Giải pháp thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông

CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION TWELVE

SESSION 12
Phịng: Board | Chủ tọa: Ninh Văn Nam, Nguyễn Đồn Quyết

GIẢI PHÁP THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG
TỪ SĨNG VIỄN THƠNG
Đinh Quang Minh*, Vũ Hồng Tiến*, TS. Lê Minh Thùy
*Sinh viên Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Tác giả liên hệ:

LỜI DẪN
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất hai giải pháp thu hoạch, lưu trữ năng lượng từ
sóng viễn thông trong môi trường sống để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử tiêu thụ
công suất thấp bằng hai thiết kế mạch thu hoạch năng lượng. Đó là mảng chỉnh lưu thu
sóng góc rộng dựa trên siêu vật liệu (metameterial) và mạch chỉnh lưu hai băng tần sử
dụng diplexer. Hệ mạch được đo đạc và thử nghiệm thu hoạch năng lượng từ sóng viễn
thơng cơng nghệ 5G (3,75GHz) và 4G (1,8GHz và 2,6GHz) trong điều kiện thử nghiệm ở
phòng nghiên cứu với hiệu suất chuyển đổi RF-DC cao nhất đạt 50% khi cơng suất sóng
tới là 0 dBm và 39% tại -10 dBm.
Từ khóa : Thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ, siêu vật liệu, cảm biến không dây tự chủ
năng lượng.chủ năng lượng.lượng, Cảm biến và điều khiển, Mơ hình hố năng lượng, Mơ
phỏng năng lượng.

1. GIỚI THIỆU
Thu hoạch năng lượng là quá trình lấy

ứng dụng sẽ triển khai mà chúng ta sẽ áp

năng lượng từ các nguồn bên ngoài như

dụng các giải pháp thu hoạch năng lượng

(năng lượng mặt trời, nhiệt, gió, động

phù hợp. Nguồn sóng điện từ trong mơi

năng được biết tới như năng lượng trong

trường tuy có mật độ năng lượng thấp

mơi trường) và chuyển đổi, lưu trữ chúng

nhưng với ưu điểm về độ phổ biến và thời

dưới dạng điện năng để cung cấp cho các

gian tồn tại bất kể ngày đêm đang dần trở

thiết bị điện tử nhỏ hoặc thiết bị không

thành một đối tượng tiềm năng, hấp dẫn

dây tự chủ năng lượng (như các thiết bị

với các nhà khoa học, công ty, viện nghiên

đeo trên người hay nút cảm biến không

cứu trên tồn thế giới trong việc tìm ra giải

dây vốn có mức tiêu thụ năng lượng

pháp thu hoạch năng lượng và triển khai

thấp). Tùy vào đặc tính của mỗi nguồn

chúng lên các mạng cảm biến không dây.

năng lượng cần thu hoạch cũng như là

Điều này khơng cịn trở nên xa vời nhờ

228 | DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO


CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION TWELVE

vào sự phát triển của công nghệ thông

2. PHƯƠNG PHÁP

tin, truyền thông không dây và công nghệ

Cấu trúc thông thường của một hệ thu

điện, vi cơ điện tử trong những năm gần

hoạch năng lượng gồm mạch thu hoạch

đây. Các kết quả nghiên cứu bước đầu mở

năng lượng từ sóng điện từ, thường gọi

ra tương lai về một giải pháp cung cấp

là rectenna có cấu tạo gồm hai phần tử

năng lượng sạch và nguồn cung cấp năng

chính là ăng-ten thu và mạch chỉnh lưu

lượng lâu dài cho các thiết bị điện tử tiêu

(xem Hình 1). Ăng-ten giúp chuyển đổi

thụ cơng suất thấp cỡ vài mW như các nút

năng lượng sóng điện từ trong môi trường

cảm biến trong mạng cảm biến không

thành điện áp xoay chiều tần số cao. Năng

dây (Bảng 1), thay thế cho phương án cấp

lượng thu được này sẽ được chuyển tới

nguồn truyền thống sử dụng pin vốn có

mạch chỉnh lưu và lọc nhằm biến đổi

dung lượng hữu hạn và gây ô nhiễm môi

chúng thành điện áp một chiều phù hợp

trường. Tuy nhiên để có thể hồn thiện

cho mạch quản lý và lưu trữ năng lượng.

được giải pháp thu hoạch năng lượng
sóng điện từ và ứng dụng nó vào đời sống
thực tế thì cịn nhiều vấn đề cần giải quyết
hiện nay như : mật độ cơng suất thấp của
sóng điện từ trong môi trường làm giảm
hiệu suất chuyển đổi năng lượng 1 chiều,
hướng tới và phân cực của sóng trong
mơi trường là khơng dự đốn được và thu
hoạch hiệu quả nhiều băng tần sóng tại
một đơn vị diện tích trong mơi trường.

Hình 1. Cấu trúc một hệ mạch thu hoạch
năng lượng

Bảng 1. Các nghiên cứu liên quan
Mật độ
Công bố

Tần số

năng lượng

tới

2.1 Giải pháp đề xuất
Hiệu suất
chuyển đổi

T. Matsunaga et
al (2015)

5,8 GHz

0,041 W/m2

44,1%

H. Sun et al

RL
DRL
Transfer RL

(2013)

1,8 GHz

U. Muncuk et al
(2018)

LTE 700, GSM 850
ISM 900

-10 dBm

40%

Để giải quyết cho hai vấn đề chủ yếu
trong hướng nghiên cứu này là thu năng
lượng hiệu quả với góc sóng tới rộng
và nhiều băng tần trên một đơn vị diện
tích, chúng tơi đề xuất hai giải pháp cho
mạch thu hoạch (rectenna) gồm: mảng
chỉnh lưu góc rộng (dựa trên siêu vật liệu
metameterial) giúp thu hoạch được nhiều
năng lượng hơn (cấu thành từ nhiều phần

DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO | 229


CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION TWELVE

tử chỉnh lưu làm tăng diện tích thu hoạch

sóng điện từ ở cả tần số 1,8 GHz và 2,6 GHz.

cùng việc duy trì hiệu suất chuyển đổi

Cấu trúc đó đồng thời cịn có thể dễ dàng

cao với nhiều góc sóng tới khác nhau) và

được mở rộng để tích hợp thêm nhiều tần

mạch chỉnh lưu hai băng tần (ghép bằng

số khác, thông qua việc thay mạch diplexer

diplexer) cho việc thu hoạch nhiều năng

thành triplexer hay quadruplexer.

lượng hơn trên cùng một đơn vị diện tích
thu hoạch của ăng-ten. Mạch thu hoạch
năng lượng được kết hợp cùng mạch
lưu trữ và quản lý năng lượng do chúng
tôi thiết kế nhằm lưu trữ năng lượng thu
hoạch được và ổn định điện áp một chiều
này ở mức 3,3V để cung cấp cho các thiết
bị điện tử công suất thấp.

Hình 2. Mảng chỉnh lưu góc rộng dùng siêu
vật liệu

2.2 Thiết kế của chúng tôi
Dựa trên cấu trúc chung nói trên, chúng tơi
thiết kế nên hai cấu trúc mạch thu hoạch
khác nhau, dựa trên hai nguyên tắc để thu
được nhiều năng lượng hơn từ môi trường:
sử dụng nhiều ăng ten cùng tần số (Hình 2)
và thu hoạch năng lượng từ nhiều tần số
khác nhau (Hình 3). Cấu trúc ở Hình 2 là

một mảng thu hoạch năng lượng 3,75GHz
dựa trên siêu vật liệu (metamaterial), bao

Hình 3. Mạch chỉnh lưu hai băng tần dùng
diplexer

gồm nhiều phần tử đơn vị, mỗi phần tử
đều có khả năng hấp thụ sóng ở những

3. THỬ NGHIỆM

góc tới rộng, sau đó được chỉnh lưu, trước

Việc thử nghiệm được tiến hành như sau:

khi năng lượng thu được trên tất cả phần

chúng tơi phát tín hiệu sóng vơ tuyến

tử được kết hợp lại và truyền đến tải giúp

theo các chuẩn công nghệ như 4G, 5G

làm tăng tổng năng lượng thu được nhờ số

bằng máy tạo tín hiệu của Keysight và

lượng các phần tử. Cấu trúc ở Hình 3 là một

ăng-ten phát. Sau đó tiến hành thu năng

mạch chỉnh lưu hai băng tần, gồm hai chỉnh

lượng và khảo sát hoạt động của hệ mạch

lưu đơn tần, kết nối với ăng ten thu băng

đã thiết kế (Rectenna thu hoạch năng

thông rộng thông qua một mạch diplexer.

lượng kết nối với mạch lưu trữ và quản lý

Với thiết kế như vậy, nó có thể thu được

năng lượng) tại các vị trí có công suất tới

230 | DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO


CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - SESSION TWELVE

từ -20 tới dưới 0dBm (là mật độ trung bình,

tiếp (điện áp vào 3,3V) cho các mạch cảm

phổ biến của sóng viễn thơng trong mơi

biến khơng dây có cơng suất thấp ở chế độ

trường). Điện áp một chiều tại đầu ra của

ngủ và hoạt động ở một số chế độ truyền

mạch lưu trữ và quản lý năng lượng được

thông nhất định. Kết quả khá hứa hẹn về

đo bằng oscilloscope (Hình 4).

một giải pháp tự chủ năng lượng cho các
mạch cảm biến không dây hiện đại.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T. Matsunaga et al, ‘5.8-GHz Stacked Differential
Rectenna Suitable for Large-Scale Rectenna Arrays
with DC Connection’, IEEE Trans. Antennas Propag.,

Hình 4. Kết quả thử nghiệm với hai giải pháp
đề xuất

Chúng tôi đánh giá và khảo sát cụ thể,
với ngưỡng cơng suất sóng tới từ -15 tới
-10dBm mạch có khả năng cung cấp năng

vol. 63, no. 12, pp. 5944–5949, Dec. 2015.
[2] H. Sun et al, ‘A Dual-Band Rectenna Using
Broadband Yagi Antenna Array for Ambient RF
Power Harvesting’, IEEE Antennas Wirel. Propag.
Lett., vol. 12, pp. 918–921, 2013.

[3] U. Muncuk et al, ‘Multiband Ambient RF Energy

lượng từ 9µW cho tới 0,04mW (với rectenna

Harvesting Circuit Design for Enabling Batteryless

hai băng tần) hoặc 0,15mW cho tới 0,64mW

Sensors and IoT’, IEEE Internet Things J., vol. 5, no.

(với mảng rectenna). Trên hình là hai kết

4, pp. 2700–2714. Aug. 2018.

quả thử nghiệm tiêu biểu của chúng tôi.
Điện áp thu được từ mạch thu hoạch, qua

TÁC GIẢ Ý TƯỞNG

mạch lưu trữ và quản lý năng lượng đạt

Đinh Quang Minh sinh viên khóa 61 bộ mơn

mức ổn định 3,3V có khả năng cung cấp

Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện

trực tiếp cho các nút cảm biến không dây.

Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Vũ Hồng Tiến sinh viên khóa 61 bộ mơn Kỹ

4. KẾT LUẬN

thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện Điện,

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đề

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

xuất hai giải pháp thu hoạch năng lượng
từ sóng viễn thơng. Mạch được chế tạo

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

và đo kiểm với kết quả thử nghiệm thực

TS. Lê Minh Thùy giảng viên hướng dẫn thực

tế cho thấy công suất thu hoạch được

hiện đề tài. Hiện đang là giảng viên bộ môn

sau khi qua mạch lưu trữ và quản lý năng

Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện

lương đủ để cung cấp năng lượng trực

Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

DIỄN ĐÀN SINH VIÊN 2020 - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO | 231