Mọi thứ dường như quá đơn giản, và thoạt nhìn, nó rất hợp lý. Chúng ta đang sống trong một thế giới đầy rẫy tín hiệu điện tử—radio, TV, Wi-Fi và tín hiệu điện thoại di động, chỉ kể ra một vài điều hiển nhiên. Nhờ sự ra đời của các thiết bị di động, thiết bị đeo và Internet vạn vật (IoT) , một trong những động lực chính của hoạt động R&D trong lĩnh vực điện tử là phát triển các ứng dụng chạy với rất ít năng lượng.

Tại sao không lắp một ăng-ten nhỏ để thu một phần Tần số Vô tuyến đó và chỉnh lưu nó? Sẽ rất dễ dàng để kiếm được khoảng một microwatt và dùng nó để sạc chậm pin hoặc siêu tụ điện . Lượng điện này sẽ vừa đủ để cung cấp năng lượng cho một thiết bị IoT chỉ cần bật thỉnh thoảng, truyền dữ liệu, rồi lại chuyển sang chế độ ngủ. Sau đó, khi thiết bị IoT của chúng ta được bật trở lại, quá trình thu thập RF sẽ tiếp tục, và một lượng lớn năng lượng dự trữ sẽ chờ đợi lần đánh thức tiếp theo.

Vâng, ít nhất thì đó là lý thuyết. Và nghe có vẻ khá hay. Suy cho cùng, một đài truyền hình phát ra một lượng RF khổng lồ. Chỉ một phần rất nhỏ trong số đó bị tiêu tán trong các tầng phát hiện của tổng số tất cả các máy thu TV được điều chỉnh. Phần còn lại vẫn nằm ngoài đó, chờ được thu hoạch.

Kỹ thuật thu thập RF

Việc thu năng lượng RF bắt đầu bằng một ăng-ten . Một ăng-ten nhất định chỉ có thể thu năng lượng hiệu quả từ một dải tần số gần nhau. Một ví dụ tốt để bắt đầu là truyền hình UHF và VHF. Ngay cả ở tần số 500 MHz, một lưỡng cực cũng chỉ dài 0,3 mét. Điều này đã là một dấu hiệu cảnh báo, bởi vì cần một diện tích khá lớn để thu một lượng năng lượng khá nhỏ. Ngoài ra, ăng-ten phải được đặt theo một hướng không gian cụ thể so với ăng-ten phát của đài truyền hình. Và cả hai yêu cầu này đều khiến nó trở nên không thực tế đối với một thiết bị đeo được.

Ăng-ten thu của máy thu có trở kháng 50 ohm, phải phù hợp với trở kháng đầu vào của phần còn lại của thiết bị. Điện áp thu được tại ăng-ten sau đó phải được tăng lên ít nhất một vôn để có thể chỉnh lưu thành dòng một chiều. Điều này có thể được thực hiện bằng một thiết bị gọi là bơm điện tích , giúp tăng điện áp nhưng tất nhiên không thể tăng tổng công suất RF.

Nghiên cứu thu năng lượng RF

Một loạt thí nghiệm thú vị tập trung vào việc thu năng lượng RF được tạo ra bởi một đài truyền hình Tokyo, Nhật Bản ở khoảng cách 6,5 km. Sơ đồ khối của dự án như sau.

Hình 1: Minh họa mô tả cấp hệ thống của một thiết bị thu năng lượng RF. (Nguồn: “Thiết bị thu năng lượng không cần pin để thu năng lượng không dây từ các chương trình phát sóng truyền hình mặt đất tầm xa”, Viện Công nghệ Georgia)

Dự án được thực hiện tại Viện Công nghệ Georgia phối hợp với các nhà nghiên cứu từ Đại học Tokyo. Trong triển khai này, bơm điện tích nói trên được tích hợp trong khối RF-DC.

Các kết quả quan trọng của dự án được tóm tắt trong sơ đồ sau. Các khối màu xanh lá cây biểu thị lượng điện năng — tính bằng microwatt — được ăng-ten thu được ở khoảng cách tương ứng 6,5 km từ các bức xạ ở tần số UHF đặc trưng của truyền hình Nhật Bản. Các dải màu xanh lam và đỏ biểu thị công suất cần thiết để sạc siêu tụ điện được đề cập trong sơ đồ khối lên lần lượt 1,8 vôn và 3,0 vôn.

Hình 2: Siêu tụ điện được sạc đến 2,9 vôn trong một khoảng thời gian hợp lý. (Nguồn: “Thiết bị thu năng lượng không cần pin để thu thập năng lượng không dây từ các chương trình phát sóng truyền hình mặt đất tầm xa”, Viện Công nghệ Georgia)

Hạn chế của việc thu năng lượng RF

Những người ủng hộ việc thu thập năng lượng tần số vô tuyến từ xa cho các thiết bị IoT cho rằng phương pháp này sẽ hữu ích khi cấp nguồn cho một cảm biến từ xa ở khu vực đô thị. Tuy nhiên, như chúng ta đã thấy, cần phải có một ăng-ten tương đối dài và phải được định hướng chặt chẽ với một đài truyền hình hoặc một nguồn điện khác. Và nếu nguồn điện dịch chuyển hoặc thay đổi, tất cả các thiết bị IoT tương ứng phải được căn chỉnh lại. Điều này làm mất đi toàn bộ mục đích của việc triển khai thu thập năng lượng cho IoT, đó là tránh việc phải tiếp cận vật lý thiết bị đang được cấp nguồn. Chỉ riêng các yêu cầu về ăng-ten đã khiến việc thu thập năng lượng từ xa cho các thiết bị đeo được trở nên không khả thi.

Khi xét đến việc tần suất sử dụng năng lượng mặt trời lớn hơn nhiều so với lượng RF được phép ở các khu vực dân cư nói chung tại bất kỳ quốc gia phát triển nào, việc triển khai là rất khó để biện minh. Hơn nữa, tình hình khó có thể thay đổi, bởi vì có một giới hạn về mức năng lượng RF có thể phát ra trong bất kỳ không gian công cộng nào. Nếu có, các giới hạn này có thể sẽ được thu hẹp lại, vì việc tiếp xúc với RF đang được xem xét một cách thận trọng do những nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe con người.

Giải pháp thu năng lượng RF

RF định hướng để thu năng lượng

Có những trường hợp cảm biến được triển khai ở khu vực khó tiếp cận, hoặc có thể chính khu vực đó gây nguy hiểm cho con người. Trong những trường hợp này, một phương pháp đã được phát triển, theo đó cảm biến được cấp nguồn không phải bằng cách thu thập năng lượng ngẫu nhiên, mà bằng cách thu thập năng lượng nhắm mục tiêu cụ thể vào cảm biến. Thay vì phụ thuộc vào sự thất thường của ăng-ten phức tạp hay sự có mặt hay vắng mặt của tín hiệu TV, kỹ thuật viên có thể chiếu một bộ phát RF vào thiết bị từ một khoảng cách an toàn.

RFID - Nhận dạng tần số từ xa

Nhận dạng tần số từ xa , hay RFID , sử dụng tín hiệu sóng vô tuyến để nhận dạng vật thể được gắn thẻ. Thiết bị đọc thẻ sẽ nhúng thẻ vào tín hiệu RF phục vụ hai mục đích. Đầu tiên, thẻ - một thiết bị điện tử nhỏ - "thu thập" năng lượng RF phát ra, dùng để tự bật nguồn. Sau đó, thẻ, chứa thông tin nhận dạng kỹ thuật số đã được lưu trữ, sẽ truyền dữ liệu đó trở lại đầu đọc.

Giờ đây, người đọc đã biết danh tính của vật phẩm đã quét. Các thẻ có thể khá nhỏ so với thẻ mã vạch trực quan. Hơn nữa, nhân viên có thể nhận dạng từ xa, và phương pháp này dễ dàng thích ứng với việc tự động hóa.

Tính thực tiễn của công suất RF

Vì vậy, trừ khi bạn đang thiết kế một hệ thống IoT hoặc thiết bị đeo để vận hành trong cùng tòa nhà với máy phát TV, bằng chứng rõ ràng cho thấy đây sẽ là một nỗ lực viển vông và cuối cùng là không thực tế. Mặt khác, có những trường hợp mà việc thu năng lượng RF từ sóng vô tuyến định hướng cụ thể lại có thể cực kỳ thiết thực.