Tiểu luận học phần vật lý 3 truyền tải năng lượng không dây

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT WPT Wireless Power Transfer : truyền năng lượng không dây  ISM Industrial, Scientific, and Medical : dài tần số cho phép sử dụng công nghiệp,khoa học và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TIỂU LUẬN HỌC PHẦN

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2023

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ iv

Chương 1 : MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.3 Nội dung nhiệm vụ đề tài : 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 1

1.5 Kết cấu bài tiểu luận 2

Chương 2: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Lịch sử ra đời 3

2.2 Khái niệm 4

2.2.1 Năng lượng là gì 5

2.2.2 Truyền tải năng lượng là gì 6

2.2.3 Truyền tải năng lượng như thế nào 6

2.3 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp 8

2.3.1 Phân loại các phương pháp truyền năng lượng 8

2.3.2 Các cơ sở lý thuyết 10

2.3.3 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 11

2.3.3.1 Truyền năng lượng gần 11

2.3.3.2 Truyền năng lượng từ xa 12

Chương 3 : ỨNG DỤNG 18

3.1 Những ứng dụng trong cuộc sống 18

a Sạc không giây 18

b Các thiết bị gia dụng: 18

c Các thiết bị trong y tế: 19

3.2 Lợi ích và tác hại 20

3.2.1 Lợi ích 20

3.2.2 Tác hại 20

Chương 4: KẾT LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN 23

4.1 Kết luận 23

4.2 Hướng phát triển 23

Tài liệu tham khảo 24

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

 WPT (Wireless Power Transfer) : truyền năng lượng không dây

 ISM ( Industrial, Scientific, and Medical ): dài tần số cho phép sử dụng công nghiệp,khoa học và y tế

 LCD ( Liquid Crystal Display ) : màn hình hiển thị sử dụng tinh thể lỏng

 USD ( United States Dollar ) : đơn vị tiền tệ cuả Mỹ

 CES ( Consumer Electronics Show) : triển lãm hàng điện tử tiêu dùng

 WSN ( Wireless Sensor Network ) : mạng cảm biến không dây

 USN ( Ubiquitous Sensor Network ) : mạng cảm biến thông minh

 RFID ( Radio-Frequency Identification ) : sóng radio

 MIT ( Massachusetts Institute of Technology ) : trường đại học nổi tiếng ởCambridge, Massachusetts, Hoa Kỳ

 SPS ( Solar Power Satellite ) : vệ tinh năng lượng mặt trời

 DC ( Direct Curren ) : dòng điện một chiều

 AC ( Alternating Current ): dòng điện xoay chiều

 PPL ( Phase-Locked Loop ): Vòng khóa pha

 PACM (Phase-Amplitude Control Module): Module Điều Khiển Pha-Amplitude

 TWT (Traveling Wave Tube): Ống sóng di chuyển

 TWA (Traveling Wave Tube Amplifier): Bộ Khuếch Đại Ống Sóng Di Chuyển

 VCO (Voltage-Controlled Oscillator): Bộ dao động điều khiển điện áp

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 2.1 : Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng 3 Hình 2.2 : Sự phân chia sóng giữa các vùng trường gần, trường xa 5 Hình 2.3: Thiết kế điện không dây cảm ứng điện từ 7 Hình 2.4 : Sơ đồ Hệ thống WPT hai cuộn dây 10

Hình 2.6 : Các thành phần của hệ thống SPS 14

Hình 3.3: đo nhịp tim qua sóng và apple watch 19

Chương 1 : MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Có thể nói rằng Điện là một trong những phát minh quan trọng nhất của nhân loạichúng ta Việc tạo ra điện đã giúp cho lịch sử nhân loại có những bước phát triển vượtbậc Hiện nay hầu hết ta thấy việc truyền tải điện năng đều thông qua việc dùng dây dẫnđiện, như vậy sẽ gây ra hao phí một lượng điện năng rất lớn do điện trở của vật liệu làmdây dẫn gây ra (từ 20 – 30%) Giảm hiểu quả của việc truyền tải điện năng là việc khôngthể tránh khỏi Do đó, giải pháp làm giảm tồn hao điện năng luôn là một vấn để cực kìnang giải đối với các chuyên gia hàng đầu trong ngành Ngày nay, các nghiên cứu đểphát triển công nghệ điện vẫn luôn được quan tâm và đạt được nhiều thành tựu, trong đó

có công nghệ phát triển hệ thống truyền tải điện không dây, đây là vấn đề quan trọng đểphát triển hệ thống điện trong tương lai Xã hội càng phát triển, nên công nghệ sản xuấtthiết bị điện cũng ngày càng phát triển, đặc biệt là các thiết bị điện thông minh, nhỏ gọn.Khi đó việc phát triển các thiết bị truyền điện không dây sẽ là một giải pháp tối ưu

1.2 Mục tiêu đề tài

Tạo cơ hội tìm hiểu thiết thực với những nội dung lý thuyết và ứng dụng của côngnghệ truyền tải năng lương lượng không dây Hiểu rõ cấu tạo, phương thức hoạt độngcủa một số ứng dụng hiện có của cộng nghệ trong cuộc sống Năm rõ và ứng dụng đượccông nghệ vào một phần của cuộc sống

1.3 Nội dung nhiệm vụ đề tài :

Trong tiểu luận giới thiệu về công nghệ truyền điện không dây (WPT) đang đượcnghiên cứu hiện nay, tập trung trình bày một số cơ sở lý thuyết và nguyên tắc hoạt động

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu nhóm chúng em đã dùng các phương pháp sau:

 Phương pháp nghiên cứu về các cơ sở lý thuyết

 Phương pháp thống kê và so sánh

 Phương pháp phân tích

 Phương pháp đưa ra kết luận

1.5 Kết cấu bài tiểu luận

Bao gồm 3 phần:

a) Phần mở đầu

b) Phần nội dung

c) Phần kết luận

Chương 2: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lịch sử ra đời

Từ đầu thế kỷ 1900, nhà phát minh người Serbia Nikola Tesla đã đưa ra ý tưởng vềviệc chuyển tải năng lượng điện trước khi hệ thống lưới điện trở nên phổ biến rộng rãi.Tesla đã mơ ước về một thế giới không cần dùng các dây dẫn điện phức tạp, thay vào đó

sử dụng một hệ thống truyền điện và năng lượng không dây đến mọi ngóc ngách trên thếgiới Để thực hiện ý tưởng này, Tesla đã xây dựng tháp Wardenclyffe cao 29m ở NewYork Tháp này được xem là bước cuối cùng trong hệ thống truyền năng lượng khôngdây của Tesla và kết hợp với phát minh máy thu năng lượng vũ trụ Nếu thành công, ýtưởng này sẽ đem lại việc sử dụng điện miễn phí và không giới hạn chỉ thông qua một cáianten thu năng lượng ở đầu cuối

Hình 2.1 : Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng

Năm 1961, Brown đề xuất truyền năng lượng bằng vi ba và sau ba năm, ông trìnhdiễn mô hình máy bay trực thăng thu năng lượng từ chùm tia vi ba để bay ở tần số 2,45GHz, thuộc dải tần ISM Công suất vài chục kW được thử nghiệm không dây vào năm

2001 bởi công ty Splashpower ở Anh

Năm 2004, phương thức truyền công suất cảm ứng phổ biến, mang về doanh thukhoảng 1 tỷ USD từ các lĩnh vực bán dẫn, LCD và plasma

Năm 2006, nhà khoa học tại MIT giả định việc sử dụng sóng điện từ "phù du"không phát xạ để truyền năng lượng không dây Họ thử nghiệm thành công vào năm

2007 với hai cuộn dây và bóng đèn 60W, thắp sáng với hiệu suất lên đến 40% từ khoảngcách 2m

Năm 2008, Intel lặp lại thí nghiệm của Tesla và giáo sư John Boys, cấp điện khôngdây cho một bóng đèn với hiệu suất 75%

Năm 2010, Haier trình diễn TV hoàn toàn không dây tại CES 2010 dựa trên nghiêncứu về truyền năng lượng không dây của nhóm Marin Soljacic ở MIT

Tháng 3 năm 2015, các nhà khoa học Nhật Bản truyền năng lượng không dây thànhcông bằng sóng viba, cung cấp 1,8 kW qua không khí tới một mục tiêu ở khoảng cách55m Điều này mở ra tiềm năng sản xuất năng lượng từ ngoài vũ trụ và truyền về Trái Đấtbằng năng lượng mặt trời

2.2 Khái niệm

Truyền năng lượng không dây là quá trình truyền tải năng lượng từ nguồn cungcấp đến thiết bị tiêu thụ mà không cần sử dụng dây cáp truyền thống Công nghệ này cóthể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, y tế, điện tử tiêu dùng

và nhiều ứng dụng khác Một trong những phương pháp truyền năng lượng không dâyphổ biến là sử dụng các trường điện từ hoặc từ trường từ để truyền năng lượng từ nguồnđến thiết bị tiêu thụ Các công nghệ như công nghệ sạc không dây trong điện thoại diđộng hoặc các thiết bị thông minh khác sử dụng nguyên lý này để truyền năng lượng từmột bộ sạc đến thiết bị để sạc pin mà không cần dây sạc trực tiếp Công nghệ truyền nănglượng không dây đang tiến triển và được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất truyền và giảmthiểu mất mát năng lượng trong quá trình truyền Nó có tiềm năng để giúp tạo ra môitrường không dây và tiện lợi hơn trong việc sử dụng và sạc các thiết bị điện tử hàng ngày

Sóng điện từ phát ra từ anten thường thể hiện các đặc tính khác nhau rất đáng kểtrong mỗi vùng từ vị trí của anten phát sóng Sự phân chia các vùng này dựa trên tính chất

cơ bản của trường điện từ, mà thường được xác định bởi khoảng cách từ nguồn phát.Biên giữa các vùng thường được đo bằng bước sóng Đồng thời, các đặc tính của trường

điện từ có thể thay đổi ngay cả trong từng vùng cụ thể và phụ thuộc vào cấu trúc của từngloại anten được sử dụng để truyền sóng.

Hình 2.2 : Sự phân chia sóng giữa các vùng trường gần, trường xa

Hình 2.2 thể hiện một số vùng truyền sóng của một anten đặc trưng dựa trên đặctính sóng và tỷ lệ kích thước giữa anten và bước sóng Từ hình vẽ, chúng ta có thể quansát rằng miền gần bao gồm hai phần miền không phát xạ và miền phát xạ

Kích thước của miền trường gần tương đương với một bước sóng Miền trườngtrung có kích thước cũng khoảng một bước sóng Tiếp theo là miền trường xa, nơi sóngđiện từ truyền tự do trong không gian mà tần số có thể phân cực hoặc không phân cực tùythuộc vào đặc tính của môi trường và tương tác giữa các thành phần điện và từ trường

2.2.1 Năng lượng là gì

Năng lượng là khả năng làm việc hoặc tạo ra sự thay đổi trong một hệ thống Nókhông thể tạo ra hoặc bị mất mà chỉ có thể chuyển đổi từ một dạng sang dạng khác Nănglượng tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như năng lượng điện, nhiệt, ánh sáng, cơ học, hóahọc, và năng lượng hạt nhân, và nó có vai trò cực kỳ quan trọng trong các quá trình tựnhiên, công nghiệp, và cuộc sống hàng ngày của chúng ta

Và năng lượng trong truyền năng lượng không dây thường được đại diện bằng cácdạng khác nhau như điện, nhiệt, ánh sáng được chuyển đổi từ nguồn gốc sang dạng nănglượng cần thiết cho các thiết bị tiêu thụ Trong các hệ thống truyền năng lượng không

dây, năng lượng thường được chuyển đổi và truyền tải từ nguồn gốc (ví dụ như nguồnđiện) tới thiết bị tiêu thụ (như điện thoại di động, thiết bị y tế ) thông qua các phươngtiện không dây như sóng điện từ, sóng vi ba hoặc các công nghệ không dây khác Điềuquan trọng là quá trình truyền tải năng lượng này diễn ra mà không cần sự tiếp xúc vật lýtrực tiếp hoặc kết nối dây điện trực tiếp giữa nguồn cung cấp và thiết bị tiêu thụ.

2.2.2 Truyền tải năng lượng là gì

Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT là quá trìnhtruyền năng lượng cao từ một điểm đến một điểm nào đó không cần dây dẫn Truyềnnăng lượng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông(như radio, TV, Rada, Mobilphone), ở đó thông tin được biến đổi truyền đi mọi hướng,tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thu thường rất nhỏ (cỡ nWđến µW)… còn trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây thì độ lớn và hiệu suấttruyền năng lượng là quan trọng nhất, năng lượng chỉ truyền theo một chiều xác định.Phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây trường gần dựa trên nguyên l cảmứng từ và cảm ứng điện từ Về sau công nghệ truyền năng lượng không dây trường xađược thực hiện bằng nguyên l phóng chùm tia công suất ở dạng tia vi ba hay tia laser đểtruyền công suất lớn (cỡ KW, MW thậm chí thiết kế đến cỡ (GW) từ vũ trụ về bề mặt tráiđất

2.2.3 Truyền tải năng lượng như thế nào

Hiện nay việc truyền năng lượng không dây được thực hiện dựa trên các phươngpháp như sau:

- Phương pháp sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Năm 1831, Faraday đã chứng

tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện Thực vậy, khi cho từ thông

đi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất hiện một dòng điện Dòng điện đó đượcgọi là dòng điện cảm ứng Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ Hiệntượng cảm ứng điện từ của Faraday được sử dụng trong việc truyền điện không dây bằngcách đặt hai cuộn dây gần nhau với một khoảng cách nhất định, khi đó dòng điện trong

cuộn dây này sẽ cảm ứng và sinh ra dòng điện trong cuộn dây kia mà không có bất kỳ liên

hệ vật lý nào ở giữa hai cuộn dây

Hình 2.3: Thiết kế điện không dây cảm ứng điện từ

- Phương pháp sử dụng nguyên lý truyền sóng điện từ là quá trình chuyển đổi điệnnăng thành ánh sáng dưới dạng một tia laser, sau đó hướng chùm tia này đến một điểmtiếp nhận năng lượng, chẳng hạn như một tấm pin năng lượng mặt trời được đặt tại vị trícần truyền năng lượng Tấm pin năng lượng mặt trời này sau đó thực hiện việc chuyểnđổi năng lượng từ ánh sáng tia laser để cung cấp điện cho thiết bị sử dụng Phương phápnày có khả năng truyền điện đi xa mà không cần sử dụng hệ thống dây truyền tải

- Phương pháp sử dụng nguyên lý truyền sóng vi ba (hay còn gọi là sóngmicrowave) là sử dụng các sóng điện từ có bước sóng rất ngắn, có thể tạo ra bằng các bộtạo dao động điện từ với tần số cực cao Truyền tải điện không dây thông qua sóng vi ba

có thể thực hiện việc truyền điện đi một khoảng cách rất xa Ban đầu, điện năng được sảnxuất, sau đó chuyển đổi thành dạng sóng vi ba với tần số phù hợp và truyền đi xa đến vịtrí tiêu thụ điện Ở cuối hệ thống, có thiết bị thu sóng vi ba, và thiết bị này sẽ thực hiệnviệc chuyển đổi sóng vi ba thành điện năng Các nhà khoa học đang nghiên cứu và ápdụng phương pháp này cho việc truyền tải năng lượng từ các vệ tinh năng lượng mặt trờiđến Trái đất

2.3 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp.

2.3.1 Phân loại các phương pháp truyền năng lượng

- Tần số:125 kHz, 13.56kHz

- Truyền tải điện: mộtvài W

- Giai đoạn phát triển:

hoàn thành

- Tiêu chuẩn: tiêu chuẩnWPC

- Sử dụng: điện thoạithông minh, máy tínhbảng

- Giá thành: thấp

- Hạn chế: khoảng cáchtruyền ngắn

- Cảm ứng điện từ dùng để chỉ 1 từtrường mà tạo ra dòng mới Mộtbảng sạc cho phép tạo ra một từtrường để nạp Sau đó, môt cộngdây 2 trong một thiết bị cảm ứng sạcpin cho nó

- Hiệu quả truyền tải điên hơn 90%

và công nghệ không được coi là cóhại cho con người Tuy nhiên,khoảng cách truyền dẫn là ngắn

- Hiện nay tiêu chuẩn hóa và áp dụngcho smatphone hay máy tính bảng

- Giai đoạn phát triển:

đang được phát triển-Tiêu chuẩn: N/A-Sử dụng RFID, cảm biếnnhỏ

Hạn chế: có hại đối với

- Căn cứ vào bức xạ điên từ, côngnghệ này có thể truyền tải lên đến10m, nhưng nó kém hiệu quả dotính chất đa hướng của nó Nângcao sản lượng để bù đắp thiếu sótnày có thể gây hại cho cơ thể conngười

- Như vậy, nó chỉ thích hợp cho cácứng dụng như các mạng cảm biếnkhông dây (WSN) và cảm biến

- Tần số: 10MHz

- Giá: giá hợp lýHạn chế: kích thước củacuộn dây cần phải đượcgiảm

- Công nghệ này cho phép một cuộndây phát một từ trường với tần sốcộng hưởng và sau đó truyền nănglượng cho một cuôn dây nhận vớicùng tần số cộng hưởng

- Công suất cố thể được truyền ngay

cả với những trở ngại giữa máy phát

và máy thu Không giống như cácbức xạ điện từ, nó không được coi là

có hại cho cơ thể con người

- Công nghệ này được phát triển bởiMarin Soliacic tại MIT vào năm

2007 và đươc chọn là 1 trong nhữngtương lai công nghệ hang đầu củaMIT Mặc dù nỗ lực để thương maihóa công nghệ này,nó đã được xem

là ít hiệu quả so với phiên bản kháccủa của công nghệ truyền dẫn và khókhan để thực hiện trên quy mô nhỏhơn Tuy nhiên, những tiến bộ vềmặt kỹ thuật đã sẵn sang cho việcthương mại hóa

- Hiệu quả của nó là khoảng 50% ở

độ cao 2m, nếu được cài đặt trongcác phòng cá nhân, các thiết bị diđộng có thể được sạc liên tục

Sóng cực

ngắn

- Khoảng cách lên đến100km

- Tần số: một vài GHz(5.8GHz)

- Truyền tải điện:

- Công nghệ này sử dụng songcực ngắn để gửi tín hiêu thông quamột ăng ten trên một khoảng cáchdài

- Một nghiên cứu được tiến

2.3.2 Các cơ sở lý thuyết

Hệ thống WPT làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng từ, nguyên lý làm việc giốngnhư máy biến áp chỉ khác là khớp nối giữa hai cuộn dây là lỏng lẻo (2 cuộn dây táchrời)

Hình 2.4 : Sơ đồ Hệ thống WPT hai cuộn dây

Hiện nay, các nghiên cứu về công nghệ truyền điện không dây trường gần sửdụng hai vùng tần số cho các ứng dụng khác nhau Với các ứng dụng cần truyền khôngdây công suất lớn (hàng chục đến vài trăm kW) và khoảng cách truyền ngắn (dưới25cm) như sạc không dây cho ô tô điện, xe bus điện, cấp điện cho tàu điện… tần sốlàm việc thường được chọn từ vài chục kHz đến vài trăm kHz Ở tần số làm việc thấp,

hệ thống WPT với hai cuộn dây phía sơ cấp và thứ cấp được sử dụng cùng với các tụ điện cộng hưởng được đưa thêm vào Với công nghệ hiện tại, công suất của hệthống này có thể đạt tới hàng MW (hiệu suất trên 90%) Nhưng do tần số làm việc

công suất cao

- Giai đoạn pháttriển: được phát triển

- Tiêu chuẩn: N/A

- Sử dụng: hàngkhông vũ trụ

Hạn chế: có hại đối vớicon người

hành trong những năm 1960 bỡiNASA cho các vệ tinh năng lượngmặt trời (SPS) dự án truyền tải điệnnăng lượng mặt trời đến trái đất

- Nó đòi hỏi ăng ten khổng lồ, vànăng lượng có thể được hấp thụ bởikhông khí hoặc bị cản trở bởi môitrường.Năng lượng được tạo ra lớnnên nó cũng có hại cho con người