Một SPS thương mại được giả định rằng sẽ cung cấp năng lượng cỡ GW. Nó cung cấp năng lượng điện đáng kể, và có thể đóng góp cho bất kỳ lưới điện quốc gia nào. Kỹ thuật để kết nối với lưới điện đã có sẵn, mặc dù sản lượng của SPS là dòng điện một chiều. Lối ra của nhà máy nhiệt điện hoặc hạt nhân là dòng điện xoay chiều AC, bởi vì trước hết chúng phải điều khiển một loại tua bin phát điện.
SPS sẽ là một trạm phát điện ổn định mà khơng thải ra khí CO2. Lối ra của nó là có thể dự báo được. Chúng ta khơng có một vấn đề gì về kinh tế và công nghệ khi kết nối SPS với mạng điện lưới có sẵn. Mặc dù vậy sản lượng điện cỡ GW được xem là tương tự như của các nhà máy điện hạt nhân hoặc hydro. Việc kết nối là giống nhau cho các loại nhà máy phát điện.
Hiện một số mô phỏng kết nối rectenna với mạng điện có sẵn đã diễn ra. Khi SPS kết nối với mạng hiện có, có thể có một số sự cố xảy ra cả ở SPS lẫn mạng lưới hiện hành. Mạng lưới đã được thiết kế sẽ bị quá tải, nếu như SPS được rút ra mà khơng có cảnh báo. Trong một số trường hợp lối ra rectenna có thể bị mất tác dụng. Mặc dù vậy thì bộ biến đổi cơng suất DC có thể điều khiển được những sai sót đó trong hầu hết các trường hợp. Nếu sự mất tác dụng hoặc công suất lỗi quá lớn thì lối ra có thể ngừng hoạt động. Nếu nối với mạng lưới lớn hiện có khi đó có thể xảy ra sự quá tải mạng mà khơng biết lý do vì sao. Nếu một sự cố xảy ra với mạng lưới bên cạnh, rectenna sẽ có sự trục trặc về điện áp (nguồn cung cấp tới mạng lưới). Mạng lưới có thể bị sự cố bởi các cơn bão từ trường (giông bão), những khoảng thời gian lỗi công suất rất ngắn đủ để cho
SPS chế ngự mạng lưới. Mặc dù vậy thì rất ít sự cố với các nguồn năng lượng khác khó có thể xảy đến với SPS. Một cách cẩn thận thì cần có thêm những nghiên cứu về chủ đề này.
Qua tổng hợp một số cơng trình nghiên cứu về Rectenna cho thấy để thực hiện thành công hệ thống SPS cần nghiên cứu phát triển các phần tử thu năng lượng có hiệu suất cao, thể tích nhỏ vì phải chế tạo triệu phần tử, các thành phần này cũng cần phải dễ chế tạo với cơng nghệ sẵn có và đặc biệt cần dễ dàng kết nối thành mảng rộng lớn. Một lưu ý nữa là các Rectenna có lối ra là điện áp một chiều và cơng suất nhỏ vì vậy cần nâng cao điện áp thu được để thuận lợi cho việc chuyển đổi DC-AC được dễ dàng. Với mục đích xây dựng hệ thống truyền năng lượng không dây thực tế trên mặt đất chứng minh tính khả thi cho việc khai thác năng lượng mặt trời thơng qua sóng siêu cao tần bằng vệ tinh SPS, tác giả đề xuất xây dựng các thành phần của tuyến thu năng lượng sóng siêu cao tần bao gồm:
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các Rectenna bao gồm các mạch chỉnh lưu siêu cao tần và anten mạch dải thực hiện chuyển đổi năng lượng siêu cao tần thành năng lượng điện một chiều với hiệu suất cao;
- Đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo mạch chỉnh lưu siêu cao tần kiểu nhân áp mới có khả năng cho điện áp lớn và hiệu suất chuyển đổi năng lượng siêu cao tần thành năng lượng điện một chiều cao.
1.6. Kết luận và mục tiêu của luận án
Trong chương 1 tác giả đã trình bày tổng quan về lịch sử phát triển, khái quát hệ thống truyền năng lượng không dây và tổng hợp những vấn đề cần quan tâm giải quyết khi ứng dụng hệ thống MPT cho hệ thống vệ tinh thu năng lượng mặt trời SPS truyền về trái đất. Tác giả có một số kết luận như sau:
- Truyền năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần MPT là hoàn toàn thực tiễn. Trên thế giới đã có một số cơng trình cơng bố về MPT với mục đích ứng dụng cho SPS trong tương lai.
- Hệ thống MPT cũng như SPS gần như chưa được đề cập nghiên cứu ở trong nước, mới chỉ có một số nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa Học Vật Liệu – Viện Hàn Lâm Khoa Học và Cơng Nghệ Việt Nam chủ trì, việc tiếp tục nghiên cứu sâu về MPT, SPS để giải quyết một số vần đề mấu chốt của hệ thống là rất quan trọng, có giá trị thực tiễn và khoa học.
- Đối với hệ thống MPT cũng như SPS vấn đề đạt được hiệu suất cao là yêu cầu rất quan trọng. Chúng ta cần quan tâm tới hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng điện thành năng lượng siêu cao tần trong không gian, hiệu suất chuyển đổi năng lượng siêu cao tần thành năng lượng điện ở phía thu (Rectenna).
- Tần số nên lựa chọn để thực hiện truyền năng lượng ứng dụng cho MPT và SPS là tần số 2,45GHz hoặc 5,8 GHz bởi trong dải tần này có cửa sổ suy hao thấp và cũng thuận lợi trong quá trình thử nghiệm vì đây là dải tần số dành cho cơng nghiệp, nghiên cứu và y tế. Trong luận án này, tác giả lựa chọn sử dụng tần số 2,45 GHz để thực hiện nghiên cứu do các linh kiện bán dẫn hoạt động ở tần số này có giá thành thấp hơn so với ở 5,8 GHz. Hơn nữa, việc thiết kế và chế tạo các thành phần của hệ thống ở dải tần thấp cũng thuận lợi hơn. Tần số càng cao thì kích thước anten càng nhỏ nhưng suy hao lớn hơn.
Vệ tinh thu năng lượng mặt trời SPS là một công nghệ được kỳ vọng sẽ thành hiện thực vào những năm 2030. Tiềm năng và tính thương mại của SPS là rất lớn. Trước khi thực hiện được thành cơng SPS cần có những giải pháp cơng nghệ đồng bộ cho cả phần tạo, phát và thu nhận năng lượng sóng siêu cao tần. Hơn thế nữa cần xây dựng hệ thống MPT thực tế để kiểm nghiệm đánh giá thực tế. Trên cở sở đó tác giả đề xuất xây dựng một hệ thống MPT thực tế trên mặt
đất với tần số truyền sóng là 2,45 GHz. Hệ thống bao gồm tuyến phát dao động ở tần số 2,45 GHz công suất lớn được tạo ra từ nguồn điện một chiều DC và tuyến thu rectenna, chỉnh lưu thành DC. Máy phát được thiết kế trên cơ sở chế tạo các mô đun công suất cơ sở, sử dụng linh kiện bán dẫn, cộng công suất từ các mô đun cơ sở, sử dụng cầu Wilkinson. Xây dựng tuyến phát bao gồm thiết kế chế tạo các mạch tạo tín hiệu siêu cao tần; các mạch khuếch đại đệm; mạch khuếch đại công suất; các mạch chia/cộng công suất đồng pha, đồng biên độ. Cụ thể thực hiện thiết kế chế tạo các mạch tạo nguồn tín hiệu siêu cao tần có độ ổn định cao tương đương cấp dao động thạch anh, thiết kế và chế tạo mạch khuếch đại công suất với công suất lối ra yêu cầu trong khoảng từ 10W đến 50W và đáp ứng các điều kiện về ổn định biên độ và pha sử dụng cho việc tổ hợp công suất theo kiểu cầu với công suất đạt trên 350W. Thiết kế chế tạo Rectenna gồm các anten mạch dải và các mạch chỉnh lưu siêu cao tần có hiệu suất cao sử dụng cho phía thu. Các phần tử thu này đảm bảo hiệu suất đạt trên 65% đáp ứng điều kiện yêu cầu hiệu suất cao khi sử dụng cho mục đích truyền năng lượng khơng dây.
Mục tiêu của luận án là xây dựng hệ thống thử nghiệm truyền năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần 2.45 GHz, đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao công suất phát chùm tia búp sóng hẹp và nâng cao hiệu suất thu chỉnh lưu siêu cao tần, đánh giá hiệu suất truyền ở khoảng cách gần và thảo luận miền ứng dụng.
Chương 2. NGHIÊN C BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SU
NĂNG LƯ
Các tấm pin mặt trời trong không gian g trời SPS làm nhiệm vụ thu nh
lượng điện một chiều DC. Ngu mạch dao động và các mạ này có nhiệm vụ chuyển đ sóng siêu cao tần. Để có cơng su phía thu năng lượng sóng siêu cao t khuếch đại công suất lớn. Tuy nhiên trư tạo ra tín hiệu siêu cao tần thích h
tạo mạch dao động hoạt đ mạch khuếch đại công suấ Wilkinson.