Truyền điện không dây – Stem – Hạnh Phúc Mỗi Ngày

Nội Dung

Khái niệm:

Truyền điện không dây (Wireless power transfer (WPT), hay gọi chính xác hơn là truyền tải năng lượng không dây (Wireless energy transmission – WET) là quá trình truyền năng lượng cao từ một điểm đến một điểm nào đó không cần tới dây dẫn.

Truyền năng lượng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (như radio, TV, radar, điện thoại di động,…), ở đó thông tin được biến điệu truyền đi mọi hướng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thu thường rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… 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.

Ý tưởng về chuyển tải điện năng đã được đưa ra từ đầu năm 1900 bởi nhà phát minh người Serbia Nikola Tesla trước khi lưới điện được phổ biến rộng rãi Ngay từ những năm này, Tesla đã mơ ước một thế giới không tồn tại dây dẫn điện phức tạp mà sử dụng hệ thống một tháp truyền điện và năng lượng không dây tới mọi ngõ ngách trên thế giới. Nhằm hiện thực hóa viễn cảnh này, Tesla đã bắt tay xây dựng tháp Wardenclyffe cao 29m ở New York. Ngọn tháp này được coi là bước cuối cùng trong hệ thống điện không dây của Tesla, và được kết hợp với phát minh máy thu năng lượng vũ trụ. Nếu thành công, thế giới sẽ được sử dụng điện miễn phí và không giới hạn chỉ bằng một cái antenna thu năng lượng ở đầu cuối.

Tuy nhiên sau 17 năm xây dựng (1900-1917), dự án tháp đã bị đình chỉ, bị rút nguồn tài trợ của JP Morgan vì họ phát hiện ý đồ thật sự của Tesla không phải xây dựng tháp viễn thông.

Mơ ước của Tesla xuất phát từ sáng chế trước đó của ông, cuộn dây Tesla (Tesla coil), một phát minh mang tính cách mạng so với thời đại. Tesla đã phát triển những cuộn dây đặc biệt này vào năm 1891, trước khi người ta sử dụng những chiếc máy biến áp truyền thống để cung cấp điện cho mọi thứ như hệ thống chiếu sáng đến các mạch điện thoại. Những biến áp thông thường không thể chịu được tần số cao và điện áp cao mà các cuộn dây trong phát minh của Tesla có thể chịu đựng được.

Một cuộn dây Tesla bao gồm hai phần: một cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp, và mỗi cuộn dây có tụ điện riêng. Hai cuộn dây và tụ điện được nối với nhau bằng một khe đánh lửa – một khoảng cách giữa hai điện cực để tạo ra tia lửa điện. Về cơ bản, các cuộn dây Tesla là hai mạch điện mở kết nối với một khe đánh lửa. Một cuộn dây Tesla cần một nguồn điện cao áp. Một nguồn điện được cung cấp thông qua một biến áp có thể sản xuất một dòng điện với cường độ cần thiết (ít nhất hàng ngàn vôn).

Nguồn điện được nối với cuộn dây sơ cấp. Tụ điện của cuộn dây chính hoạt động như một miếng bọt biển thấm hút các điện tích. Cuộn dây sơ cấp tự nó phải có khả năng chịu đựng điện tích rất lớn và sóng điện, do đó chúng thường được làm bằng đồng – một loại dây dẫn điện tốt. Các tụ điện được tích tụ nhiều điện tích đến mức kháng không khí trong khe đánh lửa. Sau đó, dòng điện đi ra khỏi tụ điện đi xuống cuộn dây chính và tạo ra từ trường.

Năng lượng lớn khiến cho từ trường sụt giảm nhanh chóng, tạo ra dòng điện trong cuộn thứ cấp. Điện áp bị nén qua không khí giữa hai cuộn dây tạo ra tia lửa ở khe đánh lửa. Năng lượng bao phủ giữa hai cuộn dây và tích tụ ở cuộn thứ cấp, tụ điện. Điện tích trong tụ điện thứ cấp lên cao và thoát ra dưới dạng hồ quang điện. Với điện áp tần số cao có thể thắp sáng bóng đèn huỳnh quang cách xa vài bước chân mà không cần dây điện kết nối.

Nguyên tắc cơ bản của cuộn dây Tesla chính là hiện tượng cộng hưởng, cộng hưởng xảy ra khi cuộn dây chính bắn dòng điện vào cuộn dây thứ cấp đúng thời điểm để tối đa hóa năng lượng chuyển vào các cuộn dây thứ cấp. Ngày nay cuộn dây Tesla không còn được ứng dụng thực tế nhiều nữa, song phát minh của Tesla đã làm nên cuộc cách mạng về cách hiểu và sử dụng điện năng.

Cuộn dây Tesla

Cấu tạo

Một cuộn Tesla bao gồm 2 phần: một cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp, mỗi cuộn dây đều có tụ điện riêng (tụ điện lưu trữ năng lượng điện giống như pin). Về cơ bản, cuộn dây Tesla là một máy biến thế lõi không khí. Một thành phần cơ bản thứ 3 không thể bỏ qua đó là khe đánh lửa nó hoạt động như thiết bị đóng cắt.Cuộn Tesla cần một nguồn điện cao áp để nạp vào tụ C₁. Nguồn điện thông thường đi qua một biến áp có thể sản xuất ra dòng điện với điện áp cần thiết (ít nhất là 3 ngàn vôn).

Nguyên lý hoạt động

Khi hệ thống được cấp điện. Trong khoảnh khắc (1/2 chu kỳ điện lưới),Tụ điện C₁ được nạp gần đầy tia lửa điện sẽ xuất hiện, cho phép năng lượng chứa trong C₁ xả vào cuộn dây sơ cấp L₁ (phần tô màu đỏ cam tong hình 4) tiếp theo là 1 loạt chuyển đổi năng lượng qua lại giữa C₁ và L₁ còn gọi là hiện tượng dao động cộng hưởng do tia lửa điện duy trì khoảng 5–>10 chu kỳ dao động của cuôn sơ cấp cũng là thời gian đủ cho năng lượng từ cuộn sơ cấp chuyển qua cuộn thứ cấp bằng hiện tượng hổ cảm, sóng tại cuộn thứ cấp có dạng theo hình 3. Cuối cùng, điện tích trong tụ C₂ lên cao đến mức nó thoát ra dưới dạng tia lửa điện. Trường điện từ tần số cao có thể thắp sáng các bóng đèn huỳnh quang cách xa vài bước chân mà không cần dây điện kết nối.

Trong một cuộn dây Tesla được thiết kế hoàn hảo, khi cuộn dây thứ cấp đạt mức điện tích tối đa, toàn bộ quá trình sẽ bắt đầu lại và thiết bị sẽ có khả năng tự duy trì. Tuy nhiên trong thực tế, điều này không xảy ra. Không khí bị đốt nóng ở khe đánh lửa sẽ kéo một số lượng điện từ các cuộn dây thứ cấp và quay trở lại khe đánh lửa, vì vậy cuối cùng cuộn dây Tesla sẽ hết năng lượng. Đây là lý do tại sao các cuộn dây phải được bổ sung năng lượng bằng cách nối với một nguồn cung cấp điện bên ngoài.

Nguyên tắc cơ bản đằng sau cuộn dây Tesla chính là hiện tượng cộng hưởng. Cộng hưởng sẽ xảy ra khi cuộn dây sơ cấp bắn dòng điện vào cuộn dây thứ cấp đúng thời điểm để tối đa hóa năng lượng chuyển vào các cuộn dây thứ cấp.

Một đặc điểm rất riêng của cuộn dây Tesla là nó hoạt động theo chế độ gián đoạn với duty của việc cấp năng vào cuộn Tesla rất nhỏ 1 phần mười ngàn (100 xung của tụ C1 xả vào cuộn dây L1 với tổng thời gian khoảng vài trăm micro giây) vì thế với công suất RMS khá nhỏ nhưng nó có thể phát ra những chùm sóng sine có năng lượng tức thời cực lớn (hàng megawatt) chính vì thế nó phóng những tia sét nhân tạo một cách rất ngoạn mục.

Mặc dù cuộn dây Tesla (Tesla coil) không còn được ứng dụng thực tế nhiều nữa, song phát minh của Tesla đã làm nên cuộc cách mạng về cách chúng ta hiểu và sử dụng điện.

Mạch điện gợi ý

(Mạch điện trên đã loại bỏ tụ điện, nếu mạch điện không hoạt động đổi 2 đầu cuộn dây 1 hoặc 2)

Kỷ nguyên truyền dẫn điện không dây đã dần trở thành hiện thực

Theo trang tin công nghệ trực tuyến Canada Wonderfulengineering (WEC) số ra cuối tháng 4/2022, Hải quân Mỹ (USN) thử nghiệm thành công truyền 1,6 kW điện không dây qua khoảng cách dài tới 1 km bằng vi sóng. Với thành công này, truyền dẫn điện không dây không còn là xa vời mà nay đã thành hiện thực.

Theo WEC: Phòng Nghiên cứu thí nghiệm Hải quân Mỹ (NRL) đã sử dụng công nghệ microwave (vi sóng) truyền đi 1,6 kW điện qua khoảng cách 1 km trong khuôn khổ dự án có tên SCOPE-M (Vi sóng – Truyền tia điện an toàn và liên tục – Safe and Continuous Power Beaming – Microwave). Dự án này “bước ra” từ những ý tưởng của nhà vật lý người Mỹ – Gerard K. O’Neil đề xuất xây dựng các trạm thu năng lượng mặt trời từ ngoài không gian rồi truyền ngược lại trái đất. Nguyên tắc của việc truyền điện không dây khá đơn giản. Đầu tiên điện năng được chuyển đổi thành vi sóng, sau đó được hội tụ thành chùm tia và “bắn” đến đầu thu – thứ được chế tạo từ những thành phần gọi là rectenna (anten chỉnh lưu). Đây là những thành phần đơn giản, gồm ăng ten lưỡng cực băng tần x (x-band dipole antenna) với diode RF. Khi vi sóng tác động đến rectenna, các phần tử sẽ tạo ra dòng DC.

Rectenna là công nghệ sử dụng cho phương pháp truyền năng lượng không dây mà thiết bị thu dùng các ăng ten thu năng lượng tín hiệu sóng điện từ, sau đó chuyển đổi thành năng lượng dòng điện một chiều (DC). Rectenna gồm các thành phần chính như nguồn tạo chùm tia năng lượng, ăng ten thu, bộ lọc phối hợp trở kháng và mạch chỉnh lưu. Hiệu suất của rectenna phụ thuộc vào hiệu suất của các thành phần cấu tạo. Bất chấp những nghi ngờ ban đầu, hóa ra việc “bắn chùm beam” bằng vi sóng lại tỏ ra có hiệu quả đáng ngạc nhiên.

Tần số của chùm tia viba được chọn ở mức tối ưu 10 GHz, có khả năng chống lại các điều kiện thời tiết khắc nghiệt như mưa lớn, do đó truyền nó đến nguồn với mức tổn thất điện năng dưới 5%. Dự án cũng đáp ứng các thông số khuyến nghị và tiêu chuẩn quốc tế về sự an toàn của các loài chim, động vật và con người, xác định rằng nguồn điện có thể được truyền đi mà không gây ra bất kỳ tác hại nào cho các loài vật sống trong không gian. Dự án SCOPE-M được tổ chức tại 2 địa điểm, một ở Blossom Point, Maryland và địa điểm còn lại là ở Viện MIT tại Massachusetts. Ngoài chịu được điều kiện khắc nghiệt của thời tiết và an toàn với con người và động vật, tần số của chùm tia viba được chọn tốt ở mức 10 GHz còn an toàn với các hệ thống dựa trên laser. Cả hai địa điểm này hiệu suất đạt được không đồng nhất nhưng bình quân đạt mức cao, truyền tải được nhiều năng lượng hơn so với kỳ vọng.

Dự án SCOPE-M của NRL thành công, và công suất 1,6 kW được phổ biến trong phạm vi khoảng 1 km. Mặc dù SCOPE-M là một liên kết truyền tia điện trên Trái đất, nó là một bằng chứng tốt về khái niệm cho một liên kết truyền tia điện không gian. Lợi ích chính của việc truyền nguồn điện từ không gian tới Trái đất là giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp nhiên liệu cho quân đội, vốn có thể dễ bị tấn công. Trong tương lai, công nghệ SCOPE-M có thể được sử dụng để truyền tải điện năng trên mặt đất, hoặc từ ngoài không gian ngược lại Trái đất. Không giống như các nguồn năng lượng sạch khác thường tạo ra điện nhưng không liên tục, việc thu năng lượng mặt trời từ ngoài vũ trụ có thể cung cấp điện năng xuyên suốt 24/7 và 365 ngày trong năm.