Nguồn RF luôn sẵn có trong môi trường, năng lượng RF có mật độ nhỏ. Nguyên lý thu năng lượng RF không phức tạp và mạch thu nhỏ gọn [72]. Sơ đồ khối nguyên lý bộ thu năng lượng RF có thể được biểu diễn như Hình 2.13.
Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý bộ thu năng lượng RF [72].
Bộ ăng ten thu RF thực hiện nhiệm vụ thu nhận năng lượng từ sóng RF trong môi trường, sau đó đưa qua mạch phối hợp trở kháng nhằm mục đích tối đa hóa hiệu suất truyền năng lượng đầu vào. Bộ chuyển đổi điện áp AC-DC hay bộ chỉnh lưu điện áp sẽ biến đổi năng lượng từ sóng RF thành điện áp một chiều, rồi đưa qua bộ lọc DC để loại bỏ các sóng hài và chỉ cho thành phần một chiều đi qua. Năng lượng tiếp đó được bộ khuếch đại DC nâng điện áp một chiều thu được đến mức yêu cầu để sử dụng hoặc lưu trữ. Trong đó, các bộ phận ăng ten thu RF, phối hợp trở kháng và chỉnh lưu đặc biệt quan trọng, quyết định đến hiệu suất, chất lượng và tính khả dụng của thiết bị thu năng lượng RF. Vì vậy khi thiết kế các bộ phận này phải có định hướng rõ ràng, ví dụ như khi thiết kế ăng ten thu phải đảm bảo nguyên tắc tối thiểu hóa về kích thước và tối đa hóa về hiệu suất thu năng lượng [73]. Một ăng ten có thể được mô hình hóa thành một nguồn áp AC mắc nối tiếp với thành phần trở kháng [74] và được biểu diễn như trong Hình 2.14.
Hình 2.14. Mô hình tương đương của ăng ten [74].
Trong đó Pav là năng lượng mà ăng ten có thể truyền đến tải, S là mật độ năng lượng, Ae là hệ số hiệu ứng bề mặt của ăng ten. Thành phần trở kháng nối tiếp bao gồm trở kháng bức xạ Rs thể hiện công suất truyền/nhận năng lượng sóng điện từ, Rloss là trở kháng thất thoát thực tế, phụ thuộc vào vật liệu và cấu trúc của ăng ten, và phần tử phản kháng jXant phụ thuộc vào cấu trúc ăng ten, thành phần này có thể là cảm kháng hoặc dung kháng tùy thuộc vào loại ăng ten dạng vòng (loop shape
antenna) hay ăng ten dạng mảnh (patch antenna). Ở tần số 915MHz, Rloss tương đối nhỏ so với Rs nên có thể bỏ qua. Công suất truyền tới tải Pav phụ thuộc vào Ae và S theo biểu thức 2.19, có nghĩa phụ thuộc vào cấu trúc và đặc tính của ăng ten. Do đó, tại cùng một giá trị Pav, VS càng cao khi giá trị RS càng cao. Điện áp sinh ra bởi ăng ten được biểu diễntheo biểu thức 2.20.
𝑃𝑎𝑣 = 𝑆. 𝐴𝑒 (2.19)
𝑉𝑠 = 2√2𝑅𝑠𝑃𝑎𝑣 = 2√2𝑅𝑠𝑆𝐴𝑒 (2.20)
Công suất lan truyền đến tải với một cặp phát-thu trong không gian tự do được biểu diễn bằng biểu thức 2.21.
𝑃𝑅 = 𝑃𝑇𝐺𝑇𝐺𝑅𝜆2
(4𝜋𝑟)2 (2.21)
Trong đó:
𝑃𝑅 : công suất thu (W)
𝑃𝑇 : công suất phát (W)
𝐺𝑇 : độ khuếch đại của ăng ten phát
𝐺𝑅 : độ khuếch đại của ăng ten thu
𝜆 : bước sóng được sử dụng (m)
𝑟 : khoảng cách giữa bên truyền và nhận (m).
Các nguồn RF trong môi trường đa dạng, công suất thu năng lượng RF phụ thuộc cơ bản vào công suất nguồn phát, dải tần số và khoảng cách từ bộ thu đến nguồn phát RF. Bảng 2.5 chỉ ra công suất thu năng lượng được từ một số nguồn phát RF trong các điều kiện khác nhau [75].
Bảng 2.5. Công suất thu năng lượng từ một số nguồn RF [75].
Nguồn RF Công suất
nguồn Tần số Khoảng cách Công suất thu Isotropic RF transmitter 4W 902-928MHz 15m 5.5µW Isotropic RF transmitter 1.78W 868MHz 25m 2.3µW Isotropic RF transmitter 1.78W 868MHz 27m 2µW TX91501 Powercaster transmitter 3W 915MHz 5m 189µW TX91501 Powercaster transmitter 3W 915MHz 11m 1µW KING-TV tower 960kW 674-680MHz 4.1km 60µW
Nguồn năng lượng RF luôn hiện hữu trong hầu hết các môi trường, mạch thu có ưu điểm kích thước rất nhỏ gọn phù hợp để tích hợp trên các nút cảm biến và không làm thay đổi nhiều về kích thước nút và không gây ảnh hưởng về vấn đề kỹ thuật của nút cảm biến. Tuy nhiên, mật độ năng lượng RF cũng như mức năng lượng thu được từ nguồn sóng RF là rất thấp thường chỉ tính theo vài µW đến vài chục µW, mức thu năng lượng đó là không đáng kể cho đa số các cảm biến trong ứng dụng thực tế.
Các công nghệ về năng lượng tái tạo nói chung và ứng dụng trong thu thập năng lượng cho nút cảm biến nói riêng không còn mới như năng lượng mặt trời, năng lượng rung động, năng lượng nhiệt, năng lượng RF, năng lượng gió, … Việc thu thập năng lượng từ các nguồn khác nhau yêu cầu kỹ thuật, điều kiện môi trường khác nhau, và
mật độ năng lượng cũng như hiệu suất thu từ mỗi nguồn phụ thuộc các yếu tố đặc trưng riêng, ví dụ thu năng lượng từ nguồn mặt trời phụ thuộc cường độ ánh sáng còn thu từ nguồn RF lại phụ thuộc khoảng cách [76], ... Bảng 2.6 so sánh và đưa ra các yêu cầu và đặc điểm cơ bản của một số phương pháp thu năng lượng từ môi trường.
Bảng 2.6. So sánh một số phương pháp thu năng lượng [76].
Nguồn Mặt trời Nhiệt Rung động RF
Mật độ năng lượng 100mW/cm2 100mW/cm2 200µW/cm2 1µW/cm2 Điều kiện để thu
năng lượng Nắng trực tiếp và tấm pin lớn ΔT ≥ 50C Cần vùng rộng Phụ thuộc khoảng cách
Hiệu suất thu 5-30% ~3% 1-10% ~ 50%
Thời gian thu/ngày Ban ngày (8h – 10h) Mọi thời điểm Mọi thời điểm Mọi thời điểm
Thu năng lượng từ môi trường cung cấp cho nút cảm biến không dây có tiềm năng và tính khả thi cao với mục đích bổ sung thêm năng lượng nhằm kéo dài tuổi thọ hơn cho các nút cảm biến. Tuy nhiên, để thu thập năng lượng được với công suất đủ lớn để cấp cho mạng cảm biến không dây thì hệ thống thu năng lượng sẽ có kích thước quá lớn, cồng kềnh. Những hệ thống mà đủ nhỏ để sử dụng cho cảm biến không dây thì lại chỉ có thể cung cấp năng lượng cho một vài nút cảm biến đơn lẻ và không đảm bảo nguồn năng lượng là liên tục. Mặc dù, môi trường có rất nhiều loại năng lượng có thể thu hồi, nhưng thực tế không phải tất cả các loại năng lượng đó đều phù hợp cho việc thu hồi năng lượng cho mạng cảm biến, mà chỉ một số nguồn năng lượng khả thi để thu thập như năng lượng mặt trời, năng lượng rung động, năng lượng nhiệt, năng lượng RF. Mặt khác, không phải bất cứ môi trường nào cũng có thể thu thập được các loại năng lượng này một cách dễ dàng, chẳng hạn như trong tòa nhà, không phải ở vị trí nào cũng thuận lợi cho việc thu thập các năng lượng từ môi trường. Mật độ năng lượng của các loại năng lượng khác nhau và phụ thuộc vào không gian, thời gian dẫn đến trong mạng sẽ có những nút thu được năng lượng đủ cho bản thân hoạt động thậm chí dư thừa, có những nút sẽ thu được ít năng lượng và có nút rất khó để thu được năng lượng từ môi trường. Vì vậy, việc đảm bảo năng lượng hoạt động ổn định lâu dài cho toàn mạng là vấn đề không đơn giản và rất cần thiết phải tìm ra các giải pháp tối ưu, đồng thời kết hợp, hỗ trợ các phương pháp thu năng lượng này nhằm điều phối việc sử dụng năng lượng của nút và toàn mạng hiệu quả.