Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật nạp năng lượng sử dụng sóng Điện từ

£2 Chwemg 1: Co sở truyền năng lượng sử đụng sóng điện từ “Trong mồi trường không tán sắc các hằng số không phụ thuộc vào tần số của sóng điện từ, và đẳng hướng không biển đổi đối với ph

1.2 Cursé ly thnyét séng dign tir - 10

1.3 Các đặc điểm và tỉnh chất của sóng điện từ -.14

1.5 Kết luận chương HH HH HH TH H1 He gưc we lB

CHUONG 2: CÁC PHƯƠNG 3 PHÁP T TRUYÊN NĂNG LƯỢNG SỬ DỰNG

2.1 Nội dung nghiên cứu HH Hee wa 19

2.2 Giới thiệu về truyền năng lượng không d day va lich str phat triển 19 2.3, Khái niệm va đặc điểm trường gần, trưởng xa 23

3⁄4 Một số phương pháp truyền năng lượng không đây ở trường gần và

2.4.1 Phương pháp liên kết căm ứng từ à cv -8 2.4.2, Truyền năng lượng bằng phương pháp cắm tre điện từ 29 2.4.3 Mét sé img dựng của truyền năng lượng trường gần 33

28 Truyều nàng lượng không đây với trường xa - 34 3.5.1 Công nghệ chùm tia công suất, khoảng cách truyền và biệt 34 2.5.3 Công nghệ truyền năng lượng bằng chùm tỉa Laser công suất dao 36

3.3 Mạch cộng hưởng LỮ oosnHernH re reere 42

3.4 Câu trúc và nạp nẵng lượng pinLion AT

3.5 So dd khdi va nguyên lý nạp năng lượng cho Pin 9Ö

CHƯƠNG 4: TĨNH TOÁN, THIẾT KÉ MẠCH NẠP NẴNG LUONG SỬ

4.1 Nội dung nghiên cửu e.ànnnnrrnreHeoerreiiree $

4-4 Thmết kế mạch thủ, phát ộng hướng cản img didn tie 2

4.5, Thiết kế mach nap ming Wong eccccscccsssesssssessesessessseceeessssseeesee 68

4.6 Chợn linh kiện điện tứ — 1 66

5.4 Nạp năng lượng cho điện thoại, Note PC , laptop T1

5.5, Đảnh giá hiệu suất truyển seo roi 77

5.6 Kết luận chương LH HH1 ng H1 nh Hư 1 BO

——— _—ỂỄỂỄ_—Ệ— GVHD: TS Lam Hang Thach D-2-CR AV: Trén Trong Vinh

>a Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Vector cường độ điện trường Vin

Vector mật độ dòng điện Aint

- Vector vi phân của đường cong, tiếp tuyển

đi với đường kinh C bao quanh điện tích 5 ™

Ý gòn gọi là Toán tử phan sentir: H

lao) V&% loãn tử độ xoáy cuộn cửa trường vector Tân

>a Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

DANH MỤC CÁC CHỮ VIỆT TẮT

BLF Extremely Low Frequency Tân số cực kỷ thấp

FHF Extremely High Frequency Tân số cực kì cao

GVHD: TS, Lam Hong Thạch 2-4-8 HV: Trén Trong Vink

23 Danh muc bằng biểu hình vẽ và đồ thị

DANH MUC BANG BIEU

Bang 1.1: Bang dai tan sé song dién tir str dung trong song v6 tuyén 17

Bảng 1.1 Giá trị điện dựng tụ xoay pE - 4

Bang 4.3 Giá trị tân số oông hưởng fKHz) - $6 Bang 4.4: Bang giá trị số vòng dây tương ứng giá trị cuộn cảm theo đường kính

——— _—_—_— — GVHD: TS Lam Hang Thach D-5-CR AV: Trén Trong Vinh

23 Danh muc bằng biểu hình vẽ và đồ thị

Hình 3.3: Dao động tắt dân của mạch cộng hưởng, L-Ơ

Hình 3.4: Sơ đỏ khỏi nguồn cung cấp +

Tĩnh 3.5: Sơ đẻ khối mạch phát sóng điện từr

Hình 3.6: Sơ để khối mạch tha sóng điện từ

Hình 3.7: Mô hình truyền nạp nắng lượng sỏng điện từ

Hình 3.8: Dạng sóng điện từ trưyền khi có vật cắn

Tinh 3.9: Ilình ánh nạp xả pin Lion ào vn son

Hinh 3.10: Cau tao pin Lion

Tình 3.11: Sơ để khổi mạch nạp năng lượng cho pin

Hình 4.1 Cudn cảm thiết kế theo đang đĩa tron

TTình 4.2: Mạch tạo nguồn khuếch đại dòng

TTình 4.3: Mạch cao áp tạo nguồn đao động cộng hưởng

Hình 4.4: Sơ đổ nguyên lý mạch phát sóng điện từ

Hình 4.5: Sơ đồ nguyêu lý rạch thu sóng điện từc

Hình 4.6: Sơ để nguyên lý mạch nạp năng lượng không dây

Hình 4.7 : Các tụ điện thường thấy trên thị trường,

Tình 5.1: TRnh ánh tổng thể mạch truyền năng hrợng không day

Hình 53: Máy đo tần số và biểu thị tần số bằng để thị

Hình 53: Tân số đo được khi ở vị trí công hướng

Hình 5.4: Hình ảnh máy đo diện áp, dòng điện

Tình 5.5: Tình ánh bóng đèn sáng khi khoảng cách 2 cudn day Som:

Hình 5 6: Hình ảnh bóng đèn sáng khi khoảng cách 2 cuộn dây 10cm

Hình %7: Hình ảnh bóng đến sáng khi khoảng cách 2 cuộn dây 15cm

——— _—ễ———— GVHD: TS Lam Hang Thach #a-6-QG8 AV: Trén Trong Vinh

we 3

42

23 Danh muc bằng biểu hình vẽ và đồ thị

Tlinh $8: Ilinh anh béng den sáng khi khoảng oách 2 cuộn dây 20cm 72 Hình $9: Hình ảnh bóng đến sáng khí khoảng cách 2 cuộn dây 25cm 72 Hình 5.10: Hình ảnh bóng, đèn sáng khi khoảng cách 2 cuộn dây 30cm 73 Hình 5.11: Hình ảnh bóng, đền sảng khi đặt 2 cuộn dây lệch góc 45 độ 73 Tlinh 5.12: Tình ảnh bóng đèn sáng kém khi đặt 2 cuộn dây lệch góc 85 độ 74 Hình 5.13: Hình ảnh bóng đèn sáng nhất khi công hưởng 74

Hình S14: Hình ảnh bong đèn không sảng kÌn khoảng cách 2 cuộn đây tuax 75

Hình 5.15: Hình ảnh bóng đèn sáng khi chưa đặt vật cản giữa 2 cuộn dây 75 Tlinh 5.16; Tlinh anh bong đên sảng khi đặt vật cản giữa 2 cuộn đây

Hình 5.17: Hình ảnh đỏ thị điện áp khi khoảng cách 2 cuộn dây thay đổi 79

————_— —_ỄỂỄỂỄ— GVHD: TS Lam Hang Thach #2-7-QG8 AV: Trén Trong Vinh

cội để nâng đỡ dày ở các vùng ngoại Ô

Voi mong muén tìm ra phương pháp tổi ưu cho việc truyền dẫn, con người đã kết hợp các kiến thức từ xưa, nỗ lực nghiên cứu phát uninh tìm ra

các thành tựu mới, trơng đó phải kể đến, năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng vỏ tận

Thế kỷ XX là kỷ nguyên bùng nỗ về các thành tựu khoa bọc, các phát minh về điền liên tiếp được công bổ Cho đến một ngày, người ta nhận ra, cẩn

có một phương pháp khác, dé thay thẻ việc truyền dẫn điện bằng dây, vốn

tốn tại khá lâu Với mục tiêu có thể truyền điện đi thậtxa mà không cần đây

dẫn, con người lại tiếp tục nghiên cứu để chỉnh phục những cái mới

Tại Việt Nam, nghiên cứu về truyền dẫn điên, đặc biệt là truyền điện

không dây vẫn còn là mới mé với rất nhiều người, vẫn cỏn tên tại rất nhiều oột chống đố các dây truyền dẫn Chúng ta dé dang tim thay các hình ảnh day điện chẳng chịt tại Việt Nam và một số quốc gia trong khu vực Đông Nam Á

Nhiệm vụ luận văn

Luận văn nảy giúp cho người thục biện có thể tiếp cận được các ÿ

tướng mẻ trên thẻ giới đang nghiên cứu Thông qua một mô hình nhỏ, chúng ‡a

sé nit ra cho hàn thân mỗi người một ý tưởng chung, một hưởng đi riểng

về kỹ thuật huyền tãi và nạpnắng lượng sử dụng sóng điện từ Trong giới hạn của Luận văn nay chỉ có thể tìm ra cách dễ truyền tải điện và thực hiện nạp năng lượng sử dụng sóng điện từ ở khoảng cách gần

Luận văn đặt ra các nội dùng sau:

Chương 1: Cơ sở truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

-_ Nghiên cứu cơ sở hình thánh sóng điện từ

-_ Nghiên cứu đặc tính sóng điên từ

—— _———ỄỄỂỄ— GVHD: TS Lam Hang Thach #a c8 AV: Trén Trong Vinh

» Đặt vấn dé

Chưang 2: Các phương pháp truyền năng lượng sử đựng sóng điện từ

~_ Nghiên cửu gác phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện lừ

-_ Tỉnh toản độ khả dụng chọn phương pháp truyền năng lượng khổng dây sử dung sóng điện từ để nghiên cửu

Chương 3: Truyền năng lượng sỏng điện từ sử dụng cảm ứng cộng hưởng,

-_ Nguyên cửu phương pháp truyền nàng lượng sóng điện từ sử dựng cảm ứng công hưởng

-_ Nguyên cửu cóc mạch cộng hưởng điện từ L-C

-_ Nghiên cứu mạch nạp năng lượng

Chương 4: Tính toán, thiết kẻ mạch nạp năng lượng không đây sử dụng sóng điện từ

- Thiết kế, chế tạo một máy phát, thu từ trường dùng điện nầng ở một khoảng lân số nhất định, biến đổi điện năng ấy thành từ trường phái ra

ngoài môi trường không khí

-_ Tỉnh toán thiết kế mạch nạp năng lượng không dây sứ đụng cộng hướng

Chương Š: De dac ning lượng truyền trong mạch thiết kế thực

-_ Do tản số cộng hưởng, dạng sóng cộng hưởng

-_ De điện áp máy thu theo khoảng cảch Thú phát

De thời gian và kiến hức gòn bạn chế niên vẫn có nhiều thiếu sói cản bổ sung và phát triển mơng quý thảy cô, bạn dọc đóng góp ý kiến

Tác giả xin chân thành cảm ơn quý thấy cỏ trong viện Điện tử viễn thông - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, các bạn lớp CH14A đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho đề tài này Dặc biệt tác giá xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thay giáo T44 Lâm Hằng Thạch: đã hưởng đẫn tận tỉnh cho tác giá hoàn thành để tài này

Xin chân thành cảm ơn!

Ha Nội răm 2016

————— ễ——Ễ—— GVHD: TS Lam Hang Thach BD-Y-CR AV: Trén Trong Vinh

£2 Chwemg 1: Co sở truyền năng lượng sử đụng sóng điện từ

1.1 Nội dung nghiên cửu

Trong nội dưng chương này tập chưng nghiên cửu lý thuyết cơ sở hình

thành sóng điện tle theo cic dink wal co ban Maxwell, nghiên cứu làm rố các

đặc tĩnh sóng điệu từ là tiên để khoa học mình chứng sóng điện từ có khả năng, truyền, nạp năng lượng sóng điện từ trong không gian

1⁄2 Cơ sử lý thuyết sóng điện từ

% Các luận điểm chính của Maxwell

Tận điểm thử nhất: Tại một điển bắt kỳ tong vùng không gian, nếu

có từ trường biến thiên theo thời gian thì vùng không gian đó sẽ xuất hiện điện trường xoáy

Tận điểm thứ hai: Bất kỳ một điện trưởng nào biển thiên theo thôi gian cling sinh ra một từ trường xoáy

Như vậy lý thuyết của Maxwcll cho ta thấy rằng dại một điển trong

không gian, có từ trường biến thiên theo thời gian thì vùng không gian đó sẽ xuất hiện điện trường xoáy và ngược lại Cứ như vậy, điện từ trường luôn

tổn tại đồng thời chuyên hóa lẫn nhau và lan truyền trong không gian dưới

dạng sóng, gọi là sóng điện rừ:

“> Phuong trinh Maxwell

Các phương trình Maxwell bao gồm bến phương trình, để ra bởi James Clerk Maxwell, dimg để mô tả trường điện từ cũng như những tương tác của chíng đối với vật chất Bến phương trinh Maxwell mô tả lần lượt:

vˆ Điện tích tạo ra điện trường như thế nào (định luật Gauss)

vˆ Sự không lên tại của vật chất từ tích

*⁄ Dòng điện tạo ra từ trường như thể nào (định luật Amperg)

*⁄ Từ trường tạo ra điện trường như thế nào (ãịnh luật cảm ứng Iaraday)

Tây cũng chính là nội dụng của thuyết điện từ hos Maxwell

———————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-10-G8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

£2 Chwemg 1: Co sở truyền năng lượng sử đụng sóng điện từ

Bang tém tắt các phương trình và khái niệm cho trường hợp tổng quát

Đặng phương bình Tên vi phân " Dang tích phân

Dinh luật Gauss aD p J5,- ja

Dinh ludt Gauss che tir

trường ( sự không tổn tại của | awf-0 fpas-o

tir tich) Dinh Init Faraday cho te ar [B4 2[äz

Định kật Amperef với sự bỗ vera 22 | [Hai-[jai+5 [64

+, là hệ số căm ứng điện của môi trưởng,

z„ là hệ số cám ứng từ của môi trường,

+ là hằng số điện môi cúa môi trưởng,

¿ là hằng số từ môi cúa môi trường,

Khi hai hằng số z và 2 phu thuộc vào cường độ điện trưởng và từ trường, ta

cỏ hiện tượng phí tuyến

Trong môi tường tuyến tin, veolg phân cực điện P (C/ mẽ) và vests phan

cực từ M (A/an) cho bởi:

————————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-]1-G8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

£2 Chwemg 1: Co sở truyền năng lượng sử đụng sóng điện từ

“Trong mồi trường không tán sắc (các hằng số không phụ thuộc vào tần số

của sóng điện từ), và đẳng hướng (không biển đổi đối với phép quay), & và Ji

Trong méi trường đồng đều (không biển dỗi đối với phép tịnh tiền), c

và không đổi theo không gian, và có thể được đưa ra ngoài các phép dao

hàm theo không gian

Trong môi trường chàn không hay mời tưởng tuyến tính, đổng đẳng (không biển đổi theo phép quay va phép tịnh tiến), không tán sắc, với các hằng số ø và ø„ (hiên tượng phí tuyển trong chân không vẫn tổn tại nhưng

chỉ quan sát được khi cường độ ảnh sảng vượt qua một ngưỡng rất km so với

giới hạn tuyển tính trong môi trường vật chất)

Những phương trình nảy có nghiệm dom gidn la cdc ham sin va cos mé ta

sự truyền sóng điển từ trơng chân không, vận tốc truyền sóng là:

2) Chuong 1: Cơ sở truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

By Độ điện thâm chân không 8.854x10°" Fim

Vay khi một điện tích điểm chuyên động, nó sinh ra một điện trường và một

từ trường biển thiên, lan truyền trong không gian dưới dạng sóng Đó là sóng

điện từ

Sóng điện tử là điện tử trường lan truyền trong không gian

Sỏng điện từ di chuyên hay truyền theo hướng vuông góc với hướng đao động của cả vectơ điện trường (E) vả từ trường (B), mang năng lượng

từ nguồn bức xạ đến đích ở xa vô hạn Hai trường năng lượng dao động

vuông góc với nhau (Hinh 1.1) va dao déng cimg pha theo dang song sin toan hoc Các vectơ điện trường và từ trường khéng chỉ vuông góc với

nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng

Hình 1.1 Dạng sóng điện từ truyền trong không gian

s* Nguân phát sóng điện từ

Nguồn phát sóng điện từ (còn gọi là chấn tử) rất đa dạng, có thể là bất cử vật

nao tao ra một điện trường hoặc tử trường biến thiên (tia lửa điện, dây dân điện

xoay chiều, cầu dao đóng ngắt mạch điện )

GVHD: TS Lam Hong Thach #o-]3-G8 HV: Tran Trong Vinh

2) Chuong 1: Cơ sở truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

$* Danh mục thang sóng điện tie

Sóng ngắn

Sông cục ngẫn

Ea ye

Bo ted

6 0008 a Hinh 1.2 Cac dai song dién tir

1.3 Các đặc điểm và tính chất của sóng điện từ

s* Các đặc điểm của sóng điện từ

~_ Sóng điện từ mang năng lượng,

Trường điện từ là một dạng vật chất đặc biệt phân bổ liên tục trong không

gian dưới dạng các sóng - hạt Trường điên từ mang năng lượng Năng lượng

của trường trong một thể tích V bằng tổng năng lượng điện trường va năng,

lượng từ trưởng chứa trong đó

- Song dién tir co dac tinh lan truyền

GVHD: TS Lam Héng Thach #o-]4-G8 HV: Tran Trong Vinh

£2 Chwemg 1: Co sở truyền năng lượng sử đụng sóng điện từ

s* Các tính chất của sông điện từ

Sóng điện từ có đã các tính chất của sóng cơ hợc;

~_ Chúng có thể giao thoa với nhau

2) Chuong 1: Cơ sở truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

Sóng trung là sóng điện từ có tần số trong khoảng từ 300(KHz)

+ 3000(KH2), bước sóng trong khoảng 3000(m) = 200(m).Các sóng trung

truyền dọc theo bẻ mặt của trái đất Ban ngay chúng bị tàng điện li hấp thụ

mạnh, nên không truyền được xa Ban đêm, tầng điện li phản xạ các sóng

trung nên chúng truyền được xa Vi vậy ban đêm nghe đải bằng sóng trung

rõ hơn ban ngày

Sóng cực ngắn là sóng điện từ có tần số trong khoảng từ 30 000(KHz)

~ 3 000 000(kHz), bước sỏng trong khoảng 10(m) + 0,01(m) Các sỏng cực ngắn có năng lượng lớn nhất, không bị tầng điện lì hấp thụ hoặc phản xạ, có

khả năng truyền đi rất xa theo đường thẳng, và được dủng trong thông tin vũ

trụ Võ tuyến truyền hình dùng các sóng cực ngắn, không truyền được xa

trên mặt đất Muốn truyền hình đi xa, người ta phải làm các dai tiép song trung gian, hoặc dùng vệ tỉnh nhân tạo để thu sóng của đải phát

GVHD: TS Lam Héng Thach #o-]6-c8 HV: Trân Trọng Vinh

£2 Chwemg 1: Co sở truyền năng lượng sử đụng sóng điện từ

300+ã000q„ 10° * 100K thea ULF | Chứa các lẫn số kênh thoại tiêu chuẩn

Chửa phân trên của đâi nghe được của Tân số rất tiếng nói Dũng chơ hệ thống an nĩnh,

sung - JỂm (90m | rang | ME | ưangŒ35 1605EH5) Cũng được dùng

binh cho dan đường hàng hãi va hàng không

Ding trong thông tn vô tuyển 2 chiều

củ với mục dich thông tin ở cự ly xa xuyên

Bảng 1.1: Bang dai tan số xông điện tir sit dung trong súng vô tuyên

GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-17-G8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

£2 Chwemg 1: Co sở truyền năng lượng sử đụng sóng điện từ

1.5 KẾt hận chương

Sóng điện trr được xuất phái Lừ các luận điểm vá hệ phương Maxwell

Tựa trên các đặc tính sau của sóng điện từ:

v7“ Sóng điện từ mang nàng lượng

v“ Sóng điện từ có đặc tính lan truyền

v“ Sóng điện từ có đặc tỉnh tương tác

Những đặc tính trên là cơ sở để xây dụng tiên truyền, mạp năng lượng sử

dụng sóng điện từ, cùng là nội dụng nghiện cửu các chương tiếp (heo

————————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #D-1 8-08 AV: Tran Trong Vinh

Chương 2: Câc phương phâp truyền nắng lượng sử dụng sóng điện từ

Trong nội dung chương 2 tập chung ngÌ1Ín cứu sự khâc Diệt uruyền TH

lượng sử dụng sóng điện từ với truyền thông t1 Nghiền cứu câc phương phâp

truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ Tính toăn độ khâ dụng chọn phương phâp truyền năng lượng sóng điện từ hằng cảm ứng cộng hưởng để nghiín cửu

chương tiếp thờo,

2.2 Giữi thiệu về truyền năng lượng không dđy vă lịch sử phảt triển

+* Truyễn năng heựng không dđy

Truyền năng lượng không dđy bay truyền công suất không đđy, PT (Wireless Power Transmssion} la quâ trình truyền năng lượng trong một dạng

năo đó xđy ra trong mỘI môi trường xâo định, ở ế năng lượng được truyền dẫn theo một hướng từ một nguồn năng lượng đến một tăi tiíu thụ mă không cần

dđy dẫn

Truyển năng lượng không đđy khâc với truyền thông tin không đđy trang viễn thông (như radio, TV, Rada, Mobilephone ), ở đỏ thông tin ở bín phía may phat tuy có lớn (cỡ W, KW ) nhưng, được truyền đi mọi hưởng, tín hiệu có

thể nằm trong một dải tđn xâc định, công suất tin hiệu ở đu thu thường rất nhỏ

( eð nW dan pW), sau đó tín hiệu ở đầu thú thường được khuếch đại vả hồi phục lại thông tin ban đầu; còn trong lĩnh vực truyển năng lượng không day thi

truyền có định hướng, độ lớn năng lượng vă liệu suất truyền năng lượng lă quan: trọng nhất, ở đđy tín hiệu nang nặng lượng chỉ ở tại mội tần số Phần lớn câc hệ

thống truyền năng lượng không đảy thường, dựa, phât triển định luật Faraday về câm ứng từ, một định luật cơ sở quan trọng về điện từ

- 1864: James Clerk Maxwell ting hợp câc kiến thức kinh nghiệm quan sât

được trước đỏ rồi thiết lập nuô hình toôn học về bức xạ sóng điện kừ, đưa ra

tệ phương bình về bức xạ sông điện tứ, về sau gọi lă phương trình Maxwell

————————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #D-] 9-68 AV: Tran Trong Vinh

LI Chumg 2: Cie phuong phap truyền nẵng lượng sử dụng sóng điện từ

-_ 1894: TeœÌa đã đùng năng lượng không dây bằng phương pháp căm ứng điện

tit (wireless resonant inductive coupling) để thắp (nung) sảng các đèn dây

tóc tại các phòng thí nghiệm (35 South FiRh Avenue, 46 I.1Iouston Street tại New York)

- 1895: Bose truyén các tin hiệu công suất vượt qua một khoảng các cỡ một

bai ly (1,6 ki)

-_ 1896: TosÌa truyền các tin hiệu năng lượng vượt qua một khoảng các khoảng

30 hãi lý (khoảng 48 km)

- 1897: Qugliehmo Mareeni sử dựng trạm phát Radio để truyền tín hiệu mật

mã Meorse qua một khoáng cách khoảng 6 km

- 1897: Tesla nép hồ sơ lẫn thử nhất đẳng kỷ phát minh về các ứng dụng đầu tiên của ông liên quan đến truyền không dây

- 1901 Mareoni truyền cáo tín liệu vô tuyển qua đại dương Atlantic sir dung

thiết bị của Tesla

- 1902: Tesla déi chất phần đổi Rcginald Ecssenden — phát mình giao thoa US

(US Patent Interference) No 21701 vé hé théng chiéu sang lựa chọn tin hiệu không day (System of Signalin (wireless)), chiếu sáng cho đền nung

ông dây tóc (mcarnidcsoenl)

~- 1904: Tại hội chợ thể giới SL T.ouis, một giải thưởng để được trao tặng cho một kết quả nghiền cứu ứng dụng thành công huyểu năng lượng không dây

GVHD: TS Lam Hồng Thạch

AV: Tran Trong Vinh

LI Chumg 2: Cie phuong phap truyền nẵng lượng sử dụng sóng điện từ

qua không gian cha mô tô bay với công suất 0,1 Mã lực (75W) đặt khoảng cách là 30 m

-_ T97 Tháp Widenelyffe truyền rồng lượng của Tesla bị ngừng hoạt động

vi không được cấp kinh phí tiếp từ chỉnh phủ Mỹ

- 1926; Cac nha khoa hoc Nhat Ban Shintaro Uda va Hidetsugu Yagi xuất bản bai báo có nội dung liên quan đến phát kiến vẻ câu trúc dan angten “named Ingh-gain directional array”, sau nay mang tén Yagi angten

- 1961: Wiliam C Brown cong bé bai báo về phát triển khả năng về tuyển răng lượng không day bằng chủm lia vị bá Đây là một mốc phát triển khả

quan trọng của WPT,

-_ 1964: Brown trình diễn trén bio CBS Kewa mỏ bình máy bay trực thăng thu công suất từ chùn tia viba đủ để có thể bay Từ năm 1969 đến năm 1975, Brown đã là Giám đốc kỹ thuật của chương trình JPL Raytheon, & 4 da phỏng và truyền thành công chứm da 30 KW qua một khoáng cách 1 hãi lý

với hiệu suất đạt 849

- 1968: Peter Glaser

xuất truyền năng lượng không dây thu nhận từ Mặt

Troi sử dụng công nghệ chùm tia công suất (“Powerbearming” technology)

Đây được coi là thành quả đầu tiên miều tả về vệ tỉnh năng lượng mặt trời

(Solar Power Satellite-SPS)

- 1971 G8 Don Otte tai dai học Auckland, New Zealand đã phái triển một xe điện bánh hơi dược cung cấp năng lượng bởi hiện tượng cẳut tự,

- 1975: Lién hợp truyền thông vũ trị Goldstone thuye hiện các thí nghiệm truyền không dây đạt tới hàng chục KW

- 1988: Một nhóm nghiên cứu về điện tứ công suat do Prof Jonh Boys dimg đầu tại đại học Anckland ở Mew Zeland, phát triển một bộ biến đổi (inverter)

điện kữ công suất sử đựng kỹ thuật và vật liệu mới và kết luận rằng truyền công suất cảm ứng có thê thực hiện được Bộ nguồn công suất không dây mẫu đâu tiên đã được thiết kế chế tạo Về sau công ty thương mại của Đại

hoc Auckland, đã nộp đơn xin patent về công nghệ này

GVHD: TS Lam Hồng Thạch

AV: Tran Trong Vinh

LI Chumg 2: Cie phuong phap truyền nẵng lượng sử dụng sĩng điện từ

- 1980: Nhỏm nghiên cửu cia Prof John Boys phát triển cơng nghệ mới cỏ khả năng cung cấp cổng suất cho một sé động cơ xe cơ giới từ củng một vịng dây cĩ cơng suất câm img và chứng tụnh sự hoại động độc lập của

từng thiết bị, sau đĩ Auckland UmiServices đưa ra bằng phát manh vẻ cơng

nghệ này

- 1996: Cơng ty Auckland LniServices phát triển hệ thơng cơng suất cưng cấp điện sử dựng nguyên lý truyền cơng suất cảm ứng đề nạp điện (charging) cho

một số thiết bi điện tử với cơng suất khoảng từ 30-60 kW và cơ gắng thương

mại hĩa ở New Zeland Nhom Prof John Boys đã thực hiện sản phẩm IPT BUS mang tinh thương mại đâu tiên trên thể giới tại Wakarewarewa, New Zeland

- 2001: Cơng ty Splashpower ở Anh Quốc đã sử dụng các cuộn đây cộng

hưởng trong một mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị gia dụng khác nhau, bao gồm cả đèn, điệu thoại dì đồng, PDA, Tpod.v.v

- 2004: Phuong thức tuyển cơng suất cảm ứng đã dược sử dụng khá rộng rãi

cho nhiều cơng đoạn khác nhau, doanh thu đạt giả trị khống 1 tý USD đối với linh vực vật liệu bán dẫn, LCD va ché tao man hinh plasma

- 2007: Mét nhĩm nghiên cửu vật lý đứng đầu bởi Prof Marin Soljaoies, ở

MIT, 4a truyén nang lượng khơng dây để thắp sáng một đèn điện 6DW với

tuệu suất 40% ở khộng cách 2m, sử đụng hai cuộn dây oĩ đường kính 6Ư

em, họ đã phát triển lý thuyết một cách tường mình hơn

- 2008: Hing Intel lặp lại các thi nghiệm gốc của Nikola Tesla trong năm 1894

và của nhĩm Prof John Boys trong nim 1988 bằng cách cấp điện khơng day

cho một bĩng đền ở khoảng cách gần đạt với hiệu suất 75%

- 2009: Mat 14 bop mang tén 18 hop cng sual khong day (Wircless Power Consortium) tuyén bố họ đang hồn thiện việc thiết lập hêu chuẩn cơng,

cộng hưởng đã được để nghị và áp dụng cho quá trình truyền năng lượng

không dây cho một số loại thiết bị điệu

-_ 2010 Tập đoàn Haier biển điển TV với màn hình TỚD hoàn toàn không đây

đầu tiên trên toàn thể giới tại hội chợ CE3 2010 trên cơ sở về các nhiên cứu

của nhóm Prof Marin Soljacic’s vé WPT va giao điện số không dây trong nhà (WHDD)

2.3 Khái niệm và đặc điểm trường gần, trường xa

Đây là những khái niềm liên quan đến các vùng truyền sóng của angten

truyền thông đặc trưng Angien (hoặc aerial), bao gồm angten phát và angten thu, nó có thể phát hoặc thu các sóng về tuyển điện từ, là một bộ biến đổi tờ tia hiệu đồng điện sang bức xạ sóng điện từ và ngược lại

Sóng điện tir do angion phat ra có thể phân chứa ra một số vùng ruiễn khác

trúc từng loại amten sử dụng để truyền sóng Môi số miễn truyền sóng của một

anten đặc trưng theo quan điểm đặc tỉnh sóng và theo tỷ lệ kích thước giữa

anten va bước sóng Như vậy từ hình trên chúng ta có thể thấy, miễn trường gần

(near field) cé hai mién, miễn không phát xa (Non-radiative region), va mién

mang dic tinh pha xa (Radiative region) Đệ lớn miễn trường gần cỡ Ì bước

sóng Á Miễn trung gian cũng có khoẻng cách LÀ 8au đó lả miền trường xa, song điện từ ở đây truyền tự do trong không gian, sóng có thể phân cực hay

không phân cực phụ thuộc vào đặc tỉnh môi trường và tương tác giữa E và II,

————————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-23-G8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

“Chương 2:

Tae phương pháp truyền nắng lượng sử dụng sóng điện từ

+ Một số đặc tính truyền sóng trong miễn trường gân và trường xa

Sóng điện từ bao gồm thánh phan điện trường E và lừ trường H, tủy theo đặc tính môi trường chúng ta có thể mang một số đặc tính: suy hao, tản sắc, phản

cục

a) Trong miễn trường gẵn

Mỗi quan hệ giữa Ï và I1 rất phức tạp, sóng có thể phân cực đồng thời theo

nhiều cách tại cùng một vị trí không gian Trường điện tử trong miễn trường gần đều là hàm của bước sóng hoặc khoảng cach,

Miễn trường gần tương lúc (reactive) hoặc không phái xạ (non-radiactive): Trong miễn này mỗi quan hệ giữa E và H rất phức tạp, từng thánh phản (B va

†J có thể nổi trội trong mỗi điểm, các mối tương quan trải chiều cững có thể xay ra trong ving trường gần Do vậy, rất khó hoặc không thế xác định chính

xáơ nuật độ bửơ xạ, khi lính bức xạ không những cần biết độ lớn của F, H mà

còn cân biết phase của chúng Trong miền này trường điện từ không chỉ cỏ xu hướng truyền phát hướng ra phía vùng trường xa phía ngoải, mà còn có thành

phan phan ứng đổi với sóng điện từ, nghĩa là bản chất của trường bao quanh

angten là có tính rất nhậy câm và có lương lác Sông cũng bị hấp thụ trong miễn nảy Ở gần aneten, một phần năng lượng cỏ thể truyền qua lại và lưu trữ tại bê mật gần angten Phần năng lượng nảy được truyền qua lai tir bé mat angten tới

vùng trường gần phản ứng bởi bức xạ điện từ với các hiệu ứng tĩnh từ và tĩnh

điện biến đổi mot cach rat cham Do có một phân năng lượng hmu mi va dich chuyển qua lại, và riểu như 1uội trong hai hiệu ứng cảm ứng từ hoặc cầm ứng tĩnh điện trong miễn trường gần phản ứng truyền năng hương cho các điện từ

trong vật dẫn của angten, thì phần năng lượng này sẽ bị suy hao mat mat

Mién truéng gan phat xa (reactive) Trong mién nay không chứa các thành phan trường phan tmg tit nguén angten, vi cd khoang cách hơi xa tính từ bề mặt angten, do vay sur hén két nguye cia cdc think phan trutmg khác nhau bị hạn

chế và do vậy sự lai trừ một phân ning lượng biến đổi qua lại giữa các hiệu

ứng cám ứng từ vả cám ứng điện dung bị hạn chẻ và đo vậy sự lưu trữ một phần

nắng lượng biển đổi qua lại giữa các hiệu ứmg căm ủng từ và cảm mg điện

——————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-24-c8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

lượng phát xa 1uặc đủ đặc tính của điện trường E và từ trường H vấu rá khác so

với miễn trường xa Mỗi quan hệ giữa E và H cũng chưa miều tả được tường

mình

Miễn trường gần định nghia theo bước sóng: Một định nghĩa chính xác hơn

được đưa ra trên cơ sở đặc tỉnh truyền sóng Nếu khoảng cách truyền sóng giữa

các auglen phát và thụ là lớn hơn 2D3⁄2 (rong đó D là kích thước của cliễểu lớn nhật của angten (pháU từ đó được tỉnh là trường xa (ruiền Frauhoftr diffraction)

và nếu khoảng cách đó là nhó hơn 2D”⁄4, thì miễn đưới giá trị nảy là miễn trường gan (miễn Fresnel diffraction) Miễn phát xa có đặc tính quan trợng vì trong miền trường xa thông thưởng biên độ của sỏng giảm theo bậc Lí, nghia là năng lượng tổng cộng trêu đơn vị điệu tích tại khoảng cách r từ øngten phát tỹ lệ

với 14” Diện tích mật quả cầu lại tý lệ với r”, do vậy năng lượng tổng cộng qua

mặt quả cầu là không đổi Điều này có nghĩa lá nắng lượng trưởng xa có thể truyền đi đến khoảng các vô tận

Trường điện lừ trong miễn trường gân sủa muội anglen có câu trie cuộn đầy với đường kinh nhỏ thì thành phần từ trường THÍ sẽ nỗi trội Đôi với augten có tÝ

số các kích thước 1⁄4 là nhỏ thì trở kháng của cuộn dây là thấp và sóng có đặc

tính chủ yếu là căm kháng với trạng thái không đối xứng trong miễn tương tac

ngắn GIá trị trở kháng trơng trường hợp này được ước lượng rửnữ sau:

“Trường điện từ trong miễn trường gần của một angten có câu trúc một thanh ngắn được tích điện thì thành phần điện trường sẽ nổi trội Dối với kích thước của tỷ số độ lớn angten trên bước sóng r/1 là nhỏ thì trẻ kháng của sóng là lớn

và có đặc tỉnh chủ yêu của trở kháng tường tính đứng không với trạng thải

không đối xửng trong miễn tương tác ngắn Giá trị trở kháng khi này được ước lượng như sau:

——————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-25-G8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

LI Chumg 2: Cie phuong phap truyền nẵng lượng sử dụng sóng điện từ

Trong thực tế thì các thành phân trường điện từ R và TT luân biến đổi và

tương tác lẫn nhau, thường không thể tỉnh được tường mảnh và cần phải đùng lý thuyết lượng tử

b) Trong trường xa

Mỗi quan hé gitra B va If mang đặc tính sóng phân cục (phân cục thẳng đứng, ngang, tròn, ellips) truyền tự do, ở đỏ E và TÍ luôn đi cùng nhau, tại mọi

thời điểm trong không gian Trong miễn trường xa (Far /ileđ) phân bố của

trường cùng với góc pla nào đó về cơ bâu là không phụ thuộc vào khoảng cách

từ nguồn anten phát, và cững không phụ thuộc vào cấu trúc anten Trỏ kháng cá sóng truyền trong vùng trường xa là tỷ số của độ lớn của điện trường trên từ

trường, trong trường xa chủng cỏ phase giống nhau Do vậy, trở khang trong

trường xu sẽ được định nghĩa duy sau:

¢, Theo quan diém của thuyết lượng nit

Trên quan điểm của thuyết lượng từ về tương tác của sóng điện từ thì các

hiệu ứng trường xa là do các photon thực tạo ra trong khí đó các hiệu ứng trường gần là do sự tương tác hỗn hợp giữa photon thực và photon ao Các

photon äo kết nội các ảnh hưởng hường gần và tín hiệu lại với nhau, có các hiệu ứng khá phức tp, nỗ xuất hiện ở khoảng cách ngắn hơn khoảng cách trường xe (miễn trung gian) trong đỏ vai trò các photon thực gây ra lả chủ yếu Xét một

cách chỉ tiết hơn, mệt số hiện tượng truyền sóng không bình thường trong miễn trưởng gần cỏ liên quan đến một khái niệm vật lý, đó là hiện tượng lên quan

đến các sóng evanescent truyền đọc theo bể mặt phân cách giữa kim loại ~ điện môi ( bay trong trường hợp cụ thể ở đây là giữa bề mặt antcn và lớp không khi

tiếp giáp anter Khi nảy có một lượng điện tích dao động khi chúng có sự kết giao với các trưởng điện từ Khi đó mật độ sóng điện sẽ biến đổi theo hàm mũ

GVHD: TS Lam Hồng Thạch

AV: Tran Trong Vinh

«it này có khả năng kích thích một cách

từ, nhất là trong vủng ánh sang nhìn thấy Một sóng cvanosccnt là một sóng, đứng trường gần phát sinh trên biên phân cách và với mật độ biển đổi theo ham

mũ giảm dân tính tử biên phân cách

Các sỏng Evanescent xuất hiện là một đặc tính quan trọng trong các phương trình sống, và về nguyên tắc nó có thể xây ra ỡ bắt cứ khung cảnh biển tiếp giáp

nảo liêu quan đếu phương trình sóng Trong kỹ thuật điện tử cúc sóng evanescent dugc quan sát thấy trong miễn trường gần trong vùng cỡ 1⁄3 bước sóng cả bất cử anten rađio náo Trong quá trình hoạt đông, anten phát ra trường

điện từ vào xung quanh miễn trường gần và một phân năng lượng của trường bị

lấp thụ trở lại, phân năng lượng côn lại thủ phát xụ ở dạng sóng điện từ vào

không gian Trong lý thuyết của cơ học lượng tứ, các lời giải sóng evanescent

của phương trình Maxwell cho các thông tin liên quan đến hiện tượng xuyên

hằm lượng tử VỀ mặt toán học các sóng evanescent duoc dae trưng bởi một

vector sống, trong đó muội hoặc một số thành phần vertor có giá trị áo Vì rằng, vector có các thành phẩn äo, nó có thể có một biên độ nhỏ hơn các thành phần

Bidu thie tay biểu thị một sông cvanescent với thành pần theo trục ý là áo

(ð đây ở và là các số thực và ibidu thi đơn vị ảo),

Thi dụ, nếu phân cực là thẳng, vuông góc với mặt phẳng sóng tới, khi đỏ

trưởng điện của bắt cứ sóng nảo (sóng tởi, phản xạ hoặc sóng phát) có thể biểu thị bằng biểu thức sau

“Chương 2:

Tae phương pháp truyền nắng lượng sử dụng sóng điện từ

Ở đỏ ø là hệ số suy hao và B là hệ số truyền Liên kết sóng evanesoent được

thể hiện rất cơ bản rõ nét đổi với bương tác trường gần trong lý thuyết trường, điện tử Phụ thuộc vào thành tố của nguồn phat xa, song evanescent duge néi trội ở dạng hoặc là thành phần trường điện khi cỏ đặc tính điện dung nổi trội

hoặc trường có thành phân từ trường khi đặc tính từ cảm ứng nói trội Không

gidng như trong vùng trường xa ở đỏ sóng đạt đến một trạng thái là sòng truyền trong không gian lự do mìang độc tính bứ xạ với lrỡ kháng của một không gim:

tự do như biểu thức (2.3, 2.4) Sự liên kết sóng cvanescenl thường chỉ xây ra

trong miễn trường gân phản ứng (Reactive near field) va như vậy nó có quan hệ mật thiết với tính chất của hệ vật liệu, nghĩa là quan hệ với các thành phân đòng

điện cảm img và với điện tích có trong miễn bể mặt vật liệu Mỗi liên kết

(coupling) nay tương tự như mỗi lên kết giữa các cuộn dây sơ cấp và cuộn đây thứ cấp của một biển thế hoặc giữa hai tắm của tụ điện đụng, Về mặt toán học,

quả trình nảy giếng như hiện tượng xuyên hàm không phải với các sóng điện từ

mà thay vì bởi các hàm sáng cơ lượng tử

2.4 Một số phương pháp truyền năng lượng không đây ở trường gần và

trường trung

Kỹ thuật truyền năng lượng không dây ở trường gản chỉ đạt một khoảng cách có thể so sánh với hoặc hơn mớt lần so với đường kính của angten phát

(nguồn) phát, và có thể lên tới khoảng cach cỡ 1⁄4 đến 1⁄4 bước sóng Năng lượng

trưởng gân cỏ đặc tính là không bức xạ, có một số mật mát bức xạ thường xây

tả Ngoài ra cáu mất 1uất tiên điện trở môi trường cũng thường xuyên xuất hiện Truyển trường gắn lhường sử dụng nguyên lý

au ng từ, buy thiên vũng có khá năng sử dụng cám ứng điện dung để truyền năng lượng, Sau đây chúng ta

“Chương 2:

Tae phương pháp truyền nắng lượng sử dụng sóng điện từ

này là khoảng cách truyền rất ngắn TĨai cuộn day sơ cấp và thứ cấp ở sát ngay

biên nhau, hoặc lổng vào rau

Cảm ủng tương hỗ sẽ xuất hiện khi có sự thay đổi dòng, điện trong một

cuộn dây, khu đó sẽ cớ điện thể cảm ứng trong cuộn dây bên cạnh Đây là cơ chế

làm việc quan trọng của transformator Nhưng nó cũng gây sự cảm ứng không

mong muốn giữa các cuộn đây dẫn trong một mạch điện Hệ số cảm ng M có

giá trị giữa ] và 0, nỗ có giá trị được tính bằng công thức sau

Ở đó k là hệ số hỗ cảm (coupling coelTicienl) với 0 <Sk <1, Ta Bà độ gắn

của cuộn dây sơ cắp và L„; là độ cám của cuộn dây thứ cắp, Điện thể trong cuộn

dây sơ cấp (Vị) được tính như satr

dl, ef,

Wat uw

Khi biết số vòng trong cuộn day sơ cấp va sé vòng trong cuộn dây thứ

cấp, mồi liền hệ thế hiệu giữa hai cuộn dây được tỉnh bằng công thức đưới đây:

t, Nes

Vz: thé higu roi eda cuộn dây thử cấp

Vạ: thế hiệu rơi của cuộn dây sơ cấp

Ñz số vòng trong cuộn dây thử cẤp

Tụ, số vòng trong cuộn dây sơ cấp

242 Truyén năng lượng bằng phương pháp cảm ứng điện từ:

a, Truyền năng lượng theo nguyên lý cảm ứng điện từ cộng hưởng

Tiện tượng công hưởng điện cỏ thể xây ra trong một mạch điện LC tại một tân số công hưởng khi mạch điện thẻa mãn một số điều kiện xác định Hiên tượng cộng hưởng rãy thưởng xây ra khi uở kháng giữa lối vào và lỗi ra gắn bằng giá trị O va hàm truyền đạt cực đại, có giá trị bằng 1 Tại tần số cộng

hướng, cáo mạch điện sẽ phát ra tiếng kêu rung rủ, và thường phát sinh ra điện thế lớn hơn điện thể cung cấp ở lỗi vào Tiện hrợng này được sử đụng rộng rãi

trong lính vực truyền nững lượng không đầy

———————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-29-G8 “HƯ: Trần Trọng Vinh

Chương 2: Các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

Mạch điện chưa thành phan L va C, khi đặt một thẻ hiệu vào mạch điện

thi sé có một trường điện Lừ sinh ra trong cuộn câm T., trường này làm phát sinh dòng điện, động điện này sẽ nạp điện tích vào hai má của tụ điện, kiu đây điện tích sẽ có quá trình phóng điện tạo ra đỏng điện, dòng điện này lại tạo ra từ trưởng trong cuộn cám, quá trình này cứ lặp di lặp lại Trong một số trường hợp công hướng xảy ra khi giá trị cảm kháng bằng giả trị dung kháng và năng lượng điện dao động giữa Lừ trưởng của cuộn cảm và điện trường của điện dung Tại

công hưởng tủ trở kháng nói tiếp của lui thành phần là cực tiểu còn wd khang, song song là cực đại

Tiên tượng céng hưởng được sử dựng ứng dụng trong nhiễu lĩnh vực,

như để đò tìm séng (tuning) trong radio, va loc song chi cho một tần số đi qua dang trong kỹ thuật đo lường, Tại lầu số cộng hưởng giá trị cắm kháng và đụng, kháng có độ lớn bằng nhau nêu ta có:

1

boug dé @=29f , la tin sé eGng Inéng cé dou v1 fa [Hy] 1 1A cam không có

don vi là [H], C là điện đụng có đơn vị là [F] khi sử dụng hệ đơn vị SL

b, Truyền năng lượng cộng hưởng

Truyền năng lượng công hưởng (Resonant energy transfer) hoặc liên kết

cảm ửng công hưởng (resonant inductive coupling) là sự truyển năng hượng không dây trường gần giữa hai cuộn dây, chứng có cộng hưởng cao tại cùng một tân số Biến thẻ cộng hướng là thiết bị thường được dùng để thực hiện việc này Trong số nhiều biến thể cộng hướng thì loại biển thế cộng hưởng này só hệ số

phẩm chất Q cao và thường không đùng lõi sắt để loại trừ sự suy hao do lõi sắt gây ra Cúc cuộn đây lrong biển thể

———————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-30-G8 “HƯ: Trần Trọng Vinh

LI Chumg 2: Cie phuong phap truyền nẵng lượng sử dụng sĩng điện từ

gan hoặc cách xa một khoảng cách nào đỏ từ cuộn đây sơ cấp thì tại tấn số cộng

hưởng chúng, các cuộn dày thứ cắp cĩ thể lây phẩm lớn nắng lượng từ cuộn dày

sơ cấp trước khi chúng bị suy hao Các trường xuất hiện nỗi trội ở đây lả trường gần khơng phát xạ với các sĩng evanescent như đã bản ở trên

Năng lượng dao động sẽ truyền qua — lại giữa từ trường trong cuộn đây

và điện trường qua tụ điện tại tần số cộng hưởng Theo lý thuyết trường gần, dao động cỗ điển này sẽ tắt dần với một tốc độ xác định phụ thuộc vào hệ số phẩm chất Q Sự mất năng lượng chủ yên do điện thể rơi trên điện trở kỉ sinh và

do phát xạ vào khơng gian, tuy nhiên nếu cĩ một hay một số cuộn dây thứ cắp cắt ngang đường sức từ trường thì các cuộn nảy cĩ khả năng hấp thụ phân năng lượng lớn hơn nhiều so với phân mắt mát trong mỗi chư kì

Bằng cách này năng lượng được truyền hi Trong cuộn đây sơ cấp [hường

cĩ các thành phân L, C va R (điện trở kỉ sinh) do vậy hệ số phẩm chất được xác định như sau:

Vị Q rất lớn, giá trị cĩ thể lên đến 1000 với lõi khơng khí trong cuộn dây,

chỉ cần cĩ một phần nhỏ năng lượng trường đùng vào việc liên kết từ cuộn này đến cuộn kia để tạo ra hiệu suất cao TIệ số liên kết là tỷ phần của địng chảy của

cuộn sơ cấp cắt cuộn thứ cấp, và nĩ là hàm của kích thước hệ thống, giả trị của

hệ số liên kết năm giữa 0 và 1

Theo cdc tac gid cia nhém Marin Soljacic phát mình trường cộng hướng của hai hệ thống 1 và 2 được biểu thị gần đúng bằng:

Fự,Ð*a@F()+a,(OE,0), ở đĩ F; và Ï; là cáo mộe riêng của bai hệ thơng, 1,2 riêng rẽ, và biên độ của trường là s,(Œ) và aa(†) trong một số trường hợp, đối với cào mode thấp được biểu thị như sau:

Hits =i Ja, + ska,

an iw, - Ta, + tha,

yu GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-31-G8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

LI Chumg 2: Cie phuong phap truyền nẵng lượng sử dụng sóng điện từ

Ở đỏ s2,„,á, là các tân số riêng của hai hệ thông riêng biệt, F,, T,là các độ

rộng miễn cộng hưởng chứa các mất mát riêng phản (hấp thụ và phát xạ), k la

hệ số liên két (coupling coefficient) Phương trình (2.13) biểu thị rằng tại tần số cộng hưởng ø =ø và T,=T các mode bình thường tổ hợp của hệ thông tách ra bởi 2k Năng lượng sẽ trao đổi như nhau giữa hai hệ thống tại thời gian TI/k và gan như rất hoàn hão, trừ phi đổi với hệ cỏ cảe mất màt Giá trị này là cục tiến khi tốc độ liên kết nhanh hơm tắc độ mắt mát (£ñ T,) Dễ truyền năng lượng

thường cản hệ thống có liên kết mạnh, khi đó cân thóa mãn tỷ số #/(,T,)*D 1

Hiệu ứng “cảm ứng cộng hưởng điện từ” hoặc “liên kết cầm tng cộng hưởng”

có vai trò quan trọng đặc biệt trong việc truyền năng lượng không dây Đặc biệt,

về sự phụ thuộc của hiệu suất vào khoảng cách truyền

Cảm ng điện từ là một hiện tượng xây ra rất phỏ biến theo nguyên ly

sau: khi một cuộn đây so cap phat sinh từ trường vượt trội (predominantly) do dòng điện thỉ qua cảm ứng sẽ phát sinh một dòng điện trong một cuộn dây thứ cấp có trong không gian của từ trường của cuộn sơ cấp Tuy nhiên cường độ dòng điện xuất hiện trong cuộn đây thứ cấp còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tỏ,

và thông thưởng kết quả đạt được về phương điện độ lớn của quá trình truyền năng lượng không như mơng muốn

Khi ứng dụng hiện tượng cộng hưởng tại tân số giống nhau ở hai cuộn dây thì hiệu suất truyền năng lượng cỏ thể tăng lên đáng kế do có hiện tượng

“xuyên hằm của song dién từ mang nắng lượng” tới cuộn thứ cắp Khi hiện

tượng lên kết công hưởng xuất liện thì trong hai cuốn đâu xuất luện độ gắm ứng tương hỗ tại một tân số cộng hưởng, vả dòng điện dạng hình sin cùng cấp

vao cuộn đây sơ cắp thường bị biển dạng dạng tin hiệu hình vuông hoặc một đạng tín hiệu quá độ có độ méo nào đây, và nh vậy tạo ra sự tương tác liên kết

tranh hơn trang hệ thống truyền nắng lượng, Đẳng cách này một lượng công suất đảng kế có thể tuyển không dây với tốc độ rất nhanh qua một khoảng cách

xa hon sơ với lý thuyết truyền song trường gẵn cô điển đã tỉnh toản, khoảng

cách truyền nàng lượng thường đạt cð hang đơn vị mét Không giống như các cuộn đây có nhiều lớp cuỗn lên nhau trong các biển thẻ không cộng hưởng, các

GVHD: TS Lam Hồng Thạch

AV: Tran Trong Vinh

“Chương 2:

Tae phương pháp truyền nắng lượng sử dụng sóng điện từ

cuộn đây đủng trong cảm từng cộng hưởng, cả cuộn sơ cấp và thứ cấp, là các

cuộn đây hình Ống (solenoids) đơn lớp hoặc cuốn spiral tiên một rrặi phẳng với các điện dung nói tiếp, với cấu trúc tổ hợp nảy cho phép thành phần bên phía thủ có thể diều chỉnh với tắn số bên phần phát và giảm các mất mát

©œ Truyền năng lượng không đây theo nguyên lý cảm ứng tĩnh điện (liên kết điện dung)

Trong hiệu ứng cảm ứng tĩnh điện hoặc liên kết điện dụng thường cẩn

xuột điện trường cao có gradicut hoặc có điện dung vi phân giữa các điện cực (các điện cực này không được tiếp đất vì mặt đất có tỉnh din điện, chúng đã được treo lơ lửng lên phia trên mặt đât bằng các sợi đây cách điện) để truyền

năng lượng không dây với sự chênh lệch vẻ thẻ hiệu xoay chiển tần số cao truyền giữa hai tâm nuặt phẳng tụ điện ( hoặc lại chốt dạng đãa),

Thư vậy, có thể thấy lực tĩnh điện qua môi trường tự nhiên dẫn điện cỏ

trong từ trường thay đổi có khá năng, truyền năng lượng từ phân phát đến phia phan thu Dôi khi người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng Tesla, đỏ là một trong những ứng dụng của địch chuyển điện, nghĩa là đường đến của năng

lượng điện qua không gian và vài chất kháo với cơ chế chêch lệch điện thế rơi

trên một đây dẫn

2.43 Nội số ứng dụng của truyễn năng lượng trường gan

THiệu ứng câm mg điện từ, cảm ứng cộng hưởng điện từ được ứng dụng khá

- _ Biến thể cộng hưởng (Reasonant transfomers), ví dụ như cuộn dây TesÌa, có

thể tạo ra thế hiệu rất cao (có thế phát tia chớp điện hoặc không phát ra tia chớp)

-_ Tạo ra không những thế cao mà cả đỏng cao ding trong may phat Vande Graaff

-_ ác hệ điện tử không dây Witricity, RETD vá các thể thông mình không Hiếp

xúc

——————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-33-G8 “HƯ: Trần Trọng Vinh

“Chương 2:

Tae phương pháp truyền nắng lượng sử dụng sóng điện từ

Một số kết quả thí nghiệm về truyền năng lượng không dây trường gần và

tưởng trung bình có thể xem trong, phân lịch sử phải triển ở phần trên

3.5 Truyền năng lượng không dây với trường xa

Phương pháp trường xa thực hiện cho khoảng cách xa, thường bằng chục

km kở lên trong đó khoảng cách lớn hơn rất nhiễu se với kích thước của thiết

bị Như vậy đảng các phương pháp truyền năng lượng trường gắn thí không thé tuyển công suất đi xa Khác với truyền lín hiệu vô luyến, ở đó tín hiệu trang, câu trúc thông tu với công suất rất bẻ, cỡ tụ nW đến HW, ở tại đầu ra biển tú

loa) ở thiết bị thu cần khỏi phục lại dạng tín hiệu thông tin tiếng néi hai hình ảnh Còn trong trường hẹp truyền năng lượng thi ding dai tan cing rất hẹp hoặc

ở tại một tần số, việc truyền (mật độ) công suất cao với hiệu suất thu được ở

phía tuết bị thủ là quản trọng nhất Để thuyền năng lượng tường xa đến ray người ta thưởng ding công nghệ chủm tia công sudt (powerbeaming

iecbnology), có ngÌữa là tạo ra bức xạ ớ đạng chùm tia có mật độ công suất cao, rối phóng về phia thiết bị thu Ở phía đầu thu có thiết bị angten thu, bộ chuyển

đổi điện, rồi đưa ra mạng lưới điêu chung Do các nguyên lý khác nhau nên cách xử lý và xử dụng công nghệ ở hai phương pháp truyền thông ln và tuyển công suất không dày cũng rất khác nhau ở nhiều khía cạnh

3.31 Công nghệ chùm tia cong suắt, khoảng cách truyễn và hiệu suất

a, Khải quát

Kích thước của các thiết bị phát vá lu lrơng lường xã phụ thuộc chủ yêu vào khoảng cách truyền năng lượng, vào bước sóng sử dụng, sự hấp thụ, suy

hao và tán xạ của môi trưởng đối với bước sóng của chùm tia sứ dụng Các vẫn

để này không những đối với các chùm tia bức xạ radio, mả cả cho các chum Laser Diéu kiện Rayleigh khẳng định rằng bất cứ sóng radio, sảng Piba, tia Laser ndo sẽ lan truyền và dẫn suy hao, khuếch tân khi vượt qua một khoảng

cách Angteu phát càng lớn, hoe eau trúc Laser cảng lớn so với bước sóng bức

xạ thì chùm tia sảng chụm với mật độ cao, lá hàm của khoảng cách và sự lan truyền cảng ít ra các phía bên cạnh Truyền nằng lượng bing chằm tia Viba sẽ

———————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-34-c8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

LI Chumg 2: Cie phuong phap truyền nẵng lượng sử dụng sóng điện từ

đổi ta vị ba lại thánh điện năng (DC, AC) rồi đưa đến nơi sử dụng Phương,

pháp tiếp cận nay có nhiều ưu điểm nỗi trội như nẵng lượng mặt trời trong vũ trụ có cường độ cao gấp § lần cường độ trên mát đất, thiết bị SPS trên vũ trụ

hầu như không cân bảo trỉ bảo dưỡng Ngoài vũ trụ, trên quỹ đạo GEO năng lượng mặt trời hầu như có quanh năm, có hiệu ứng bơm gầu như liền tục đưa năng lượng xuống mặt đắt rội chuyển đổi thánh điện một chiều hoặc xoay chiều

để dẫn đi đến nơi xa để tiêu thụ Hệ hồng SPS yéu câu điện tich nhỏ hơn khoảng, 1/9 tần so với hệ thống thu năng lượng mặt trời trên mặt đất Một tim panel PV boat động thường xuyên ở Mỹ sẽ cho trung bình từ 19 đếu 56 w/mể Còn một

reelorma cia SPS ed thé cho Lién luc 230 wán Kích thước của reoterma yêu cầu

dễ thu 1w chỉ bằng từ 8.2% đến 2494 của kích thước cúa PV trên mặt đất Miột

hệ thống SPS có thể cắp năng lượng cho bất cử một khu vực nào trên mặt đất,

ca ving sâu vùng xa, cde bam quân sự trên các Lai do xa chi cin hướng

anglen phat img lượng về vị bí mong tuuốn và đặt angten thu noi mong muốn Tuy nhiên phương pháp nảy cân đến nhiều giải pháp khoa học công

nghệ cao tổ hợp lại đan xen vào nhau, cân chỉ phi lớn để phóng vé tinh SPS lên

quỹ đạo, chỉ phí ban đầu đắt tiên Hiện nay giả thành phỏng tên lứa đưa về tỉnh

SES lên quỹ đạo khả lớn, vệ tỉnh cảng nặng cảng đất Giá phóng hiện nay lên

quỹ đạo LEO cỡ tr 6600 — 11000 1JSD/kg tủy từng băng Theo ước tỉnh trong,

tương lại giá thành vào khoảng, 400 — 500 USD¿kg để đưa lên quỹ đạo LEO là

có thể chấp nhận được Theo các số liệu thiết kế hiện nay thì một vệ tỉnh SP8 có thể tạo ra 8.75 TeraWatt-Giờ (Tw.h) điện năng trong một năm hoặc 175 TW h sau chủ kỷ thời gian sống, ví đụ là 12 udm Theo giả điện năm 2006 là

————————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-35-G8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

Chương 2: Các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

0,22 USD/KW h (giá ở Anh) thì một SPS có thể truyền năng lượng về vị trí đặt recterma trên mặt đất là 1,93 tỷ USD một năm hay cho 38,6 tỷ USD trong

khoảng thời gian séng cia vé tinh SPS Còn một SPS nhỏ kinh tế hơn cung cắp

4 GW thì có thể cho 154 triệu USD trong thời gian sống của nỏ Còn nếu giá

điện là 5 cent như ở Bắc Mỹ hiện nay thì một SPS cho 5 GW vào mạng ở mặt

đất trong vòng 20 năm thì sẽ cho số tiền lá 43,3 tỷ USD

b, Quá trình hình thành và phát triển

Ý tưởng sử dụng năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ đưa về Trái đất để

phục vuk cho một số mục đích như biển đổi thành năng lượng điện, nhiệt, phục

vụ cho anh ninh quéc phòng đã có từ lâu nhưng mãi đến năm 1968 khi có khái

niệm về hệ thông vệ tỉnh năng lượng (Solar power Satellite — SPS) chinh thitc

được đưa ra, thì hướng mày trời được phát trọng Mỹ đang đưa một dự ấn vào

sử dụng thử nghiệm vào tháng 1Ũ năm 2010, Nhật Bản quyết tâm đạt kết quả

ứng dụng sau một số năm tới (dự kiến trước năm 2020)

3.33 Công nghệ truyễn năng lượng bằng chium tia Laser cong sudt cao

a, Một sổ trà điểm nỗi trội

Truyền bức xã lawer đơn sắc cho phép Tạo ra các chưng tia có điệu tích hẹp với năng lượng cao, có thể vượt qua một quãng đường xa Khi sử dụng cá

modul Laser — photovoltage ban dẫn tích hợp sẽ cho phép tạo ra sản phẩm nhỏ

và nhẹ, rất có ưu thế trong sự việc phỏng lên vũ trụ và các ứng dụng khác Co khả năng hoạt động không có sự giao thoa với tần số radio gây kích động cho cae hé théng théng tin (wi-fi va cell phone) Một số ưu điểm nữa là có thể điều

khiển sự tiếp cận, hưởng chừm năng lượng laser phát rất cao đến mục tiêu theo

ý muốn, chứ không phải phát theo mọi hưởng hoặc loe ra đạng hình nón khỏ tập

trung năng lượng cao, khỏ điều khiển (như ở trường hop viba)

b, Một sổ nhược điểm chính

Quá trình chuyển sang ảnh sáng laser thường có liệu suất thấp, tuặc dù

hiện nay có công nghệ mới sử dụng các hiệu ứng lượng tử cỏ thể đạt hiệu suất cao hơn trước Việc biến đổi tir chim tia laser sang năng lượng điện ở đầu thu wing dat hiệu suất không œo, với công nghệ hiện nay mới chỉ đạt liệu suất gỡ

———————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-30-G8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

2 Chương 2: Các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ

30% đến cỡ 40% Khi truyền qua tảng khi quyền thì chùm tia laser bị hấp thụ

khả lớn Cũng giỏng như khi truyền viba, phương pháp nảy khi truyền cần trực

tiếp từ máy phát đến mục tiêu theo đường thẳng, như vậy chỉ cỏ thẻ truyền khi không có các vật cản ở ngang đường truyền

e, Vũ khí laser

Công nghệ chủm tia Laser công suất ao đã được nghiên cửu khám pha

chủ yến cho các loại vũ khí quân đội hiện đại Vũ khí dùng năng lượng trực tiếp

ctia laser DEW (Directed Energy Weapon) năng lượng laser phát ra theo một chiều hưởng đến mục tiêu đề tiêu diệt, không cần các thao tác điều khiển gi

khác Nỏ sẽ truyền năng lượng cực lớn đền mục tiêu đề phả hủy do nhiệt lượng, cao, có thẻ làm nóng chảy, đốt cháy hay phá hủy Hiện nay đã có một số loại vũ khi laser đang sử dụng, một số khác đang nghiên cửu, ngoài ra nhiều loại vũ khi

mới đang được mô tả trong các tiêu thuyết viên tưởng Năng lượng dùng trong

chế tạo vũ khí laser cỏ thể ở trong một sỏ dạng sau:

~_ Bức xạ điện tử (cụ thẻ như tia viba và laser) (cỏ tên là deadray hay rayguns)

~_ Dạng hạt khối lượng cỏ năng lượng cao (vũ khí chủm hạt)

- Am thanh (vũ khi âm thanh)

~_ Lửa ( vũ khí phun lửa)

Hình 2.1: Mô hình truyền nạp năng lượng không đây sử dụng chùm tia lazer

GVHD: TS Lam Héng Thach #o-37-c8 HV: Tran Trong Vinh

LI Chumg 2: Cie phuong phap truyền nẵng lượng sử dụng sóng điện từ

2.6 Kết hiện chương

Tết thúc chương 2 giúp ta hiểu thêm truyền nắng lượng không đây khác với

truyền thông tư: không, dây

Tiểu rõ các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng, điện từ

v“ Truyền năng lượng sóng điện sóng điện từ bằng cảm ứng cộng hưởng

y“ Truyển năng lượng sóng điện sóng điện từ sử dụng sóng siêu cao tân v⁄ Truyền nẵng lượng sóng điện sóng điện từ sử dụng sống ánh sáng

Để hiểu rõ hơn phương pháp truyền uăng lượng không dây sử dụng câm ứng

cộng hướng, chỉ tiết sẽ được trình bày trong chương tiếp theo

——————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch $D-38-CR AV: Tran Trong Vinh

Chương 3: Truyền năng lượng sóng điện từ sử dụng câm ứng cộng hưởng

CHƯƠNG 3 TRUYEN NANG LƯỢNG SÓNG DIỆN TỪ SỬ DỰNG

CAM UNG CONG HUGNG-

3.1 Nội dung nghiên cứu

Trong chương 3 nghiên cứu chuyên sâu phương pháp tuyển năng lượng

sử dụng cảm ứng cộng hướng Nghiên cứu mạch tạo dao động cộng hưởng L-C

Nghiên cứu câu trúc Pim lien, nguyên lý nạp xả pin, câu trúc nguyên lý hoạt động,

mạch nạp pin

3.2 Dao động điện từ

Mach dao động là T mạch điện gồm 1 cuộn cũ có độ tự cảm T, mắc tôi

tiếp với 1 tụ điện có điện đưng C thành 1 mạch điện kia Nếu điện trở của mach rất nhỏ, cơi như bằng không, thi mach la 1 mach đao động li tưởng Tụ điện có nhiệm vụ tích điện cho mạch, sau đó nó phóng điện qua lại trong mạch nhiễu

lần tạo ra một dòng điện xoay chiếu trong mạch

Khi đỏ trong mạch có Ï dao động điện từ với các tính chất:

-_ Năng lượng của mạch dao đỏng gồm có nắng lượng điển trường tập trung ở

tụ điện và năng lượng từ trưởng tập trung ở cuộn cảm

- Nang luong điện trường và năng lượng từ trường củng biến thiên tuần hoàn

theo Ì tân số chưng,

- Tai moi thoi diém, téng của năng lượng điện trường và năng lượng từ trường

là không đối, nói cách khác năng lượng của mạch đạo động được bảo loài -_ KHú 1 từ trường biến thiêu theo thời giau thỉ nô sim ra 1 điện trường xoáy (là

1 điện trường má các đường sức bao quanh các đường căm ứng từ) Ngược lại khi một điện trường biến thiên theo thời gian nó sinh ra 1 từ trường xoáy (là 1 từ trường mà các đường căm ứng từ bao quanh cáo đường sức của điện trường)

~_ Đông điện qua cuộn dây là đeo động dẫn, dao động qua Lụ điệu là dao động dịch (là sự biển thiên của điện trường giữa 2 bán tụ)

-_ Điện trường và từ trường là 2 mặt thể biện khác nhau của 1 lợại trường duy nhất là điện từ trưởng

———————— GVHD: TS Lam Hồng Thạch #2-39-G8 “HƯ: Trấn Trọng Vinh

Chương 3: Truyền năng lượng sóng điện từ sử dụng câm ứng cộng hưởng

- Dé phát sỏng điện từ người ta mắc phối hợp 1 máy phát đao động điều hoa với 1 ăngten (là 1 mạch đao động hở)

~- Để thu sông điện từ người ta mắc phối hợp 1 ăngten voi 1 mach dao động có tan số rộng điều chính được (để xảy ra công hướng với lần số của sống cần thu)

-_ Năng lượng của sóng, tỉ lệ với bình phương, của biên độ, với luỹ thừa bậc 4

của tân số Nên sỏng cảng ngắn (tin số cảng cao, do 2= c/Ÿ ) thì năng lượng sóng cảng lớn

+* Các đại lượng đặc trưng dao động điện từ

i=q =—wqysin(cot+ g)=1_c0s| ars p= | ( 2 (3.3)

—u,q đao động cùng pha: ¡ sửm pha hơn u, q1 góc 4⁄2

-_ Cảm ứng từ:

Trong đó: ø —L là tằnsố góc tiếng 7=2z/EC là chủ kỳ riên/ 1g