intTypePromotion=1
ADSENSE

Giải pháp thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

9
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

nghiên cứu trình bày việc 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.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Giải pháp thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2