Trong thời đại mọi thứ đều "bỏ dây", từ điện thoại, internet, đến tai nghe, bàn phím... thế nhưng các thiết bị di động như smartphone hay tablet hiện vẫn không thể rời sợi cáp nguồn (cáp sạc pin) dài ngày! Điều này thật khó chấp nhận khi mà kỹ thuật truyền điện không dây đã xuất hiện cách đây hơn một thế kỷ.
Năm 1899 nhà sáng chế người Nam Tư Nikola Tesla đã thực hiện thí nghiệm truyền điện “cách không” thắp sáng các bóng đèn dùng kỹ thuật hiệu ứng điện từ, và đăng ký sáng chế công nghệ này năm 1902. Từ đó đến nay, các nhà khoa học đã phát triển nhiều kỹ thuật truyền điện không dây. Nổi bật nhất có lẽ là kỹ thuật cộng hưởng cảm ứng của nhà khoa học cũng gốc Nam Tư Marin Soljacic cùng nhóm nghiên cứu của Học viện Kỹ thuật MIT (Mỹ) với thí nghiệm thắp sáng bóng đèn 60 W ở khoảng cách 2 m vào tháng 6/2007.
Cảm ứng sinh điện
Điện không dây đang bước từ phòng thí nghiệm ra thị trường. Về cơ bản, đến nay, gần như tất cả hệ thống điện không dây đã và đang được phát triển đều hoạt động dựa trên cùng nguyên lý như hệ thống ban đầu của Tesla – sử dụng hiệu ứng Faraday. Hiệu ứng này như sau: từ trường biến thiên cắt qua một vòng dây dẫn sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng, nếu vòng dây tạo thành mạch kín thì sẽ có dòng điện cảm ứng. Đây chính là nguyên lý hoạt động của các máy biến áp.
Cùng nguyên lý cơ bản nhưng có thể phân các hệ thống điện không dây theo hai loại: cảm ứng điện từ và cộng hưởng cảm ứng.
Kỹ thuật cảm ứng điện từ: xuất hiện đầu tiên trên thị trường là những hệ thống sạc điện không dây, có dạng như miếng lót chuột máy tính gọi là tấm sạc, truyền điện qua khoảng cách chỉ vài cm cho thiết bị đặt trên tấm sạc. Tấm sạc lấy điện trực tiếp từ ổ cắm, dòng điện đi qua cuộn dây (cuộn phát) trong tấm sạc tạo nên trường điện từ lan truyền qua không gian xung quanh, cuộn dây thứ hai (cuộn thu) gắn trong thiết bị (điện thoại di động chẳng hạn) cảm ứng điện trường này sinh ra dòng điện để sạc pin.
Hệ thống này có thể cấp nguồn (và sạc) cho nhiều thiết bị cùng lúc. Tấm sạc có thể thiết kế thông minh chỉ phát điện khi có thiết bị phù hợp đặt lên nó. Từ trường chỉ làm việc với cuộn kim loại, nên người dùng không lo bị "giật" khi đứng giữa tấm sạc và thiết bị. Thật ra từ trường do tấm sạc sinh ra chỉ có tác dụng trong phạm vi hẹp, vì vậy thiết bị muốn tiếp nhận nguồn điện phải đặt thật gần. Về mặt kỹ thuật có thể tăng cường độ dòng điện đi qua cuộn dây phát để tạo ra từ trường mạnh hơn và cho phạm vi tác động rộng hơn, nhưng vì từ trường phát tán mọi hướng nên phần lớn năng lượng sẽ bị thất thoát.
Cộng hưởng cảm ứng: để truyền điện qua khoảng cách xa hơn mà ít tổn thất năng lượng, người ta “chế” thêm tụ điện ở hai cuộn dây phát và thu để tạo thành mạch cộng hưởng. Tần số cộng hưởng được xác định bởi điện dung của tụ điện và điện cảm của cuộn dây. Nhờ cộng hưởng, cuộn thu dễ “bắt nhịp” và khuếch đại sóng từ trường do cuộn phát tạo ra. Một khi đã "bắt nhịp", luồng điện sẽ được truyền từ cuộn phát đến cuộn thu. Một cuộn phát có thể cấp nguồn (điện) cho nhiều cuộn thu (cùng tần số cộng hưởng). Nếu cuộn thu không cùng tần số cộng hưởng, không có việc truyền điện.
Các hệ thống điện không dây dùng kỹ thuật cộng hưởng cảm ứng hiện chưa có trên thị trường nhưng số đơn sáng chế liên quan đến kỹ thuật này đang tăng nhanh, tương lai có thể sẽ đánh bật các hệ thống dùng kỹ thuật cảm ứng điện từ do tính linh động cao hơn.
Về lý thuyết, việc truyền điện không dây có thể thực hiện ở khoảng cách xa hơn và phạm vi ứng dụng rộng hơn. Khi đó, cần kỹ thuật khác với các kỹ thuật cảm ứng ở trên. Như chuyển năng lượng điện thành tia laser, những thí nghiệm gần đây cho thấy có thể dùng kỹ thuật này truyền điện qua khoảng cách hơn 40 m. Có một số dự án thực hiện truyền điện qua khoảng cách hàng nghìn mét, như SHARP (Stationary High Altitude Relay Platform) của Canada, máy bay không người lái trong dự án này bay ở độ cao 21 km và được cấp nguồn (điện) từ mặt đất qua sóng viba.
Có thể một ngày nào đó các lưới điện sẽ biến mất, nhưng trước mắt thì chưa. Các kỹ thuật truyền điện không dây tầm xa chưa đạt được sự chín muồi như kỹ thuật cảm ứng tầm ngắn.
| Những tên tuổi lớn trong sáng chế công nghệ sạc không dây cho thiết bị di động | | Phần khúc sáng chế các kỹ thuật sạc không dây |
 | |
Kỹ thuật cảm ứng chiếm gần phân nửa số đơn sáng chế sạc không dây, tuy nhiên gần đây số đơn sáng chế với kỹ thuật cộng hưởng tăng nhanh hơn. Mỹ có nhiều sáng chế nhất, chiếm 40%, Hàn quốc đứng thứ hai : 29%. |
| Nguồn: Displaybank, Key Patent Analysis of Mobile Wireless Charging Technology, tháng 05/2012 | | Nguồn: Displaybank, tháng 05/2012 |
Thị trường toàn cầu đã bùng nổ các thiết bị di động. Các nhà sản xuất thiết bị di động không ai chịu ai nên cáp sạc "trăm hoa đua nở", gần như mỗi thiết bị phải dùng một cáp sạc riêng. Mớ cáp sạc vướng víu và việc "cắm sạc" cũng phiền toái với nhiều loại chấu cắm và ổ cắm. Những phiền phức này sẽ sớm được giải quyết khi sạc không dây trở thành công nghệ then chốt của các thiết bị di động thế hệ mới. Tháng ba năm nay tổ chức Wireless Power Consortium đã đưa ra chuẩn Qi đảm bảo sự tương thích, cho phép các thiết bị và tấm sạc của các hãng khác nhau làm việc được với nhau. Hiện có hơn 125 công ty tham gia tổ chức này.
Hiện tại trên thị trường có bán các tấm sạc và miếng ốp lưng điện thoại cho phép thực hiện sạc không dây. Các điện thoại mới hơn, như Nokia Lumia 920 (mới ra mắt hồi tháng 9) được tích hợp sẵn bộ sạc không dây theo chuẩn Qi.
Thế giới “không cần cắm” không chỉ có thiết bị di động như điện thoại hay máy tính (laptop hay tablet). Nhiều người muốn mua chiếc xe điện nhưng e ngại về khoảng đường có thể đi được, hay chỗ cắm sạc. Một số công ty như WiTricity và Plugless Power đang phát triển các trạm sạc không dây cho xe điện. WiTricity đã cấp phép công nghệ này cho hãng sản xuất phụ tùng ô tô Delphi; Qualcomm cũng vừa công bố kế hoạch tích hợp bộ sạc không dây cho xe Renault. Qua các đĩa cộng hưởng người lái xe điện có thể đậu xe ở nơi bất kỳ để sạc. Nhưng tương lai chúng ta cũng không cần dừng xe để sạc, đầu năm nay các nhà khoa học tại Đại học Stanford đã giới thiệu hệ thống cho phép sạc xe trong khi chạy.
Cuộc sống thật dễ chịu khi không cần dây nguồn để sạc điện cho các thiết bị di động. Những người mang tim nhân tạo có lẽ đã mong chờ điều này từ lâu, bởi hầu hết người mang tim nhân tạo đều phải nối dây với pin bên ngoài cơ thể, và hơn 40% bị nhiễm trùng từ con đường này.
Tháng 9 vừa qua, giáo sư Ada Poon cùng các cộng sự tại Đại học Stanfod công bố đã tìm ra cách thức truyền điện không dây vào cơ thể người để cấp nguồn cho các bộ phận nhân tạo.
Ở đâu cần nguồn điện, ở đó có chỗ cho ứng dụng truyền điện không dây. Đến lúc nào đó, điện “không dây” có thể sẽ được “phát” khắp nơi như Wi-Fi hiện nay, khi đó các thiết bị có thể thậm chí không cần pin.
Theo Pike Research, năm 2012, thị trường điện không dây khoảng trên 4 tỉ USD, chủ yếu trong cấu trúc hạ tầng và thiết bị di động. Dự báo tương lai điện không dây sẽ phát triển ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tăng mạnh ứng dụng trong các thiết bị di động và công nghiệp, doanh thu dự kiến vượt gấp 3 lần trong 8 năm tới, 15 tỉ USD vào năm 2020 .
Dự báo doanh thu thị trường thiết bị điện không dây
Mỏng, mạnh và xanh hơn
Điện không dây không những tiện lợi mà còn dẫn đến nhiều thay đổi trong thiết kế. Một khi không còn cần phải cắm nguồn (và cũng không cần cổng dữ liệu vì đã có thể kết nối qua Bluetooth hay NFC), thiết bị có thể được “niêm phong” kín bưng để không bị thấm nước và chống bụi.
Khe cắm nguồn, cổng USB và giắc cắm âm thanh có tỷ lệ bị sự cố cao nhất so với bất kỳ thành phần nào khác của điện thoại di động. Loại bỏ các thành phần này, thiết bị sẽ hoạt động ổn định hơn và hình dáng có thể khác đi (như mỏng hơn chẳng hạn).
Nếu không phải lo lắng về việc phải sạc thiết bị sau mỗi 8 tiếng, có thể trang bị cho thiết bị di động các tính năng “ngốn nguồn điện” như bộ xử lý (CPU) nhanh hơn, đồ họa đẹp hơn, màn hình lớn hơn và sáng hơn, và chạy cùng lúc nhiều tác vụ nền. Hoặc có thể sử dụng pin nhỏ hơn, hay thậm chí dùng tụ điện thay cho pin để thiết bị mỏng và nhẹ hơn.
Pin sạc được cho là giúp giảm rác thải điện tử, thế nhưng mỗi năm người dùng lại vứt bỏ hàng tỉ cáp sạc và chỉ riêng bộ sạc điện thoại mỗi năm tạo ra cả trăm ngàn tấn rác. Khi chôn lấp, các bộ sạc này rò rỉ ra đất các chất độc như thủy ngân và chì. Việc lãng phí và gây tác hại môi trường này sẽ được giảm tối đa trong “môi trường không dây”.
Các rào cản về kỹ thuật và lo ngại về việc ảnh hưởng đến sức khỏe đang dần được gỡ bỏ, công nghệ thân thiện với môi trường và sản phẩm đang trên đường ra thị trường, điện không dây hứa hẹn sẽ sớm trở nên phổ biến và thay đổi cuộc sống của chúng ta.
Nguyễn Lê, STINFO Số 1 & 2/2013