Nghiên cứu một số giải pháp khoa học công nghệ thu nhận, biến đổi và truyền năng lượng mặt trời sang tia VIBA về mặt đất

Mô hình tổng quát hệ thống thu năng lượng mặt trời, biến đổi và truyền về Trái đất bằng chùm tia viba công suất cao .... 2 Hình 3: So sánh hai phương pháp khai thác năng lượng mặt trời :

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đặng Văn Nghị

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THU NHẬN, BIẾN ĐỔI

VÀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

SANG TIA VIBA VỀ MẶT ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đặng Văn Nghị

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THU NHẬN, BIẾN ĐỔI

VÀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

SANG TIA VIBA VỀ MẶT ĐẤT

Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU - CHỮ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii

MỞ ĐẦU 1

1 Nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên thế giới 1

2 Doanh thu từ các nguồn năng lượng sạch trên thế giới 3

3 Các phương pháp khai thác năng lượng mặt trời 3

4 Vệ tinh năng lượng mặt trời như là một nguồn năng lượng mới 5

5 An ninh năng lượng 6

6 Nội dung luận văn tập trung giải quyết 7

Chương 1 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG THU, BIẾN ĐỔI, TRUYỀN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở DẠNG TIA VIBA CÔNG SUẤT CAO VỀ TRÁI ĐẤT 9

1.1 Lịch sử phát triển 9

1.2 Mô hình tổng quát hệ thống thu năng lượng mặt trời, biến đổi và truyền về Trái đất bằng chùm tia viba công suất cao 9

1.3 Một số ưu nhược điểm của hệ thống vệ tinh năng lượng mặt trời so với hệ thống thu năng lượng mặt trời có trên mặt đất 10

1.4 Các thành tựu đạt được trên thế giới 12

1.4.1 Một số dự án của Mỹ 12

1.4.2 Một số dự án của Nhật Bản 14

1.4.3 Một số dự án của Châu Âu 17

1.4.4 Một số mảng ăng ten mặt đất thử nghiệm lớn nhất trên thế giới 18

1.5 Các khó khăn, thách thức và hướng phát triển 18

1.5.1 Các khó khăn, thách thức lớn cần vượt qua 18

1.5.2 Hướng phát triển 19

1.6 Một số nghiên cứu triển khai tại Việt Nam trong lĩnh vực này 21

Chương 2 - NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THU, BIẾN ĐỔI, TRUYỀN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở DẠNG TIA VIBA CÔNG SUẤT CAO VỀ TRÁI ĐẤT 23

2.1 Giải pháp KHCN về mô hình hệ thống truyền dẫn 23

2.2 Giải pháp KHCN về lựa chọn tần số để phát chùm tia năng lượng vi ba 26 2.3 Quỹ đạo của vệ tinh năng lượng mặt trời 26

2.4 Giải pháp KHCN mô hình khái quát về cấu tạo một hệ vệ tinh năng lượng mặt trời đặc trưng 27

2.4.1 Hệ thống thu, biến đổi năng lượng mặt trời sang điện một chiều 28

2.4.2 Ma trận linh kiện viba biến đổi năng lượng điện một chiều thành chùm tia viba công suất cao 29

2.2.3 Ma trận ăng ten phát chùm năng lượng viba công suất cao 35

2.5 Giải pháp KHCN về hệ thống thu năng lượng viba trên mặt đất 39

2.5.1 Ma trận ăng ten mặt đất 39

2.5.2 Kết nối hệ thống truyền tải điện quốc gia 42

Chương 3 - MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VIBA CÔNG SUẤT CAO TỪ VỆ TINH ĐỊA TĨNH 43

3.1 Môi trường không gian truyền năng lượng từ vũ trụ về mặt đất 43

3.1.1 Một số đặc điểm Không gian vũ trụ 43

3.1.2 Một số đặc điểm bầu khí quyển bao quanh Trái Đất 44

3.2 Một số ảnh hưởng chính của không gian truyền năng lượng tới hiệu suất truyền 46

3.2.1 Ảnh hưởng của Không gian vũ trụ 46

3.2.2 Ảnh hưởng của Tầng điện li 47

3.3 Hiệu suất truyền năng lượng trong mỗi công đoạn của hệ thống truyền dẫn năng lượng tia viba 47

Chương 4 – MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ BÀI TOÁN TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THU, BIẾN ĐỔI, TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VIBA TỪ VŨ TRỤ VỀ TRÁI ĐẤT 48

4.1 Khái quát bài toán và một số điều kiện giả thiết 48

4.2 Các loại suy hao tín hiệu 58

4.3 Công suất thu tại trạm mặt đất 59

4.4 Xây dựng mô hình giả định và triển khai mô phỏng động quá trình thu, biến đổi và truyền năng lượng mặt trời từ Vũ trụ về Trái đất 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn “Nghiên cứu một số giải pháp khoa học công nghệ thu nhận, biến đổi và truyền năng lượng mặt trời sang tia viba về mặt đất” là công trình nghiên cứu riêng của tôi Các số liệu trong luận văn được sử

dụng trung thực Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chân trọng cảm ơn các Thầy Cô Trường Đại học Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt tình truyền đạt cho tôi kiến thức trong suốt

những năm học tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Đào Khắc An đã tận tình hướng

dẫn tôi hoàn thành luận văn này./

Hà Nội, ngày 14 tháng 01 năm 2010

Tác giả luận văn

Đặng Văn Nghị

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU - CHỮ VIẾT TẮT

SPS Solar Power Satellite Vệ tinh năng lượng mặt trời

TWT Travelling Wave Tube Ống sóng chạy viba TWT

Magnetron Magnetron Ống chân không viba Magnetron Rectenna Rectifying circuit and

antenna

Ma trận ăng ten mặt đất

GEO Geostationary Orbit Quỹ đạo địa tĩnh

MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo trung bình

NASA National Aeronautics and

Hiệp hội quốc tế khoa học vô tuyến

NASDA National Space Development

Agency of Japan

Cơ quan phát triển không gian quốc gia Nhật Bản

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Các tham số điển hình của một số vệ tinh SPS của một số dự án 16

Bảng 2: Các đặc tính của các bộ truyền nhận vô tuyến bán dẫn trong các ứng dụng không gian 25

Bảng 3: Các đặc tính của một số ống điện tử điển hình 30

Bảng 4: Các tham số điển hình của ăng ten phát trên SPS trong một số dự án 37 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình1: Sự biến đổi về tỷ lệ phần trăm tiêu thụ một số dạng năng lượng trên thế giới tính theo đơn vị Mtoe năm 1973 và 2006 (a), và dự đoán xu thế tiêu thụ năng lượng dầu mỏ trên toàn thế giới và một số nước phát triển trong một số châu lục thế giới(b) 1

Hình 2: Tỷ trọng các nguyên liệu sản xuất điện năng trên thế giới năm 1971 và 2006 2

Hình 3: So sánh hai phương pháp khai thác năng lượng mặt trời : Sử dụng năng luợng mặt trời trên mặt đất biến đổi qua pin mặt trời sang năng lượng điện (a) và sử dụng vệ tinh năng lượng thu biến đổi truyền bằng tia viba về Trái đất (b) 3

Hình 4: Mô hình SPS dùng chùm tia Vi ba với anten trên vũ trụ và anten trên mặt đất (a), mô hình vệ tinh năng lượng mặt trời thu biến đổi truyền về Trái đất bằng tia laser (dự án của Nhật Bản, b) 6

Hình 5: Mô hình SPS dự án Sun Tower 12

Hình 6: Mô hình SPS dự án JSC 13

Hình 7: Mô hình SPS dự án Solar Disc 13

Hình 8: Trạm khai thác năng lượng mặt trời từ vũ trụ dự định triển khai ở New Mexico Mỹ vào tháng 10-2010 14

Hình 9: Mô hình SPS 2001, 2002, 2003 của Jaxa 15

Hình 10: Mô hình SPS dự án USEF 15

Hình 11: Mô hình SPS dự án Sail Tower 17

Hình 12: Thử nghiệm đất đối đất tại Goldstone năm 1975 (a), thử nghiệm đất đối đất tại Nhật Bản năm 1994-1995 (b), thử nghiệm năm 1995 (c), thử nghiệm tại đại học Kyoto Nhật Bản (d), thử nghiệm tại đại học La Reunion Pháp) 18

Hình 13: Kế hoạch phát triển năng lượng điện từ SPS của công ty Boeing Mỹ 19

Hình 14: Kịch bản cơ hội đầu tư phát triển nền công nghiệp các hệ thống năng lượng mặt trời ngoài không gian 20

Hình 15: Kế hoạch phát triển năng lượng điện từ SPS của Nhật Bản 21

Hình 16: Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng sóng viba 23

Hình 17: Hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng vi ba sử dụng ống điện tử 25 Hình 18: Hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng viba sử dụng bán dẫn 25 Hình 19: Nhiễu của linh kiện Vi ba Magnetron khi hoạt động ở chế độ bình

thường (conventional operation) và chế độ hoạt động không đốt

(filament-off operation) Một số tần số Vi ba tại 2,45 GHz, 5,8

GHz, gần 7,2 GHz và 9,8 GHz có nhiễu thấp có thể chọn là để

truyền năng lượng về Trái đất 26 Hình 20: Mô hình cấu tạo của một hệ SPS từ Vũ trụ đến mặt đất có công

suất thiết kế cỡ 1,2 GW 28 Hình 21: Sơ đồ ba bộ phận cấu tạo chính của vệ tinh SPS bao gồm ma trận

Pin mặt trời (PV), ma trận linh kiện Vi ba và ma trận anten phát 29 Hình 22: Mô tả tương quan công suất trung bình và tần số của các thiết bị

phát viba dạng ống chân không và bán dẫn 30 Hình 23: Hệ thống truyền dẫn vô tuyến năng lượng 2.45GHz dùng

Magnetron 31 Hình 24: Hệ thống truyền dẫn vô tuyến năng lượng 5.8 GHz dùng

Magnetron 31 Hình 25: Cấu tạo ống sóng chạy TWT hoạt động tại dải tần 300MHz-

50GHz 32 Hình 26: Linh kiện Magnetron (a) và sơ đồ cấu tạo (b) 34 Hình 27: Một ma trận ang ten lưỡng cực dùng trion thực nghiệm (a), Mô

hình ma trận ăng ten liên kết pha (b) và mô hình ăng ten phát

cùng robot bảo trì trên vệ tinh SPS có hàng vạn phần tử (c) 36 Hình 28: Sự tương tác qua lại giữa các thành phần anten trong ma trận tạo

nên sự giao thoa (các khoảng tối, sáng a), và phần lớn năng lượng tập trung bên trong trung tâm của ăng ten b,c 38 Hình 29: Mô hình rectenna và sơ đồ mạch chỉnh lưu 39 Hình 30: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng tại rectenna điển hình 40 Hình 31: Không gian truyền năng lượng của vệ tinh SPS cùng một số hiệu

ứng và ảnh hưởng tới quá trình truyền năng lượng không dây 43 Hình 32: Mục tiêu hiệu suất đạt được trong từng công đoạn của hệ thống

SPS mà các dự án trên thế giới đang hướng tới 47 Hình 33: Sóng phẳng truyền theo chiều âm dương của trục z 51 Hình 34: Mô hình gần đúng về một chùm tia vi ba truyền từ một anten của

vệ tinh SPS phát về rectenna trên mặt đất với giả thiết chùm tia vi

ba có dạng gần như hình trụ với môi trường là chân không

plasma, có chiết suất, nhiệt độ, và một số thông số khác 54

Hình 35: Sơ đồ thuật toán tổng quát và mô hình toàn cảnh hệ thống truyền

năng lượng viba từ vũ trụ về Trái đất 62 Hình 36: Sơ đồ thuật toán tổng quát và mô hình truyền năng lượng sóng viba

từ vũ trụ về Trái đất 63 Hình 37: Sơ đồ thuật toán tổng quát và mô hình hệ thống truyền năng lượng

từ SPS tới rectenna và kết nối tới hệ thống truyền tải điện 65

MỞ ĐẦU

1 Nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên thế giới

Năng lượng có vai trò sống còn cho mọi hoạt động của con người Đến nay con người đã, đang sử dụng một số dạng năng lượng chính: Năng lượng than đá, năng lượng dầu mỏ và khí tự nhiên, năng lượng hạt nhân và nguồn năng lượng sạch bao gồm năng lượng nhiên liệu sinh học (biofuel), năng lượng gió (wind

energy), pin nhiên liệu (fuel cell) và năng lượng mặt trời (solar energy)

(a)

(b)

Hình1: Sự biến đổi về tỷ lệ phần trăm tiêu thụ một số dạng năng lượng trên thế giới tính theo đơn vị Mtoe năm 1973 và 2006 (a), và dự đoán xu thế tiêu thụ năng lượng dầu mỏ trên toàn thế giới và một số nước phát triển trong một số

châu lục thế giới(b) [22]

Theo thống kê của Cơ quan năng lượng Quốc tế (International Energy Agency -IEA) tổng năng lượng sử dụng trong năm 2006 là 8.084 Mtoe ( toe là

đơn vị năng lượng tương đương với đốt cháy một tấn dầu thô, 1 toe = 42 GJ, khi chuyển sang năng lượng điện thì hiệu suất chỉ thu được 38 % từ nguồn năng lượng này), trong đó tỷ lệ phần trăm các dạng năng lượng được sử dụng trên thế giới là: năng lượng than đá là 8,6%, năng lượng dầu mỏ là 43,1%, khí Gas là 15,3%, điện năng là 16,7%, chất đốt từ các nhiên liệu ví dụ như củi là 12,9% Các nguồn năng lượng sạch cũng đang được quan tâm khai thác như năng lượng mặt trời (solar energy), năng lượng gió (wind energy), nhiên liệu sinh học (biofuel), pin nhiên liệu (fuel cell) Tuy nhiên, đến nay tỷ lệ phần trăm sử dụng các nguồn năng lượng sạch rất thấp, mới chỉ chiếm 3,4% Hình 1 biểu thị sự tiêu thụ năng lượng trên thế giới trong hai năm 1973 và năm 2006 và cũng như xu hướng tiêu thụ năng lượng dầu mỏ trên thế giới

(a)

(b)

Hình 2: Tỷ trọng các nguyên liệu sản xuất điện năng trên thế giới năm 1971 và 2006 [22]

Việc sản xuất điện năng từ các nguồn năng lượng sạch chiếm tỷ trọng rất thấp 2,3%, trong khi từ các nguồn nhiên liệu khác như khí Gas là 20,1%; dầu mỏ

là 5,8%; điện nguyên tử là 14,8%; khí hydro là 16%; than đá là 41%

2 Doanh thu từ các nguồn năng lượng sạch trên thế giới

Trong khi xu thế sử dụng năng lượng dầu mỏ ngày càng giảm thì theo thống kê về doanh thu một số nguồn năng lượng trong năm 2005 và dự kiến vào năm 2015 trên thế giới như sau: nhiên liệu sinh học doanh thu năm 2005 đạt 15,7 tỷ USD sẽ tăng lên 52,5 tỷ vào năm 2015; năng lượng gió doanh thu năm

2005 đạt 11,8 tỷ USD sẽ tăng lên 48,5 tỷ vào năm 2015; năng lượng mặt trời doanh thu năm 2005 đạt 11,2 tỷ USD sẽ tăng lên 51,1 tỷ vào năm 2015; và pin nhiên liệu doanh thu năm 2005 đạt 1,2 tỷ USD sẽ tăng lên 15,1 tỷ vào năm

2015 Như vậy các nguồn năng lượng trên tăng khoảng hơn 3 lần đến trên 10 lần

3 Các phương pháp khai thác năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời phát ra gần như vô tận, khoảng trên 4 tỷ năm nữa mới

có thể suy hao Năng lượng mặt trời phát ra rồi truyền xuống Trái đất khoảng

174 petawatts (PW) Có khoảng 30% số năng lượng bức xạ phản xạ trở lại vào

vũ trụ, trong đó có một phần nhỏ bị hấp thụ bởi các đám mây, đại dượng và các lục địa đất [16,40,41,42] Sử dụng năng lượng mặt trời biến sang dạng điện năng hiện có hai phương pháp tiếp cận chính

Hình 3: So sánh hai phương pháp khai thác năng lượng mặt trời : Sử dụng năng luợng mặt trời trên mặt đất biến đổi qua pin mặt trời sang năng lượng điện (a) và sử dụng vệ tinh năng

lượng thu biến đổi truyền bằng tia viba về Trái đất (b)[42]

- Phương pháp thu biến đổi năng lượng mặt trời sang dạng điện ngay trên mặt đất

Phương pháp này dùng hệ thống pin mặt trời (solar cell) biến đổi sang năng lượng điện hoặc biến đổi năng lượng mặt trời sang dạng lượng trung gian (sang năng lượng nhiệt làm bay hơi nước làm quay turbin) rồi biến đổi tiếp sang năng lượng điện Phương pháp này chủ yếu dùng công nghệ truyền thống, ngoài công nghệ cao chế tạo vật liệu mới để nhằm tăng hiệu suất của pin và hạ giá thành PV thì không cần đến nhiều loại công nghệ cao khác, chi phí ít tốn kém Tuy nhiên có nhược điểm là năng lượng mặt trời trên mặt đất thay đổi theo ngày đêm, theo mùa và rất phụ thuộc vào vị trí bề mặt Trái đất, mặt khác các thiết bị trên mặt đất thường xuyên cần bảo dưỡng, năng lượng phát ra không

liên tục, cần phải lưu trữ vào ác quy, hiệu ứng bơm truyền tải đến nơi xa rất hạn

chế Các vật liệu chính dùng trong chế tạo Pin mặt trời cho đến nay có 6 loại chính: silic đơn tinh thể (hiệu suất có thể đạt đến 25%, giá 3,97 USD/Watt đỉnh), Silic đa tinh thể (ở dạng ribbon, hiệu suất đạt 10-14%, giá thành 3,92 USD/Watt đỉnh), vật liệu GaAs (hiệu suất 25-30%, dùng nhiều trong vũ trụ, giá thành rất đắt); và các vật liệu màng mỏng: màng mỏng vô định hình Si-a-Si (có hiệu suất 7% thường nhanh bị già hóa, giá thành 7 USD/Watt đỉnh), màng CdTe (cho hiệu suất trên 7%, dễ sản xuất, hấp thụ khoảng 90% phổ mặt trời) và vật liệu CuInSe2-CIS (hiệu suất cao cỡ 17%, hấp thụ 90% phổ mặt trời) Các vật liệu mới cho Pin mặt trời hiện nay đang được nghiên cứu mạnh, đó là các vật liệu màng mỏng InN, In1-xGaxN, In1-xAlxN, PZT, ITO/pp+Si, IFO/nn+Si, SnO2, màng Polymer pha oxit kim loại, sử dụng vật liệu Si tự nhiên (Raw Silicon, grade Si) nhằm giảm giá thành

- Phương pháp thu năng lượng mặt trời từ vũ trụ, biến đổi sang dạng chùm tia vi ba hay chùm tia laser truyền về Trái đất, sau đó biến đổi lại thành năng lượng điện truyền đến nơi sử dụng

Phương pháp này dùng vệ tinh năng lượng mặt trời để thu biến đổi rồi

truyền về Trái đất, ăng ten chỉnh lưu biến đổi lại thành điện năng (DC, AC) rồi đưa đến nơi sử dụng Phương pháp tiếp cận này có nhiều có ưu điểm nổi trội như năng lượng mặt trời trong vũ trụ có cường độ cao khoảng gấp 8 lần cường

độ trên mặt đất, thiết bị SPS trên vũ trụ hầu như không cần bảo trì bảo dưỡng Ngoài vũ trụ, trên quỹ đạo GEO năng lượng mặt trời hầu như có quanh năm, có

hiệu ứng bơm gần như liên tục khi đưa xuống mặt đất chuyển đổi thành điện một

chiều hoặc xoay chiều để dẫn đi đến nơi xa để tiêu thụ Hệ thống SPS yêu cầu diện tích nhỏ hơn khoảng 1/5 lần so với hệ thống thu năng lượng mặt trời trên mặt đất Một tấm panel PV hoạt động thường xuyên ở Mỹ sẽ cho trung bình từ

19 đến 56 W/m² Còn một rectenna của SPS có thể cho liên tục 230W/m2, vì vậy kích thước của rectenna yêu cầu để thu 1W chỉ bằng từ 8,2 % đến 24 % của kích thước của PV trên mặt đất Một hệ thống SPS có thể cấp năng lượng cho bất cứ một khu vực nào trên mặt đất, cả vùng sâu vùng xa, các trạm quân sự trên các đảo xa chỉ cần hướng anten phát năng lượng về vị trí mong muốn và đặt anten thu nơi mong muốn Tuy nhiên, phương pháp này cần đến nhiều giải pháp khoa học công nghệ cao tổ hợp lại đan xen vào nhau, cần chi phí lớn để phóng

vệ tinh SPS lên quỹ đạo, chi phí ban đầu đắt tiền Hiện nay giá thành phóng tên lửa đưa vệ tinh SPS lên quỹ đạo khá lớn, vệ tinh càng nặng thì càng đắt Giá phóng hiện nay lên quỹ đạo LEO cỡ từ 6.600 – 11.000 USD/kg tùy từng hãng Theo ước tính trong tương lai giá thành vào khoảng 400-500 USD/kg để đưa lên quỹ đạo LEO là có thể chấp nhận được [1,2,17,29,40,41]

4 Vệ tinh năng lượng mặt trời như là một nguồn năng lượng mới

Vệ tinh năng lượng mặt trời là một hệ thống các thiết bị thu năng lượng mặt trời, biến đổi thành điện năng và phát về Trái đất dưới dạng chùm tia viba hay laser với công suất rất cao Tại mặt đất sẽ thu chùm năng lượng viba hay laser công suất cao này bằng hệ thống các ăng ten chỉnh lưu và đưa đến nơi sử dụng Nguồn năng lượng viba, laser trên sẽ chịu sự suy hao lớn khi truyền từ vũ trụ về Trái đất

(a)

(b)

Hình 4: Mô hình SPS dùng chùm tia Vi ba với anten trên vũ trụ và anten trên mặt đất (a)[37], mô hình vệ tinh năng lượng mặt trời thu biến đổi truyền về

Trái đất bằng tia laser (dự án của Nhật Bản, b) [24]

Mặc dù có những khó khăn nhất định về công nghệ, khoa học kỹ thuật Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế và giải pháp dài hạn về an ninh năng lượng, môi trường thì việc sử dụng SPS như một nhà máy phát điện trong không gian sẽ là một trong những lựa chọn tốt Theo các số liệu thiết kế hiện nay thì một Vệ tinh SPS

có thể tạo ra 8,75 TeraWatt-Giờ (TW.h) điện năng trên một năm hoặc 175 TW.h sau chu kì thời gian sống, ví dụ là 12 năm Theo giá điện năm 2006 là 0,22 USD/KW.h (giá ở Anh ) thì một SPS có thể truyền năng lượng về vị trí đặt rectenna trên mặt đất là 1,93 tỷ USD một năm hay cho 38,6 tỷ USD trong khoảng thời gian sống của vệ tinh SPS Còn một SPS nhỏ kinh tế hơn cung cấp

4 GW thì có thể cho 154 triệu USD trong thời gian sống của nó Còn nếu giá điện là 5 cent như ở Bắc Mỹ hiện nay thì một SPS cho 5 GW vào mạng ở mặt đất trong vòng 20 năm thì sẽ cho số tiền là 43,3 tỷ USD [17,30,40,41]

5 An ninh năng lượng

Thế giới đang khai thác mạnh các nguồn năng lượng phục vụ cho đời sống sinh hoạt, sản xuất của con người như năng lượng than đá, năng lượng dầu mỏ, khí Gas Tuy nhiên, các dạng năng lượng trên đều có hạn, có khả năng cạn kiệt trong 50 năm tới, không đảm bảo vấn đề an ninh năng lượng

Mặt khác một số dạng năng lượng như than đá, dầu mỏ, điện nguyên tử, khí Gas lại có những hạn chế đáng kể như hiệu suất rất thấp, tính an toàn chưa cao (như năng lượng hạt nhân), giá thành cao, hoặc gây ra ô nhiễm môi trường do khí thải Chính vì thể các nguồn năng lượng sạch đang rất được quan tâm khai

thác như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, nhiên liệu sinh học, pin nhiên liệu Tuy nhiên, đến nay trên thế giới tỷ lệ phần trăm sử dụng các nguồn năng lượng sạch rất thấp, mới chỉ chiếm 3,4% [22]

Tại Việt Nam, năm 2006 tổng tiêu thụ điện năng vào khoảng 51 tỷ KWh, trong khi đó sản lượng sản suất điện trong nước là 21,8 tỷ KWh và phải nhập khẩu là 28,4 tỷ KWh, chủ yếu là từ Trung Quốc Việc khai thác năng lượng sạch

từ pin mặt trời, năng lượng gió, bioga rất thấp, ví dụ: năng lượng từ pin mặt trời

là 3 MW/năm Việt Nam thường xuyên bị thiếu điện, phải cắt điện luân phiên vào những tháng cuối mùa khô khi lượng nước từ đầu nguồn về các hồ thủy điện như thủy điện Hòa Bình bị hạn chế [1,2]

Do vậy, các nhà khoa học trên thế giới cho rằng trong tương lai vấn đề an ninh năng lượng còn khó khăn hơn cả vấn đề an ninh lương thực Việc sử dụng

Vệ tinh năng lượng mặt trời có thể giải quyết được vấn đề an ninh năng lượng trên toàn thế giới và đồng thời giải quyết được các vấn đề về khí thải gây ô nhiễm, an ninh an toàn hạt nhân, giá thành Năng lượng mặt trời trong không gian lớn gấp hàng tỷ lần năng lượng mà chúng ta đang sử dụng hàng ngày, thời gian sống của mặt trời vào khoảng 4-5 tỷ năm và việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ là một giải pháp an ninh năng lượng dài hạn [1,2,29]

Như vậy, có thể nhận định cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ,

sự đầu tư của các nước, hệ thống vệ tinh năng lượng mặt trời thu năng lượng trên vũ trụ sẽ được sử dụng rộng rãi sau vài thập kỷ tới và đây sẽ là nguồn năng lượng mới đảm bảo vấn đề an ninh năng lượng cũng như an ninh môi trường cho nhân loại Cụ thể, tháng 9/2009 Nhật Bản đã quyết định xây dựng một hệ thống

vệ tinh năng lượng mặt trời tại quỹ đạo GEO với công suất 1 GW (tương đương một lò phản ứng hạt nhân) và dự định đưa vào sử dụng vào năm 2030 Dự án ước tính giá điện sẽ rất cạnh tranh, 0,06 euro cho 1kw/h, tức thấp hơn giá hiện nay khoảng 10 lần [6,7] Mỹ (Xenotech Research) cũng dự định triển khai xây dựng một nhà máy điện năng lượng mặt trời trên vũ trụ vào tháng 10/2010 [14]

6 Nội dung luận văn tập trung giải quyết

Sau khi thu thập tài liệu, chủ yếu là tài liệu nước ngoài, tác giả Luận văn đã tập trung vào phân tích mô hình cơ bản của một Vệ tinh năng lượng mặt trời SPS, vấn đề an ninh năng lượng, đồng thời nghiên cứu một số giải pháp Khoa học Công nghệ (KHCN) đối với mô tình tổng quát của hệ thống vệ tinh năng lượng mặt trời, cụ thể:

- Truyền dẫn năng lượng viba trong hệ SPS

- Mô hình khái quát về cấu tạo một hệ vệ tinh SPS đặng trưng

- Giải pháp KHCN cho hệ thống thu, biến đổi năng lượng mặt trời sang điện một chiều

- Giải pháp KHCN cho ma trận linh kiện viba biến đổi năng lượng điện một chiều thành chùm tia viba công suất cao

- Giải pháp KHCN cho ma trận ăng ten phát và ma trận ăng ten trạm mặt đất Một số dự án vệ tinh năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu và triển khai tại Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu cũng được tóm tắt trong Luận văn Luận văn cũng phân tích những ưu, nhược điểm; khó khăn, thách thức; xu hướng phát triển của việc ứng dụng năng lượng mặt trời từ hệ SPS

Đồng thời trong Luận văn còn đề cập tới bài toán truyền năng lượng viba công suất cao từ vũ trụ về Trái đất có tính tới các yếu tố gây ra suy hao như truyền qua môi trường chân không, môi trường plasma, môi trường có gió mặt trời, các ion, nhiệt độ, áp suất, chiết suất thay đổi Trong phạm vi của Luận văn, bài toán được đưa ra xem xét có tính chất gợi mở, chưa được giải một cách triệt

để, đây là vấn đề mà thế giới cũng đang nghiên cứu tích cực để có lời giải tường minh

Kết cấu của Luận văn gồm 6 phần

- Chương 3 - Một số vấn đề về môi trường truyền năng lượng viba công suất cao từ vệ tinh địa tĩnh

- Chương 4 - Khái quát bài toán, hệ phương trình truyền năng lượng và

mô phỏng hệ thống thu, biến đổi, truyền năng lượng viba từ vũ trụ về Trái đất

- Kết luận

Chương 1 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG THU, BIẾN ĐỔI, TRUYỀN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở DẠNG TIA VIBA CÔNG SUẤT CAO VỀ TRÁI ĐẤT

1.1 Lịch sử phát triển

Khởi đầu vào năm 1964 William C Brown đã trình diễn một máy bay trực thăng mô hình được cung cấp điện bằng sóng viba và sau đó từ năm 1969-1973 Bill Brown trong chương trình JPL Raytheon đã phóng truyền một công suất với

30 KW ở dạng tia vi ba qua khoảng cách 1,7 km với hiệu suất đạt 84% Kết quả thực nghiệm hiện nay khá khả quan, năm 1975 người ta đã truyền vài chuc KW tại Goldstone ở Califonia và đến năm 1997 đã truyền với công suất lớn hơn nhiều tại Grand Bassin trên đảo Reunion Island [1]

Khái niệm về SPS được đưa ra năm 1968, vì ban đầu chưa có các giải pháp đưa năng lượng về Trái đất nên được cho là phi thực tế, nó không được phát triển Đến năm 1973 Peter Glaser đã đưa ra patent số 3.781.647 và các nghiên cứu khác sau này đã đưa ra kết luận về truyền năng lượng qua một khoảng cách dài từ SPS đến bề mặt Trái đất sử dụng bức xạ vi ba 2.45GHz (hoặc 5.8GHz) từ một anten rất lớn (cỡ 1 km2

) trên SPS trong vũ trụ đến một anten có hình ellipe

lớn hơn nhiều trên mặt đất (gọi là rectenna), đường kính cỡ 10km, với mật độ sóng vi ba mong muốn đạt được là (23mW/cm²), các anten của hệ thống kể trên

có thể truyền một công suất từ 5 đến 10 GW Xu thế khác muốn truyền bằng tia laser có bước sóng ngắn hơn nhiều, và có một số ưu điểm đáng kể, song bức xạ laser lại bị suy hao nhiều khi truyền qua mây và trời mưa [3,4]

Tuy nhiên giá thành của loại năng lượng này dự tính sẽ rất cao so với các nguồn năng lượng khác, nhất là phải gánh cả chi phí phóng vệ tinh lên quỹ đạo bởi tên lửa đẩy Để giảm chi phí phóng vệ tinh và giảm giá thành cũng như giảm khoảng cách truyền và giảm suy hao do truyền xa từ GEO, người ta còn nghĩ đến việc truyền năng lượng từ MEO và LEO Từ năm 1978 - 1981 nhiều hội nghị khoa học công nghệ đã được tổ chức, nhiều công ty tham gia vào các dự án của NASA và NASA đã đầu tư nhiều tỷ USD Năm 2007 Bộ quốc phòng Mỹ đã thực sự quan tâm đến vệ tinh năng lượng mặt trời và sau đó có rất nhiều dự án

đã được thực hiện và thu được nhiều tiến bộ, thành quả tốt

1.2 Mô hình tổng quát hệ thống thu năng lượng mặt trời, biến đổi và truyền về Trái đất bằng chùm tia viba công suất cao

Cấu thành của hệ này gồm ba phần chính, mỗi phần lại cần có các giải pháp khoa học công nghệ cao liên ngành mới có thể giải quyết được các mục tiêu đề

ra, cụ thể:

Vệ tinh năng lượng mặt trời quay trên quỹ đạo gồm một số khối thiết bị chính

- Khối thiết bị thu năng lượng mặt trời, thường bao gồm hệ thống gương để

hội tụ năng lượng mặt trời vào các pannel pin mặt trời có thệ thống cơ khí điều chỉnh để các pannel PV luôn hướng về phía mặt trời

- Khối biến đổi thành năng lượng điện sau Pin mặt trời thành tia vi ba có công suất cao Tại đây năng lượng điện cần phải khuếch đại lên tới giá trị dòng thế hiệu thích hợp ở dạng DC, hoặc AC để cung cấp cho các linh kiện vi ba để phát chùm tia có công suất cao

- Hệ thống anten phát bức xạ vi ba đặt trên vệ tinh hướng xuống đất, nơi

có hệ thống anten thu Hệ thống anten phát thường là ma trận tạo nên bởi các anten hai cực có liên kết pha, tín hiệu phát ra từ ma trận anten tạo nên một cấu hình phân bố năng lượng xác định có tương tác qua lại với nhau

Không gian truyền dẫn năng lượng không dây

Từ vệ tinh SPS đến Trái đất bao gồm không gian vũ trụ ở ngoài tầng khí quyển (có nhiệt độ áp suất thấp, có các tia vũ trụ…) và không gian của bầu khí quyển Trái đất Cần lưu ý ở đây là quá trình truyền năng lượng không dây qua một khoảng không gian từ vũ trụ về mặt đất có các đặc tính hóa lý không đồng nhất Bài toán này rất khó khăn, hiện chưa được giải quyết có hiệu quả xét cả

về mặt lý thuyết và thực nghiệm Để giảm khoảng cách truyền năng lượng và để giảm suy hao do truyền xa từ GEO, người ta còn nghĩ đến việc truyền năng lượng từ MEO và LEO

Hệ thống thiết bị thu biến đổi truyền dẫn năng lượng trên mặt đất

Bao gồm một hệ thống rectenna có kích thước lớn hơn nhiều hệ thống anten trên vũ trụ, vì năng lượng phát ra từ quỹ đạo GEO thường có dạng hình nón, nên ở mặt đất cần có rectenna có kích thước thích hợp mới thu nhận được hết năng lượng Kích thước của rectenna có thể tính được khi biết kích thước của anten phát, phoảng cách truyền năng lượng không dây và một số điều kiện môi trường Sau

đây chúng ta xét chi tiết hơn một số bộ phận chính trong hệ SPS

1.3 Một số ưu nhược điểm của hệ thống vệ tinh năng lượng mặt trời so với hệ thống thu năng lượng mặt trời có trên mặt đất

- Tại quỹ đạo GEO, SPS có thể được chiếu sáng tới 99% thời gian (không

bị che khuất bởi ban đêm) chỉ bị che khuất vài ngày vào mùa Xuân và mùa Thu Trong khi hệ thống PV trên mặt đất chỉ thu được khoảng 1/3 năng lượng mặt trời do có chu kỳ ngày đêm hoặc do rất ít ánh nắng đạt đến PV khi sáng hoàng hôn hay khi thời tiết xấu (mưa, mây mù)

- Một SPS có thể cấp năng lượng liên tục trong khi đó một hệ PV trên mặt đất lại yêu cầu bộ tích trữ năng lượng (acquy) để cung cấp năng luợng vào ban đêm

- Hệ thống PV trên mặt đất yêu cầu phải thường xuyên bảo dưỡng, trong khi đó SPS khi đã phóng lên quỹ đạo thì không cần bảo dưỡng nhiều

- Hệ thống SPS yêu cầu diện tích nhỏ hơn khoảng 1/5 lần so với hệ thống thu năng lượng mặt trời trên mặt đất

- Hệ thống rectenna của SPS nhỏ so với các tấm pin mặt trời cho công suất tương ứng, hoặc nói cách khác khi cùng diện tích thì rectenna thu được nhiều năng lượng hơn so với PV Một tấm panel PV hoạt động thường xuyên ở Mỹ sẽ cho trung bình từ 19 đến 56 W/m² Còn một rectenna của SPS có thể cho liên tục 230W/m2, vì vậy kích thước của rectenna yêu cầu để thu 1W chỉ bằng từ 8,2 % đến 24 % của kích thước của PV trên mặt đất [1,2]

- Hệ thống rectenna có thể làm bằng vật liệu trong suốt, thường để trên cao vài mét so với mặt đất, diện tích phía dưới vẫn có thể sử dụng vào mục đích khác

- Một hệ thống SPS có thể cấp năng lượng cho bất cứ một khu vực nào trên mặt đất, cả vùng sâu vùng xa, chỉ cần hướng anten phát về vị trí mong muốn và đặt anten thu nơi mong muốn

USD trong thời gian sống của nó Còn nếu giá điện là 5 cent như ở Bắc Mỹ hiện nay thì một SPS cho 5 GW vào mạng ở mặt đất trong vòng 20 năm thì sẽ cho số tiền là 43,3 tỷ USD [1,2]

- Hệ thống PV trên mặt đất rẻ hơn đáng kể về phương diện lắp đặt

- Hệ thống PV trên mặt đất không đòi hỏi phát triển công nghệ mới Trong khi đó để đưa được SPS có trọng lượng hàng trăm tấn, kích thước hàng chục

km2 lên quỹ đạo và duy trì hoạt động của hệ thống cần phải phát triển các công nghệ mới

1.4 Các thành tựu đạt được trên thế giới

Khái niệm vệ tinh năng lượng mặt trời (SPS) từ khi bắt đầu được đưa ra năm 1968 đã được các nhà khoa học, các trường đại học, các viện nghiên cứu, các tập đoàn lớn, các cơ quan không gian các nước đặc biệt quan tâm, như: Đại học Kyoto Nhật Bản, Đại học La Reunion Pháp; Viện nghiên cứu Xenotech Research Mỹ; Các tập đoàn Mitsubishi Heavy Industries, Misubishi Electric, NEC, Fujitsu và Sharp Nhật Bản; BOEING Mỹ; Cơ quan không gian Mỹ NASA, Cơ quan phát triển không gian quốc gia Nhật Bản NASDA, Cơ quan vũ trụ Nhật Bản JAXA, Cơ quan hàng không vũ trụ Châu Âu Từ đây rất nhiều dự

án đã được đầu tư nghiên cứu và bước đầu triển khai, đã đạt được những thành quả nhất định, cụ thể:

1.4.1 Một số dự án của Mỹ

Dự án SUN TOWER

Hình 5: Mô hình SPS dự án Sun Tower

Dự án khởi động vào năm 1997 xây dựng một hệ thống 6 SPS bay quanh Trái đất gọi là SUN TOWER, sản xuất điện liên tục trong 24 giờ; Quỹ đạo hoạt động MEO; Công suất phát viba 200 MW; Tần số viba 5.8GHz; Góc mở bao phủ Trái đất 60 độ; Đường kính rectenna 4 km

Dự án ISC (Integrated Symmetrical Concentrator) thuộc Chương trình nghiên cứu và công nghệ thám hiểm SERT

Hình 6: Mô hình SPS dự án JSC

Dự án khởi động năm 1997 với 2 phiên bản 24 gương và 36 gương, mỗi gương đường kính 500 m, ánh sáng phản xạ từ hệ thống gương sẽ tập trung trên mảng PV; Quỹ đạo hoạt động GEO; Công suất 1.2GW; Tần số viba 2.45 GHz hoặc 5.8GHz; Kích thước rectenna 6.5km x 8.5km (với tần số viba 5.8GHz)

Dự án SOLAR DISC

Hình 7: Mô hình SPS dự án Solar Disc

Với 1 SPS, sản xuất liên tục gần 24 giờ, tại quỹ đạo GEO, góc mở từ SPS bao phủ Trái đất là 120 độ, công suất khoảng 5GW đối với 1 SPS

Dự án năng lượng mặt trời của Xenotech Research xây dựng một trạm

năng lượng mặt trời trên quỹ đạo, dự định triển khai vào tháng 10/2010 [14]

Hình 8: Trạm khai thác năng lượng mặt trời từ vũ trụ dự định triển khai ở New

Mexico Mỹ vào tháng 10-2010

1.4.2 Một số dự án của Nhật Bản

Dự án SPS2000

Dự án được thiết kế với các yêu cầu như công xuất phát 10MW, thời gian

sống là 30 năm, giá thành vệ tinh 9 tỷ Yên, hoạt động tại tần số 2,45GHz, mật

độ công suất cực đại trên rectenna 0,9mW/cm2, 2.547.776 phần tử ăng ten phát

Dự án JAXA

Hình 9: Mô hình SPS 2001, 2002, 2003 của Jaxa (Nguồn National Space Development Agency of Japan (NASDA))

Dự án khởi động từ năm 2001 gồm 2 gương chính và 2 gương phụ, module

chuyển đổi từ quang sang điện (hình bánh sandwich); Kích thước 2 gương chính

4 x 6 2

km (model 2001); 2.5 x 3.5 km, trọng lượng 1 gương 1000 tấn (model 2002); Kích thước 2 gương phụ 2 x 4 2

km ; 2 km (model 2001), trọng lượng 1 gương 400 tấn (model 2002); Khoảng cách từ các gương tới module chuyển đổi 3-4 km (model 2001, 2002); Đường kính ăng ten phát 2.6 km (model 2001); 2

km, trọng lượng 7000 tấn (model 2002)

Dự án USEF

Hình 10: Mô hình SPS dự án USEF (Nguồn National Space Development Agency of Japan (NASDA))

Dự án bao gồm hệ thống bus và panel nhận năng lượng mặt trời, chuyển đổi, phát viba Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời sang điện một chiều là 35%, điện một chiều sang viba là 85%; Quỹ đạo hoạt động LEO; Công suất phát trên SPS 1.2GW; Công suất nhận trên mặt đất 0.75GW; Kích thước panel nhận năng lượng mặt trời và phát viba 2 km x 1.9 km; Trọng lượng panel nhận năng lượng mặt trời và phát viba 18.000 tấn; Trọng lượng hệ thống bus 2000 tấn, độ dày 0,1 m; Panel nhận năng lượng mặt trời và phát viba gồm 400 panel nhỏ 100

Công suất cực đại trên một

ăng ten (W)

(Số lượng phần tử)

0.95 (3.54 tỷ USD)

6.1 (540 triệu USD)

1.7 (1950 triệu USD)

185 (97 triệu USD)

Bảng 1: Các tham số điển hình của một số vệ tinh SPS của một số dự án

(Nguồn Hiệp hội quốc tế khoa học vô tuyến URSI [38])

Dự án sản xuất điện năng công suất 1GW (tương đương một lò phản ứng hạt nhân)

Vào đầu tháng 9/2009 Nhật Bản quyết định sẽ xây dựng một nhà máy điện năng lượng mặt trời tại quỹ đạo GEO, công suất 1GW, truyền về Trái đất bằng tia viba hoặc laser vào năm 2030 Để triển khai dự án, Nhật Bản cho thành lập một tập đoàn khổng lồ bao gồm các doanh nghiệp và các tổ chức nghiên cứu như Mitsubishi Heavy Industries, Misubishi Electric, NEC, Fujitsu vaf Sharp chịu trách nhiệm phát triển thiết bị mang tính cách mạng này Tất cả những công

ty này đều chịu sự điều khiển của Cơ quan không gian Nhật Bản, nơi ấp ủ dự án

từ đầu thập niên 70 thế kỷ trước Dự án ước tính giá điện sẽ rất cạnh tranh, 0,06 euro cho 1kw/h, tức thấp hơn giá hiện nay khoảng 10 lần [6,7]

1.4.3 Một số dự án của Châu Âu

Dự án Sail Tower

Hình 11: Mô hình SPS dự án Sail Tower

Dự án được đề xuất vào năm 2001, thiết kế Sail Tower tương tự như Sun Tower của NASA nhưng sử dụng công nghệ film mỏng, sử dụng 400.000 magnetron với bán kính 510m; Quỹ đạo hoạt động GEO; Chiều dài của tháp 15 km; Tần số viba 2.45GHz; Công suất phát trên SPS 400 MW; Kích thước

rectenna 11 x 14 km

1.4.4 Một số mảng ăng ten mặt đất thử nghiệm lớn nhất trên thế giới

Hình 12: Thử nghiệm đất đối đất tại Goldstone năm 1975 (a), thử nghiệm đất

đối đất tại Nhật Bản năm 1994-1995 (b), thử nghiệm năm 1995 (c), thử nghiệm tại đại học Kyoto Nhật Bản (d), thử nghiệm tại đại học La Reunion Pháp)

1.5 Các khó khăn, thách thức và hướng phát triển

1.5.1 Các khó khăn, thách thức lớn cần vượt qua

Kích thước và trọng lượng vệ tinh SPS rất lớn (khoảng vài 2

km và hàng trăm tấn) Tuy nhiên, hiên nay giá thành phóng tên lửa đưa vệ tinh lên quỹ đạo khá lớn, vệ tinh càng nặng thì càng đắt Giá phóng hiện nay lên quỹ đạo LEO cỡ

từ 6.600 - 11.000 USD/kg tùy từng hãng Theo ước tính trong tương lai giá thành vào khoảng 400 - 500 USD/kg để đưa lên quỹ đạo LEO là có thể chấp nhận được

Cần phải nghiên cứu và phát triển những công nghệ mới về khoa học vũ trụ mới có thể chế tạo được SPS, hệ thống rectenna và đưa được SPS lên quỹ đạo, duy trì hoạt động của chúng trong vài chục năm

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ thành điện năng còn thấp, mục tiêu đạt được 50%

1.5.2 Hướng phát triển

Mặc dù có những khó khăn, thách thức rất lớn cả về kỹ thuật, tài chính; song để đảm bảo an ninh năng lượng, phục vụ cho mục đích quân sự, chính phủ các nước, các tập đoàn lớn trên thế giới vẫn có những đầu tư hàng chục tỷ USD cho các dự án nghiên cứu, thí điểm và đưa ra những chiến lược có tính dài hạn như NASA (Mỹ), BOEING (Mỹ), NASDA (Nhật Bản), Châu Âu

Hình 13: Kế hoạch phát triển năng lượng điện từ SPS của công ty Boeing Mỹ

Hình 14: Kịch bản cơ hội đầu tư phát triển nền công nghiệp các hệ thống năng

lượng mặt trời ngoài không gian

(Nguồn http://spaceinvestmentsummit.com)

Các nhà khoa học Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu về vệ tinh phát năng lượng mặt trời từ những năm 1980 Năm 2001, Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản đã lập một chương trình nghiên cứu đối SPS nhằm mục đích năm 2040 bắt đầu hoạt động SPS, vệ tinh sẽ phát 1GW/Sec, tại quỹ đạo GEO, rectanna sẽ đặt trên sa mạc hoặc trên biển

Hình 15: Kế hoạch phát triển năng lượng điện từ SPS của Nhật Bản

(Nguồn National Space Development Agency of Japan (NASDA))

1.6 Một số nghiên cứu triển khai tại Việt Nam trong lĩnh vực này

Chính phủ đã phê duyệt Quyết định số 137/2006/QĐ-TTg, ngày 14/6/2006 về

“Chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020” Nhằm thực hiện Quyết định của Thủ tướng Chính phủ hàng loạt các hoạt động đã được thực hiện

và dự kiến thực hiện, cụ thể:

- Giai đoạn 2006-2010:

+ Năm 2008 Việt Nam phóng vệ tinh VINASAT-1

+ Năm 2008, đã phê duyệt “Chương trình Khoa học và Công nghệ Vũ trụ” với mục tiêu tới năm 2012 Việt Nam sẽ phóng vệ tinh VNDREDSat -1 ở tầng thấp quỹ đạo để chụp ảnh mặt đất, cung cấp ảnh cho các trung tâm thu ảnh vệ tinh mặt đất, giám sát tài nguyên, môi trường, theo dõi thiên tai, lũ lụt, bảo vệ tài nguyên

+ Đề tài “Nghiên cứu tiếp cận các giải pháp khoa học công nghệ về thu nhận, biến đổi, truyền dẫn năng lượng mặt trời từ Vũ trụ về mặt đất” là một đề tài cấp nhà nước thuộc “Chương trình Khoa học và Công nghệ Vũ trụ”

- Giai đoạn 2011-2020:

+ Xây dựng thêm một số phòng thí nghiệm về công nghệ vũ trụ đặt tại các trường Đại học

+ Tự chế tạo và thuê phóng 2 vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất

+ Lựa chọn công nghệ chế tạo phương tiện phóng vệ tinh nhỏ lên quỹ đạo thấp

+ Nghiên cứu tiếp cận một số công nghệ cao như: công nghệ quan sát quang học độ phân giải cao, công nghệ vệ tinh radar, công nghệ vệ tinh

Một số nghiên cứu cụ thể

Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời tại Việt nam trên vật liệu Si đơn tinh thể và

các vật liệu khác tuy đã đạt được một số kết quả nhưng mới chỉ dừng lại ở trong phòng thí nghiệm, quy mô rất nhỏ (tại Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Vật lý Hà Nội, Viện vật lý tại thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Hóa học viện KHCN Việt Nam ); một số doanh nghiệp liên doanh bước đầu đã sản xuất công nghiệp pin mặt trời xuất khẩu

Nhìn bao quát thì Việt nam vẫn chưa có các nghiên cứu về pin mặt trời đủ mạnh để thu năng lượng mặt trời đưa vào sử dụng rộng rãi Hướng nghiên cứu chế tạo và ứng dụng năng lượng mặt trời vẫn chưa thành một hướng nghiên cứu mạnh độc lập có tầm cỡ cả về quy mô cũng như kết quả, nhất là ở Việt Nam ta cũng có nhiều nắng – năng lượng mặt trời

Các nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời từ vũ trụ thì hầu như chưa được triển khai vì Việt Nam chưa có đủ điều kiện về tài chính, khoa học nghiên cứu cơ bản và khoa học công nghệ cao

Chương này đã điểm lại lịch sử phát triển hệ SPS, tóm tắt một số dự án trên thế giới, mô hình tổng quát hệ thống vệ tinh SPS cũng như phân tích ưu, nhược điểm; khó khăn thách thức, hướng phát triển; và một số hoạt động triển khai

“Chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020” tại Việt Nam

Chương 2 - NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THU, BIẾN ĐỔI, TRUYỀN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở DẠNG TIA VIBA CÔNG SUẤT CAO VỀ TRÁI ĐẤT

2.1 Giải pháp KHCN về mô hình hệ thống truyền dẫn

Truyền thông không dây sử dụng sóng vô tuyến để mang thông tin Tuy nhiên trong hệ thống truyền năng lượng bằng sóng viba thì sóng vô tuyến được

sử dụng để mang năng lượng; theo nguyên lý, sóng viba mang năng lượng sẽ là sóng đơn mà không có bất kỳ quá trình điều chế nào Truyền dẫn năng lượng sóng viba sẽ sử dụng mật độ công suất ở bề mặt của ăng ten phát với cường độ bậc 3 hoặc bậc 4 của giá trị (order of magnitude), cao hơn mức tương ứng trong các hệ thống viễn thông không dây, tối đa là 25 bậc giá trị

Hình 16: Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng sóng viba

(Nguồn sixth international symposium Nikola Tesla)

Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng sóng viba được chỉ

ra như trên hình, các thành phần chính của hệ thống bao gồm: Nguồn năng lượng viba, ăng ten phát và ăng ten nhận Sự kết hợp của ăng ten nhận và mạch chỉnh lưu tạo ra rectenna Ăng ten nhận năng lượng điện trường và mạch chỉnh lưu sẽ chuyển đổi thành nguồn điện một chiều Nguồn viba bao gồm các ống

điện tử (klystron, TWT, hoặc là magnetron) hoặc là các thiết bị làm bằng bán dẫn (GaAs MESFET, GaN pHEMT, SiC MESFET, AlGaN/GaN HFET, InGaAs) với nguồn điện được sản xuất ra từ các mảng pin mặt trời để điều khiển nguồn phát Một bộ ống dẫn sóng đồng trục được kết nối với bộ xoay vòng ferit

để phối hợp trở kháng giữa nguồn viba với đầu vào của ăng ten phát, bộ xoay vòng ferit để bảo vệ nguồn viba khỏi nguồn phản xạ

Có một vài kiểu ăng ten phát đã được thử nghiệm như: ăng ten dẫn sóng

sẻ rãnh (slotted waveguide antennas), ăng ten lưỡng cực với gương phản xạ (dipole antennas with reflectors), hoặc là ăng ten vi mạch (microchip antennas) Các kiểu ăng ten phù hợp nhất phụ thuộc vào việc lựa chọn máy tạo sóng viba

và bộ khuếch đại, cũng như là trọng lượng

Đường kính một mảng ăng tên phát của một hệ thống SPS 1 GW cỡ khoảng 1 km Mật độ dòng công suất viba trung bình trên bề mặt của ăng ten phát là khoảng 1000w/m2 Mảng ăng ten bị dịch pha đã được sử dụng nhằm mục đích đạt được hiệu suất tập trung chùm sóng viba cao khi mà các thuộc tính của SPS hay thay đổi Với việc sử dụng tần số của hệ thống truyền dẫn năng lượng sóng viba là 2,45 GHz hay 5,8GHz mà số lượng các phần tử ăng ten đơn

lẻ (tập hợp các ăng ten đơn lẻ sẽ tạo lên một mảng ăng ten) trên một m2

sẽ được tính toán vào khoảng 100 hoặc 400 phần tử Mỗi phần tử ăng ten đơn tạo ra 10 hoặc 2.5W Chính vì vậy tổng số lượng các phần tử ăng ten đơn có thể lên tới vài trăm triệu

Rectenna được phát minh bởi W C Brown năm 1960 là sự kết hợp của mạch chỉnh lưu và ăng ten Rectenna là một phần tử thụ động cấu tạo bởi đi ốt chỉnh lưu (Si hoặc GaAs Schottky barrier, SiC và GaN), bộ lọc thông thấp giữa ăng ten (phân cực, Yagi-Uda, microstrip hoặc đĩa parabolic) và đi ốt chỉnh lưu

để triệt bức xạ ngược của hoạ âm cao Rectenna sẽ nhận năng lượng viba từ nguồn phát và chuyển thành nguồn điện một chiều

Sơ đồ hệ thống truyền dẫn năng lượng viba sử dụng ống điện tử và bán dẫn:

Hình 17: Hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng vi ba sử dụng ống điện tử

(Nguồn sixth international symposium Nikola Tesla)

Hình 18: Hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng viba sử dụng bán dẫn

(Nguồn sixth international symposium Nikola Tesla)

2.2 Giải pháp KHCN về lựa chọn tần số để phát chùm tia năng lượng

vi ba

Chọn tần số để phát chùm năng lượng vi ba phụ thuộc vào nhiều nhân tố như phụ thuộc vào thể loại và cấu trúc linh kiện vi ba có thể hoạt động trong vùng sóng nào (như trên hình 19), phụ thuộc vào cửa sổ hấp thụ bức xạ tia vi ba của bầu khí quyển bao quanh Trái đất, vào khả năng làm chủ công nghệ chế tạo linh kiện, thiết bị và xử lý tín hiệu trong vùng sóng vi ba liên quan, vào hiệu suất có thể đạt được Ví dụ đối với loại linh kiện Vi ba Magnetron thì hiện nay người ta thường chọn hai bước sóng là 2,45 GHz và 5,8 GHz để truyền tia vi ba

vì ở đó có cửa sổ hấp thụ thấp và nền nhiễu thấp đối với một số linh kiện Vi ba

là rất thấp như trên Hình 19

Magnetron Noise Reduction

Hình 19: Nhiễu của linh kiện Vi ba Magnetron khi hoạt động ở chế độ bình thường (conventional operation) và chế độ hoạt động không đốt (filament-off operation) Một số tần số Vi ba tại 2,45 GHz, 5,8 GHz, gần 7,2 GHz và 9,8 GHz

có nhiễu thấp có thể chọn là để truyền năng lượng về Trái đất [37]

2.3 Quỹ đạo của vệ tinh năng lượng mặt trời

Quỹ đạo là đường bay của vệ tinh trong trạng thái cân bằng giữa hai lực: lực ly tâm và lực hấp dẫn do sức hút của Trái đất Quỹ đạo vệ tinh nằng trong một mặt phẳng có dạng là hình tròn hay hình elip tùy thuộc vào mặt phẳng quỹ đạo nằm trùng với mặt phẳng xích đạo hay nằm lệch một góc so với với mặt

phẳng xích đạo Vệ tinh năng lượng mặt trời được xem xét để có thể hoạt động

trên ba quỹ đạo là GEO, MEO hoặc LEO

- Quỹ đạo địa tĩnh của Trái đất GEO nằm trong mặt phẳng xích đạo, cách mặt đất khoảng gần 36 000 km Vệ tính SPS chuyển động cùng hướng và tốc độ quay với Trái đất và luôn nhìn Trái đất với một vùng diện tích cố định khoảng 43% diện tích Trái đất Chu kỳ của vệ tinh là 24 giờ

- Quỹ đạo trung bình của Trái đất MEO là quỹ đạo có độ cao từ trên 2000

km dến dưới 36 km Tùy theo độ cao, chu kỳ của vệ tinh quay một vòng quanh Trái đất mất từ 2 đến hơn chục giờ

- Quỹ đạo thấp của Trái đất LEO là quỹ đạo có độ cao từ 200 km đến 2000

km, trên độ cao của lớp khí quyển Trái đất Vì có chiều cao thấp nên chịu sức hút lớn, vệ tinh phải bay nhanh để thắng sức hút của Trái đất, chu kỳ bay quanh Trái đất khoảng mất 90 phút với vận tốc khoảng 17 000 dặm /giờ

- Ngoài các quỹ đạo trên còn có các quỹ đạo khác như: Quỹ đạo elip cao (HEO-Highly inclined Elliptical Orbit) có độ cao nhất trên 40 000 km, quỹ đạo cực (Polar orbit) ở quỹ đạo này vệ tinh chạy từ Cực bắc xuống cực Nam, quỹ đạo đồng bộ mặt trời là quỹ đạo cực trong đó mặt phẳng vệ tinh luôn luôn có cùng một gốc so với trục Trái đất mặt trời

2.4 Giải pháp KHCN mô hình khái quát về cấu tạo một hệ vệ tinh năng lượng mặt trời đặc trưng

Các giải pháp KHCN ở đây rất đa dạng tùy từng loại, song các bộ phận chính có chức năng gần giống nhau Cấu tạo của SPS điển hình bao gồm một

số khối thiết bị chính như trên Hình 20:

- Các hệ thống gương hội tụ năng lượng mặt trời, các panel pin mặt trời thu năng lượng mặt trời, bộ phận biến đổi năng lượng điện một chiều DC có các thông số dòng điện điện thế thích hợp để cung cấp cho các linh kiện Vi ba hoạt động Tại đây ánh sáng mặt trời có mật độ năng lượng là 1.358 w/m2 Mục tiêu hiệu suất chuyển đổi quang điện tại khối thiết bị này từ 35-50% và trọng lượng đạt 1000 w/kg

- Khối ma trận gồm các linh kiện phát ra chùm tia viba tại tần số 2,45 GHz hoặc 5,8GHz Các linh kiện viba được sử dụng như klystron, magnetron, linh kiện sóng chạy- travelling wave tube Mục tiêu hiệu suất chuyển đổi tại khối thiết bị này >80%

- Ma trận anten liên kết pha gồm hàng triệu phần tử nhận nguồn năng lượng viba công suất cao và phát chùm tia vi ba về bề mặt Trái đất nơi có hệ thống ăng ten thu

Hình 20: Mô hình cấu tạo của một hệ SPS từ Vũ trụ đến mặt đất có công suất

thiết kế cỡ 1,2 GW [10]

2.4.1 Hệ thống thu, biến đổi năng lượng mặt trời sang điện một chiều

Cấu tạo của khối pannel PV để thu năng lượng mặt trời và biến đổi thành nguồn điện một chiều rồi cung cấp cho thiết bị phát ra chùm tia vi ba năng lượng cao được biểu thị trên Hình 21, trong đó có cấu trúc phóng đại của một pannel

PV và một pannel anten phát Các mảng pin mặt trời (solar cell array) được kết

hợp từ các phần tử đơn lẻ, có thể lên tới hàng triệu phần tử Có thể sử dụng hệ thống gương để hội tụ, tập trung ánh sáng mặt trời lên các mảng pin mặt trời

nhằm thu được nhiều năng lượng hơn

Hình 21: Sơ đồ ba bộ phận cấu tạo chính của vệ tinh SPS bao gồm ma trận Pin

mặt trời (PV), ma trận linh kiện Vi ba và ma trận anten phát [10]

Với hệ thống SPS công suất 2GW DC thì diện tích tấm pin mặt trời xấp xỉ

10 km2 (2km x 5km) với hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời của pin mặt trời sang DC là 15%

2.4.2 Ma trận linh kiện viba biến đổi năng lượng điện một chiều thành chùm tia viba công suất cao

Rất nhiều loại máy tạo sóng viba đã được đề xuất như: các ống chân không viba (klystrons, magnetrons, travelling wave tube), các máy phát bán dẫn,

và cả sự kết hợp của 2 công nghệ trên Các loại máy phát này đã được so sánh dựa trên các khía cạnh hiệu suất, công suất lối ra, trọng lượng và hoạ âm phát (emitted harmonics) Hiệu suất chuyển đổi từ dòng điện một chiều sang sóng vô tuyến (DC-RF) đối với các ống chân không viba có thể cao hơn 65-75%, công suất của mỗi ống đơn lẻ có thể hơn 100kw Đối với các máy phát bán dẫn, hiệu suất đạt được khoảng 40%, công suất từ mỗi máy phát đơn lẻ là 100W [38]

Hình 22: Mô tả tương quan công suất trung bình và tần số của các thiết bị phát

viba dạng ống chân không và bán dẫn

(Nguồn Viện công nghệ Georgia, Atlanta, USA)

So sánh với các công nghệ bán dẫn thì công nghệ ống sóng viba có hiệu suất cao hơn, giá thấp hơn, và tỷ lệ trọng lượng trên một đơn vị công suất cũng nhỏ hơn (kW/kg) Đối với các máy phát năng lượng hiệu suất cao thì một thiết

kế tạo ra lượng hoạ âm thấp, các bộ dịch mất pha thấp (low-loss phase shifters)

là cực kỳ quan trọng và cần được phát triển theo hướng này

Trong bất kỳ trường hợp nào, hàng nghìn ống sóng viba, hàng triệu bộ khuếch đại trạng thái mềm và máy tạo dao động phải được phân đoạn và điều khiển, đây là những thử thách công nghệ rất lớn

Bảng 3: Các đặc tính của một số ống điện tử điển hình

(Nguồn sixth international symposium Nikola Tesla)