Truyền năng lượng không dây theo nguyên lý cảm ứng tĩnh điện
1.4.2 Công nghệ truyền năng lƣợng bằng chùm tia bi ba
Phƣơng pháp thu năng lƣợng 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 thành năng lƣợng điện truyền đến nơi sử dụng. Phƣơng pháp này sử dụng về tinh năng lƣợng mặt trời (Solar Power Satellite – SPS).
Điều kiện Rayleigh khẳng định rằng, bất cứ sóng radio, sóng Vi ba, tia Laser sẽ lan truyền và dần suy hao, khuếch tán khi vƣợt qua một khoảng cách. Antenna phát càng lớn hoặc cấu trúc Laser càng lớn so với bƣớc sóng bức xạ thì chùm tia càng chụm với mật độ cao, là hàm của khoảng cách và sự lan truyền càng ít ra các phía bên cạnh. Truyền năng lƣợng bằng chùm tia Vi ba sẽ hiệu quả hơn truyền bằng chùm Laser, vì nó sẽ ít bị suy hao do sự hấp thụ bởi môi trƣờng (có hơi nƣớc, mây mƣa, bụi..). Do đó, trong phần này ta sẽ tìm hiểu cụ thể hơn về truyền năng lƣợng dùng sóng vi ba. Trong trƣờng hợp này, đầu tiên năng lƣợng mặt trời đƣợc chuyển thành điện năng, sau đó năng lƣợng điện đƣợc chuyển thành sóng viba. Ở nơi nhận sóng vi ba đƣợc chuyển đổi trở lại thành năng lƣợng điện. Antenna chỉnh lƣu nhận sóng vi ba trên mặt đất đƣợc gọi là rectenna. Rectenna nhận sóng vi ba chuyển đổi thành năng lƣợng điện và sau đó hòa vào mạng lƣới [4].
Các thành phần của SPS
Mô hình hệ thống SPS đƣợc minh họa ở hình 1.3. Nó bao gồm mặt trời, vệ tinh, bộ phát sóng vi ba công suất và rectenna thu nhận chùm tia công suất vi ba. Khối thiết bị thu năng lƣợng mặt trời, thƣờng bao gồm hệ thống gƣơng để hội tụ năng lƣợng mặt trời và các panel pin mặt trời để cung cấp điện cho ma trận linh kiện vi ba (hoặc Laser).
- Khối ma trận linh kiện vi ba nhƣ TWT, cyclostron hoặc cycloston biến đổi năng lƣợng điện từ năng lƣợng mặt trời thành các tia vi ba có công suất cao. Còn đối với hệ Laser là các ma trận laser công suất cao.
- Hệ thống (ma trận) antenna phát bức xạ vi ba bằng các antenna liên kết pha đƣợc đặt trên vệ tinh hƣớng xuống mục tiêu dƣới đất, nơi có hệ thống antenna thu. Còn đối với hệ laser là hệ thống chùm laser công suất cao xuống mục tiêu.
Hình 1.8 Các th nh phần của hệ thống SPS
Thiết bị phát vi ba
Các thiết bị chính dùng để tạo tín hiệu vi ba là magnetron, klystron, ống sóng chạy, các module khuếch đại sóng vi ba và thiết bị tạo từ bán dẫn đều có thể sử dụng trong hệ thống SPS. Phần lớn các thử nghiệm của WPT đều sử dụng Magnetron.
- Magnetron
Magnetron là một ống điện tử trƣờng chéo trong đó chùm điện tử đƣợc truyền tăng tốc từ cathode tới anode. Đây là thiết bị tự dao động, trong đó anode có cấu trúc nhƣ bộ cộng hƣởng RF. Nó rất phù hợp với MPT bởi hiệu suất cao và giá thành lại thấp. W.C. Brown là ngƣời phát minh ra bộ VCO với một loại magnetron lò vi sóng trong bộ vòng khóa pha trong đó có thể điều khiển đƣợc sóng vi ba phá ra từ đó. Các nhà nghiên cứu đã làm việc trên thiết bị này và phát triển một loại thiết bị magnetron lò vi sóng mới trong đó thêm chức năng khóa và PPL có phản hồi đƣợc thực hiện nhƣ cách thức Brown đã làm chỉ khác là nó điều khiển pha. Nhƣ một phƣơng pháp nâng cao,
cải tiến một magnetron điều khiển pha và biên độ PACM đã đƣợc phát triển. Thiết bị này đã thành công trong việc điều khiển trực tiếp hƣớng theo dạng ma trận pha của chùm tia vi ba ở tần số 2,45GHz và 5,8GHz.
- Klystron
Klystron là một ống điện tử tuyến tính với một chuỗi các hốc cộng hƣởng. Các điện tử đƣợc phát ra từ cathode và chùm tia điện tử chạy qua các hốc cộng hƣởng. Đây là một thiết bị khuếch đại công suất lớn tới vài chục KW thậm chí vài MW với hiệu suất có thể đạt tới 70%. Klystron đƣợc sử dụng cho các ứng dụng truyền thông quảng bá ở băng tần từ 400MHz tới 850MHz và đƣợc sử dụng cho tuyến lên của hệ thống thông tin. Thiết bị này đƣợc sử dụng cho hệ thống MPT ở Goldstone năm 1975 có công suất phát 450KW tại tần số 2,388GHz. SPS đƣợc thiết kế bởi NASA/DOE vào năm 1980 đã sử dụng ma trận pha Klystron.
- Bộ khuếch đại sóng chạy
Ống sóng chạy TWT (Traveling Wave Tube) là một thiết bị điện tử đƣợc sử dụng để khuếch đại tín hiệu cao tần thành tín hiệu cao tần công suất cao, chúng đƣợc biết đến nhƣ là bộ khuếch đại sóng chạy TWA (Traveling Wave Tube Amplifier) khi đƣợc tích hợp với nguồn nuôi và mạch bảo vệ. Các bộ TWTA hoạt động trong dải tần 300MHz-50GHz, độ tăng ích của ống có thể đạt 70dB. Các bộ khuếch đại sóng chạy có thể đƣợc giới thiệu cho hệ thống SPS.
Antenna phát
Hầu hết các loại antenna đƣợc sử dụng cho hệ thống thông tin liên lạc không dây hiện nay đều có thể sử dụng cho MPT nhƣ các loại antenna rãnh dẫn sóng, antenna Yagi-Uda, antenna mạch dải hay antenna mảng liên kết pha. Với hệ thống SPS chúng ta phải sử dụng loại antenna mảng liên kết pha để điều khiển chính xác chùm tia vi ba. Antenna mảng liên kết pha là loại antenna định hƣớng, nó có thể điều
khiển hƣớng của chùm tia vi ba. Tất cả các SPS đều đƣợc thiết kế với antenna mảng liên kết pha.
Rectenna
Hệ thống thu chùm tia vi ba trên mặt đất là ma trận antenna thu tín hiệu vi ba và bộ chỉnh lƣu kết hợp với nhau, gọi là rectena.
Rectenna là một mạch điện thụ động bao gồm antenna, mạch chỉnh lƣu, mạch lọc thông thấp giữa antenna và diode chỉnh lƣu. Các loại antenna chính sử dụng cho rectenna có thể là antenna Yagi-Uda, antenna mạch dải, antenna đĩa parabol hay antenna lƣỡng cực patch. Antenna lƣỡng cực patch là loại cho hiệu suất lớn nhất trong tất cả các loại antenna. Các phần tử chỉnh lƣu làm từ Si, GaAs và aAs-W đƣợc sử dụng vì chúng có các đặc tính RF tốt. Rectenna sẽ nhận chuyển đổi chùm viba công suất lớn thành điện năng một chiều DC. Các rectenna này có thể đạt hiệu suất tới 90% tại tần số 2,45GHz. Khả năng thực hiện của một số loại antenna đƣợc cho ở bảng 1.
Bảng 1: Hiệu suất của một số loại rectenna
Tín hiệu vi ba đƣợc thu hồi chỉnh lƣu dung phôtôđiốt schottky. Vì năng lƣợng phát ra từ quỹ đạo GEO thƣờng có dạng hình nón, nên ở mặt đất cần có rectennaa kích thƣớc thích hợp mới thu nhận đƣợc hết năng lƣợng. Thông thƣờng năng lƣợng tập trung chủ yếu ở trung tâm ra phía ngoài, tại rìa antenna năng lƣợng bằng không.
Đối với hệ thống thu laser chủ yếu là dùng các tấm pin mặt trời PV đa lớp hiệu suất cao ghép vào nhau. Pin mặt trời có khả năng thu cả ánh sáng mặt trời tự nhiên và cả ánh sáng bức xạ từ vũ trụ phát ra. [1], [3].