Thiết kế và chế tạo hệ thống truyền năng lượng không dây được tăng cường hiệu suất bởi vật liệu biến hóa (metamaterial)

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ



--- ---

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: CNKT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG
KHÔNG DÂY TĂNG CƯỜNG HIỆU SUẤT BỞI VẬT
LIỆU BIẾN HÓA

Giáo viên hướng dẫn: ThS. Hà Thị Kim Duyên
Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN THẢO DUY

MSV:

1141050322

Hà Nội, 2020


Phụ lục 4
BỘ CÔNG THƯƠNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM

TRƯỜNGĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆPHÀNỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc


1. Cơ sở lý thuyết/phương LỜI
phápCẢM
nghiênƠN
cứu.
2. Kết tiên,
Trước
quả nghiên
em xincứu/tính
gửi lời cảm
toán/mô
ơn chân
phỏng.
thành và sâu sắc nhất tới ThS. Hà
Thị Kim
3. Chế
Duyên
tạo hệ
và thống
TS. Phạm
truyền
Thanh
năngSơn.
lượng
Cáckhông

thầy, cô
dâyđãởluôn
khoảng
tận tình
cáchhướng
trung
bình định
dẫn,
với cấu
hướng
trúc kịp
bốnthời
cuộnvàdây.
tạo điều kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành đồ
án này.
4. Thiết kế và chế tạo vật liệu biến đổi tăng cường hiệu suất truyền cho
hệ thống
Em xin
truyền
chân
năng
thành
lượng
cảmkhông
ơn Viện
dây.
Khoa học vật liệu đã tạo điều kiện thuận
Thời
lợi
vềgian

cơ sở
thực
vậthiện:
chất,từ
phòng
02/03/2020
thí nghiệm,
đến 19/4/2020
hỗ trợ kinh phí… giúp em có thể
hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện
tử trường Đại học Công nghiệp Hà Nội … đã giúp đỡ, tương trợ em trong
suốt thời gian em thực hiện đề tài nghiên cứu. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia
đình mình, bạn bè, đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để em thực hiện đề tài nghiên
cứu này.
Mặc dù đã hoàn thành xong nhưng không tránh khỏi những thiếu sót. Em
rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo trong khoa, để đồ án tốt
nghiệp của em được hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thảo Duy



1
MỤC LỤC
MỤC LỤC........................................................................................................1
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT..........................................................3
DANH MỤC HÌNH ẢNH................................................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................................6
MỞ ĐẦU...........................................................................................................7
Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY....10

1.1. Giới thiệu..............................................................................................10
1.2. Các thành phần cơ bản của truyền tải năng lượng không dây và các
phương thức truyền tải của năng lượng không dây................................10
1.2.1. Các thành phần cơ bản....................................................................10
1.2.2. Các phương thức truyền tải của năng lượng không dây..................10
1.3. Phân loại năng lượng không dây........................................................13
1.3.1. Cấu trúc 2 cuộn..............................................................................13
1.3.2. Cấu trúc 4 cuộn...............................................................................15
1.4. Các ứng dụng của truyền tải năng lượng không dây.......................17
1.5. Kết luận cuối chương..........................................................................20
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BIẾN HÓA................................21
2.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa................................................21
2.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển......................................................21
2.1.2. Các tính chất của vật liệu biến hóa.................................................22
2.2. Phân loại vật liệu biến hóa..................................................................26
2.3. Ứng dụng của vật liệu biến hóa..........................................................31
2.3.1. Siêu thấu kính (super lens).............................................................31
2.3.2. Vật liệu biến hóa ứng dụng trong tàng hình....................................32
2.3.3. Vật liệu biến hóa ứng dụng trong cảm biến....................................34
2.3.4. Ứng dụng của vật liệu biến hóa trong truyền dẫn năng lượng không
dây.............................................................................................................34
2.4. Kết luận cuối chương 2.......................................................................35


2
Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.......36
3.1. Đặt vấn đề............................................................................................36
3.2 Tính toán thiết kế hệ thống thực.........................................................36
3.2.1. Hệ thống truyền năng lượng không dây với cấu túc 4 cuộn bất đối
xứng..........................................................................................................37

3.2.2. Thiết kế tấm vật liệu biến hóa (Metamaterial-Meta)......................38
3.3. Mô phỏng.............................................................................................39
3.3.1. Giới thiệu phần mềm CST.............................................................39
3.3.2. Kết quả thiết kế mô phỏng hệ thống WPT với 4 cuộn bất đối xứng
...................................................................................................................41
3.3.3 Kết quả mô phỏng của vật liệu biến hóa..........................................44
3.3.4 Kết quả mô phỏng phân bố từ trường của hệ thống truyền năng
lượng không dây.......................................................................................49
3.4 Sản phẩm của đề tài.............................................................................50
3.4.1 Hệ thống WPT 4 cuộn bất đối xứng................................................50
3.4.2 Tấm vật liệu biến hóa (Metamaterial-Meta)....................................50
3.5 Kết luận cuối chương 3........................................................................52
KẾT LUẬN.....................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................55


3
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
1. Danh mục ký hiệu

n
Z
C
L
Q
M
E
H
K
2. Danh mục từ viết tắt

Độ điện thẩm
Độ từ thẩm
Chiết suất
Trở kháng
Độ dẫn của vật liệu
Điện dung
Độ tự cảm
Điện tích
Độ hỗ cảm
Vector điện trường
Vector từ trường
Vector từ trường

FOM

Hệ số phẩm chất

SRR

Vòng cộng hưởng có rãnh

TE

Sóng phân cực với vector điện trường vuông góc với mặt
phẳng tới

TM

Sóng phân cực với vector từ trường vuông góc với mặt

MPA

phẳng tới
Vật liệu hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ

WPT

Truyền năng lượng không dây

MIW

Sự lan truyền của sóng cảm ứng từ

MCR-WPT

Hệ thống truyền năng không dây cộng hưởng từ

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Hiện tượng cảm ứng điện từ trên 2 cuộn dây.................................. 11
Hình 1.2. Cấu trúc hệ thống truyền năng lượng không dây với 2 cuộn..........13
Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống truyền năng lượng không dây với cấu trúc 2 cuộn..14


4
Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống WPT 4 cuộn............................................................15
Hình 1.5. Mạch tương đương của hệ thống WPT 4 cuộn dây.........................15
Hình 1.6 (a) Sạc không dây của thiết bị cầm tay sử dụng khớp nối quy nạp,
(b) Sạc không dây cho xe điện........................................................................ 18
Hình 1. 7 (a) Vệ tinh năng lượng mặt trời, (b) Thiết bị gia dụng không dây ...19

Hình 1.8 Nguồn không dây áp dụng cho các thiết bị y tế............................... 20
Hình 2. 1 So sánh giữa cấu trúc nguyên tử của vật liệu thông thường và vật
liệu biến hóa: (a) Vật liệu truyền thống được cấu tạo từ nguyên tử; (b) vật liệu
biến hóa được hình thành từ các cấu trúc cộng hưởng nhân tạo gọi là các “giả
nguyên tử”....................................................................................................... 24
Hình 2.2. Số bài báo nghiên cứu vật liệu biến hóa công bố hàng năm
(11/2018)......................................................................................................... 26
Hình 2.3. Phân loại vật liệu theo độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ..................28
Hình 2.4 .Sự phân bố điện trường khi chùm sáng tương tác với vật liệu chiết
suất âm.............................................................................................................31
Hình 2.5 Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa
.........................................................................................................................32
Hình 2. 6 Sự truyền ánh sáng trong môi trường (a) chiết suất dương thông
thường; (b) chiết suất âm; (c) chiết suất âm và hội tụ ánh sáng......................33
Hình 2. 7 (a) Vật liệu biến hóa có chiết suất thay đổi bao quanh vật cần tàng
hình; (b) Nguyên lý hoạt động của của áo choàng tàng hình..........................33
Hình 3.1 Cấu trúc bên phát..............................................................................38
Hình 3.2 Cấu trúc thực tế bên thu................................................................... 38
Hình 3.3 Cấu trúc tấm vật liệu biến đổi thực tế khi được thêm tụ..................38
Hình 3.4 Tấm Vật liệu biến hóa thực tế..........................................................37
Hình 3.5 Giao diện chương trình mô phỏng – CST Microwave Studio 2017....
.......................................................................................................................410
Hình 3.6 Kết quả tần số cộng hưởng...............................................................41
Hình 3.7 Kết quả hiệu suất (PTE)................................................................... 42


5
Hình 3.8 Cuộn cộng hưởng............................................................................. 45
Hình 3.9 Cuộn phát......................................................................................... 47
Hình 3.10 Cấu trúc 2 bên thu.......................................................................... 48

Hình 3.11 Các thống số kích thước các cuộn bên thu (a) kích thước cuộn cộng
hưởng thu (b) kích thước cuộn thu..................................................................48
Hình 3.12 Hệ thống WPT 4 cuộn bất đối xứng...............................................48
Hình 3.13 Sơ đồ mô tả tín hiệu phát và tín hiệu thu từ 2 phía môi trường .. . .48
Hình 3.14 Cấu trúc một tấm metamaterial được mô phỏng bởi phần mềm CST
.........................................................................................................................50
Hình 3.15 Kết quả với gái trị tụ 180 pF......................................................... 50
Hình 3.16 Với giá trị tụ 160 pF....................................................................... 51
Hình 3.17 Với tụ có giá trị 150 pF.................................................................. 51
Hình 3.18 Với tụ có giá trị 140 pF..................................................................46
Hình 3.19 Tấm vật liệu biến đổi được mô phỏng trên CST............................47
Hình 3.20 Kết quả mô phỏng từ trường của cấu trúc 4 cuộn bất đối xứng theo
trục X, Y với phần mềm phỏng CST microwave studio.................................48
Hình 3.21 Kết quả mô phỏng từ trường của cấu trúc 4 cuộn bất đối xứng có
tấm vật liệu biến hóa, theo trục X,Y với phần mềm phỏng CST microwave
studio...............................................................................................................48
Hình 3.22 Hệ thống 4 cuộn bất đối xứng .......................................................49
Hình 3.23 Hiệu suất của WPT 4 cuộn bất đối xứng........................................49
Hình 3.24 Tấm meta hoàn chỉnh.....................................................................50
Hình 3.25 Kết quả khảo sát khi đặt tấm meta có gắn tụ 100 pF tại vị trị 1 ....50
Hình 3.26 Kết quả hiệu suất truyền tải khi đặt tấm meta tại vị trí 2...............50
Hình 3.27 Kết quả đo khi đặt tấm meta có gắn tụ 100 pF tại vị trí 3..............51


6
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Khảo sát các giá trị của tụ............................………………………48
Bảng 3.2: Kết quả hiệu suất truyền tải ứng với các vị trí……………………52

7

MỞ ĐẦU
Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực chế tạo vật liệu micro và nano cho
phép con người có thể tạo ra những vật liệu nhân tạo vượt ra ngoài giới hạn
thông thường của vật liệu truyền thống, can thiệp sâu vào thành phần của vật
liệu, tạo ra các bảng tuần hoàn hóa học “đa chiều” và những vật liệu phức hợp
mới. Một trong những động lực quan trọng khác để nghiên cứu các vật liệu
nhân tạo, đó là triển vọng sáng tạo ra các tính chất vĩ mô mới lạ bằng cách sắp
xếp và quy luật hóa trật tự, hình dạng và kích thước của các vi cấu trúc tạo
nên vật liệu. Trong lĩnh vực quang tử điều này đã trở thành hiện thực với sự ra
đời của vật liệu biến hóa (Metamaterials - Meta). Hiện nay có nhiều hướng
nghiên cứu khác nhau về vật liệu Meta. Một trong các hướng nghiên cứu về
vật liệu Meta có được sự tập trung đông đảo các nhà khoa học, sự đầu tư rất
lớn về kinh phí và số lượng các công trình công bố đó là hướng nghiên về vật
liệu Meta chiết suất âm (negative refractive metamaterial). Vật liệu Meta chiết
suất âm được chế tạo thành công lần đầu tiên năm 2000 bởi Smith, trong khi
tính chất của nó được tiên đoán về mặt lý thuyết từ năm 1968 bởi Veselago.
Vật liệu Meta chiết suất âm là sự kết hợp hoàn hảo của hai thành phần điện và
từ tạo nên vật liệu đồng thời có độ từ thẩm âm (μ < 0) và độ điện thẩm âm (ε
< 0) trên cùng một dải tần số. Từ đó dẫn đến những tính chất điện từ và quang
học bất thường, trong đó có sự nghịch đảo của định luật Snell, sự nghịch đảo
trong dịch chuyển Doppler, và sự nghịch đảo của phát xạ Cherenkov... Ngoài
những tính chất đặc biệt kể trên, rất nhiều ứng dụng khác nhau của vật liệu
Meta đã được đề xuất và kiểm chứng bằng thực nghiệm. Một trong những
ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu thấu kính được đề xuất bởi
Pendry vào năm 2000, sau đó đã được Zhang và các cộng sự kiểm chứng
bằng thực nghiệm vào năm 2005. Một ứng dụng độc đáo khác nữa là sử dụng
vật liệu Meta như là “áo choàng” để che chắn sóng điện từ (electromagnetic

8
cloaking), được đề xuất và kiểm chứng bởi Schurig và cộng sự năm 2006.
Bằng việc điều chỉnh các tham số hiệu dụng µ và ε một cách hợp lý, đường đi
của các tia sáng bị uốn cong khi truyền trong vật liệu Meta và đồng thời
không bị phản xạ cũng như tán xạ. Do vậy, vật liệu này hứa hẹn sẽ được dùng
để chế tạo lớp vỏ tàng hình. Ngoài những ứng dụng kể trên, siêu vật liệu còn
tỏ ra rất tiềm năng trong các lĩnh vực khác như antenna bộ lọc tần số, cảm
biến sinh học... Gần đây, một vài ứng dụng nổi bật khác có thể kể đến như là
vật liệu hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ không phản xạ, làm chậm ánh sáng.
Với các tính chất đặc biệt của mình, vật liệu Meta hứa hẹn sẽ có thêm nhiều
ứng dụng khác nữa trong thực tế như thiết bị khoa học, y tế, pin năng lượng
và đặc biệt trong lĩnh vực quân sự. Vật liệu Meta nói chung và vật liệu Meta
có chiết suất âm nói riêng đều hoạt động dựa trên các cộng hưởng điện từ khi
tương tác với các thành phần điện E và thành phần từ H của sóng điện từ
chiếu đến. Chính vì vậy 1 trong số những ứng dụng nổi bật đang được phát
triển và nghiên cứu bởi rất nhiều nhà nghiên cứu đối với vật liệu Meta nhằm
cải thiện hiệu suất trong quá trình truyền tải năng lượng trong lĩnh vực năng
lượng không dây (Wireless power transfer - WPT). Năng lượng không dây
đang là 1 trong những xu hướng để phát triển của thế giới để hướng tới 1 thế
giới phát triển. Với lý do đó, em đã lựa chọn đồ án với đề tài là: “Thiết kế hệ
thống truyền năng lượng không dây được tăng cường hiệu suất bởi vật liệu biến
hóa”. Đồ án được thực hiện dựa trên sự kết hợp giữa mô phỏng và chế tạo

cùng các phép đo thực nghiệm.
1. Mục tiêu nghiên cứu của đồ án
+ Tìm hiểu hệ thống truyền năng lượng không dây.
+ Thiết kế và xây dựng hệ thống truyền năng lượng không dây ở khoảng
cách trung bình với cấu trúc bốn cuộn bất đối xứng.
+ Thiết kế chế tạo vật liệu biến hóa tăng cường hiệu suất của truyền dẫn

năng lượng không dây với cấu trúc 4 cuộn bất đối xứng.


9

2. Phạm vi nghiên cứu của đồ án
Đồ án tập trung nghiên cứu hệ thống truyền dẫn năng lượng không dây
với cấu trúc 4 cuộn bất đối xứng được tăng cường hiệu suất với tấm vật liệu
biến đổi với khoảng cách truyền cố định là 20 cm giữa bên phát và bên thu.
3. Kết quả đạt được
+ Thiết kế và xây dựng hoàn thiện mô hình truyền năng lượng không dây
với cấu trúc 4 cuộn bất đối xứng với 2 anten phát và 2 anten thu.
+ Chế tạo thành công tấm vật liệu biến hóa Meta tăng cường hiệu suất
cho quá trình truyền dẫn cho hệ thống WPT 4 cuộn bất đối xứng. Trong đó
hiệu suất khi chưa có tấm vật liệu biến hóa là 11% nhưng khi có tấm vật liệu
hiến hóa thì con số này đã tăng lên đên 67.13%
4. Ý nghĩa khoa học của đồ án.
Hầu hết các hệ thống truyền dẫn năng lượng không dây đều bị giảm hiệu
suất khi khoảng cách truyền tải tăng, vì vậy qua kết quả của đồ án này cho
chúng ta thấy được tiềm năng rất lớn của vật liệu biến hóa trong WPT. Với kết
quả này sẽ là tiền đề cho nhưng nghiên cứu sâu hơn về vật liệu biến hóa trong
các hệ thống truyền năng lượng không dây khác nữa cũng như trong các
nghành công nghệ khoa học vật liệu, nhằm tạo ra sự phát triển mới cho nền
khoa học công nghệ thế giới.


10

Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY
Trong chương này em xin trình bày 1 cái nhìn dễ hiểu nhất về năng

lượng không dây: lịch sử hình thành cũng như sự phát triển, cách thức truyền
dẫn, phân loại hệ thống năng lượng không dây cùng với các công thức tính
toán các tham số và đặc biệt những ứng dụng nổi bật của hệ thống năng lượng
không dây.
1.1. Giới thiệu
Truyền dẫn năng lượng không dây [wireless power transfer (WPT)] có
một lịch sử rất lâu từ thời kỳ của nhà khoa học Tesla năm 1983. Gần đây,
nghiên cứu về WPT lại nổi lên một lần nữa do sự phát triển nhanh chóng của
các công nghệ mới. Một ví dụ điển hình là ứng dụng WPT trong công nghệ
sạc không dây dành cho điện thoại thông minh và các thiết bị cầm tay khác.
Nhìn chung, WPT có tiềm năng trong rất nhiều ứng dụng với các mức tiêu thụ
năng lượng khác nhau: từ các thiết bị y tế được cấy ghép trong cơ thể con
người, cho đến xe điện và thậm chí là vệ tinh.
1.2. Các thành phần cơ bản của truyền tải năng lượng không dây và các
phương thức truyền tải của năng lượng không dây.
1.2.1. Các thành phần cơ bản.
Các thành phần chính của hệ thống truyền tải năng lượng không dây bao
gồm: máy phát vi sóng ( Microwave generator), anten truyền (Transmitting
antenna), antten nhận (Rectena).
1.2.2. Các phương thức truyền tải của năng lượng không dây.
+ Phương pháp sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ:
Năm 1831, Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể
sinh ra dòng điện. Thực vậy, khi cho từ thông đi qua một mạch kín thay đổi
thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Dòng điện đó được gọi là dòng điện


11
cảm ứng. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Hiện tượng
cảm ứng điện từ của Faraday được sử dụng trong việc truyền điện không dây
bằng cách đặt hai cuộn dây gần nhau với một khoảng cách nhất định, khi đó

dòng điện trong cuộn dây này sẽ cảm ứng và sinh ra dòng điện trong cuộn dây
kia mà không có bất kỳ liên hệ vật lý nào ở giữa hai cuộn dây.

Hình 1.1. Hiện tượng cảm ứng điện từ trên 2 cuộn dây.
+ Phương thức sử dụng nguyên lý truyền sóng điện từ:
Nguyên lý của truyền sóng điện từ là chuyển đổi điện năng thành ánh
sáng dưới dạng một tia laser, sau đó bắn chùm tia này đến một mục tiêu tiếp
nhận năng lượng, chẳng hạn như một tấm pin năng lượng mặt trời được đặt ở
vị trí mà điện năng cần được truyền đến, khi đó tấm pin năng lượng mặt trời
lại thực hiện việc chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng tia laser để cung cấp
điện năng cho thiết bị tiêu thụ điện. Phương pháp này có thể truyền điện đi
một khoảng cách xa mà không cần hệ thống dây truyền tải.
+ Phương pháp sử dụng nguyên lý truyền sóng viba:
Sóng viba hay còn gọi là vi sóng (microwave) là các sóng điện từ có
bước sóng siêu ngắn, có thể tạo ra vi sóng bằng các bộ tạo dao động điện từ
có tần số siêu cao. Truyền tải điện không dây thông qua sóng viba với một tần
số nhất định có thể được thực hiện để truyền điện đi một khoảng cách rất xa.
Ban đầu điện năng được sản xuất ra, sau đó được chuyển thành dạng sóng
viba với tần số phù hợp và được truyền đi xa đến vị trí tiêu thụ điện, ở đầu
cuối hệ thống có một thiết bị thu sóng viba và thiết bị này sẽ thực hiện chuyển
sóng viba thành điện năng. Với phương pháp này, hiện nay đang được các nhà


12
khoa học nghiên cứu để ứng dụng cho việc truyền tải năng lượng điện từ các
vệ tinh năng lượng mặt trời đến trái đất.
Cho đến nay, hầu hết các thiết bị sử dụng WPT đều dựa trên các phương
pháp cơ bản sau: truyền năng lượng vi sóng, tương tác cảm ứng và tương tác
cộng hưởng. Đối với các ứng dụng mà quãng đường truyền dẫn xa, đòi hỏi
năng lượng cao, ví dụ như vệ tinh, phương pháp truyền năng lượng vi sóng

được sử dụng chủ yếu. Phương pháp này sử dụng các chùm vi sóng được định
hướng để truyền năng lượng từ ăngten phát đến ăngten thu. Đối với các ứng
dụng đòi hỏi quãng đường truyền dẫn ngắn và năng lượng tiêu thụ thấp, tương
tác cảm ứng và tương tác cộng hưởng là hai phương pháp thường được sử
dụng. Phương pháp tương tác cảm ứng sử dụng hiệu ứng cảm ứng từ giữa các
cuộn dây phát và thu để truyền năng lượng và hiệu suất truyền dẫn phụ thuộc
mạnh vào hệ số tương tác giữa hai cuộn dây. Về nguyên lý, để tối ưu hiệu
suất, hai cuộn dây phải được đặt sao cho hầu hết từ thông được sinh ra từ
cuộn phát có thể đi xuyên qua được cuộn thu. Vì thế, WPT dựa trên tương tác
cảm ứng thường bị giới hạn ở khoảng cách. Đối với tương tác cộng hưởng,
hiện tượng này xảy ra khi tần số cộng hưởng của các cuộn phát và cuộn thu là
giống nhau. Hệ thống WPT dựa trên tương tác cộng hưởng phụ thuộc vào hai
yếu tố, độ phẩm chất của cuộn dây cộng hưởng (k) và hệ số tương tác giữa
các cuộn dây (Q-factor). Độ phẩm chất (Q-factor) cao hơn dẫn đến sự tổn hao
của quá trình trao đổi năng lượng thấp hơn và hệ số tương tác lớn hơn có
nghĩa là sự tương tác giữa các vòng dây mạnh hơn. Hệ quả là hiệu suất truyền
dẫn thu được sẽ tốt hơn. Với tương tác cộng hưởng, hiệu suất truyền dẫn vẫn
đủ lớn ngay cả khi hệ số tương tác giữa hai cuộn dây nhỏ. Vì hệ số tương tác
tỷ lệ nghịch với khoảng cách truyền dẫn. Thế nên, khoảng cách truyền dẫn
của hệ thống WPT dựa trên tương tác cộng hưởng có thể được kéo dài ra so
với hệ thống dựa trên tương tác cảm ứng. Mặc dù vậy, để có thể thay thế được
công nghệ truyền dẫn kết nối bằng dây, tăng cường hơn nữa hiệu suất truyền
dẫn vẫn là yêu cầu cấp thiết đối với công nghệ WPT. Trong mục này, chúng


13
em sẽ giới thiệu tiềm năng ứng dụng của vật liệu biến hóa trong việc nâng cao
hiệu suất truyền dẫn của WPT.
1.3. Phân loại năng lượng không dây.
1.3.1. Cấu trúc 2 cuộn. [30]

Hình 1.2 cho thấy khái niệm cơ bản của 2 cuộn dây WPT bao gồm một
máy hát và cuộn dây máy thu. Thiết kế của cuộn dây là một vòng tròn đơn để
làm thiết kế tham khảo. Cả hai cuộn dây được kết nối với nguồn và khoảng
cách vị trí của cuộn dây là khoảng cách truyền hoặc khoảng cách hiệu quả.
Bảng 1 cho thấy tham số cuộn dây đơn. Lựa chọn vật liệu dây trong mô
phỏng CST microwave studio là đồng nguyên chất.
Cuộn phát

Cuộn thu

Nguồn

ách
Khoảng c

d

Hình 1.2. Cấu trúc hệ thống truyền năng lượng không dây với 2 cuộn.
Hình 1.3 cho thấy mô hình mạch tương đương của hệ thống WPT 2 cuộn
dây sử dụng bộ cộng hưởng ghép từ tính. Vì cả hai cuộn dây là cuộn cảm lõi
không khí, tổn thất không được xem xét.


14
Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống truyền năng lượng không dây với cấu trúc 2 cuộn.
Đối với hệ thống được hiển thị trong sơ đồ 1, các tham số tối ưu giúp
truyền tối đa năng lượng không dây được phân tích trong [14]. Đối với một hệ
thống cuộn dây nhất định, điện dung tải tối ưu và sự phụ thuộc vào cổng được
tính như sau:
Rs1  r1

2

r1r2

 M 
1

Rs 2  r2

(1.1)

2

r1r2

C1 
C2 

 M 
1

1
 2 L1

1
 2 L2

(1.2)
(1.3)

(1.4)

Trong đó Rs1 là tổng của rp và Rc1. Rs2 là tổng của Rc2 và RL. Phương
trình (1.1) và (1.2) đại diện cho điều kiện khớp kháng và (1.3) và (1.4) mô tả
điều kiện cộng hưởng. Từ (1.3) và (1.4), có thể thấy rằng để tối đa hóa việc
truyền công suất, hai cuộn dây ở hai bên được yêu cầu phải hoạt động ở tần số
cộng hưởng như sau:
0  L1C1  L2C2

(1.5)

Về mặt lý thuyết, (1.1) - (1.4) có thể tìm ra các thông số tối ưu một cách
ngắn gọn. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, Rc1 là Rc2 và rp là các giá trị
ký sinh, có rất ít sự linh hoạt cho các kỹ sư thực sự chọn các tham số mạch
cho khớp kháng. Đối với một hệ thống WPT nhất định, Rc1, Rc2, rp và RL là
các giá trị cố định, trong đó không thể hoặc thuận tiện để thay đổi chúng.
Giá trị của phép đo S21 được mô phỏng sau đó được so sánh với phép
tính bằng phương trình (1.6):
S 21 

ktx2 QtxQrx
1  ktx2 QtxQrx

(1.6)


15
Hệ số Q-factor của cuộn dây được lấy cho mỗi biến thể khoảng cách để
phân tích ảnh hưởng của yếu tố Q đối với khoảng cách. Phương trình Q-factor
sử dụng để tính toán với công thức (1.7):

Q

2 fL
R

(1.7)

1.3.2. Cấu trúc 4 cuộn. [28]
Hình 1.4 là sơ đồ hệ thống truyền tải điện không dây gồm bốn bộ cộng
hưởng. Khoảng cách giữa cuộn phát và bộ cộng hưởng phát được ký hiệu là
d12 và khoảng cách từ cuộn cộng hưởng nhận đến cuộn thu là d34. Khoảng
cách giữa hai bộ cộng hưởng phát và thu được ký hiệu là d23, đó là khoảng
cách mà chúng ta quan tâm để truyền tải điện.

d12
d34
d23

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống WPT 4 cuộn
Hình 1.4 trình bày sơ đồ mạch đơn giản hóa của hệ thống truyền tải điện
không dây cộng hưởng từ. Các tham số của mỗi cuộn dây được biểu thị bằng
các phần tử Ri, Li, Ci, (i = 1 - 4). Các hệ số ghép cặp của các cuộn được biểu
diễn bằng k12, k23, k34.

Hình 1.5. Mạch tương đương của hệ thống WPT 4 cuộn dây


16
Điện áp cấp vào là VS , và điện trở nguồn và tải lần lượt là RS và RL . Đối
với bộ cộng hưởng có hệ số phẩm chất (Q) rất cao và điều kiện trở kháng

nguồn / tải thực tế, chúng ta có R1  Rs và R4  RL , do đó ( R1  RS �RS )
và ( R1  RL �RL ).
Dựa trên sơ đồ mạch điện ở Hình 1.3 ta có
I1 � �Z11
�
� � �
Z 21
I2 � �
�
�

� �
I3 � �
Z31
�
�
� �
I
Z
�4 � �
� 41

Z12
Z 22

Z13
Z 23

Z14 �
�

Z 24 �

Z32

Z33

Z34 �

Z 42

Z 43

Z 44 �

�

(1.8)

�
�

1
Ở tần số cộng hưởng, 0  L C Chúng em có được các biểu thức sau
i i
đây:
Z11  RS ; Z 22  R2 ; Z33  R3
Z 44  RL ; Z13  Z14  Z 24 ;
Z12  j k12
Z 23  j k23
Z34  j k34

L1L2 ;
L2 L3 ;

(1.9)

L3L4 ;

Giải phương trình (1.8) và (1.9), chúng ta có thể tìm thấy dòng điện chạy
I1 và cuộn tải I4 như sau:
2 Q Q  k2 Q Q
1  k23
VS

2 3 34 3 4 
I1 
�1  k 2 Q Q 1  k 2 Q Q  k 2 Q Q �R
 12 1 2  34 3 4  23 2 3 �� S
�
�
I4 

k12k23k34 Q1Q2 Q2Q3 Q3Q4
jVS
�1  k 2 Q Q 1  k 2 Q Q  k 2 Q Q � R R
34 3 4
23 2 3 �
� 12 1 2
� S L
�





(1.10)



Tất cả các cuộn cảm thực tế có tần số tự cộng hưởng tối đa với một Q
nhất định khi cộng hưởng. Tần số cộng hưởng này được xác định bởi điện
cảm và điện dung ký sinh khi tự cộng hưởng. Một cuộn cảm cụ thể chỉ hữu


17
ích như một yếu tố quy nạp dưới sự cộng hưởng này. Vì Q tỷ lệ thuận với L /
R và cả độ tự cảm và điện trở loạt có thể phụ thuộc tần số, Q có thể thay đổi
theo tần số. Điều này đặc biệt đúng đối với cuộn cảm và máy biến áp. Vì vậy,
điều khôn ngoan cần làm là đo Q qua dải tần quan tâm của mạch của bạn.
Để tính Q, hệ số chất lượng cho một cuộn cảm, có thể sử dụng công thức
hoặc phương trình dưới đây:
Q

XL
R

(1.11)

Nhìn vào các công thức này có thể thấy rằng tổng thể, phản ứng quy nạp,
X thay đổi tùy theo tần số. Điều này có nghĩa là hệ số Q của cuộn cảm cũng

sẽ thay đổi theo tần số.
Thêm vào đó, tổn thất điện trở được tạo thành từ hiệu ứng da, tổn thất
bức xạ, dòng điện xoáy và độ trễ cũng phụ thuộc tần số, mặc dù chúng là tổn
thất điện trở. Những hiệu ứng này cũng sẽ ảnh hưởng đến yếu tố Q cuộn cảm
Khi hệ thống đối xứng, sao cho Q1 = Q2; Q3 = Q4 và k12  k34 , hệ số
điện áp giữa nguồn và tải của hệ thống là:
2 Q Q2
k23k12
I 4 RL
VL
RL
1 2


2
VS
I1RS
2QQ
2 Q 2 RS
1  k12

k
1 2
23 2





(1.12)

Hiệu suất truyền tải năng lượng  (tỷ lệ của công suất đầu ra POUT và
công suất đầu vào PIN ) được xác định:
POUT V 2 / R
2

 L L  S21
2
PIN
VS / 4 RS

(1.13)

Khoảng cách trung bình có tần số hoạt động cỡ MHz và đạt hiệu suất
truyền 10 tới 90%, được áp dụng cho các hệ thống truyền điện với các khoảng
cách truyền không quá lớn và rất phổ biến trong các căn hộ thông minh, và đã
đưa váo áp dụng cho các bộ sạc không dây đối phương tiện giao thông.
1.4. Các ứng dụng của truyền tải năng lượng không dây [29]


18
- Truyền tải điện cho các thiết bị cầm tay không dây
Trong hình 1.6 (a) bên dưới, hệ thống tổng thể được tạo ra bằng cách sử
dụng miếng sạc và pin. Để truyền năng lượng từ miếng sạc vào pin, mỗi bộ
phận đều có cuộn dây phẳng. Các miếng sạc và pin có thể giao tiếp với nhau
khiến năng lượng điện bị điều biến. Trước khi truyền toàn bộ năng lượng cho
pin, miếng sạc sẽ kiểm tra xem pin có hợp lệ hay không. Giao tiếp này tiếp
tục trong toàn bộ quá trình sạc để xác nhận pin vẫn còn.

(a)

(b)

Hình 1.6 (a) Sạc không dây của thiết bị cầm tay sử dụng khớp nối quy nạp (b)
Sạc không dây cho xe điện
- Sạc không dây cho xe điện
Theo Hình 1.6 (b), một miếng sạc nằm trên mặt đất, được kết nối với bộ
đổi nguồn gắn trên tường. Tất cả các bãi đậu xe trên nó. Ở phía sau xe có một
bộ thu khi bộ sạc phát hiện bộ thu trong phạm vi, nó sẽ tự động bắt đầu sạc.


19

(a)

(b)

Hình 1. 7 (a) Vệ tinh năng lượng mặt trời, (b) Thiết bị gia dụng không dây
- Phạm vi tương lai của công nghệ truyền tải điện không dây
Trong tương lai chúng ta có thể sử dụng các thiết bị điện bằng cách sử
dụng điện mà không cần dây. Trong phần dưới đây, thảo luận về một số phạm
vi tiềm năng của việc sử dụng công nghệ truyền tải điện không dây.
+ Vệ tinh năng lượng mặt trời
Vệ tinh với bảng điều khiển năng lượng mặt trời được sử dụng để thu
được lượng năng lượng mặt trời tối đa từ mặt trời trong không gian. Vệ tinh
bao gồm máy phát vi sóng được sử dụng để chuyển đổi năng lượng thành lò
vi sóng để truyền tải. Theo Hình 1.7 (a) truyền vi sóng từ vệ tinh có mặt trong
không gian được nhận bởi ăng ten thu vi sóng đặt vào trái đất. Lò vi sóng này
nhận ăng ten sau đó chuyển đổi lò vi sóng thành điện. Sau đó, điện này có thể
được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhà và văn phòng, vv

+ Thiết bị gia dụng không dây
Trong tương lai, sẽ có một thiết bị truyền phát trong nhà sẽ truyền điện
tới tất cả các thiết bị gia dụng như Ti vi, Máy tính xách tay, Đèn, Sắt, Hộp âm
thanh, Tủ lạnh, Di động, v.v. trong Hình 1.7 (b). Thiết bị truyền tải điện và tất
cả các thiết bị sẽ nhận được năng lượng đó thông qua các thiết bị nhận được
thiết lập bên trong vào tất cả các thiết bị.


20

Hình 1.8 Nguồn không dây áp dụng cho các thiết bị y tế
+ Nguồn không dây áp dụng cho các thiết bị y tế
Trong tương lai cung cấp năng lượng không dây trong các thiết bị y tế có
thể. Sẽ có một máy phát sẽ được kết nối trực tiếp với trạm điện. Hình 1.8 định
nghĩa máy phát nhận tín hiệu từ trạm điện và truyền tín hiệu liên tục. Công
suất phát được nhận bởi người nhận thiết lập trong bệnh viện và tạo ra điện
không dây. Bằng cách sử dụng điện này các thiết bị y tế sẽ được thực hiện
đồng thời. Sẽ có một số thiết bị điện trong tay bệnh nhân các thiết bị này hiển
thị trạng thái của bệnh nhân đó. Tình trạng vật lý của họ sẽ hiển thị trong màn
hình. Vì vậy, các bác sĩ có thể dễ dàng hiểu được tình trạng của họ và có thể
thực hiện bước đo lường nhanh chóng.
1.5. Kết luận chương 1
Qua chương 1 cho chúng ta nắm rõ nguyên lý, cách thức và phạm vi hoạt
động của công nghệ truyền dẫn năng lượng không dây đi cùng với những ứng
dụng thực tiễn mà đã được áp dụng thực tế cho đến bây giờ.


21

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BIẾN HÓA

Chương 2 trình bày một cách tổng quan nhất về vật liệu biến hóa lịch sử
ra đời cũng như quá trình phát triển của loại vật liệu này. Các tính chất vật lý
đặc cũng như các công trình nghiên cứu đã được công bố đối với vật liệu biến
hóa.
2.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa [26]
2.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển.
Một trong những tính chất đầu tiên được tìm kiếm của vật liệu biến hóa
là tính chất chiết suất âm của vật liệu. Về mặt lý thuyết, sự tồn tại của vật liệu
có chiết suất âm đã được đề xuất vào năm 1968 bởi Vaselago [2], dựa trên sự
kết hợp đồng thời của vật liệu có độ từ thẩm âm (µ < 0) và độ điện thẩm âm (ε
< 0). Trong nhiều thế kỷ, con người đã tin rằng chỉ số khúc xạ chỉ có thể là
dương, nhưng trong công bố Vaselago đã chỉ ra rằng chỉ số khúc xạ cũng có
thể mang giá trị âm. Điều này đã khiến cho mọi người nghi ngờ về sự tồn tại