Giải pháp thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông

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.

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 SĨNG VIỄN THƠNG 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, đề xuất hai giải pháp thu hoạch, lưu trữ lượng từ sóng viễn thông môi trường sống để cấp nguồn cho thiết bị điện tử tiêu thụ công suất thấp hai thiết kế mạch thu hoạch lượng Đó mảng chỉnh lưu thu sóng góc rộng dựa siêu vật liệu (metameterial) mạch chỉnh lưu hai băng tần sử dụng diplexer Hệ mạch đo đạc thử nghiệm thu hoạch lượng từ sóng viễn thơng công nghệ 5G (3,75GHz) 4G (1,8GHz 2,6GHz) điều kiện thử nghiệm phòng nghiên cứu với hiệu suất chuyển đổi RF-DC cao đạt 50% công suất sóng tới dBm 39% -10 dBm Từ khóa : Thu hoạch lượng từ sóng điện từ, siêu vật liệu, cảm biến không dây tự chủ lượng.chủ lượng.lượng, Cảm biến điều khiển, Mơ hình hố lượng, Mơ lượng GIỚI THIỆU Thu hoạch lượng trình lấy ứng dụng triển khai mà áp lượng từ nguồn bên dụng giải pháp thu hoạch lượng (năng lượng mặt trời, nhiệt, gió, động phù hợp Nguồn sóng điện từ môi biết tới lượng trường có mật độ lượng thấp mơi trường) chuyển đổi, lưu trữ chúng với ưu điểm độ phổ biến thời dạng điện để cung cấp cho gian tồn ngày đêm dần trở thiết bị điện tử nhỏ thiết bị không thành đối tượng tiềm năng, hấp dẫn dây tự chủ lượng (như thiết bị với nhà khoa học, công ty, viện nghiên đeo người hay nút cảm biến khơng cứu tồn giới việc tìm giải dây vốn có mức tiêu thụ lượng pháp thu hoạch lượng triển khai thấp) Tùy vào đặc tính nguồn chúng lên mạng cảm biến không dây lượng cần thu hoạch Điều không 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 phát triển công nghệ thông PHƯƠNG PHÁP tin, truyền thông không dây công nghệ Cấu trúc thông thường hệ thu điện, vi điện tử năm gần hoạch lượng gồm mạch thu hoạch Các kết nghiên cứu bước đầu mở lượng từ sóng điện từ, thường gọi tương lai giải pháp cung cấp rectenna có cấu tạo gồm hai phần tử lượng nguồn cung cấp ăng-ten thu mạch chỉnh lưu lượng lâu dài cho thiết bị điện tử tiêu (xem Hình 1) Ăng-ten giúp chuyển đổi thụ công suất thấp cỡ vài mW nút lượng sóng điện từ mơi trường cảm biến mạng cảm biến không thành điện áp xoay chiều tần số cao Năng dây (Bảng 1), thay cho phương án cấp lượng thu chuyển tới nguồn truyền thống sử dụng pin vốn có mạch chỉnh lưu lọc nhằm biến đổi dung lượng hữu hạn gây ô nhiễm môi chúng thành điện áp chiều phù hợp trường Tuy nhiên để hồn thiện cho mạch quản lý lưu trữ lượng giải pháp thu hoạch lượng sóng điện từ ứng dụng vào đời sống thực tế nhiều vấn đề cần giải : mật độ cơng suất thấp sóng điện từ môi trường làm giảm hiệu suất chuyển đổi lượng chiều, hướng tới phân cực sóng mơi trường khơng dự đốn thu hoạch hiệu nhiều băng tần sóng đơn vị diện tích mơi trường Hình Cấu trúc hệ mạch thu hoạch lượng Bảng Các nghiên cứu liên quan Mật độ Công bố Tần số lượng tới 2.1 Giải pháp đề xuất Hiệu suất chuyển đổi T Matsunaga et al (2015) 5,8 GHz 0,041 W/m2 44,1% H Sun et al RL DRL Transfer RL (2013) 1,8 GHz U Muncuk et al (2018) LTE 700, GSM 850 ISM 900 -10 dBm 40% Để giải cho hai vấn đề chủ yếu hướng nghiên cứu thu lượng hiệu với góc sóng tới rộng nhiều băng tần đơn vị diện tích, chúng tơi đề xuất hai giải pháp cho mạch thu hoạch (rectenna) gồm: mảng chỉnh lưu góc rộng (dựa siêu vật liệu metameterial) giúp thu hoạch nhiều lượng (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 tần số 1,8 GHz 2,6 GHz việc trì hiệu suất chuyển đổi Cấu trúc đồng thời cịn dễ dàng cao với nhiều góc sóng tới khác nhau) mở rộng để tích hợp thêm nhiều tần mạch chỉnh lưu hai băng tần (ghép số khác, thông qua việc thay mạch diplexer diplexer) cho việc thu hoạch nhiều thành triplexer hay quadruplexer lượng đơn vị diện tích thu hoạch ăng-ten Mạch thu hoạch lượng kết hợp mạch lưu trữ quản lý lượng thiết kế nhằm lưu trữ lượng thu hoạch ổn định điện áp chiều mức 3,3V để cung cấp cho thiết bị điện tử công suất thấp Hình Mảng chỉnh lưu góc rộng dùng siêu vật liệu 2.2 Thiết kế Dựa cấu trúc chung nói trên, chúng tơi thiết kế nên hai cấu trúc mạch thu hoạch khác nhau, dựa hai nguyên tắc để thu nhiều lượng từ môi trường: sử dụng nhiều ăng ten tần số (Hình 2) thu hoạch lượng từ nhiều tần số khác (Hình 3) Cấu trúc Hình mảng thu hoạch lượng 3,75GHz dựa siêu vật liệu (metamaterial), bao Hình Mạch chỉnh lưu hai băng tần dùng diplexer gồm nhiều phần tử đơn vị, phần tử có khả hấp thụ sóng THỬ NGHIỆM góc tới rộng, sau chỉnh lưu, trước Việc thử nghiệm tiến hành sau: lượng thu tất phần chúng tơi phát tín hiệu sóng vơ tuyến tử kết hợp lại truyền đến tải giúp theo chuẩn công nghệ 4G, 5G làm tăng tổng lượng thu nhờ số máy tạo tín hiệu Keysight lượng phần tử Cấu trúc Hình ăng-ten phát Sau tiến hành thu mạch chỉnh lưu hai băng tần, gồm hai chỉnh lượng khảo sát hoạt động hệ mạch lưu đơn tần, kết nối với ăng ten thu băng thiết kế (Rectenna thu hoạch thông rộng thông qua mạch diplexer lượng kết nối với mạch lưu trữ quản lý Với thiết kế vậy, thu lượng) vị trí có cơng suất tới 230 | DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION TWELVE từ -20 tới 0dBm (là mật độ trung bình, tiếp (điện áp vào 3,3V) cho mạch cảm phổ biến sóng viễn thơng mơi biến khơng dây có công suất thấp chế độ trường) Điện áp chiều đầu ngủ hoạt động số chế độ truyền mạch lưu trữ quản lý lượng thông định Kết hứa hẹn đo oscilloscope (Hình 4) giải pháp tự chủ lượng cho mạch cảm biến không dây 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 Kết thử nghiệm với hai giải pháp đề xuất Chúng đánh giá khảo sát cụ thể, với ngưỡng cơng suất sóng tới từ -15 tới -10dBm mạch có khả cung cấp vol 63, no 12, pp 5944–5949, Dec 2015 [2] H Sun et al, ‘A Dual-Band Rectenna Using Broadband Yagi Antenna Array for Ambient RF Power Harvesting’, IEEE Antennas Wirel Propag Lett., vol 12, pp 918–921, 2013 [3] U Muncuk et al, ‘Multiband Ambient RF Energy lượng từ 9µW 0,04mW (với rectenna Harvesting Circuit Design for Enabling Batteryless hai băng tần) 0,15mW 0,64mW Sensors and IoT’, IEEE Internet Things J., vol 5, no (với mảng rectenna) Trên hình hai kết 4, pp 2700–2714 Aug 2018 thử nghiệm tiêu biểu Điện áp thu từ mạch thu hoạch, qua TÁC GIẢ Ý TƯỞNG mạch lưu trữ quản lý lượng đạt Đinh Quang Minh sinh viên khóa 61 mơn mức ổn định 3,3V có khả cung cấp Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp, Viện trực tiếp cho nút cảm biến không dây Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vũ Hồng Tiến sinh viên khóa 61 mơn Kỹ KẾT LUẬN thuật đo Tin học công nghiệp, Viện Điện, Trong nghiên cứu này, đề Trường Đại học Bách khoa Hà Nội xuất hai giải pháp thu hoạch lượng từ sóng viễn thơng Mạch chế tạo GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN đo kiểm với kết thử nghiệm thực TS Lê Minh Thùy giảng viên hướng dẫn thực tế cho thấy công suất thu hoạch đề tài Hiện giảng viên môn sau qua mạch lưu trữ quản lý Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp, Viện lương đủ để cung cấp lượng trực Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO | 231 ... nghệ thông PHƯƠNG PHÁP tin, truyền thông không dây công nghệ Cấu trúc thông thường hệ thu điện, vi điện tử năm gần hoạch lượng gồm mạch thu hoạch Các kết nghiên cứu bước đầu mở lượng từ sóng. .. mạch thu hoạch khác nhau, dựa hai nguyên tắc để thu nhiều lượng từ môi trường: sử dụng nhiều ăng ten tần số (Hình 2) thu hoạch lượng từ nhiều tần số khác (Hình 3) Cấu trúc Hình mảng thu hoạch lượng. .. khóa 61 môn Kỹ KẾT LUẬN thu? ??t đo Tin học công nghiệp, Viện Điện, Trong nghiên cứu này, đề Trường Đại học Bách khoa Hà Nội xuất hai giải pháp thu hoạch lượng từ sóng viễn thông Mạch chế tạo GIẢNG