản phẩm hoạt động.

Chiến lược truyền thông:
Mục tiêu của chúng tôi là đưa sản phẩm ra thị trường và tạo sự quan tâm của cộng đồng, để thực hiện mục tiêu này chúng tôi đã tích cực giới thiệu sản phẩm tại các triển lãm học thuật tổ chức tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, trình bày dự án đến các công ty, giới thiệu ý tưởng về sản phẩm, truyền cảm hứng cho các em học sinh trong những buổi tư vấn tuyển sinh, các chương trình học thuật được trường tổ chức như “Chuyến xe tri thức”…

Loại hình sản xuất:
■ Trong giai đoạn đầu, khi sản phẩm chưa được ứng dụng rộng rãi, chúng tôi sẽ tiến hành sản xuất một số lượng sản phẩm phiên bản thử nghiệm và sẽ được bố trí ở những nơi trong khu vực trường Đại học Bách Khoa để khảo sát mức độ hiệu quả và đồng thời là hình thức quảng bá sản phẩm trước tiên với tập thể cán bộ, sinh viên trong trường.
Sau khi sản phẩm gây được hiệu ứng nhất định sẽ tiến hành sản xuất theo đơn đặt hàng và xây dựng kênh bán hàng online. Đây là cách tiếp cận sản xuất giai đoạn đầu của chúng tôi để hạn chế rủi ro, âm vốn.
■ Trong giai đoạn tiếp theo, tùy vào nhu cầu thị trường, sẽ sản xuất linh hoạt hoặc sản xuất hàng loạt để chiếm lĩnh thị trường độc quyền.

Đối tượng khách hàng chính:
❖ Đối tượng khách hàng mục tiêu trước mắt của sản phẩm hướng đến là trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Thảm điện năng của chúng tôi được đặt ở các cổng ra vào, cầu thang,…nơi có nhiều người qua lại sẽ tích trữ nhiều điện năng, tiết kiệm điện cho trường. Ngoài ra việc bố trí tại các vị trí trên còn thúc đẩy mọi người vận động, đặc biệt sau những giờ học tập, làm việc, giúp nâng cao sức khỏe.
❖ Đối tượng khách hàng trung hạn: là các bãi giữ xe, cửa hàng tiện lợi, quán cafe …Đây là đối tượng tiếp theo chúng tôi hướng đến. Họ có lượng khách ra vào mỗi ngày rất lớn, thảm điện năng sẽ là giải pháp cực kì hiệu quả giúp họ tiết kiệm điện năng.
❖ Đối tượng khách hàng dài hạn: là các gia đình ở nhà riêng, căn hộ, chung cư,… Đây là nhóm đối tượng đầy tiềm năng, tương lai thảm điện năng được ứng dụng rộng rãi đến từng cá nhân, từng gia đình sẽ thay thế hoàn toàn năng lượng truyền thống, giải quyết triệt để vấn đề phá rừng, ô nhiễm môi trường tại Việt Nam, đồng thời thúc đẩy Việt Nam trở thành một nước phát triển, ứng dụng khoa học – kĩ thuật hiện đại.

Phương hướng phát triển trong 5 năm tới
Đây là phương hướng chúng tôi đề ra để cụ thể hóa mục tiêu thương mại hóa sản phẩm:

NGUỒN LỰC THỰC HIỆN
Yêu cầu: Đội ngũ sinh viên thực hiện đề tài có kiến thức trong lĩnh vực kỹ thuật, lĩnh vực tài chính và cả truyền thông tiếp thị, có niềm đam mê với nghiên cứu khoa học.
Nguồn lực hiện tại
Sinh viên thực hiện:
Số thứ tự Họ và tên Email Ngày tháng năm sinh Nhiệm vụ thành viên
1 Lê Hoàng Minh minh.le0603@hcmut.edu.vn 06/03/2000 Team Leader and Product Development (engineering student)
2 Nguyễn Hoàng Gia Huy giahuythuthiem1997@gmail.com Product Development (engineering student)
3 Lê Văn Trí tri.le.van@hcmut.edu.vn 10/10/2001 Product Development (engineering student)
4 Bùi Đức Nghị nghi.bui.svbku@hcmut.edu.vn 09/04/2000 Business Development (management student)
5 Đỗ Nguyễn Chi Mai mai.do1512@hcmut.edu.vn 15/12/2000 Presentor (management student)
6 Trần Duy Khang khang.trankillua2k2@hcmut.edu.vn 29/07/2002 Product Development (engineering student)

Giảng viên hướng dẫn:
Dr. Vo Thanh Hang
Phone number: 0909 977 371
Email:hang_vothanh2003@hcmut.edu.vn
Role: Mentor in Project Development Dr. Bùi Văn Tiến
Phone number: 0911 552 201
Email: tienbv@hcmut.edu.vn
Role: Mentor in R&D

Tài liệu tham khảo
[1] News, V., 2021. Vietnam to face power shortages – VietNamNet. [online] VietNamNet. Available at: <https://vietnamnet.vn/en/business/viet-nam-to-face-power-shortages-672281.html> [Accessed 26 July 2021].
[2] VietnamPlus. 2021. Vietnam to face power shortage from 2020: conference | Business | Vietnam+ (VietnamPlus). [online] Available at: <https://en.vietnamplus.vn/vietnam-to-face-power-shortage-from-2020-conference/136151.vnp> [Accessed 26 July 2021].
[3] Nguoi Dong Hanh. 2013. Việt Nam trước nguy cơ thiếu hụt điện năng. [online] Available at: <https://ndh.vn/vi-mo/viet-nam-truoc-nguy-co-thieu-hut-ien-nang-1124041.html?fbclid=IwAR3n9b4G0kCveybGb_Cf3tTsGs7ZgXchVaqyp9iDxwsXZWOyhvNMcdNbwiI> [Accessed 29 July 2021].
[4] Dezeen, 2017. Pavegen’s floor tiles power the city with footsteps. [image] Available at: <https://www.dezeen.com/2017/10/27/movie-mini-living-pavegen-flooring-system-power-future-smart-cities-video/> [Accessed 29 July 2021].
[5] VnExpress International – Latest news, business, travel and analysis from Vietnam. 2021. HCMC imposes another 15-day social distancing – VnExpress International. [online] Available at: <https://e.vnexpress.net/news/news/hcmc-imposes-another-15-day-social-distancing-4305991.html> [Accessed 26 July 2021].
[6] Rebecca Rees, J Kavanagh, A Harden, J Shepherd, G Brunton, S Oliver, A Oakley, 2006. Young people and physical activity: a systematic review matching their views to effective interventions, Health Education Research, Volume 21, Issue 6, Pages 806–825, https://doi.org/10.1093/her/cyl120
[7] Cdc.gov. 2021. Lack of Physical Activity | CDC. [online] Available at: <https://www.cdc.gov/chronicdisease/resources/publications/factsheets/physical-activity.htm> [Accessed 26 July 2021] [8] vnexpress.net. 2021. Nhiều trẻ Việt Nam lười vận động, nghiện game. [online] Available at: <https://vnexpress.net/nhieu-tre-viet-nam-luoi-van-dong-nghien-game-3949244.html> [Accessed 26 July 2021].
[9] Science News. 2021. Social distancing comes with psychological fallout. [online] Available at: <https://www.sciencenews.org/article/coronavirus-covid-19-social-distancing-psychological-fallout> [Accessed 26 July 2021].
[10] Moit.gov.vn. 2021. [online] Available at: <https://moit.gov.vn/phat-trien-ben-vung/phat-trien-cac-nguon-nang-luong-tai-tao-la-dinh-huong-nhat-q2.html> [Accessed 26 July 2021].
[11] British Chambers of Commerce, 2021. Vietnam Renewable Energy Report January 2021. Available at <https://britchamvn.com/wp-content/uploads/2021/02/BritCham-Vietnam_Renewable-Energy-Sector-Briefing-2021.pdf>.
[12], Chandrasekaran, Sundaram & Bowen, Chris & Roscow, James & Zhang, Yan & Dang Dinh, Khoi & Kim, Eui & Misra, R.D.K. & Deng, Libo & Chung, Jin Suk & Hur, Seung. (2018). Micro-scale to nano-scale generators for energy harvesting: Self powered piezoelectric, triboelectric and hybrid devices. Physics Reports. 792. 10.1016/j.physrep.2018.11.001.
[13] Yoon, Hong-Joon & Ryu, Hanjun & Kim, Sang-Woo. (2018). Sustainable Powering Triboelectric Nanogenerators: Approaches and the Path towards Efficient Use. Nano Energy. 51. 10.1016/j.nanoen.2018.06.075.

 

Hãy bình chọn để ủng hộ nhóm dự án! Thời hạn bình chọn đến hết ngày 7/7/2021
299 votes
Bình chọnKết quả
Tham gia nhóm thảo luận với S&IP ngay tại: