Công nghệ truyền tải điện không dây và ứng dụng hiện nay

Tìm hiểu về công nghệ truyền tải điện không dây

Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ truyền điện không dây có lẽ vẫn còn là vấn đề khá xa lạ với nhiều người. Chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết ngay sau đây.

Định nghĩa

Truyền tải điện năng không dây là cách truyền tải năng lượng điện từ nguồn điện với một thiết bị tiêu thụ mà không cần sử dụng dây rắn hay dây dẫn. Đây là một thuật ngữ chung dùng để chỉ một số công nghệ truyền tải điện khác nhau mà sử dụng điện từ trường biến thiên theo thời gian.

Truyền không dây rất hữu ích cho các thiết bị điện trong trường hợp sử dụng dây kết nối là khá bất tiện, nguy hiểm hoặc bất khả thi. Trong truyền tải điện năng không dây, một thiết bị truyền được kết nối với một nguồn năng lượng.

Chẳng hạn như các đường dây điện nguồn, truyền bằng điện từ trường trên một không gian can thiệp, để một hoặc nhiều thiết bị thu chuyển đổi trở lại thành điện và sử dụng.

Nguồn gốc của truyền tải điện không dây

Ý tưởng về công nghệ truyền điện không dây (Wireless power transfer: WPT) được đề xuất lần đầu vào năm 1890 bởi Nikola Tesla. Ông đã tạo ra được các cuộn dây tesla khổng lồ để truyền năng lượng điện không cần dây dẫn vào những năm 1900.

Sau đó, từ những năm 1960 đến nay là sự phát triển của công nghệ truyền tải điện không dây hiện đại, có thể chia thành 2 giai đoạn như sau:

Giai đoạn đầu - những năm 1960 đến 1970

Giai đoạn này bắt đầu là các nghiên cứu của NASA - cơ quan hàng không và vũ trụ của Mỹ. Các chủ đề đã thu hút nhiều sự quan tâm của NASA như  thu thập năng lượng mặt trời trong không gian rồi truyền về trái đất, hoặc dự án cung cấp năng lượng điện không dây trong không gian,…

Trong giai đoạn này sẽ tập chung chủ yếu phát triển công nghệ truyền không dây dùng sóng điện từ phát xạ (sóng do radio hoặc viba) để truyền năng lượng này với khoảng cách xa lên tới vài trăm km. Cho tới ngày nay, công nghệ vẫn đang được tiếp tục phát triển, nhưng do sử dụng sóng với tần số rất cao nên cũng có giá thành rất lớn.

Ngoài ra, hiệu suất truyền thấp và ảnh hưởng không tốt tới môi trường. Chính vì thế nên truyền tải điện không dây chỉ sử dụng trong 1 số lĩnh vực đặc thù như các thiết bị được sử dụng trong công nghệ vũ trụ, quân đội hay khi công suất rất nhỏ.

Bên cạnh đó, giá thành thấp hơn và không ảnh hưởng tới môi trường xung quanh như các dụng cụ y tế sử dụng để cấp điện không dây cho những thiết bị được đưa vào cơ thể người.

Giai đoạn phát triển thứ 2

Giai đoạn tiếp theo của công nghệ truyền điện không dây hiện đại được bắt đầu từ cuối những năm 1970 cho đến nay. Với các nghiên cứu về công nghệ không phát xạ, hay còn gọi là truyền điện không dây trường gần (near- field WPT).

Công nghệ này sử dụng điện trường (capacitive coupling) hoặc từ trường (inductive coupling) để truyền các năng lượng điện. Khoảng cách truyền không dây có thể đạt từ vài milimet đến vài mét. 

Với việc sử dụng tần số làm việc thấp từ kHz tới MHz nên công nghệ truyền tải điện không dây trường gần dễ dàng đạt được công suất lớn, hiệu suất cao, giá thành rẻ và an toàn hơn đối với con người. 

Vì vậy hiện nay, công nghệ này được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ để ứng dụng vào công nghiệp cũng như cuộc sống hàng ngày. Chúng ta đã từng thấy công nghệ này được thương mại hóa trên những chiếc bàn chải đánh răng bằng điện sạc không dây, hay bộ sạc Qi không dây trên mẫu điện thoại di động cao cấp. 

Gần đây là các bộ sạc không dây cho ô tô điện đã có những sản phẩm hoàn thiện đầu tiên như bộ sạc của Witricity, Nissan, Toshiba,… Công nghệ truyền tải điện không dây mang lại nhiều tiện lợi cũng như sẽ thay đổi cho cuộc sống của con người một cách mạnh mẽ trong tương lai gần.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ truyền tải điện không dây

Nguyên lý của công nghệ truyền điện không dây trường gần bằng cảm ứng điện từ ngày nay là một dạng phát triển cao hơn của 2 ứng dụng kể trên, có thể tách rời cuộn sơ cấp và thứ cấp với khoảng cách xa hơn mà vẫn đạt hiệu suất cao.

Hiện tượng cộng hưởng đã được ứng dụng kết hợp với hiện tượng cảm ứng điện từ và được gọi là cộng hưởng từ. 

Khi cuộn thứ cấp được đặt trong từ trường biến thiên tạo ra bởi cuộn sơ cấp, trên cuộn thứ cấp sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng biến thiên. Trong trường hợp này, cuộn thứ cấp được thiết kế kết hợp với mạch tải để tạo nên mạch điện cộng hưởng với cùng tần số của dòng điện cảm ứng đó.

Điều này giúp cho dòng điện cảm ứng được duy trì dễ dàng hơn, ngay cả khi cuộn thứ cấp được đặt ở xa sơ cấp. Để đạt được sự cộng hưởng giữa 2 cuộn dây thì sơ cấp cần được thiết kế kết hợp với các tụ điện để tạo mạch cộng hưởng có cùng tần số, gọi là từ trường cộng hưởng. 

Ứng dụng của công nghệ truyền tải điện không dây

Công nghệ này được ứng dụng trong 2 trường hợp công suất lớn và nhỏ.

Ứng dụng cần công suất lớn

Hiện nay, các nghiên cứu về công nghệ truyền tải điện không dây trường gần sử dụng hai vùng tần số cho các ứng dụng khác nhau. Các ứng dụng cần truyền không dây có công suất lớn (hàng chục đến vài trăm kW) và khoảng cách ngắn (dưới 25cm) như sạc không dây cho ô tô điện, xe bus điện, cấp điện cho tàu điện,…

Trong trường hợp này tần số làm việc thường được chọn từ vài chục kHz đến vài trăm kHz (chuẩn J2954 áp dụng cho hệ thống sạc không dây cho ô tô điện chọn tần số làm việc trung tâm là 85 kHz). Ở tần số làm việc thấp, hệ thống WPT với hai cuộn dây phía sơ cấp và thứ cấp được sử dụng cùng với các tụ điện cộng hưởng được đưa thêm vào.

Với công nghệ hiện tại, công suất của hệ thống này có thể đạt tới hàng MW, hiệu suất lớn hơn 90%. Nhưng do tần số việc thấp nên khoảng cách truyền không dây chỉ đạt được ở mức xung quanh 20cm, và kích thước các cuộn dây cũng rất lớn.

Ứng dụng công suất nhỏ

Các ứng dụng cần truyền không dây có công suất thấp (dưới 10kW), khoảng cách truyền xa hoặc yêu cầu kích thước nhỏ gọn như sạc không dây cho hệ thống xe điện tự hành (AGV) trong công nghiệp, xe điện sử dụng trong sân golf, đồ gia dụng như tivi, tủ lạnh, các thiết bị nhà bếp, các thiết bị y tế…

Ở trường hợp này tần số làm việc của hệ thống WPT thường được chọn từ hàng MHz đến hàng GHz. Khi tần số làm việc tăng lên hàng chục MHz, khoảng cách truyền không dây có thể đạt được vài mét. 

Lời kết

Trên đây là những kiến thức cơ bản về công nghệ truyền tải điện không dây mà chúng tôi muốn cung cấp tới bạn đọc. Trong tương lai, công nghệ này vẫn đang được dự đoán ngày càng phát triển hơn và ứng dụng rộng rãi hơn trong đời sống của con người. Hy vọng rằng những thông tin trên đây thực sự hữu ích cho bạn đọc