CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN 1. Truyền năng lượng không dây Định nghĩa: Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT(Wireless Power Transmitter) là quá trình truyền năng lượng trong một dạng nào đó xảy ra trong một môi trường xác định, ở đó năng lượng được truyền dẫn theo một hướng từ một nguồn năng lượng đến một tải tiêu thụ mà không cần dây dẫn[1]. Truyền năng lượng không dây khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (như Radio, TV, Radar,…) ở đó thông tin ở phía máy phát tuy có lớn (cỡ W,kW) nhưng được truyền đi mọi hướng, tín hiệu có thể được nằm trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở phía thu thường rất nhỏ (cỡ vài nW đến vài μW) sau đó được mô đun thu xử lý khuếch đại để phục hồi lại thông tin ban đầu. Còn trong lĩnh vựa truyền năng lượng không dây thì truyền có định hướng, mật độ năng lượng và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, ở đây tín hiệu mang năng lượng thường chỉ tồn tại ở một tần số.
Lịch sử hệ thống truyền năng lượng không dây[5] - Năm 1891, Nikola Tesla là một trong những người đầu tiên đưa ra ý tưởng truyền năng lượng không dây và ông đã chứng minh ý tưởng của mình bằng việc thắp sáng không dây cho các bóng đèn huỳnh quang tại triển lãm Chicago vào năm 1893. - Năm 1961, Brown đã đăng bài báo đầu tiên đề xuất việc truyền năng lượng bằng vi ba. Năm 1964, ông đã trình diễn mô hình máy bay trực thăng thu năng lượng từ chùm tia vi ba để bay ở tần số 2. - Năm 2001, công ty Splashpower ở Anh đã sử dụng các cuộn dây cộng hưởng trong một mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị khác nhau bao gồm đèn chiếu sáng, thiết bị di động,… - Năm 2004, phương thức truyền công suất cảm ứng đã được sử dụng rộng rãi, doanh thu đạt 1 tỷ USD đối với các lĩnh vực bán dẫn, LCD và chế tạo màn hình Plasma.
- Năm 2007, nhóm của giáo sư Marin Soljacic ở MIT đã truyền năng lượng không dây để thắp sáng một đèn điện 60W với hiệu suất 40% ở khoảng cách 2 mét. - Năm 2008, Intel đã lặp lại các thí nghiệm của Tesla trong năm 1894 và của giáo sư John Boys trong năm 1988 bằng cách cấp điện không dây cho một bóng đèn ở cự ly gần với hiệu suất 75%. 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Năm 2010, tập đoàn Haier biểu diễn TV màn hình LCD hoàn toàn không dây đầu tiên trên thế giới tại hội trợ CES 2010. - Tháng 3/2015, các nhà khoa học Nhật Bản đã thử nghiệm dùng sóng vi ba công suất 1.8kW, đủ để chạy một ấm đun nước điện qua không khí tới mục tiêu chỉ định ở khoảng cách 55 mét.
Đặc điểm chung của hệ thống - Truyền năng lượng không dây có thể được phân chia thành hai loại chính: o Truyền năng lượng không dây dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ hay cảm ứng từ. Phương pháp này được ứng dụng phổ biến trong các ứng dụng truyền tải năng lượng tiệm cận không tiếp xúc. o Truyền năng lượng không dây dựa trên hiệu ứng sóng điện từ. Năng lượng được truyền đi theo các chùm tia năng lượng có mật độ công suất lớn hay còn được gọi là chùm tia công suất cao (high power beam).
Chùm tia này di chuyển trong không gian theo hiện tượng sóng điện từ. Tùy vào các ứng dụng cụ thể, khoảng cách truyền có thể thay đổi từ vài mét đến vài chục hay hàng nghìn km. Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây Hình 1.1: Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây. - Đầu tiên, ở bên phát, năng lượng điện được chuyển hóa thành sóng vi ba thông qua bộ tạo dao động, qua các tầng khuếch đại rồi đưa đến anten để truyền đi.
- Ở nơi nhận, sóng vi ba được thu bởi anten rồi qua bộ lọc phối hợp trở kháng lấy tín hiệu có ích, tín hiệu này được đưa đến bộ chỉnh lưu để chuyển hóa từ năng lượng sóng vi ba thành năng lượng một chiều, năng lượng này chính là năng lượng dùng cho các thiết bị dân dụng thông thường. Anten thu bao gồm 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cả nhận sóng vi ba và chỉnh lưu gọi là Rectenna. Rectenna nhận sóng vi ba chuyển đổi thành năng lượng điện và sau đó hòa vào mạng lưới. - Với nguyên lý hoạt động như vậy, hệ thống truyền năng lượng không dây có thể được ứng dụng cho hệ thống truyền năng lượng từ vệ tinh với khoảng cách hàng chục nghìn mét.
Các tấm pin mặt trời ngoài không gian lấy năng lượng mặt trời rồi chuyển đổi thành điện năng, năng lượng điện năng sẽ được chuyển hóa thành năng lượng sóng siêu cao tần truyền về Trái Đất. Trên mặt đất, các trạm thu nhận sóng siêu cao tần rồi chuyển hóa năng lượng của chúng thành năng lượng điện một chiều dùng cho các ứng dụng sinh hoạt hang ngày. Tổng hợp các nghiên cứu phần phát của WPT[11]. Bộ phát sóng siêu cao tần công suất lớn trong WPT là thành phần quan trọng nhất.
Các bộ phát phải gọn nhẹ nhằm mục đích giảm giá thành và hiệu suất cao để giảm ảnh hưởng về nhiệt. Linh kiện bán dẫn ngày càng nhỏ gọn và nhẹ. Các bộ khuếch đại bán dẫn có thể trở thành nhân tố làm giảm giá thành của hệ thống với nhiều mức yêu cầu về công suất. Điều này thể hiện qua việc công suất của hệ thống được tổ hợp qua các mô đun riêng lẻ.
Qua tổng hợp các công trình đã công bố cho thấy các công trình nghiên cứu về bộ phát ứng dụng cho WPT còn ít, trong khi đó các công trình nghiên cứu sử dụng cho hệ thống thông tin đã phát triển nhiều và có nhiều thành công. Tuy nhiên, chúng ta không thể áp dụng hoàn toàn kết quả này cho hệ thống WPT bởi vì những khác biệt cơ bản sau: o Với WPT vấn đề hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng điện một chiều thành sóng siêu cao tần là quan trọng nhất. o Hệ thống WPT đòi hỏi công suất phát lớn, độ định hướng cao dẫn đến phải xây dựng các anten mảng pha. Như vậy, chúng ta cũng cần phải thiết kế mạch khuếch đại có công suất lớn và anten mảng có độ định hướng cao.
o Ổn định nhiệt cho hệ thống cũng là một yêu cầu quan trọng được đặt ra khi thiết kế bộ phát cho WPT. Mặt khác, hầu hết các công trình chỉ tập trung vào việc nghiên cứu phần khuếch đại công suất mà chưa đi sâu vào các thành phần khác của tuyến phát như: mạch khuếch đại đệm, mạch khuếch đại công suất, antenna phát cũng như các thành phần của bộ thu như antenna thu, mạch lọc, mạch chỉnh lưu, mạch phối hợp trở kháng. Từ đó, luận văn đề xuất xây dựng các thành phần của tuyến phát-thu năng lượng sóng siêu cao tần cho hệ thống truyền năng lượng không dây ứng dụng cho việc sạc điện thoại di động, cụ thể gồm: thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại đệm, mạch khuếch đại công suất, anten thu – phát, bộ chỉnh lưu. Trong đó, nghiên cứu đề 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com xuất giải pháp phối hợp trở kháng dải rộng, kết hợp việc thay đổi thang trở và dùng phần tử tập trung đặc trưng cho hệ thống khuếch đại công suất dùng cho hệ thống truyền năng lượng không dây cũng như có thể ứng dụng cho hệ thống truyền thông tin hoạt động trong băng tần S.
Tìm hiểu Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2] - Trong các hệ thống thu phát năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần, các anten đóng vai trò vô cùng quan trọng trong khía cạnh định hướng năng lượng nên anten ảnh hưởng rất lớn đến hiêu suất thu phát của cả hệ thống. - Vì vậy, với hệ thống WPT, chúng ta phải sử dụng anten mảng vi dải nhiều phần tử để điều chỉnh chính xác chùm tia vi ba. Anten mảng nhiều phần tử là loại anten định hướng, nó có thể điều khiển hướng của chùm tia vi ba. - Anten mảng là một loại anten thuộc loại anten thông minh mới phát triển trong những thập niên gần đây.
- Gồm nhiều anten phần tử cùng loại được sắp xếp theo một quy tắc nhất định nhằm mục đích nâng cao độ định hướng của anten.2: Anten mảng vi dải nhiều phần tử. 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tổng hợp các nghiên cứu về Rectenna[8] 1. Rectenna - Rectenna là một từ ghép của từ Rectifier và từ Antenna.
Đây là một thuật ngữ xuất hiện trong nửa cuối thế kỉ 20. Thuật ngữ này mô tả công nghệ sử dụng cho phương pháp truyền năng lượng không dây mà ở đó tại thiết bị thu sử dụng các anten để thu năng lượng tín hiệu sóng điện từ sau đó được chuyển đổi dạng năng lượng từ năng lượng sóng điện từ sang năng lượng dòng điện một chiều DC. Các nghiên cứu về rectenna - Rectenna công suất lớn cho hệ thống truyền năng lượng không dây khoảng cách gần là chủ đề được rất nhiều nhà khoa học trẻ quan tâm trong những năm gần đây. Có nhiều cách tiếp cận bài toán này: o Sử dụng các bộ lọc LC cho phía phát là cách tiếp cận nâng cao hiệu suất và công suất của hệ thống truyền năng lượng không dây khoảng cách gần.
Với phương pháp này tác giả đã đạt được hiệu suất 73% và công xuất đạt 2. Đây là công bố của tác giả Kazuya và Kan Akatsu trên tạp chí khoa học IEEE 2017 chủ đề Wireless Power Transmitter. o Một số tác giả Ding Binh Lin, His Tseng Chou, Jui-Hung và Yu-Lin Cheng đi theo hướng phân tích các đặc điểm ứng xử của sóng điện từ trong trường gần, từ đó tối ưu thiết kế anten thu và phát để nâng cao hiệu suất truyền năng lượng. Hướng đi này cũng đã đạt được một số kết quả khá khả quan.
o Một số các nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu suất phía phát. Tập trung nâng hiệu suất của bóng khuếch đại để làm tang hiệu suất tạo chùm tia năng lượng công suất lớn cho phép truyền năng lượng đi hiệu quả hơn. - Tóm lại, các thiết kế trên để đáp ứng tăng mức công suất truyền tải đều phải yêu cầu tăng kích thước và số lượng các bộ rectenna. Một điểm hạn chế nữa đó chính là sự giới hạn về mức công suất của từng đơn vị rectenna sẽ không thể vượt qua ngưỡng 30dBm mà hiệu suất vẫn đảm bảo cao.
14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 2. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần 2.