, () (3.27) Trong đó I là dòng điện siêu cao tần RF chạy qua điốt khi phân cực
t rên các rở ả
3.4. Thử nghiệm hệ thống truyền năng lượng không dây
Sau khi thiết kế chế tạo các thành phần của hệ thống truyền năng lượng không dây bao gồm các mạch khuếch đại và anten loa phục vụ cho phía phát, các mạch anten và chỉnh lưu siêu cao tần phục vụ cho phía thu tác giả thực hiện thử nghiệm hệ thống truyền năng lượng không dây thực tế ở khoảng cách gần trên mặt đất. Trong thực tế có 3 kiểu kết nối các rectenna với nhau: nối tiếp, song song và hỗn hợp. Mơ hình thử nghiệm hệ thống đưa ra ở hình 3.37 dưới đây được kết nối theo cấu trúc song song bởi sự đơn giản và dễ cân bằng về công suất của cấu trúc này.Theo cấu trúc này thì hệ thống mảng Rectenna đã thực hiện giải pháp cộng cả cơng suất sóng siêu cao tần ở đầu vào và cộng cơng suất điện một chiều DC ở lối ra của mạch chỉnh lưu siêu cao tần. Điều này giúp làm tăng năng lượng siêu cao tần đưa vào mạch chỉnh lưu siêu cao tần và cho điện áp lối ra lớn.
Hệ thống thực tế gồm phần phát với công suất phát 4W; phần thu gồm một ma trận 2x2 Rectenna, khoảng cách giữa giữa các thành phần phát và thu là 5 mét. Khoảng cách này hoàn toàn đảm bảo rằng hệ thống truyền năng lượng không dây hoạt động ứng với trường xa của bức xạ sóng điện từ. Số lượng các Rectenna này là khá nhỏ bởi để có thể thu nhận được nhiều năng lượng hơn cần một số lượng lớn các Rectenna. Mặc dù hạn chế về số lượng song với 4 phần tử tác giả vẫn đánh giá được khả năng cộng cơng suất ở phía thu. Các Rectenna thử nghiệm này sử dụng anten mảng 2x4 và mạch chỉnh lưu siêu cao tần nhân áp phối hợp trở kháng kiểu dây chêm đơn. Như vậy, mỗi Rectenna đều thể hiện được giải pháp cộng năng lượng sóng siêu cao tần ở lối vào và việc kết nối thành mảng thể hiện được giải pháp cộng năng lượng điện một chiều DC ở lối ra. Mảng Rectenna được kết nối theo mảng theo cấu trúc song song.Hệ thống được minh họa ở hình 3.38 dưới đây.
Bảng 3.11 cung cấp điện áp ra, cơng suất trên tải có giá trị 100Ω và hệ số ghép công suất tương ứng với 1, 2 và 4 phần tử Rectenna được thử nghiệm. Trong đó hệ số ghép cơng suất là tỷ số giữa công suất trên tải ứng với số Rectenna tương ứng trên công suất trên tải của một Rectenna với cùng một điều kiện đo.
Hình 3.37. Hệ thống truyền năng lượng không dây thử nghiệm
Bảng 3.11. Điện áp, công suất ra trên tải và hệ số ghép công suất
Số phần tử Rectenna Điện áp (V) Công suất (mW) Hệ số ghép công suất 1 1.08 11.66 1 2 1.48 22 1.9 4 1.9 36.1 3.1
Trong trường hợp mảng 2x2 phần tử, hệ số ghép công suất chỉ đạt 3,1 so với 4 (giá trị lý tưởng). Điều này có thể được giải thích bởi nhiều nguyên nhân như do tổn hao khi ghép mảng, do các Rectenna không lý tưởng giống nhau và đặc biệt trong trường hợp này là do sự phân bố không đồng đều của mật độ công suất phát ra từ anten loa dùng làm thiết bị phát.
Hình 3.38. Mơ hình hệ thống thực tế
Để có thể đánh giá tương đối chính xác hiệu suất cả hệ thống thì phía thu phải xây dựng một hệ thống với số lượng Rectenna rất lớn, đặc biệt đối với trường hợp sử dụng vệ tinh truyền sóng viba về trái đất (hàng triệu phần tử trên diện tích vài km2). Trường hợp tổng quát nếu ứng dụng cho SPS thì hiệu suất tổng cộng của hệ thống được tính bởi[57]:
= ∗ ∗ ∗ (3.55) Trong đó SPS ,Solar_DC, DC-RF, air, RF-DC lần lượt là hiệu suất tổng cộng của hệ thống SPS, hiệu suất chuyển đổi quang điện, hiệu suất chuyển đổi DC-RF, hiệu suất truyền qua không gian và hiệu suất chuyển đổi RF-DC tương ứng.
Tuy nhiên nếu dựa trên các giá trị đạt được có thể đánh giá hiệu suất đạt được là có thể dùng trong truyền năng lượng khơng dây. Cụ thể, hiệu suất chuyển đổi DC - RF đạt 54%, hiệu suất chuyển đổi RF - DC đạt 71,5%, giả thiết hiệu suất truyền qua không gian đạt 87% như tổ chức URSI (Union Radio Scièntifique Internationale) đưa ra trong tài liệu tham khảo [57] thì hiệu suất của cả hệ thống thử nghiệm từ DC – RF - DC sys được tính là:
= ∗ ∗ = 0,54 ∗ 0,87 ∗ 0,715 = 0,336 = 33,6(%)
Như vậy hiệu suất lớn nhất của hệ thống từ phát tới thu có thể đạt giá giá trị lớn nhất là 33,6%. Giá trị này có thể là khá nhỏ so với giá trị 54% do URSI báo cáo trong [56]. Tuy nhiên đây là kết quả tốt để tiếp tục cải tiến và nâng cao hiệu suất của từng thành phần trong hệ thống.
Nhận xét và kết luận chương 3
Trong chương 3, tác giả đã đề xuất : Xây dựng mơ hình bộ thu năng lượng
siêu cao tần làm nhiệm vụ chuyển đổi từ năng lượng siêu cao tần thành năng lượng điện một chiều bao gồm các mạch chỉnh lưu siêu cao tần và anten mạch dải. Những nghiên cứu và các kết quả chính đạt được trong chương này là:
Tác giả đã thực hiện các nghiên cứu về mạch Rectenna nhằm mục đích phục vụ cho hệ thống truyền năng lượng siêu cao tần. Tác giả đi sâu nghiên cứu các mạch chỉnh lưu siêu cao tần và anten mạch dải. Trong chương này, tác giả đã thực hiện chế tạo các mạch chỉnh lưu kiểu nối tiếp, song song và mạch chỉnh lưu kiểu nhân điện áp. Đặc biệt qua kết quả đạt được từ mạch chỉnh lưu nhân áp phối hợp trở kháng lối vào sử dụng đoạn dây chêm đơn cho hiệu suất chuyển đổi RF-DC lớn nhất với hiệu suất là 71,5%.
Tác giả cũng đã thực hiện thiết kế chế tạo các anten mạch dải 1 chấn tử và anten mảng. Kết quả đo thực nghiệm chỉ ra rằng các anten này có hệ số S11 nhỏ hơn -15dB nên ứng dụng được để làm nhiệm vụ nhận năng lượng sóng siêu cao tần cho các mạch chỉnh lưu phía sau. Một hệ thống truyền năng lượng khơng dây sử dụng sóng siêu cao tần trên mặt đất cũng đã được tác giả thực nghiệm với mảng Rectenna 2x2 phần tử.
Như vậy, tác giả đã thực hiện thiết kế và chế tạo thành công mạch Rectenna với hiệu suất cao có thể ứng dụng được cho mục đích truyền năng lượng khơng dây, một trong những vấn đề nghiên cứu cấp bách hiện nay nhằm giải quyết vấn đề an ninh năng lượng toàn cầu. Các kết quả này cịn có thể được ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông sử dụng tần số nằm trong băng tần ISM. Các kết quả chính của chương này được tác giả cơng bố trong các cơng trình [6]- [8]của tác giả.