CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN KHÔNG DÂY 1.1 Các dạng nguồn năng lượng mới 1.1 Năng lượng nam châm và nam châm đất hiếm 1.1 Các điểm đặc trưng của nam châm vĩnh cửu Nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng và có khả năng giữ từ tính không bị mất từ trường, được sử dụng như những nguồn tạo từ trường. Các đặc tính: Các đại lượng của nam châm vĩnh cửu xuất phát từ đường cong từ trễ, là các thông số đặc trưng của các chất sắt từ nói chung, của vật liệu từ cứng nói riêng và các thông số khác được quan tâm chủ yếu gồm: • Lực kháng từ Lực kháng từ của nam châm vĩnh cửu phải đủ lớn để không bị khử từ bởi các từ trường ngoài, khả năng lưu trữ từ trường của nam châm càng lớn khi lực kháng từ càng lớn. Các nam châm vĩnh cửu phổ biến hiện nay có lực kháng từ từ 1000 Oe đến vài chục ngàn Oe. • Từ dư Là giá trị từ độ còn giữ được khi ngắt từ trường (H = 0), thường được ký hiệu là Mr hoặc Ir.
Từ dư không phải là thông số mang tính chất nội tại của vật liệu mà chỉ là thông số dẫn xuất, phụ thuộc vào các cơ chế từ trễ, các phương từ hoá, hình dạng vật từ. Tỉ số giữa từ dư và từ độ bão hòa Mr/Ms được gọi là từ độ rút gọn hoặc hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ. • Tổn hao năng lượng trễ Là diện tích đường cong từ trễ, là năng lượng tiêu tốn cần thiết cho một chu trình từ trễ. • Tích năng lượng từ cực đại -8- Nguyên cứu nguồn năng lượng mới và truyền tải điện không dây Là năng lượng từ lớn nhất có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ, liên quan đến khả năng sản sinh từ trường của vật từ, thường là tham số kỹ thuật của các nam châm vĩnh cửu và vật liệu từ cứng.
Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong khử từ B(H) trong góc 1/4 thứ 2, là điểm có giá trị tích B. Tích năng lượng từ là tham số dẫn suất, phụ thuộc vào các tính chất từ nội và hình dạng của vật liệu, thường mang ý nghĩa ứng dụng trong các nam châm vĩnh cửu và vật liệu từ cứng. • Nhiệt độ Curie Là nhiệt độ mà tại đó các vật sắt từ bị mất từ tính và trở thành thuận từ, nhiệt độ Curie cho ta biết khả năng hoạt động của nam châm trong điều kiện nhiệt độ cao hay thấp, có những nam châm có nhiệt độ Curie khá thấp (ví dụ như nam châm Nd2Fe14B có nhiệt độ Curie chỉ 312oC), nhưng cũng có những loại nam châm có nhiệt độ Curie rất cao (ví dụ hệ hợp chất SmCo có nhiệt độ Curie hàng ngàn độ, được sử dụng trong động cơ phản lực có nhiệt độ cao). Ngoài các tham số mang tính chất từ tính, các tham số khác cũng rất được quan tâm đó là độ cứng, khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa, mật độ.
Bên cạnh đó, hình dạng nam châm cũng là một tham số rất quan trọng quyết định điểm làm việc của nam châm, hình dạng nam châm quy định thừa số khử từ của vật từ và có tác động lớn đến năng lượng từ của nam châm. Phân loại nam châm the vật liệu: • Ôxit sắt Là loại nam châm vĩnh cửu đầu tiên được sử dụng dưới dạng các "đá nam châm", được sử dụng từ thời cổ đại, có ngay trong tự nhiên nhưng khi khoa học kỹ thuật phát triển loại này không còn được sử dụng do từ tính rất kém. • Thép cácbon Là loại nam vĩnh cửu được sử dụng từ thế kỷ 18 đến giữa thế kỷ 20 với khả năng cho từ dư tới hơn 1 T, nhưng lực kháng từ rất thấp nên từ tính cũng dễ bị mất. • Nam châm AlNiCo -9- Nguyên cứu nguồn năng lượng mới và truyền tải điện không dây Là loại nam châm được chế tạo từ vật liệu từ cứng là hợp kim của nhôm, niken, côban và một số các phụ gia khác như đồng, titan., là loại nam châm cho từ dư cao (tới 1,2-1,5 T) nhưng có lực kháng từ chỉ xung quanh 1 kOe.
• Ferrite từ cứng Là loại nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các ferit từ cứng (ví dụ ferit Ba, Sr.) là các vật liệu dạng gốm. Nam châm ferit có ưu điểm là rất dễ chế tạo và gia công với giá thành rẻ và độ bền cao. Tuy nhiên, vì đây là nhóm các vật liệu ferrite từ và đồng thời có hàm lượng ôxy cao nên có từ độ khá thấp, có lực kháng từ 3 đến 6 kOe, có khả năng cho tích năng lượng từ cực đại lớn nhất không quá 6 MGOe. • Nam châm đất hiếm Là loại nam châm vĩnh cửu được tạo ra từ các vật liệu từ cứng là các hợp kim hoặc hợp chất của các kim loại đất hiếm và kim loại chuyển tiếp.
o Nam châm nhiệt độ cao SmCo Là hệ các nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ hợp chất ban đầu là SmCo5 được phát minh năm 1966 bởi tiến sĩ Karl J. Air Force Materials Laboratory có tích năng lượng từ cực đại 18 MGOe, sau đó Karl J. Strnat lại phát minh ra hợp chất Sm2Co17 có thể tích năng lượng từ tới 30 MGOe. Hệ nam châm SmCo có nhiệt độ Curie rất cao (có thể đạt tới 1100oC) và có lực kháng từ cực lớn (tới vài chục kOe).
Nhờ có nhiệt độ Curie cao và lực kháng từ lớn nên được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao. o Nam châm NdFeB (neodymium) Là hệ các nam châm dựa trên hợp chất R2Fe14B (R là ký hiệu chỉ các nguyên tố đất hiếm ví dụ như Nd, Pr.) có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác với lực kháng từ lớn (hơn 10 kOe) và từ độ bão hòa rất cao (tới 1,56 T) nên là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay với khả năng cho tích năng lượng từ tới 64 MGOe, hiện nay đã xuất hiện loại nam châm Nd2Fe14B có thể tích năng lượng từ tới 57 MGOe. Tuy nhiên, loại nam châm này lại không thể sử dụng ở nhiệt độ cao do có nhiệt độ Curie chỉ 312oC. Nam châm Nd2Fe14B lần đầu tiên được phát minh năm 1983 bởi R.
- 10 - Nguyên cứu nguồn năng lượng mới và truyền tải điện không dây Điểm yếu chung của các nam châm đất hiếm là có giá thành cao, có độ bền kém. Vì những điểm yếu này mà nam châm đất hiếm tuy là loại mạnh nhất nhưng vẫn không phải là loại được sử dụng nhiều nhất. • Nam châm tổ hợp nano Là loại nam châm mới ra đời từ đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, là loại nam châm có cấu trúc tổ hợp của 2 pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet. Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực kháng từ lớn, pha từ mềm cung cấp từ độ lớn.
Tính chất tổ hợp này có được là nhờ liên kết trao đổi đàn hồi giữa các hạt pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet. Loại nam châm này được tính toán có khả năng cho tích năng lượng từ khổng lồ hơn 3 lần so với nam châm mạnh nhất hiện nay là NdFeB nhưng sản phẩm chỉ đang trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm.2 Các mô hình năng lượng mới dùng nam châm vĩnh cửu [1] • Mô hình bởi John W. Ecklin Được cấp bằng sáng chế số 3879622 ngày 29 tháng 3 năm 1974 tại Mỹ. Bằng sáng chế cho máy phát điện động cơ nam châm vĩnh cửu có sơ đồ nguyên lý được minh họa theo hình dưới đây: Hình 1.1: Mô hình 1 cho động cơ nam châm vĩnh cửu - 11 - Nguyên cứu nguồn năng lượng mới và truyền tải điện không dây Phương pháp thứ hai được trình bày trong bằng sáng chế như sau: Hình 1.2: Mô hình 2 cho động cơ nam châm vĩnh cửu Hình 1.3: Mô hình động cơ nam châm vĩnh cửu được bởi Ecklin Brown • Mô hình bởi Howard Johnson Bằng sáng chế số 4.431 được cấp vào ngày 24 thán 04 năm 1979 tại Mỹ, cho thiết kế một động cơ nam châm vĩnh cửu.
Mô hình của động cơ được thể hiện dưới đây: Hình 1.4: Mô hình động cơ nam châm vĩnh cửu bởi Howard Johnson - 12 - Nguyên cứu nguồn năng lượng mới và truyền tải điện không dây • Mô hình “Robert Tracy Magnet Motor” Robert Tracy được trao bằng sáng chế số 3.653 vào ngày 21 tháng 11 năm 1972 tại Mỹ. Thiết bị sử dụng các lá chắn từ đặt giữa các cặp nam châm vĩnh cửu và được kích hoạt tại điểm thích hợp trong chuyển động quay của trục động. Sơ đồ nguyên lý được minh họa như sau: Hình 1.5: Mô hình động cơ nam châm vĩnh cửu Robert Tracy • Mô hình “Ben Teal Motor” Bằng sáng chế số 4093880 cấp vào tháng 06 năm 1978: Hình 1.6: Mô hình động cơ nam châm vĩnh cửu Ben Teal - 13 - Nguyên cứu nguồn năng lượng mới và truyền tải điện không dây • Mô hình “Magnet Charles Flynn’s Motor” Bằng sáng chế số 5.474 cấp ngày 03 tháng 10 năm 1995 tại Mỹ. Sáng chế ứng dụng sử dụng cuộn dây tạo nên lá chắn từ để tạo ra mô-men quay, cấu trúc mô hình được minh họa theo các hình dưới đây: Hình 1.7: Mô hình động cơ nam châm vĩnh cửu Charles Flynn • Mô hình động cơ nam châm vĩnh cửu của Muammer Yildiz Bằng sáng chế số EP 2153515 cấp vào ngày 17 tháng 2 năm 2010, được chứng minh tại trường đại học Ha Lan, đoạn video trình diễn đặt tại: http://pesn.com/2010/04/22/9501639 Yildiz demonstrates magnet motor at Delft University/ Hình 1.8: Mô hình động cơ nam châm vĩnh cửu Muammer Yildiz được trình diển tại Hà Lan - 14 - Nguyên cứu nguồn năng lượng mới và truyền tải điện không dây • Mô hình “ Motionless Electromagnetic Generator” (MEG) Bằng sáng chế số 6362718 bởi Patrick Stephen L.
cấp ngày ngày 26 tháng 3 2002 tại Mỹ.9: Mô hình máy phát điện tĩnh • Mô hình “Prerendev Magnet Motor” Được cấp bằng sáng chế số WO 2006/045333 cấp ngày 27 tháng 10 năm 2004 tại Mỹ.10: Mô hình động cơ nam châm vĩnh cửu Prerendev - 15 - Nguyên cứu nguồn năng lượng mới và truyền tải điện không dây 1.2 Năng lượng môi trường[1] Năng lượng môi trường bao gồm các dạng năng lượng như năng lượng bức xạ từ mặt trời, năng lượng bức xạ từ các hành tinh chuyển động và năng lượng vũ trụ. Bên cạnh bức xạ năng lượng dưới các dạng khác, các vòng đai xung quanh mặt trời tồn một dạng năng lượng khác dưới dạng điện áp rất cao, nên giữa mặt trời và trái đất tồn tại một trường thế.