Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY

Tải bản đầy đủ - 0trang

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



một dòng điện xoay chiều chạy qua, nó tạo ra một từ trường và liên kết cộng hưởng với

cuộn thứ hai, do đó cảm ứng ra một dòng điện. Nhóm của MIT khẳng định rằng dòng

điện này có thể thắp sáng bóng đèn với hiệu suất chuyển tải tới 40%, đúng như lý

thuyết của họ đã giả định (hình 1.1)



Hình 1. 1 Ảnh chụp thí nghiệm với 2 cuộn ăng ten cộng hưởng thắp sáng một bóng

điện

Mặc dù ăng ten được sử dụng ở đây có đường kính lớn tới nửa mét, nhưng

Soljacic cùng các cộng sự nói rằng có thể tạo ra hệ thống với kích thước nhỏ hơn nhiều

để sử dụng cho các thiết bị di động cầm tay mà không gây ra các cản trở về mặt kích

thước cồng kềnh.

Katie Hall là một tiến sỹ và hiện giờ bà là Giám đốc Công nghệ tại WiTricity –

một công ty mới thành lập chuyên phát triển công nghệ cộng hưởng không dây.

WiTricity xây dựng một “bộ cộng hưởng nguồn” – một cuộn dây điện phát ra từ

trường khi có điện. Nếu có một cuộn dây khác được đưa lại gần, sẽ có điện tích được

tạo ra, mà khơng cần đoạn dây nào cả.



6



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



“Khi bạn mang một thiết bị vào từ trường, nó tạo ra một dòng điện trong thiết bị,

và bằng cách đó bạn có thể truyền điện”, Tiến sỹ Hall giải thích. Chính vì thế, bóng đèn

trong thí nghiệm trên đã bật sáng.

Các kết quả này được công bố trên Science Express số ngày 07/6/2007.

Hiện nay, doanh thu cho truyền và nạp điện không dây trường gần lên tới trên 1

tỷ USD, nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại MIT, vấn đề này mới được

nghiên cứu mạnh mẽ, nhiều công ty lớn như Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tư và

đạt được rất nhiều kết quả. Việc nghiên cứu nạp năng lượng không dây cơng suất nhỏ

đang có những khám phá độc đáo. Ấn tượng nhất tại Hội chợ truyền thông CES 2010,

là thiết bị sạc điện thoại bằng sóng WIFI có tên gọi là RCA Airnergy. Thiết bị RCA

Airnergy đã sạc đầy điện thoại BlackBerry với 90 phút. Đây dường như là sản phẩm

tiên phong lĩnh vực sạc, truyền dẫn điện không dây. RCA Airnergy sẽ được ra mắt vào

mùa hè năm nay với giá của bộ sạc khoảng 40 USD và cục pin để lưu trữ năng lượng.

Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trường xa đã được quan tâm

mạnh từ những năm 1973, sau patent của Glaser Peter dùng chùm tia vi ba hay laser

công suất cao để truyền công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO trên vũ trụ về mặt

đất. Ví dụ như các dự án năng lượng mặt trời của Xenotech Research đã xây dựng một

trạm năng lượng mặt trời trên quỹ đạo, triển khai hoạt động vào tháng 10/2010. Dự án

sản xuất điện năng công suất 1 GW 9/2009, Nhật Bản đã triển khai xây dựng một nhà

máy điện năng lượng mặt trời tại quỹ đạo GEO, công suất 1 GW, truyền về Trái đất

băng tia vi ba và laser, dự kiến hoạt động vào năm 2030 để thay thế dần cho năng lượng

hạt nhân.

1.2.2. Một số kết quả nghiên cứu truyền năng lượng không dây trong nước

Việc nghiên cứu truyền năng lượng không dây được triển khai ở Việt nam

khoảng đầu những năm 2000, bắt đầu từ nhóm nghiên cứu do GS.TSKH Đào Khắc An,

Viện Viện Viện Khoa học và công nghệ Việt nam lãnh đạo với đề tài: “Nghiên cứu tiếp

cận các giải pháp KHCN thu nhận biến đổi và truyền năng lượng mặt trời từ vũ trụ về

7



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



mặt đất” thuộc Chương trình Khoa học Vũ trụ Việt nam, thực hiện trong giai đoạn

1/2009 - 12/2010. Trong giai đoạn 2013-2015 nhóm nghiên cứu lại tiếp tục thực hiện đề

tài “Nghiên cứu mơ phỏng bài tốn truyền năng lượng khơng dây và chế tạo thử nghiệm

hệ thiết bị truyền năng lượng bằng chùm tia vi ba cơng suất cao” thuộc Chương trình

Khoa học Vũ trụ Việt nam. Nhóm nghiên cứu đã có nhiều bài báo khoa học đăng trên

các tạp chí uy tín trong nước và trên thế giới.

Tại Trường đại học Bách khoa Hà nội, việc nghiên cứu truyền tải và nạp năng

lượng không dây được thực hiện trong vài năm gần đây. Nhóm nghiên cứu do TS. Lâm

Hồng Thạch phụ trách đã hợp tác nghiên cứu với nhóm nghiên cứu do GS.TSKH Đào

Khắc An, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam lãnh đạo. Nhóm đã nghiên cứu mơ

phỏng bài tốn truyền năng lượng khơng dây và tham gia chế tạo thử nghiệm hệ thiết bị

truyền năng lượng bằng chùm tia vi ba cơng suất cao ở quy mơ phòng thí nghiệm có

cơng suất nhỏ, cùng với GS.TSKH Đào Khắc An thực hiện Đề tài thuộc Chương trình

Khoa học Vũ trụ Việt Nam, giai đoạn 2013 – 2016.

1.3.



Giới thiệu các phương pháp truyền năng lượng không dây



1.3.1. Truyền năng lượng bằng phương pháp cảm ứng điện từ

Theo định luật Farađây về cảm ứng điện từ, độ lớn của dòng điện cảm ứng phụ

thuộc vào tốc độ biến thiên của từ trường và chiều của dòng điện phụ thuộc vào độ

tăng hay giảm của từ trường đó.

Ta đặt hai cuộn dây gần nhau như thể hiện trong hình dưới đây:



8



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Hình 1. 2 Truyền điện không dây trường gần nhờ cảm ứng điện từ

Dòng điện đi qua cuộn dây (cuộn phát) tạo nên trường điện từ lan truyền qua

không gian xung quanh, cuộn dây thứ hai (cuộn thu) gắn tải (ví dụ bóng đèn chẳng

hạn) cảm ứng điện trường này sinh ra dòng điện để thắp sáng.

Nguyên lý cảm ứng điện từ cộng hưởng:

Trên hình 1.2, khi di chuyển hai cuộn dây ra xa nhau, hiệu suất truyền sẽ giảm

mạnh. Đó là lý do tại sao hai cuộn dây phải được đặt đủ gần nhau. Tuy nhiên, nếu cuộn

dây phát và thu có cùng tần số cộng hưởng, được xác định bởi các vật liệu và hình

dạng của các cuộn dây, hiệu suất truyền sẽ giảm ít hơn rất nhiều khi họ di chuyển hai

cuộn dây ra xa nhau. Hiện tượng này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền năng

lượng khơng dây.

Hình 1.3 là hình ảnh cuộn dây trong hệ cảm ứng cộng hưởng điện từ. Trên hình

ta thấy để truyền điện qua khoảng cách xa hơn mà ít tổn thất năng lượng, người ta đưa

thêm tụ điện ở hai cuộn dây phát và thu để tạo thành mạch cộng hưởng. Tần số cộng

hưởng được xác định bởi điện dung của tụ điện và điện cảm của cuộn dây. Một cuộn

phát có thể cấp nguồn (điện) cho nhiều cuộn thu (cùng tần số cộng hưởng). Nếu cuộn

thu không cùng tần số cộng hưởng, khơng có việc truyền điện



9



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Hình 1. 3 Hiện tượng cộng hưởng cảm ứng

1.3.2. Phương pháp truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia viba và chùm

tia la de

Trong phương pháp sử dụng chùm tia vi ba, năng lượng sóng siêu cao tần

truyền từ ăng ten phát đến ăng ten thu trong một búp sóng rất hẹp với mong muốn

hầu như toàn bộ năng lượng bức xạ từ ăng ten phát sẽ đến được ăng ten thu nhằm

đạt được hiệu suất truyền cao nhất. Sơ đồ một hệ thống truyền năng lương không

dây sử dụng chùm tia vi ba được mơ tả trên hình 1.5



Hình 1. 4 Sơ đồ một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia vi ba



10



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Trong phương pháp sử dụng chùm tia la de, nguyên tắc tương tự, chỉ khác

bước sóng, năng lượng sóng ánh sáng truyền từ ăng ten phát đến ăng ten thu trong

một búp sóng rất hẹp.

1.3.3. Sơ đồ khối một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia viba

Một hệ thống truyền năng lương không dây sử dụng chùm tia vi ba phải bao

gồm các khối sau:

-



Khối tạo dao động cao tần, từ nguồn một chiều DC hay nguồn xoay chiều AC

Ăng ten phát, để có được hệ số định hướng cao ăng ten phát phải có diện tích

hiệu dụng lớn (ăng ten bức xạ mặt) hoặc có nhiều phần tử (Ăng ten mảng MxN

phần tử). Đây là yếu tố rất quan trọng trong hệ thống.



- Đường truyền năng lượng sóng điện từ qua khơng gian

- Ăng ten thu có kết hợp mạch chỉnh lưu (rectenna) để chuyển năng lượng cao tần

thu được trở về một chiều.

Sơ đồ khối một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia vi ba

được vẽ trên hình 1.5



Chuyển đổi nguồn một chiều

DC sang cao tần RF

( DC - to – RF transmitter )



Nguồn cao tần

( RF source)



Ăng ten

phát

( Transmiter

antenna )



Truyền qua không gian

( Free space channel

transmission)



Thu, chuyển đổi tín hiệu cao tần

RF thành nguồn một chiều DC

( RF – to – DC receiver )



Chùm tia RF

định hướng

( Directed

beam )



Ăng ten thu

( Receiver

antenna )



Mạch chỉnh

lưu

( Rectifier

circuit )



Hình 1. 5 Sơ đồ khối một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia vi

ba

1.4.



Hiệu suất truyền sóng vi ba. Vai trò của ăng ten



11



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Công suất của sóng điện từ được truyền từ ăng ten phát đến ăng ten thu.



Ở đây :



Pr là công suất nhận được trên ăng ten thu

Pt là công suất bức xạ của ăng ten phát

Ar là diện tích hiệu dụng của ăng ten thu

At là diện tích hiệu dụng của ăng ten phát

λ là bước sóng của sóng vi ba

D là khoảng cách giữa phát và thu



Chúng ta sử dụng thơng số τ dưới đây để tính tốn cơng suất thu hoặc hiệu suất

chùm tia η [5].

2 







At Ar

( D ) 2



2

Pr

 1  e

Pt



(1.2)

(1.3)



Phương trình (1.3) là một phương trình gần đúng [5].

Từ phương trình(1.2), chúng ta có thể thấy rằng thông số τ2 chỉ hiệu suất chùm

tia được tính bằng phương trình (1.1). Phương trình (1.2) chỉ ra rằng, đối với khoảng

cách và tần số cho trước, để nâng cao hiệu suất chùm tia thì chúng ta cần phải sử dụng

ăng ten có khẩu độ lớn. Hiệu suất chùm tia trong trường xa và trong trường gần sử dụng

thơng số τ được thể hiện trên hình 1.6.



12



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Hình 1. 6 Hiệu suất chùm tia sử dụng thông số τ

Chúng ta có thể tăng hiệu suất chùm tia đến gần 100% với τ > 2 trong trường

gần. Lý thuyết này không phụ thuộc vào công suất. Khi khoảng cách giữa ăng ten phát

và ăng ten thu ngắn thì τ lớn hơn.

Các cơng thức 1.1 và 1.2 cho thấy vai trò quan trọng của ăng ten thu phát (xét cả về

kích thước và tính định hướng) trong việc nân cao hiệu suất suất truyền công suất không



dây sử dụng chùm tia vi ba

Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi từ nguồn một chiều sang sóng vi ba tần số cao

(DC-RF) và ngược lại (RF-DC) giảm ở các tần số cao hơn. Chính vì vậy, tổng hiệu suất

của hệ truyền cơng suất khơng dây bằng sóng vi ba được tính xấp xỉ khoảng 50% bao

gồm các hiệu suất chuyển đổi DC-RF, hiệu suất chùm tia, hiệu suất hấp thụ của ăng ten

thu và hiệu suất chuyển đổi RF-DC của mạch chỉnh lưu công suất.

1.5.



Kết luận

Trong chương 1 luận văn đã trình bày các vấn đề chung về truyền cơng suất



khơng dây, qua đó nhận thấy phương pháp tuyền năng lượng không dây sử dụng chùm

tia viba rất phù hợp với yêu cầu truyền định hướng để đạt được hiệu suất truyền năng

lượng cao.



13



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Với lựa chọn phương án truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia Viba,

thì trong chương 2 dưới đây luận văn sẽ trình bày về lý thuyết ăng ten nói chung và

ăng ten loa nói riêng, nêu rõ ăng ten loa đáp ứng yêu cầu nâng cao hiệu suất truyền

công suất không dây sử dụng chùm tia vi ba.



14



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĂNG TEN VÀ ĂNG TEN LOA

2.1. Một số thông số kỹ thuật cơ bản của ăng ten

2.1.1. Miền bức xạ của ăng ten (Field Regions)

Không gian bao quanh một ăng ten thường được chia thành hai miền chính:

-



Miền trường gần (Near field): gồm vùng khơng bức xạ và vùng bức xạ (Fresnel)



-



Miền trường xa (Far field)



Hình 2. 1 Vùng bức xạ của ăng ten

Miền trường gần (Near field) tập trung phần lớn năng lượng dao động tạo ra từ ăng

ten mang tính chất điện kháng, năng lượng sóng tỏa ra được giữ ngun cơng suất và

khơng có năng lượng tiêu tán. Giới hạn của vùng này thể hiện ở biểu thức:

R  0, 62



D3







(2.1)



ở đây, R khoảng cách tính từ bề mặt ăng ten, D là kích thước lớn nhất của ăng ten,







bước sóng trong khơng gian tự do.

Vùng Fresnel là vùng giữa miền trường gần và miền trường xa, năng lượng có tính

lan truyền nhưng ít phân tán, biên ngoài cùng cho miền này là:



15



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



R2



D2







(2.2)



Miền trường xa (Far field) là vùng bức xạ, năng lượng lan truyền theo một búp

sóng chính và một số búp sóng phụ (phân tán ra khơng gian).

Truyền năng lượng khơng dây sử dung chùm tia vi ba thường được tính tốn trong

vùng này để có hiệu suất truyền cao, vì vậy kích thước của ăng ten (đường kính D) có

vai trò quan trọng.

2.1.2. Búp sóng (Lobe)

Búp sóng là độ rộng của tín hiệu cao tần mà ăng ten phát ra. Búp sóng của trường

bức xạ thường được phân loại như sau: búp sóng chính (mainlobe), búp sóng phụ

(sidelobe), búp sóng phía sau (backlobe). Búp sóng được biểu diễn ở (hình 2.2).



Hình 2. 2 Búp sóng của ăng ten

-



Búp sóng chính (Mainlobe): chứa phương hướng sự bức xạ cực đại của ăng ten.



-



Búp sóng phụ (Sidelobe) là tồn bộ những búp sóng khác ngồi búp sóng chính.

Những búp sóng này có phương hướng bức xạ rất nhỏ, đây là những hướng bức

xạ khơng mong muốn.



-



Búp sóng sau (Backlobe): ngược hướng 180 với búp sóng chính.



16



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×