Truyền điện không dây là gì?

Truyền điện không dây (Wireless power transfer - WPT) là ý tưởng được lấy cảm hứng từ sáng kiến của nhà khoa học Nikola Tesla vào những năm 1880.  Công nghệ  này được phát triển từ các phương pháp truyền tải điện có dây thông thường để trở thành một công nghệ quan trọng, tiện lợi và an toàn trong cuộc sống hiện đại. Ban đầu, các nghiên cứu về WPT tập trung vào việc sử dụng công nghệ vi sóng cho các ứng dụng tầm xa như các nhà máy điện năng lượng mặt trời trong không gian (SSPS). Với sự gia tăng của các thiết bị điện, nhu cầu về sự an toàn và tiện lợi đã tăng vọt, dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong công nghệ WPT. Truyền điện không dây kết hợp từ trường, được biết đến với hiệu suất vượt trội và thiết kế đơn giản, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm điện tử, cấy ghép y tế và xe điện.
Những hạn chế về công nghệ trong pin đã buộc các thiết bị điện phải dựa vào việc thay thế pin hoặc tăng dung lượng để đáp ứng nhu cầu hoạt động kéo dài, đặt ra những thách thức như rủi ro về an toàn và chi phí ban đầu sẽ cao hơn. Chính vì vậy, công nghệ WPT cung cấp giải pháp cho những thách thức này. Ví dụ, sạc không dây cho các thiết bị y tế cấy ghép giúp giảm chi phí y tế và rủi ro liên quan đến phẫu thuật thay thế. Việc triển khai cơ sở hạ tầng WPT dọc theo đường bộ có thể giải quyết những hạn chế về phạm vi hoạt động của xe điện. Trong các thiết bị di động, sạc không dây hiện là một tính năng tiêu chuẩn, chẳng hạn như trong điện thoại thông minh đã nâng cao dược sự tiện lợi và trí thông minh của cuộc sống hàng ngày thông qua WPT. WPT đã tích hợp vào nhiều khía cạnh của cuộc sống và các nhà nghiên cứu đang khám phá sâu rộng về các cơ chế nhằm cải tiến hiệu suất và các ứng dụng đa dạng của nó.‍

Phân loại các công nghệ truyền điện không dây

Hiện nay, các công nghệ WPT được phân loại thành bốn loại dựa trên cơ chế của chúng: MC-WPT, truyền năng lượng không dây ghép nối trường điện (EC-WPT), truyền năng lượng không dây vi sóng (M-WPT) và truyền năng lượng không dây laser (L-WPT). Trong đó, MC-WPT và EC-WPT đều là công nghệ trường gần, đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. MC-WPT tương đối hoàn thiện, cung cấp khả năng thích ứng, an toàn và hiệu quả, nhưng bị hạn chế bởi khoảng cách truyền ngắn và chi phí cao hơn. EC WPT, hiệu quả ở phạm vi gần, phù hợp với các hệ thống nhúng nhưng có khoảng cách truyền ngắn hơn và nhạy cảm với môi trường. Các công nghệ trường xa như M-WPT và L-WPT có những thách thức riêng biệt. M-WPT cho phép truyền khoảng cách xa nhưng phải đối mặt với các vấn đề như mất năng lượng và lo ngại về an toàn. L-WPT hiệu quả và có định hướng nhưng đòi hỏi độ chính xác cao và phải đối mặt với các thách thức về hấp thụ khí quyển và an toàn‍

Phân loại các công nghệ truyền điện không dây

Hiện nay, các công nghệ WPT được phân loại thành bốn loại dựa trên cơ chế của chúng: MC-WPT, truyền năng lượng không dây ghép nối trường điện (EC-WPT), truyền năng lượng không dây vi sóng (M-WPT) và truyền năng lượng không dây laser (L-WPT). Trong đó, MC-WPT và EC-WPT đều là công nghệ trường gần, đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. MC-WPT tương đối hoàn thiện, cung cấp khả năng thích ứng, an toàn và hiệu quả, nhưng bị hạn chế bởi khoảng cách truyền ngắn và chi phí cao hơn. EC WPT, hiệu quả ở phạm vi gần, phù hợp với các hệ thống nhúng nhưng có khoảng cách truyền ngắn hơn và nhạy cảm với môi trường. Các công nghệ trường xa như M-WPT và L-WPT có những thách thức riêng biệt. M-WPT cho phép truyền khoảng cách xa nhưng phải đối mặt với các vấn đề như mất năng lượng và lo ngại về an toàn. L-WPT hiệu quả và có định hướng nhưng đòi hỏi độ chính xác cao và phải đối mặt với các thách thức về hấp thụ khí quyển và an toàn

‍Cơ chế của truyền điện không dây

Không giống như truyền điện có dây, dựa vào dây để truyền điện, công nghệ WPT sử dụng các chất mang năng lượng như từ trường, điện trường, vi sóng và tia laser để truyền điện. Phương pháp này khắc phục nhược điểm của dây như bị rối và các rủi ro an toàn tiềm ẩn, tăng cường tính an toàn, tiện lợi và độ tin cậy.‍

WPT trường gần

WPT trường gần bao gồm hai loại chính: MC-WPT và ECWPT, sử dụng trường từ và trường điện tương ứng làm phương tiện truyền năng lượng. Các công nghệ này đã thu hút được sự chú ý đáng kể gần đây, đặc biệt là độ tin cậy và an toàn được cải thiện trong các ứng dụng WPT tầm ngắn. Đáng chú ý, công nghệ MC-WPT phát triển nổi bật nhờ hiệu suất cao và độ hoàn thiện về mặt công nghệ, dẫn đến việc triển khai rộng rãi và phát triển thành các sản phẩm trong nhiều ứng dụng khác nhau. Là một giải pháp thay thế cho đối tác từ tính, EC-WPT cung cấp cấu trúc ghép nối nhẹ và tính linh hoạt cao, định vị nó là một công nghệ tiềm năng trong các phát triển WPT trong tương lai‍

Ghép nối từ trường

Trong lĩnh vực hệ thống MC-WPT, nghiên cứu thường phân loại công nghệ thành hai loại: truyền năng lượng không dây cảm ứng và ghép nối cộng hưởng từ WPT. Cả hai phương pháp đều sử dụng từ trường làm môi trường truyền năng lượng. Ban đầu, các nghiên cứu MC-WPT không kết hợp mạng bù để nâng cao hiệu suất hệ thống. Truyền năng lượng chỉ dựa vào cảm ứng từ giữa hai cuộn dây, thể hiện rõ trong các ứng dụng ban đầu như sạc không dây cho bàn chải đánh răng điện. Ngày nay, các nghiên cứu hiện đại về MC-WPT tập trung vào việc cải thiện hiệu suất truyền thông qua nhiều mạng bù và cơ chế cộng hưởng, tối ưu hóa các thông số như công suất, hiệu suất và khoảng cách. ‍

WPT trường xa

M-WPT và L-WPT là các công nghệ bức xạ điện từ trường xa và sử dụng sóng điện từ làm chất mang để truyền năng lượng. Tuy nhiên, trong quá trình truyền trong không khí, chúng gặp phải sự tương tác với các phương tiện khác, dẫn đến tổn thất môi trường và dễ bị tán xạ và khúc xạ, dẫn đến tiêu tán năng lượng dọc theo đường truyền. Do đó, M-WPT và L-WPT phải đối mặt với những thách thức về hiệu suất truyền thấp và chủ yếu được sử dụng để truyền tín hiệu. Tuy nhiên, những tiến bộ trong vật liệu và công nghệ đã cho thấy tiềm năng cải thiện hiệu suất truyền dẫn đường dài của chúng. Cả công nghệ M-WPT và L-WPT đều có khả năng truyền năng lượng đến bất kỳ điểm nào trong không gian, thu hút sự quan tâm cho các ứng dụng WPT đường dài.‍

Chi phí

Trong các ứng dụng thực tế, chi phí và lợi ích của hệ thống là những vấn đề không thể tránh khỏi và việc đánh giá chi phí xây dựng ban đầu và chi phí bảo trì sau đó là điều kiện tiên quyết để xác định tính khả thi của dự án truyền điện không dây. Hiện nay, công nghệ WPT đã được thương mại hóa thành công trong các sản phẩm tiêu dùng (như đồng hồ và điện thoại di động) và SCEV, mang lại sự tiện lợi nhưng cũng làm tăng chi phí thiết bị và truyền dẫn. Ngoài ra, xét đến các yếu tố an toàn, hiệu quả và mức công suất thì công nghệ truyền điện không dây  rất khó để cạnh tranh với các hệ thống truêynf có dây. Việc thương mại hóa trên quy mô lớn vẫn đòi hỏi phải lặp lại các thiết bị có khoảng cách băng thông rộng và giảm tương ứng chi phí thành phần. Đối với một số ứng dụng đặc biệt, sự tiện lợi và lợi ích mà công nghệ WPT mang lại vượt xa chi phí xây dựng. Tuy nhiên, công nghệ WPT vẫn đang trong giai đoạn thăm dò và nghiên cứu cho các ứng dụng này, với khoảng cách đáng kể so với việc thương mại hóa.‍

Kết luận

Công nghệ từ trường xa có tiềm năng cho phép truyền điện không dây ở khoảng cách xa, khiến nó đặc biệt phù hợp với các ứng dụng như cấp nguồn hoặc sạc thiết bị ở những vị trí xa xôi, thiết bị IoT và thiết bị điện tử tiêu dùng không có đường ngắm trực tiếp. Tuy nhiên, công nghệ này phải đối mặt với những thách thức đáng kể, bao gồm hiệu suất điện năng thấp hơn ở khoảng cách xa hơn, các mối quan ngại về quy định và an toàn liên quan đến việc truyền các chùm tia công suất cao và sự cần thiết phải nhắm mục tiêu và căn chỉnh chùm tia chính xác để đảm bảo truyền năng lượng hiệu quả. Việc cải thiện hiệu quả của bất kỳ hệ thống WPT từ trường xa nào cũng là một nhiệm vụ khó khăn. Khi những tiến bộ trong các hệ thống WPT từ trường xa tiếp tục mở rộng, thì các ứng dụng tiềm năng của chúng cũng vậy. Tuy nhiên, hiệu suất tổng thể vẫn không phù hợp để phát triển thương mại, với các hệ thống M-WPT và L-WPT chỉ đạt hiệu suất lần lượt khoảng 50% và 20%, gây ra trở ngại lớn. Cộng đồng nghiên cứu và các kỹ sư đang tập trung vào việc nâng cao hiệu quả để triển khai thương mại.