[Technology Newsletter] Energy Harvesting: A case study of using RF Plasma

Thông qua newsletter này, Wireless Solutions Center sẽ mang đến cho bạn các nội dung thú vị xoay quanh energy harvesting và RF plasma như Các xu hướng nghiên cứu energy harvesting chính hiện nay và Energy harvesting sử dụng sóng RF plasma.

I. Giới thiệu về Energy Harvesting:

Thuật ngữ IoT và mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) không còn quá xa lạ với chúng ta vì đã có rất nhiều ứng dụng có ích cho cuộc sống liên quan đến hai công nghệ này. Tuy nhiên thách thức hiện nay của các sản phẩm này không chỉ đơn giản dừng lại ở việc thu thập thông tin chính xác hơn, đáp ứng thời gian thực nhanh hơn mà còn ở việc sử dụng được lâu dài hơn, từ vài năm thậm chí hàng chục năm, tùy các ứng dụng cụ thể. Có rất nhiều cách giúp khắc phục điều này bằng việc sử dụng các hệ thống thu thập năng lượng (energy harvesting) dưới nhiều dạng khác nhau từ môi trường như nhiệt, ánh sáng, rung động (vibrations), luồng khí (airflow), sóng điện từ (electromagnetic waves) và các hiện tượng khác trở thành năng lượng điện để cung cấp hoàn toàn hoặc một phần cho các hệ thống điện công suất thấp. Thách thức đặt ra là phải cung cấp năng lượng ổn định và liên tục trong khi vẫn phải đảm bảo tiêu chí nhỏ gọn và giá thành thấp.

Hình 1 miêu tả các dạng năng lương khác nhau có thể được dùng cho việc thu thập năng lượng hiện nay. Trong đó, năng lượng thu được từ rung động cơ học (mechanical vibration) có thể thu thập từ các phương pháp điện từ, tĩnh điện, hoặc áp điện và được ứng dụng rộng rãi trong máy móc công nghiệp với ưu điểm là hoạt động ở tần số thấp và điện áp ngõ ra cao (điện xoay chiều), tuy nhiên đây cũng là khuyết điểm vì cần mạch cộng hưởng tần số và chuyển đổi sang dòng điện một chiều cho các thiết bị điện khác. Tiếp theo, năng lượng thu thập từ nhiệt (thermal) thường thấy trong nhiệt thải công nghiệp, hay động cơ đốt trong. Ưu điểm của phương pháp này là hoạt động được ở nhiệt độ phòng và đáp ứng phổ rộng, tuy nhiên khuyết điểm là cần sự thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ và thường vẫn chỉ được thu thập dưới dạng điện xoay chiều. Phương pháp sử dụng năng lượng từ (magnetic) hầu như cũng gặp vấn đề tương tự, dựa vào cường độ điện từ trường để cho ra dòng điện xoay chiều. Đặc biệt, phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời (solar) và dòng chảy chất lỏng (fluid flow) rất thường thấy trong các thiết bị hiện nay vì đơn giản và nguồn năng lượng dễ thu thập, tuy nhiên khuyết điểm là phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và điều kiện thời tiết, thủy triều. Phương pháp sử dụng sóng vô tuyến để thu thập năng lượng hữu ích trở thành một phương pháp rất tiềm năng cho các thiết bị IoT và WSN ngày nay. Năng lượng vô tuyến có mặt khắp mọi nơi, là một dạng năng lượng có hiệu suất thu thập cao hơn các loại khác, và có thể dễ dàng chuyển đổi sang dòng điện một chiều. Khuyết điểm của phương pháp này là với các băng tần khác nhau sẽ cần thay đổi phần cứng đi kèm. Để khắc phục việc này, các mạch điều chỉnh băng tần (tuning) được thiết kế để phát triển ứng dụng. Ngoài ra phương pháp này cũng đang cần sự nhất quán, thống nhất từ các tổ chức về qui chuẩn để phát triển trong tương lai.

Hình 1. Các dạng năng lượng hữu ích từ môi trường xung quanh có thể dùng cho thu thập năng lượng

II. Các xu hướng nghiên cứu energy harvesting chính hiện nay

1. Infineon

Tập trung vào hai công nghệ sạc không dây chính, cảm ứng từ và cộng hưởng tần số, đồng thời cung cấp đa dạng mẫu mã và sản phẩm an toàn để sử dụng trong các lĩnh vực tiêu dùng, công nghiệp và ô tô, bao gồm từ vài watt đến vài kilowatt. Các giải pháp của Infineon bao gồm IC nguồn MOSFET, IC sạc không dây, vi điều khiển, IC trình điều khiển cổng và IC xác thực (OPTIGA™ Trust Charge, 15 W và 50 W). Giải pháp sạc không dây Infineon đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng hiện nay đối với các ứng dụng sạc không dây như điện thoại thông minh, thiết bị đeo tay, máy tính xách tay và là thành viên của Hiệp hội Wireless Power Consortium (WPC). Tiêu chuẩn Qi qui định bởi hiệp hội WPC phản ánh mức truyền tải điện không dây đến các thiết bị điện tử nhỏ với mục đích cung cấp khả năng tương thích và an toàn cho thiết bị, và do đó góp phần vào việc đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Tiêu chuẩn Qi2 bắt buộc sử dụng phần cứng được chứng nhận bảo mật để bảo vệ quá trình xác thực. Tuy nhiên công nghệ nghệ có khuyết điểm là khoảng cách truyền quá ngắn chỉ vài centimet và không thể ứng dụng được cho các thiết bị IoT ở khoảng cách xa.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý và mô hình thu thập năng lượng không dây khoảng cách ngắn của Infineon theo tiêu chuẩn Qi2 của WPC

2. Philips

Phương pháp thu thập năng lượng không dây của Philips đã đăng ký bằng sáng chế và hướng đến công nghệ nguồn không dây được sử dụng ngày nay trong nhiều thiết bị di động và điện tử như điện thoại thông minh và bộ sạc không dây. Bộ sạc không dây Philips tương thích với điện thoại và các thiết bị khác được hỗ trợ công nghệ không dây Qi, công suất sạc có 3 lựa chọn 5W/7.5W/10W, hiệu suất sạc có thể đạt tối đa 75% ở khoảng cách ngắn, tiếp xúc với đế sạc như hình 3. Tương tự với hãng Infineon, sản phẩm sạc không dây của Philips vẫn bị hạn chế ở khoảng cách ngắn.

Hình 3. Sản phẩm sạc không dây khoảng cách ngắn của Philips

III. Energy harvesting sử dụng sóng RF plasma

Để việc thu thập năng lượng không dây bằng sóng vô tuyến (Radio Frequency -RF) được hiệu quả cao, các thiết bị thông minh ngày nay sử dụng ăng ten dãy (antenna array) hoặc ăng ten đặc thù để tạo thành nhóm các sóng vô tuyến có tần số khác nhau đôi chút. Các tần số này chồng lấn và được tập trung lại dưới nhiều cách khác nhau khi truyền đi. Tại một điểm thu thập cố định, các năng lượng này được giao thoa với nhau và tựu chung lại đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị không dây ở khoảng cách ngắn. Phương pháp này đã được thương mại hóa sử dụng sóng vô tuyến bằng công nghệ RFID ở tần số UHF (868 MHz) để cung cấp năng lương không dây cho các thẻ thụ động từ các đầu đọc phát ra. Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn hạn chế ở việc hiệu suất thu thập năng lượng tỉ lệ nghịch với khoảng cách truyền và do đó thời gian sạc pin sẽ lâu hơn, cho nên rất ích các công ty hiện nay trên thế giới nghiên cứu lĩnh vực này. Để vượt qua được thách thức này, phương pháp sử dụng sóng vô tuyến plasma đang là một hướng nghiên cứu tiềm năng. Các nghiên cứu trước đây của Nikola Tesla và Marconi đã chứng minh một cách chắc chắn rằng tần số vô tuyến có cường độ cao sẽ phóng điện đến vài trăm nghìn volt ở khoảng cách xa, vận hành máy phát điện mà không gây tổn hại con người và môi trường.

Điện sinh ra từ tần số cao (RF plasma) được xem là có rủi ro gây hại thấp hơn ở tần số thấp vì khi tần số đủ cao, năng lượng điện sẽ lan truyền dưới dạng sóng bề mặt hoặc tỏa ra dưới dạng bức xạ. Thực tế, đã có nhiều nghiên cứu thu thập năng lượng từ năng lượng sấm sét (lightning energy) từ những năm 1980. Tuy nhiên thời điểm này hiệu suất thu thập năng lượng còn thấp do công nghệ vật liệu và các ngành điện tử vô tuyến chưa được phát triển rộng rãi, bởi chủ yếu năng lượng được thu thập được chỉ truyền trên bề mặt nước. Nước là một vật liệu dẫn điện và có thể hỗ trợ truyền dẫn sóng bề mặt plasma rất tốt. Khi có sấm sét, sóng bề mặt plasma lan truyền trên bề mặt nước, đại dương, chạm tới thuyền bè, hoặc vật thể ở gần bề mặt. Chúng chỉ ảnh hưởng đến lớp tiếp xúc gần bề mặt mà không ảnh hưởng đến thợ lặn hay cá ở sâu dưới biển mặc dù nước muối có tính dẫn điện cao. Ngày nay, một số vật liệu bán dẫn hoặc vật liệu điện môi tổn hao có thể được dùng để truyền năng lượng sóng plasma bề mặt thay thế tương đối với bề mặt nước. Một số đặc tính có thể kể đến như: điện áp sinh ra bởi sóng plasma cao hơn tất cả các phương pháp thu thập năng lương truyền thống khác, cường độ dao động điện trường song song với hướng truyền sóng.

Để thu thập năng lượng không dây từ sóng vô tuyến plasma chúng ta cần thiết kế hệ thống truyền tải điện một dây (single-wire power transfer), nghĩa là truyền tải năng lượng thông qua một môi trường hay vật liệu dẫn điện và không có tiếp đất hồi tiếp. Hay nói cách khác, đây là việc cung cấp thông qua môi trường bán dẫn và một mạch chuyển đổi năng lượng từ sóng vô tuyến sang dòng điện một chiều. Có nhiều công nghệ được sử dụng để làm mạch chuyển đổi này tiêu biểu như việc chế tạo đi-ốt Schottky bởi điện áp ngưỡng thấp, hay gần đây nhất là dùng công nghệ CMOS có trở kháng thay đổi được khi thiết kế đồng thời có độ nhạy cao tại mức điện áp vào thấp hơn đi-ốt Schottky rất nhiều. Công nghệ CMOS này có hai dạng chính là dạng mạch chủ động và thụ động, trong đó dạng chủ động thì cần pin ngoài để hoạt động điển hình như RFID (Powercast) hay các cảm biến có pin. Một thí nghiệm tiêu biểu có thể kế đến bằng việc sử dụng nguồn năng lượng từ quả cầu plasma mẫu (0.02 W) có kết nối với một ăng-ten đơn cực để thấp sáng bóng đèn Neon ở khoảng cách 55 cm với điện áp đo được là hơn 40 V

IV. Kết luận

Qua bài viết này, có thể thấy rằng việc thu thập năng lượng không dây ở khoảng cách ngắn vài centimet sử dụng cảm ứng từ và cộng hưởng tần số đang được thương mại hóa bởi hiệu suất sạc pin cao và chủ yếu dùng cho các thiết bị cầm tay hoặc điện thoại di động. Ở khoảng cách vài mét thì các nghiên cứu và ứng dụng sử dụng sóng vô tuyến trở thành giải pháp rất tiềm năng. Trong đó, việc sử dụng sóng vô tuyến ở tần số của RFID hoặc sóng vô tuyến plasma là rất tiềm năng để phát triển và nghiên cứu thêm. Các ứng dụng của sóng vô tuyến RF plasma đã được phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất bán dẫn, chế tạo các thiết bị y tế, xử lý bề mặt vật liệu trong công nghệ in 3D và các ngành khoa học vật liệu khác, hay các ứng dụng giám sát môi trường như giám sát ô nhiễm không khí hay nguồn nước. Những ứng dụng này đã ngày càng cho thấy tiềm năng của việc sử dụng sóng plasma, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất điện năng và thu thập năng lượng không dây. Đặc biệt, ở độ cao dưới khoảng 2000 km, plasma được gọi là “tầng điện ly”, và sóng plasma được sử dụng nhiều bằng các tàu thăm dò, hay vệ tinh thu thập ở tầng khí quyển này. Nếu sóng vô tuyến có tần số gần hoặc thấp hơn tần số plasma, chúng không thể lan truyền ra khỏi tầng điện ly mà sẽ bị phản xạ hoặc hấp thụ lại.

Tuy nhiên việc thu thập năng lượng bằng sóng plasma là cơ hội và cũng là thách thức, bởi vì:

Cần có hiểu biết và kinh nghiệm cả về mạch điện tử và truyền tín hiệu vô tuyến để tối ưu hiệu suất vì sóng vô tuyến sẽ dễ bị ảnh hưởng bởi kênh truyền và mạch chỉnh lưu chuyển đổi sóng vô tuyến sang dòng điện một chiều
Cần có hiểu biết về vật liệu bán dẫn hoặc môi trường truyền thay thế nước để truyền sóng bề mặt
Cơ hội mở ra trước mắt là rất lớn nếu có thể nâng cao hiệu suất thu thập năng lượng ở khoảng cách vài mét đến chục mét trở lên vì rất có ích cho các ứng dụng IoT
Cơ hội để làm chủ công nghệ và giảm giá thành khi sử dụng các thiết bị điện tử dùng pin hiện tại