a, Truyền năng lượng theo nguyên lý cảm ứng điện từ cộng hưởng
Hiện tượng cộng hưởng điện có thể xẩy ra trong một mạch điện LC tại một tần số cộng hưởng khi mạch điện thỏa mãn một số điều kiện xác định. Hiện tượng cộng hưởng này thường xẩy ra khi trở khàng giữa lối vào và lối ra gần bằng giá trị 0 và hàm truyền đạt cực đại, có giá trị bằng 1. Tại tần số cộng hưởng, các mạch điện sẽ phát ra tiếng kêu rung rú, và thường phát sinh ra điện thế lớn hơn điện thế cung cấp ở lối vào. Hiện tượng này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây.
Mạch điện chưa thành phần L và C, khi đặt một thế hiệu vào mạch điện thì sẽ có một trường điện từ sinh ra trong cuộn cảm L, trường này làm phát sinh dòng điện, dòng điện này sẽ nạp điện tích vào hai má của tụ điện, khi đầy điện tích sẽ có quá trình phóng điện tạo ra dòng điện, dòng điện này lại tạo ra từ trường trong cuộn cảm, quá trình này cứ lặp đi lặp lại. Trong một số trường hợp cộng hưởng xảy ra khi giá trị cảm kháng bằng giá trị dung kháng và năng lượng điện dao động giữa từ trường của cuộn cảm và điện trường của điện dung. Tại cộng hưởng thì trở kháng nối tiếp của hai thành phần là cực tiểu còn trở kháng song song là cực đại.
Hiện tượng cộng hưởng được sử dụng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, như để dò tìm sóng (tuning) trong radio, và lọc sóng chỉ cho một tần số đi qua dung trong kỹ thuật đo lường. Tại tần số cộng hưởng giá trị cảm kháng và dung kháng có độ lớn bằng nhau nêu ta có:
1
LC (2.11)
trong đó 2 f , là tần số cộng hưởng có đơn vị là [Hz]. L là cảm kháng có đơn vị là [H], C là điện dung có đơn vị là [F] khi sử dụng hệ đơn vị SI.
b, Truyền năng lượng cộng hưởng
Truyền năng lượng cộng hưởng (Resonant energy transfer) hoặc liên kết cảm ứng cộng hưởng (resonant inductive coupling) là sự truyền năng lượng không dây trường gần giữa hai cuộn dây, chúng có cộng hưởng cao tại cùng một tần số. Biến thế cộng hưởng là thiết bị thường được dùng để thực hiện việc này. Trong số nhiều biến thế cộng hưởng thì loại biến thế cộng hưởng này có hệ số phẩm chất Q cao và thường không dùng lõi sắt dể loại trừ sự suy hao do lõi sắt gây ra. Các cuộn dây trong biến thế công hưởng có thể nằm chung trong một khối cạnh nhau hoặc các cuộn dây nằm tách biệt ở hai khối thiết bị khác nhau. Truyền năng lượng cộng hưởng bằng cách cấp dòng điện cho một cuộn dây, dòng điện này tạo ra từ trường dao động, nếu chỉ có một cuộn dây thì năng lượng dao động sẽ phát ra không gian xung quanh và mất dần năng lượng sau một số chu kỳ dao động. Thế nhưng, nếu có một hoặc các cuộn dây khác nhau ở
gần hoặc cách xa một khoảng cách nào đó từ cuộn dây sơ cấp thì tại tần số cộng hưởng chung, các cuộn dây thứ cấp có thể lấy phần lớn năng lượng từ cuộn dây sơ cấp trước khi chúng bị suy hao. Các trường xuất hiện nổi trội ở đây là trường gần không phát xạ với các sóng evanescent như đã bàn ở trên.
Năng lượng dao động sẽ truyền qua – lại giữa từ trường trong cuộn dây và điện trường qua tụ điện tại tần số cộng hưởng. Theo lý thuyết trường gần, dao động cổ điển này sẽ tắt dần với một tốc độ xác định phụ thuộc vào hệ số phẩm chất Q. Sự mất năng lượng chủ yến do điện thế rơi trên điện trở kí sinh và do phát xạ vào không gian, tuy nhiên nếu có một hay một số cuộn dây thứ cấp cắt ngang đường sức từ trường thì các cuộn này có khả năng hấp thụ phần năng lượng lớn hơn nhiều so với phần mất mát trong mỗi chu kì.
Bằng cách này năng lượng được truyền đi. Trong cuộn dây sơ cấp thường có các thành phần L, C và R (điện trở kí sinh) do vậy hệ số phẩm chất được xác định như sau:
1 L
Q
R C (2.12)
Vì Q rất lớn, giá trị có thể lên đến 1000 với lõi không khí trong cuộn dây, chỉ cần có một phần nhỏ năng lượng trường dùng vào việc liên kết từ cuộn này đến cuộn kia để tạo ra hiệu suất cao. Hệ số liên kết là tỷ phần của dòng chảy của cuộn sơ cấp cắt cuộn thứ cấp, và nó là hàm của kích thước hệ thống, giá trị của hệ số liên kết nằm giữa 0 và 1.
Theo các tác giả của nhóm Marin Soljacic phát minh trường cộng hưởng của hai hệ thống 1 và 2 được biểu thị gần đúng bằng:
1 1 2 2
( , ) ( ) ( ) ( ) ( )
F r t a t F r a r F r , ở đó F1 và F2 là các mode riêng của hai hệ thống 1,2 riêng rẽ, và biên độ của trường là a1(t) và a2(t) trong một số trường hợp, đối với các mode thấp được biểu thị như sau:
1 1 1 1 2 2 2 2 2 1 ( ) ( ) da i i a ika dt da i i a ika dt (2.13)
Ở đó 2, 1 là các tần số riêng của hai hệ thống riêng biệt, 2, 1là các độ rộng miền cộng hưởng chứa các mất mát riêng phần (hấp thụ và phát xạ), k là hệ số liên kết (coupling coefficient). Phương trình (2.13) biểu thị rằng tại tần số cộng hưởng 1 2và 1 2 các mode bình thường tổ hợp của hệ thống tách ra bởi 2k. Năng lượng sẽ trao đổi như nhau giữa hai hệ thống tại thời gian П/k và gần như rất hoàn hảo, trừ phi đối với hệ có các mất mát. Giá trị này là cực tiểu khi tốc độ liên kết nhanh hơn tốc độ mất mát (k 2). Để truyền năng lượng thường cần hệ thống có liên kết mạnh, khi đó cần thỏa mãn tỷ số 2
1 2
/ ( ) 1
k .
Hiệu ứng “cảm ứng cộng hưởng điện từ” hoặc “liên kết cảm ứng cộng hưởng” có vai trò quan trọng đặc biệt trong việc truyền năng lượng không dây. Đặc biệt, về sự phụ thuộc của hiệu suất vào khoảng cách truyền.
Cảm ứng điện từ là một hiện tượng xảy ra rất phổ biến theo nguyên lý sau: khi một cuộn dây sơ cấp phát sinh từ trường vượt trội (predominantly) do dòng điện thì qua cảm ứng sẽ phát sinh một dòng điện trong một cuộn dây thứ cấp có trong không gian của từ trường của cuộn sơ cấp. Tuy nhiên cường độ dòng điện xuất hiện trong cuộn dây thứ cấp còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, và thông thường kết quả đạt được về phương diện độ lớn của quá trình truyền năng lượng không như mong muốn.
Khi ứng dụng hiện tượng cộng hưởng tại tần số giống nhau ở hai cuộn dây thì hiệu suất truyền năng lượng có thể tăng lên đáng kể do có hiện tượng “xuyên hầm của sóng điện từ mang năng lượng” tới cuộn thứ cấp. Khi hiện tượng liên kết cộng hưởng xuất hiện thì trong hai cuộn dâu xuất hiện độ cảm ứng tương hỗ tại một tần số cộng hưởng, và dòng điện dạng hình sin cung cấp vào cuộn dây sơ cấp thường bị biến dạng dạng tín hiệu hình vuông hoặc một dạng tín hiệu quá độ có độ méo nào đấy, và như vậy tạo ra sự tương tác liên kết mạnh hơn trong hệ thống truyền năng lượng. Bằng cách này một lượng công suất đáng kể có thể truyền không dây với tốc độ rất nhanh qua một khoảng cách xa hơn sơ với lý thuyết truyền sóng trường gần cổ điển đã tính toán, khoảng cách truyền năng lượng thường đạt cỡ hàng đơn vị mét. Không giống như các cuộn dây có nhiều lớp cuốn lên nhau trong các biến thế không cộng hưởng, các
cuộn dây dùng trong cảm ứng cộng hưởng, cả cuộn sơ cấp và thứ cấp, là các cuộn dây hình ống (solenoids) đơn lớp hoặc cuốn spiral trên một mặt phẳng với các điện dung nối tiếp, với cấu trúc tổ hợp này cho phép thành phần bên phía thu có thể điều chỉnh với tần số bên phần phát và giảm các mất mát.
c, Truyền năng lượng không dây theo nguyên lý cảm ứng tĩnh điện (liên kết điện dung)
Trong hiệu ứng cảm ứng tĩnh điện hoặc liên kết điện dung thường cần một điện trường cao có gradient hoặc có điện dung vi phân giữa các điện cực (các điện cực này không được tiếp đất vì mặt đất có tính dẫn điện, chúng đã được treo lơ lửng lên phía trên mặt đất bằng các sợi dây cách điện) để truyền năng lượng không dây với sự chênh lệch về thế hiệu xoay chiều tần số cao truyền giữa hai tấm mặt phẳng tụ điện ( hoặc hai chốt dạng đĩa).
Như vậy, có thể thấy lực tĩnh điện qua môi trường tự nhiên dẫn điện có trong từ trường thay đổi có khả năng truyền năng lượng từ phần phát đến phía phần thu. Đôi khi người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng Tesla, đó là một trong những ứng dụng của dịch chuyển điện, nghĩa là đường dẫn của năng lượng điện qua không gian và vật chất khác với cơ chế chêch lệch điện thế rơi trên một dây dẫn.