Xem mẫu
- CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION TWELVE
SESSION 12
Phòng: Board | Chủ tọa: Ninh Văn Nam, Nguyễn Đoàn Quyết
GIẢI PHÁP THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG
TỪ SÓNG VIỄN THÔNG
Đinh Quang Minh*, Vũ Hồng Tiến*, TS. Lê Minh Thùy
*Sinh viên Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Tác giả liên hệ: tien.vh164838@sis.hust.edu.vn
LỜI DẪN
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất hai giải pháp thu hoạch, lưu trữ năng lượng từ
sóng viễn thông trong môi trường sống để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử tiêu thụ
công suất thấp bằng hai thiết kế mạch thu hoạch năng lượng. Đó là mảng chỉnh lưu thu
sóng góc rộng dựa trên siêu vật liệu (metameterial) và mạch chỉnh lưu hai băng tần sử
dụng diplexer. Hệ mạch được đo đạc và thử nghiệm thu hoạch năng lượng từ sóng viễn
thông công nghệ 5G (3,75GHz) và 4G (1,8GHz và 2,6GHz) trong điều kiện thử nghiệm ở
phòng nghiên cứu với hiệu suất chuyển đổi RF-DC cao nhất đạt 50% khi công suất sóng
tới là 0 dBm và 39% tại -10 dBm.
Từ khóa : Thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ, siêu vật liệu, cảm biến không dây tự chủ
năng lượng.chủ năng lượng.lượng, Cảm biến và điều khiển, Mô hình hoá năng lượng, Mô
phỏng năng lượng.
1. GIỚI THIỆU
Thu hoạch năng lượng là quá trình lấy ứng dụng sẽ triển khai mà chúng ta sẽ áp
năng lượng từ các nguồn bên ngoài như dụng các giải pháp thu hoạch năng lượng
(năng lượng mặt trời, nhiệt, gió, động phù hợp. Nguồn sóng điện từ trong môi
năng được biết tới như năng lượng trong trường tuy có mật độ năng lượng thấp
môi trường) và chuyển đổi, lưu trữ chúng nhưng với ưu điểm về độ phổ biến và thời
dưới dạng điện năng để cung cấp cho các gian tồn tại bất kể ngày đêm đang dần trở
thiết bị điện tử nhỏ hoặc thiết bị không thành một đối tượng tiềm năng, hấp dẫn
dây tự chủ năng lượng (như các thiết bị với các nhà khoa học, công ty, viện nghiên
đeo trên người hay nút cảm biến không cứu trên toàn thế giới trong việc tìm ra giải
dây vốn có mức tiêu thụ năng lượng pháp thu hoạch năng lượng và triển khai
thấp). Tùy vào đặc tính của mỗi nguồn chúng lên các mạng cảm biến không dây.
năng lượng cần thu hoạch cũng như là Điều này không còn trở nên xa vời nhờ
228 | DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
- CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION TWELVE
vào sự phát triển của công nghệ thông 2. PHƯƠNG PHÁP
tin, truyền thông không dây và công nghệ Cấu trúc thông thường của một hệ thu
điện, vi cơ điện tử trong những năm gần hoạch năng lượng gồm mạch thu hoạch
đây. Các kết quả nghiên cứu bước đầu mở năng lượng từ sóng điện từ, thường gọi
ra tương lai về một giải pháp cung cấp là rectenna có cấu tạo gồm hai phần tử
năng lượng sạch và nguồn cung cấp năng chính là ăng-ten thu và mạch chỉnh lưu
lượng lâu dài cho các thiết bị điện tử tiêu (xem Hình 1). Ăng-ten giúp chuyển đổi
thụ công suất thấp cỡ vài mW như các nút năng lượng sóng điện từ trong môi trường
cảm biến trong mạng cảm biến không thành điện áp xoay chiều tần số cao. Năng
dây (Bảng 1), thay thế cho phương án cấp lượng thu được này sẽ được chuyển tới
nguồn truyền thống sử dụng pin vốn có mạch chỉnh lưu và lọc nhằm biến đổi
dung lượng hữu hạn và gây ô nhiễm môi chúng thành điện áp một chiều phù hợp
trường. Tuy nhiên để có thể hoàn thiện cho mạch quản lý và lưu trữ năng lượng.
được giải pháp thu hoạch năng lượng
sóng điện từ và ứng dụng nó vào đời sống
thực tế thì còn nhiều vấn đề cần giải quyết
hiện nay như : mật độ công suất thấp của
sóng điện từ trong môi trường làm giảm
hiệu suất chuyển đổi năng lượng 1 chiều,
hướng tới và phân cực của sóng trong
môi trường là không dự đoán được và thu
hoạch hiệu quả nhiều băng tần sóng tại
một đơn vị diện tích trong môi trường. Hình 1. Cấu trúc một hệ mạch thu hoạch
năng lượng
Bảng 1. Các nghiên cứu liên quan
2.1 Giải pháp đề xuất
Mật độ
Hiệu suất
Công bố Tần số năng lượng Để giải quyết cho hai vấn đề chủ yếu
chuyển đổi
tới
trong hướng nghiên cứu này là thu năng
T. Matsunaga et
5,8 GHz 0,041 W/m2 44,1%
al (2015) lượng hiệu quả với góc sóng tới rộng
RL
H. Sun et al DRL (2013) 1,8 GHz và nhiều băng tần trên một đơn vị diện
Transfer RL
U. Muncuk et al LTE 700, GSM 850
-10 dBm 40%
tích, chúng tôi đề xuất hai giải pháp cho
(2018) ISM 900
mạch thu hoạch (rectenna) gồm: mảng
chỉnh lưu góc rộng (dựa trên siêu vật liệu
metameterial) giúp thu hoạch được nhiều
năng lượng hơn (cấu thành từ nhiều phần
DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO | 229
- CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION TWELVE
tử chỉnh lưu làm tăng diện tích thu hoạch sóng điện từ ở cả tần số 1,8 GHz và 2,6 GHz.
cùng việc duy trì hiệu suất chuyển đổi Cấu trúc đó đồng thời còn có thể dễ dàng
cao với nhiều góc sóng tới khác nhau) và được mở rộng để tích hợp thêm nhiều tần
mạch chỉnh lưu hai băng tần (ghép bằng số khác, thông qua việc thay mạch diplexer
diplexer) cho việc thu hoạch nhiều năng thành triplexer hay quadruplexer.
lượng hơn trên cùng một đơn vị diện tích
thu hoạch của ăng-ten. Mạch thu hoạch
năng lượng được kết hợp cùng mạch
lưu trữ và quản lý năng lượng do chúng
tôi thiết kế nhằm lưu trữ năng lượng thu
hoạch được và ổn định điện áp một chiều
này ở mức 3,3V để cung cấp cho các thiết Hình 2. Mảng chỉnh lưu góc rộng dùng siêu
bị điện tử công suất thấp. vật liệu
2.2 Thiết kế của chúng tôi
Dựa trên cấu trúc chung nói trên, chúng tôi
thiết kế nên hai cấu trúc mạch thu hoạch
khác nhau, dựa trên hai nguyên tắc để thu
được nhiều năng lượng hơn từ môi trường:
sử dụng nhiều ăng ten cùng tần số (Hình 2)
và thu hoạch năng lượng từ nhiều tần số
khác nhau (Hình 3). Cấu trúc ở Hình 2 là
Hình 3. Mạch chỉnh lưu hai băng tần dùng
một mảng thu hoạch năng lượng 3,75GHz
diplexer
dựa trên siêu vật liệu (metamaterial), bao
gồm nhiều phần tử đơn vị, mỗi phần tử
đều có khả năng hấp thụ sóng ở những 3. THỬ NGHIỆM
góc tới rộng, sau đó được chỉnh lưu, trước Việc thử nghiệm được tiến hành như sau:
khi năng lượng thu được trên tất cả phần chúng tôi phát tín hiệu sóng vô tuyến
tử được kết hợp lại và truyền đến tải giúp theo các chuẩn công nghệ như 4G, 5G
làm tăng tổng năng lượng thu được nhờ số bằng máy tạo tín hiệu của Keysight và
lượng các phần tử. Cấu trúc ở Hình 3 là một ăng-ten phát. Sau đó tiến hành thu năng
mạch chỉnh lưu hai băng tần, gồm hai chỉnh lượng và khảo sát hoạt động của hệ mạch
lưu đơn tần, kết nối với ăng ten thu băng đã thiết kế (Rectenna thu hoạch năng
thông rộng thông qua một mạch diplexer. lượng kết nối với mạch lưu trữ và quản lý
Với thiết kế như vậy, nó có thể thu được năng lượng) tại các vị trí có công suất tới
230 | DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
- CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION TWELVE
từ -20 tới dưới 0dBm (là mật độ trung bình, tiếp (điện áp vào 3,3V) cho các mạch cảm
phổ biến của sóng viễn thông trong môi biến không dây có công suất thấp ở chế độ
trường). Điện áp một chiều tại đầu ra của ngủ và hoạt động ở một số chế độ truyền
mạch lưu trữ và quản lý năng lượng được thông nhất định. Kết quả khá hứa hẹn về
đo bằng oscilloscope (Hình 4). một giải pháp tự chủ năng lượng cho các
mạch cảm biến không dây hiện đại.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T. Matsunaga et al, ‘5.8-GHz Stacked Differential
Rectenna Suitable for Large-Scale Rectenna Arrays
with DC Connection’, IEEE Trans. Antennas Propag.,
Hình 4. Kết quả thử nghiệm với hai giải pháp vol. 63, no. 12, pp. 5944–5949, Dec. 2015.
đề xuất [2] H. Sun et al, ‘A Dual-Band Rectenna Using
Broadband Yagi Antenna Array for Ambient RF
Chúng tôi đánh giá và khảo sát cụ thể, Power Harvesting’, IEEE Antennas Wirel. Propag.
với ngưỡng công suất sóng tới từ -15 tới Lett., vol. 12, pp. 918–921, 2013.
-10dBm mạch có khả năng cung cấp năng [3] U. Muncuk et al, ‘Multiband Ambient RF Energy
lượng từ 9µW cho tới 0,04mW (với rectenna Harvesting Circuit Design for Enabling Batteryless
Sensors and IoT’, IEEE Internet Things J., vol. 5, no.
hai băng tần) hoặc 0,15mW cho tới 0,64mW
4, pp. 2700–2714. Aug. 2018.
(với mảng rectenna). Trên hình là hai kết
quả thử nghiệm tiêu biểu của chúng tôi.
Điện áp thu được từ mạch thu hoạch, qua TÁC GIẢ Ý TƯỞNG
mạch lưu trữ và quản lý năng lượng đạt Đinh Quang Minh sinh viên khóa 61 bộ môn
mức ổn định 3,3V có khả năng cung cấp Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện
trực tiếp cho các nút cảm biến không dây. Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Vũ Hồng Tiến sinh viên khóa 61 bộ môn Kỹ
4. KẾT LUẬN thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện Điện,
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đề Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
xuất hai giải pháp thu hoạch năng lượng
từ sóng viễn thông. Mạch được chế tạo GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
và đo kiểm với kết quả thử nghiệm thực TS. Lê Minh Thùy giảng viên hướng dẫn thực
tế cho thấy công suất thu hoạch được hiện đề tài. Hiện đang là giảng viên bộ môn
sau khi qua mạch lưu trữ và quản lý năng Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện
lương đủ để cung cấp năng lượng trực Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO | 231
nguon tai.lieu . vn
