Đang tải... (xem toàn văn)
Mục lục A. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY 2 1. Lịch sử phát triển của thông tin không dây và công suất không dây 2 2. Sự khác biệt giữa truyền thông tin không dây và truyền công suất không dây 4 3. Bài toán đặt ra trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây 5 B. TRIỂN KHAI HỆ THỐNG 7 I. Giới thiệu phần mềm ADS ( Advanced Design System ) 7 II. Bộ biến đổi chỉnh lưu Rectifier 9 1. Lý thuyết 9 2. Phân tích Rectifier và thiết kế 11 3. Thiết kế Rectifier tái chế điều biến 12 C. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 15 D. KẾT LUẬN 18 E. TÀI LIỆU THAM KHẢO 18
Mục lục 1 A. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY 1. Lịch sử phát triển của thông tin không dây và công suất không dây Về mặt lịch sử truyền năng lượng không dây được nghiên cứu triển khai rất sớm , cách đây khoảng 150 năm , bắt đầu từ các khái niệm và ý tưởng về truyền năng lượng mà không cần dùng đường dây tải điện cao thế do Nicolai Tesla khởi xướng. Tuy nhiên từ đó cho đến nay kết quả lý thuyết và thực nhiệm về truyền tải công suất không dây đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình lý thuyết và công nghệ mới phù hợp .Năm 1900 với việc triển khai truyền năng lượng không dây qua các tháp cao ở New York , làm sáng một số bóng đèn huỳnh quang ở khoảng cách 26 hải lý ( cỡ 40 km ), N.Tesla đã thu được một số kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vực truyền thông không dây . Một số nhà nghiên cứu đó đã truyển khai nhiều nghiên cứu thí nghiệm về truyền năng lượng không dây trường gần dùng để nạp điện cho một số thiết bị như máy điện ,ô tô , xe điện , máy tính , điện thoại di động …Doanh thu cho nạp điện không dây lên tới 1 tỷ USD. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004 , sau các nghiên cứu lý thuyết tường minh hơn , và nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại MIT, vấn đề này mới được nghiên cứu mạnh mẽ , nhiều công ty lớn như Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tư và đạt được rất nhiều kết quả ấn tượng . Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trường xa đã được quan tâm mạnh từ những năm 1973, sau patent của Glasser Peter dùng chùm tia vi ba hay laser công suất cao để truyền công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO trên vũ trụ về mặt đất. Từ đó đến nay đã có hàng chục dự án lớn ở Mỹ, Nhật, Châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ được triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USD và đã thu được nhiều kết quả tốt. Thông tin liên lạc không dây là việc chuyển giao thông tin giữa hai hay nhiều điểm không được nối với nhau bằng một dây dẫn điện. Các công nghệ không dây phổ biến nhất sử dụng viễn thông không dây điện, như đài phát thanh. Bằng sóng âm thanh khoảng cách có thể là ngắn, chẳng hạn như một vài mét cho điều khiển từ xa truyền hình, hoặc 2 như xa như hàng ngàn hoặc thậm chí hàng triệu cây số cho thông tin vô tuyến sâu không gian. Nó bao gồm nhiều loại hình cố định, di động, và các ứng dụng di động, bao gồm cả radio hai chiều, điện thoại di động, trợ lý kỹ thuật số cá nhân (PDA), và kết nối mạng không dây. Ví dụ khác về ứng dụng công nghệ không dây phát thanh bao gồm các đơn vị GPS, mở cửa nhà để xe, con chuột máy tính không dây, bàn phím và tai nghe, tai nghe, radio, truyền hình vệ tinh, truyền hình phát sóng và điện thoại không dây. Phương pháp ít phổ biến hơn để đạt được truyền thông không dây bao gồm việc sử dụng ánh sáng, âm thanh, điện từ hoặc điện trường. Theo suốt lịch sử phát triển, nhiều nhà phát minh đã thử áp dụng nhiều phương pháp truyền tín hiệu không dây, bao gồm cả phương pháp cảm ứng điện từ và truyền tín hiệu qua mặt đất. Khởi đầu với điện từ học, trong quá trình nghiên cứu về lĩnh vực truyền tín hiệu không dây, hàng loạt các thí nghiệm đã được tiến hành kể từ đầu thế kỷ 19 nhằm nghiên cứu sự liên quan giữa điện và từ tính dựa vào những dự đoán trước đó. Tiêu biểu là vào năm 1800, Alessandro Volta đã phát triển những phương pháp để tạo ra dòng điện. Tiếp theo là Gian Domenico Romagnosi với nghiên cứu về sự liên quan giữa dòng điện và từ tính nhưng nghiên cứu của ông chưa được công nhận. Mãi đến năm 1829, Hans Christian Orsted đã đưa ra một thí nghiệm để chứng minh thuộc tính từ của dòng điện, đó là dòng điện chạy trong một cuộn dây làm chệch hướng của kim la bàn đặt gần. Chính thí nghiệm của Orsted đã khơi mào cho André-Marie Ampère phát triển lý thuyết về điện từ và kế đó là Francesco Zantedeschi với nghiên cứu về sự liên quan giữa ánh sáng, điện và từ trường. Năm 1831, Michael Faraday đã thực hiện một loạt các thí nghiệm để chứng minh sự tồn tại của hiện tượng cảm ứng điện từ. Mối quan hệ này đã được ông xây dựng thành một mô hình toán học của định luật Faraday. Theo đó, lực điện từ có thể lan toả ra vùng không gian xung quanh các dây dẫn. Dựa trên các nghiên cứu trước đó, Joseph Henry đã thực hiện một thí nghiệm chứng minh được lực từ có thể tác động từ độ cao 61 m vào năm 1832. Ông cũng chính là người 3 đầu tiên tạo ra dòng điện xoay chiều dao động với tần số cao. Trong thí nghiệm, ông nhận ra rằng dòng điện xoay chiều sẽ tạo ra một lực dao động với tầng số giảm dần cho đến khi nó trở về trạng thái cân bằng. Đến thuyết sóng điện từ, Từ năm 1861 đến năm 1865, dựa trên những nghiên cứu của Faraday và các nhà khoa học khác, James Clerk Maxwell đã phát triển một học thuyết mang tên thuyết sóng điện từ được đăng tải trên tạp chí khoa học hoàng gia với tựa đề "thuyết động lực của điện trường". Ông chính là người thống nhất các khái niệm quan trọng của vật lý hiện đại là điện, từ trường và ánh sáng bằng 4 phương trình Maxwell nổi tiếng. Sự ra đời của truyền sóng điện từ chính là nền tảng cho việc truyền thông tin không dây sau này đó chính là sóng radio. Cuộc trò chuyện điện thoại không dây đầu tiên trên thế giới xảy ra trong năm 1880, khi Alexander Graham Bell và Charles Sumner Tainter phát minh và bằng sáng chế photophone, một điện thoại thực hiện cuộc hội thoại âm thanh không dây qua chùm ánh sáng được điều chế . Trong kỷ nguyên xa xôi, khi các tiện ích vẫn chưa tồn tại để cung cấp điện và laser thậm chí còn chưa tưởng tượng trong khoa học viễn tưởng, không có ứng dụng thực tế cho sáng chế của họ, được đánh giá cao giới hạn bởi sự sẵn có của cả ánh sáng mặt trời và thời tiết tốt. Tương tự như truyền thông quang học không gian tự do, các photophone cũng yêu cầu một dòng lý tưởng giữa máy phát và máy thu của nó. Nó sẽ là vài thập kỷ trước khi nguyên tắc của photophone tìm thấy ứng dụng thực tế đầu tiên của họ trong thông tin liên lạc quân sự và sau đó trong truyền thông cáp quang. 2. Sự khác biệt giữa truyền thông tin không dây và truyền công suất không dây Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây, WPT (wireless power transmission ) là quá trình truyền năng lượng trong một dạng nào đó xảy ra trong một môi trường xác đinh, ở đó năng lượng được truyền dẫn theo một hướng từ một nguồn năng lượng đến một tài tiêu thụ mà không cần dây dẫn. Truyền năng lượng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (như radio, TV ,Rada ,Mobiphone ), ở đó thông tin được biến điệu truyền đi 4 mọi hướng, tính hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tính hiệu ở đầu thu thường rất nhỏ cỡ nW đến W còn trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây thì độ lớn và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, năng lượng chỉ truyền theo một chiều xác định. Phần lớn các hệ thống truyển năng lượng không dây trường gần dựa trên nguyên lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ. Về sau công nghệ truyền năng lượng không dây trường xa được thực hiện bằng nguyên lý phóng chùm tia công suất (powerbeam) ở dạng tia viba hay tia laser để truyền công suất lớn (cỡ KW, MW thậm chí kế đến cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt trái đất. 3. Bài toán đặt ra trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây Năng lượng là một thực thể khách quan tồn tại trong vũ trụ. Nó là khởi nguồn của vũ trụ, là động lực căn bản tạo ra sự sống và sự phát triển trong thế giới tự nhiên, trong đó có con người. Với sự bùng nổ dân số mạnh mẽ như hiện nay, nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho các hoạt động của con người ngày càng tăng. Trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần, nguồn năng lượng hạt nhân tính an toàn không cao, còn các nguồn năng lượng tái tạo lại chiếm tỷ phần rất ít, thì vấn đề an ninh năng lượng đang là một trong các vấn đề then chốt cần phải giải quyết. Một số đặc điểm của năng lượng mặt trời: Trong vũ trụ (ví dụ trên quỹ đạo địa tĩnh- GEO), ánh sáng mặt trời có gần như quanh năm, mật độ năng lượng mặt trời đạt cỡ 1340 W/m 2 , lớn gấp gần 8 lần so với năng lượng trung trình trên mặt đất. Năng lượng mặt trời nhiều vô tận, có thể dùng hàng tỷ năm.Mặt trời phát năng lượng ở dạng tia bức xạ khoảng 12x10 16 Joules/sec (hoặc 120.000 TW/sec) xuống trái đất. Lượng năng lượng này còn lớn hơn rất nhiều lần so với số lượng năng lượng cả trái đất dùng trong 1 năm. Bài toán đặt ra: Đó là truyền năng lượng mặt trời từ trên quỹ đạo địa tĩnh về trái đất, và biến đổi thành điện năng sử dụng. Đây là nguồn năng lượng khổng lồ, an toàn có thể sử dụng hàng tỷ 5 năm và được xem là biện pháp khả thi nhất so với các nguồn năng hóa thạch, hạt nhân,… hiện nay. Nguyên lý: Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT (Wireless Power Transmission) là quá trình truyền năng lượng cao từ một điểm đến một điểm nào đó không cần dây dẫn. Phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây trường gần dựa trên nguyên lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ. Về sau công nghệ truyền năng lượng không dây trường xa được thực hiện bằng nguyên lý phóng chùm tia công suất ở dạng tia vi ba hay tia laser để truyền công suất lớn (cỡ KW, MW thậm chí thiết kế đến cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt trái đất. Trên thế giới đã có rất nhiều nước như Mỹ, Nhật, châu Âu, Trung quốc, Ấn Độ được triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USD và đã thu được nhiều kết quả tốt. 6 Hình ảnh : truyền năng lượng không dây từ vệ tinh đến Trái Đất Một số khối thiết bị của vệ tinh năng lượng mặt trời: - Khối thiết bị thu năng lượng mặt trời: bao gồm hệ thống gương để hội tụ năng lượng mặt trời, và các pannel pin mặt trời để cung cấp điện cho ma trận linh kiện vi ba. - Khối ma trận linh kiện viba như TWT, cyclostron, hoặc cryston biến đổi năng lượng điện từ năng lượng mặt trời thành các tia vi ba có công suất cao. - Hệ thống (ma trận) anten phát bức xạ vi ba bằng các anten liên kết pha đặt trên vệ tinh hướng xuống diện tích thu năng lượng dưới mặt đất, nơi có hệ thống anten thu. Không gian truyền dẫn năng lượng không dây: bầu không gian vũ trụ từ quỹ đạo về mặt đất. Tần số (bước sóng) đối với công nghệ chùm tia vi ba là 2,45 GHz, hoặc tần số 5,8 GHz. Hệ thống thiết bị anten thu: - Hệ thống thu chùm tia vi ba trên mặt đất là ma trận anten thu tín hiệu vi ba và bộ chỉnh lưu kết hợp với nhau, gọi là rectena. Tín hiệu vi ba được thu rồi chỉnh lưu bằng mạch chỉnh lưu dùng phôtôđiôt schottky. Vì năng lượng phát ra từ quỹ đạo GEO thường có dạng hình nón, nên ở mặt đất cần có rectena kích thước thích hợp mới thu nhận được hết năng lượng. Thông thường năng lượng tập trung chủ yếu ở trung tâm ra phía ngoài, tại rìa angten năng lượng bằng không. Về độ an toàn: hệ SPS chùm tia vi ba có độ an toàn cao, mật độ công suất thấp so với mức tác hại. Về mức độ phát triển và kết quả đạt được: Hệ SPS dùng chùm tia vi ba đang được phát triển mạnh, dùng để truyền năng lượng từ GEO về và đã đạt được nhiều kết quả truyền được năng lượng cỡ KW trở lên. Hệ này đang được đầu tư hàng tỷ USD trong rất nhiều dự án lớn, và trong thời gian tới sẽ nghiên cứu để tiến tới truyền từ GW- TW. 7 B. TRIỂN KHAI HỆ THỐNG I. Giới thiệu phần mềm ADS ( Advanced Design System ) Trong phạm vi nghiên cứu của mình, em sẽ sử dụng phần mềm ADS để thực hiện phần công việc mình được giao là thiết kế mạch chỉnh lưu cho antenna, đây là giao diện khởi động chương trình : Giao diện khởi động phần mềm 8 II. Bộ biến đổi chỉnh lưu Rectifier 1. Lý thuyết Đây là một bộ biến đổi phục hồi chỉnh lưu cho việc truyền không dây tại tần số 2.45Ghz. Nó rất hiệu quả trong việc chuyển đổi từ sóng vi ba thành dòng điện trực tiếp (MW-DC). Truyền năng lượng viba là một cách tiếp cận cho việc truyền năng lượng không dây. Và một thành phần rất quan trọng trong việc truyền năng lượng không dây sử dụng vi ba đó là rectenna, và rectenna được nghiên cứu rất rộng rãi. Một rectenna dựa trên một microstrip dipole antenna và một microwave rectifier với hiệu suất chuyển đổi cao, nó được thiết kế tại tần số 2.45Ghz. Dipole antenna có thể đạt đến tăng ích ( Gain) 5.2dBi, RL (Return Loss) hơn 10dB, và băng thông của 20%. Hiệu năng chuyển đổi từ sóng viba sang dòng điện một chiều ( DC) của rectifier được đo đạc khoảng 83% với 20dBm năng lượng vào và có tải 600Ohm. Các dữ liệu đo đạc đã chỉ ra rằng hiệu năng chuyển đổi từ sóng viba sang dòng điện một chiều rơi vào khoảng 53% đến 67% khi nguồn sóng viba được chuyển đổi từ sóng liên tục sang dạng sóng âm kép với mức năng lượng tương 9 đương. Một rectifier lý tưởng được thiết kế để tăng hiệu năng chuyển đổi sóng-dòng điện bằng cách tái chế năng lượng điều biến kết hợp điều tiết hài hòa năng lượng. Với cách cấu hình lý tưởng, hiệu năng chuyển đổi sóng- dòng điện có thể đạt được 62% cho dạng sóng âm kép đầu vào tại 17dBm. Điều đó chỉ ra rằng hơn nửa năng lượng điều chế đã được tái chế thành dòng điện một chiều ( DC power). Nghiên cứu về hệ thống truyền năng lượng sử dụng sóng viba ( Microwave Power Transminsson –MTP) là bước đầu trong việc triển khai truyền năng lượng không dây sử dụng vệ tinh năng lượng mặt trời, giúp góp phần giải quyết vấn đề an ninh năng lượng đang ngày càng trở nên cấp bách hơn trong thời đại hiện nay. Là một phần quan trọng của hệ thống truyền năng lượng không dây, microwave rectifier được nghiên cứu rất rộng rãi từ rất lâu về trước. Ngày nay, rất nhiều rectifier được thiết kế cho hệ thống truyền năng lượng không dây. Phần lớn các rectifier được thiết kế sử dụng trong tần số 2.45Ghz hoặc 5.8Ghz bên cạnh một số nghiên cứu ứng dụng truyền năng lượng trong trường gần (near field) . Đi ốt là một vật liệu có tính quyết định nhất trong microwave rectifier, và Schottky đi ốt đã được áp dụng rộng rãi trong các bộ chuyển đổi sóng- điện năng. Các microwave rectifier trước đây thường được thiết kế mở mức năng lượng đầu vào thấp hơn 100mV. Mảng rectenna được thiết kế sau cùng để chuyển năng lượng viba thành dòng điện một chiều trong hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng sóng viba. Một ví dụ mảng rectenna bao gồm 16 phần tử sẽ có thể đạt đến mức độ chuyển đổi năng lượng khoảng 74% với mức năng lượng đầu vào khoảng 2W. Một rectifier đơn giản tại mức năng lượng vài oát (W) cũng được nghiên cứu tại mức năng lượng đầu vào 2W và hiệu năng vào khoảng 70%. Tái chế điều hòa là một công nghệ để chuyển đổi năng lượng một cách điều hòa. Một nguồn năng lượng sóng vi ba cao hoặc một tổ hợp của nhiều nguồn sóng hướng tới nguồn năng lượng ra lớn hoặc truyền khoảng cách xa. Cách để thực hành thực tiễn hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng sóng viba là để áp dụng hai hoặc nhiều các nguồn năng lượng sóng vi ba không phụ thuộc để thay các nguồn sóng năng lượng lớn, trên thực tế các nguồn sóng năng lượng lớn này rất đắt. Bộ chuyển đổi sóng- 10 [...]...điện năng của rectifier thông thường rơi vào các kết quả hơi dưới như mong muốn Nó chủ yếu là do các hiệu ứng điều chế không mong muốn xảy ra trong quá trình truyền Các rectifier thoogn thường được thiết kế để tái chế hài hòa các sản phẩm sóng liên tục Các năng lượng sóng viba ở các tần số khác nhau có thể không được tái chế Dưới đây là một rectifier có thể nâng cao hiệu năng chuyển đổi sóng-điện năng, ... khi áp dụng tần số năng lượng sóng kép tại vị trí trung tâm : Hình 2 Đồ thị của điện áp Đi ốt Bảng 1 Sự điều biến qua lại chính và tần số sóng hài của Rectifier với tần số sóng đầu vào kép, f1=2449Mhz và f2=2451Mhz : 13 Tần số 2.45Ghz với độ sai khác tần số 2Mhz Áp dụng năng lượng viba với tần số khác ví dụ như 2449Mhz và 2451Mhz là 14dBm, và năng lượng trung bình là 17dBm Năng lượng tạm thời đạt đỉnh... 2 thể hiện sự khác biệt về tần số ( 2Mhz) và tổng tần số (4.9Ghz) bên cạnh tần số sóng hài ( 4888Mhz và 4892 Mhz ) của tần số kép được sử dụng trong việc chỉnh lưu Sự khác biệt về tần số và tổng tần số sinh ra để tạo ra hiệu ứng điều chế qua lại Nội dung chính của sự điều chế qua lại và tần số sóng hài được hiển thị ở bảng 1 Năng lượng tại tổng tần số được tái chế, ngay khi tổng tần số gần với tần... trị hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng sóng vi ba sang điện năng Một máy phát tín hiệu Vector Agilent E8267C được áp dụng để đo đạc hiệu năng chuyển đổi từ sóng viba sang năng lượng của Rectifier Sử dụng dữ liệu thu được từ Agilent 34970A để đo đạc điện thế một chiều DC ở đầu ra Một trở kháng được sử dụng có giá trị thay đổi từ 200ohm đến 1000ohm Giá trị chuyển đổi sóng-điện năng của Rectifier rơi vào... Rectifier rơi vào khoàng 67% tại tần số 2.45Ghz, khi mà năng lượng sóng là 17dBm và giá trị tải là 650ohm 3 Thiết kế Rectifier tái chế điều biến 12 Trong trường hợp này tần số năng lượng viba kép được áp dụng cho rectifier thông thường trong hình 1, sự điều biến qua lại xảy ra bởi vì sự không tuyến tính của đi ốt D1 Không chỉ hài hòa mà còn khác biệt và tổng tần số được sinh ra Hình 2 hiển thị mô phỏng hình... dụng để cô lập dòng xoay chiều khỏi nguồn năng lượng RF Tụ điện shunt C2 là bộ lọc thông thấp để tín hiệu dòng điện một chiều đi qua, và phản xạ sóng viba ngược trở lại cho rectifier Nguồn phát điều hòa trong quá trình tách sóng bị giới hạn giữa MATAPER_1 và tụ C2 Và như thế, quá trình điều hòa được tái chế bời đi ốt D1 để thu được hiệu năng chuyển đổi Sóng- Điện năng lớn hơn MTAPER_1 ( microstrip line... lượng tại tổng tần số được tái chế, ngay khi tổng tần số gần với tần số sóng hài đầu tiên tại tình huống tần số sóng đơn Tuy nhiên, năng lượng tại các tần số khác nhau rất khó để tái chế, khi rectifier được thiết kế cho tần số 2.45Ghz và nó hài hòa, kết quả của nó rất quan trọng trong việc nghiên cứu và chế tạo Rectifier 14 Hình 3 : (a) Sơ đồ nguyên lý, (b) layout và (c) hình ảnh của rectifier C KẾT... khó khăn, hạn chế gặp phải: - Do mới lần đầu sử dụng nên còn nhiều bỡ ngỡ, khả năng sử dụng chưa được thành - thạo còn nhiều tính năng của phần mềm chưa được khai phá Việc mô phỏng vẫn gặp lỗi ở cách bố trí linh kiện Việc thiết kế và thiết lập các thông số chưa được thành thạo do chưa có sự tìm hiểu kĩ lưỡng và sâu rộng về vấn đề E TÀI LIỆU THAM KHẢO - AN INTERMODULATION RECYCLING RECTIFIER FOR MICROWAVE... viba ở các tần số khác nhau có thể không được tái chế Dưới đây là một rectifier có thể nâng cao hiệu năng chuyển đổi sóng-điện năng, nó có sơ đồ nguyên lý ở bên dưới Rectifier này có thể tái chế các năng lượng sóng ở các tần số khác nhau Một sóng viba tại tần số 2.45Ghz, có thể được điều chế cho sóng đầu vào kép với tần số ngắt quãng khoảng 2Mhz Hình 1 (a) Sơ đồ nguyên lý (b) hình ảnh của rectifier... Microstrip line (MLIN_2) với các thông số W=0.64, L=7.67mm Microstrip line taper (MTAPER) với các thông số W1=1.26mm, W2=0.7mm, L=4.64mm D KẾT LUẬN Trong quá trình thực tập tốt nghiệp, em đã tìm hiểu về cách sử dụng phần mềm ADS nhằm thiết kế và mô phỏng bộ chỉnh lưu Rectifier, biết cách sử dụng phần mềm ADS một cách cơ bản nhất giúp có thể ứng dụng sau này cho việc hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp