Năng lượng không dây làm việc như thế nào ?

1 Giới thiệu Trong cuộc sống hàng ngày , với nhiều thiết bị điện tử có nguồn gốc , xuất xứ từ nhiều nơi trên thế giới trong một nhà ,

nhiều khi chúng ta gặp những vấn đề liên quan tới ổ cắm điện lại không vừa với đầu nối tới thiết bị hoặc chúng ta chỉ có một ổ cắm trong khi đó lại cần nhiều thiết bị cắm vào ổ đó ....

Vì những nguyên nhân trên , những nhà khoa học đang cố gắng phát triển phương pháp Truyền năng lượng không dây , cho phép thiết bị điện tử không cần dây nối nguồn , xung quanh nhà chúng ta sẽ không thấy các ổ cắm nối dây dợ lòng thòng . Ý tưởng này hoàn toàn không phải là mới . Nicola Tesla đã đề xuất lí thuyết truyền năng lượng không dây vào cuối thế kỉ 19 và vào đầu thế kỉ 20 .

Những việc làm của Tesla tạo nên ấn tượng sâu sắc , nhưng không được ứng dụng ngay lập tức , mà đó mới chỉ là thí nghiệm của việc Truyền năng lượng không dây . Kẻ từ đó tới nay , những nhà nghiên cứu đã phát triển vài kỹ thuật để truyền điện trên một cự li xa mà không cần dây dẫn . Một vài trong số đó vẫn còn chỉ là lí thuyết hoặc chỉ là mô hình , những một vài loại khác đã được sử dụng như : bàn chải điện là một trong những ứng dụng được dùng hiện nay .

Bàn chải điện được sạc điện mà không cần dùng tiếp điểm kim loại với bàn sạc, nó hoàn toàn không bị nước vào bên trong . Nó cũng tránh trường hợp nước vào điểm tiếp xúc với bàn chải gây hiện tượng ngắn mạch . Bản chất của bàn chải điện với bàn sạc là có biến áp hai phần : phần thứ nhất nằm trên bàn sạc và phần thứ hai nằm trên bàn chải điện và dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ  .

\"\"

Hình 1

Hiện tượng cảm ứng điện từ như sau : khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn thì xung quanh dây dẫn đó xuất hiện một từ trường . Khi có một dây dẫn dặt trong từ trường thì trong dây dẫn đó cũng xuất hiện một dòng điện . Vì thế trong bàn chải điện quá trình diễn ra ba bước :

 

  • Bàn sạc được với với ổ cắm , trong cuộn dây dẫn trong bàn sạc có dòng điện chạy qua và tạo ra trường điện từ .
  • Khi đặt bàn chải điện vào bàn sạc để sạc điện thì từ trường tạo nên một dòng điện khác trong cuộn dây dẫn nằm trong bàn chải điện , mà nối với Ắc quy
  • Dòng điện này sẽ nạp vào trong Ắc quy.

Bạn có thể dùng cùng nguyên tắc như vậy để nạp điện được một vài thiết bị cùng một lúc , ví dụ như tầm SplashPower được giới thiệu để sạc nhiều thiết bị cùng một lúc .

\"\"

Hình 2

  1. 2. Cộng hưởng và Năng lượng không dây

Những thiết bị trong nhà thường được chế tạo với cường độ từ trường nhỏ . Vì lí do này mà giữa bàn sạc và các thiết bị cần sạc phải luôn đi kèm với nhau ở cự li gần vì vậy chỉ có thể dùng với những cuộn dây có cự li gần nhau . Đối với những thiết bị cần sử dụng dòng điện lớn hơn thì ứng dụng trên lại không hiệu quả là do từ trường bị khuyếch tán ra những môi trường xung quanh vì vậy mà mất nhiều năng lượng hao phí .

Tháng Chín năm 2006 , những nhà nghiên cứu ở MIT đã tìm ra cách truyền năng lượng giữa những lõi dây dẫn riêng biệt mà có cự li xa tới vài mét ( m ) .  Họ đã tăng cự li giữa các lõi dây dẫn bằng cách thêm vào mạch cộng hưởng . Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số dao động gặp một tần số dao động khác có cùng một tần số thì sẽ làm cho biên độ dao động tăng lên . Hiện tượng cộng hưởng đã xảy ra ngày trước khi một đoàn quân đi qua cầu , bước chân của họ có cùng một tần số dao động của cây cầu và đã làm cho cây cầu bị gãy .

Nghiên cứu ở MIT đã chỉ ra rằng hiện tượng cảm ứng ở những chỗ khác nhau chỉ chênh lệch một ít nếu trường điện từ xung quanh những lõi cộng hưởng có cùng một tần số . Theo lí thuyết dùng cuộn dây như là phần cảm ứng điện ( Inductor Coil )  . Tấm điện dung ( Capacitance Plate ) , mà giữa dòng nạp , gắn vào những điểm cuối của cuộn dây . Khi có dòng điện chạy trong lõi thì sẽ xuất hiện dao động điện từ . Tần số dao động phụ thuộc vào độ tự cảm của cuộn dây và điện dung của những tấm đĩa gắn hai đầu .

\"\"

Hình3

Đối với bàn chải điện , hệ thống này dựa trên hai cuộn dây dẫn . Dòng điện tạo ra sóng từ trường có thể xuyên từ cuộn dây dẫn này sang cuộn dây dẫn khác và cả hai đều có cùng tần số . Hiệu ứng này chỉ tác động tới những thiết bị có cự li gần , bởi vì nếu ở xa từ trường không đủ mạnh để tác động tới mạch nạp.

Chúng ta quay lại với hiện tượng cộng hưởng . Cả hai cuộn dây dẫn có dòng điện chạy qua tạo ra dao động có tần số khác nhau , thì khi ở xa sẽ không có hiện tượng gì thay đổi . Những nếu hai cuộn dây tạo thành từ trường dao động với cùng một tần số thì luồng năng lượng sẽ chuyển từ cuộn này sang cuộn khác . Theo lí thuyết trên thì một cuộn dây có thể gửi năng lượng điện tới vài cuộn nhận , tất nhiên mạch dao động của nó phải có cùng một tần số .

Các nhà nghiên cứu đã đặt tên đó là Truyền năng lượng không bức xạ ( Non-Radiative Energy Transfer )

 

\"\"

Hình 4 : Theo lí thuyết , một cuộn dây dẫn có thể nạp cho mọi thiết bị trong phạm vi của nó , tất nhiên những cuộn dây kia phải dao động điện với cùng một tần số .

 

Những nhà nghiên cứu ở MIT đã làm những việc ban đầu để thiết lập năng lượng để sạc điện cho những thiết bị trong phòng . Có một vài kiểu khác cần truyền năng lượng đi xa hơn như chiều dài của toà nhà hoặc trong phạm vi thành phố .

Một vài kiểu lí thuyết khác cho phép truyền năng lượng đi với cự li xa hơn như ngoài khoảng không vũ trụ .

  1. 3. Năng lượng không dây khoảng cách xa

Vào năm 1980 , Trung tâm nghiên cứu Viễn thống của Canada đã tạo ra chiếc máy bay nhỏ mà có thể bay liên tục được tiếp năng lượng bằng chùm tia từ Mặt đất . Máy bay tự hành này có tên là SHARP (Stationary High Altitude Relay Platform ) được thiết kế để tiếp sóng truyền thông . Không phải nhiệm vụ bay từ điểm nọ tới điểm kia , SHARP có thể bay theo vòng tròn với đường kính 2km với độ cao 21km . Một điều quan trọng máy bay này bay được hàng tháng cho một lần bay .

 

\"\"

Hình 5 : Máy bay tự hành SHARP được tiếp năng bằng chùm tia từ mặt đất

 

Bí mật của SHARP mà có thể bay được thời gian dài đó là dựa trên máy phát sóng cực ngắn nằm trên mặt đất . SHARP phải bay trong cự li của máy phát . Có một cái đĩa lớn phía sau máy bay như là một Anten chỉnh lưu với nhiệm vụ chuyển năng lượng của sóng cực ngắn từ máy phát thành dòng điện một chiều . Bởi vì tác động của sóng cực ngắn tới Anten chỉnh lưu và SHARP có nguồn cung cấp ổn định nếu như được sóng cục ngắn cung cấp năng lượng đầy đủ .

Theo lí thuyết Anten chỉnh lưu được cấu tạo từ mảng Anten lưỡng cực , mà có cự dương và cực âm . Những Anten này lại được nối tới những Diode bán dẫn và quá trình như sau :

  • Sóng cực ngắn , là một phần của phổ điện từ trường , chạm tới Anten lưỡng cực
  • Anten tập trung năng lượng của sóng cực ngắn và truyền tới những Diode.
  • Những Diode hoạt động như là những khoá để hướng dòng điện theo một hướng vào mạch điện chỉnh lưu
  • Dòng điện được hướng tới hệ thống mà cần năng lượng điện .

David Criswell tại trường Đại học Tổng hợp ở Houston đã đề xuất dùng sóng cực ngắn để truyền điện tới Trái đất từ trạm năng lượng mặt trời trên Mặt trăng . Hàng chục nghìn trạm nhận tại Trái đất sẽ thu giữ năng lượng này và chuyển thành dòng điện để sử dụng

 

\"\"

Hình 6 : Những trạm mặt đất có thể nhận năng lượng từ Mặt trăng bằng sóng cực ngắn .

 

Sóng cực ngắn dễ dàng truyền qua khí quyển , và những Anten chỉnh lưu nhận sóng cực ngắn để chuyển hoá thành điện năng rất hiệu quả . Thêm vào đó những Anten chỉnh lưu dưới Trái đất có thể được xây dựng thành mạng lưới trong phạm vi Mặt trời chiếu sáng và giảm thiểu ảnh hưởng tới môi trường . Như vậy cho phép con người dùng năng lượng sạch . Nhưng bên cạnh đó lại có một vài điểm không thuận lợi :

  • Trạm năng lượng Mặt trời trên Mặt trăng yêu cầu giám sát và bảo dưỡng . Nói một cách khác dự án sẽ yêu cầu sự ổn định cao và những căn cứ trên Mặt trăng phải tự vận hành .
  • Chỉ có một phần trên Trái đất có đường nhìn thẳng tới Mặt trăng . Phải chắc chắn năng lượng trên mặt đất luôn luôn được đầy đủ bằng cách luôn phải định hướng lại đường đi của sóng cực ngắn .

 

 

\"\"