Chương 2 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THU, BIẾN ĐỔI, TRUYỀN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở DẠNG
2.4. Giải pháp KHCN mô hình khái quát về cấu tạo một hệ vệ tinh năng lượng mặt trời đặc trưng
2.2.3. Ma trận ăng ten phát chùm năng lượng viba công suất cao
Giải pháp khoa học công nghệ cho hệ ăng ten phát là dùng ma trận ăng ten giống nhau sắp xếp theo thứ tự xác định để phát chùm tia năng lượng viba công suất cao đặt trên vệ tinh có thể chế tạo ở một số dạng như: Ma trận ăng ten dẫn sóng sẻ rãnh (slotted waveguide antennas), ma trận ăng ten lưỡng cực với gương phản xạ (dipole antennas with reflectors), ma trận ăng ten vi mạch (microchip antennas), ăng ten parabol, ma trận ăng ten có liên kết pha (phased array antenna). Việc lựa chọn ma trận ăng ten phù hợp nhất cho một hệ thống rất phụ thuộc vào việc lựa chọn máy phát bức xạ viba, bộ khuếch đại, cũng như là trọng lượng, khả năng định hướng, tuy nhiên ma trận ăng ten liên kết pha thường được sử dụng trong các thí nghiệm. Đường kính một ma trận ăng tên phát của một hệ thống SPS có công suất 1GW cỡ khoảng 1 km ở tần số viba 2,45 GHz hoặc 5,8GHz, hướng của chùm tia viba phải được điều chỉnh với độ chính xác cao hơn 300m, tương ứng với 0,0005o. Mật độ dòng công suất viba trung bình trên bề mặt của ăng ten phát là khoảng 1000 W/m2 [11,29,38]. Ma trận ăng ten liên kết pha đã được sử dụng nhằm mục đích đạt được hiệu suất tập trung chùm sóng viba cao tại miền trung tâm của rectenna đặt trên mặt đất.
(a) (b)
(c)
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) [10]
Mô hình Old JAXA JAXA1 JAXA2 NASA/
DOE
Tần số (GHz) 5.8 5.8 5.8 2.45
Đường kính ăng ten phát (km)
2.6 1 1.93 1
Sụt biên độ (dB Gaussian)
10 10 10 10
Công suất lối ra (phần bao chùm lên Trái đất) (GW)
1.3 1.3 1.3 6.72
Mật độ công suất cực đại tại trung tâm
63 420 114 2.2
Mật độ công suất cực tiểu tại cạnh
6.3 42 11.4 0.22
Khoảng cách ăng ten (λ)
0.75 0.75 0.75 0.75
Công suất cực đại trên một ăng ten (W) (Số lượng phần tử)
0.95 (3.54 tỷ)
6.1 (540 triệu)
1.7 (1950 triệu)
185 (97 triệu)
Đường kính rectanna (km)
2 3.4 2.45 1
Mật độ công suất cực đại
180 26 100 23
Hiệu suất thu năng lượng (%)
96.5 86 87 89
Bảng 4: Các tham số điển hình của ăng ten phát trên SPS trong một số dự án (Nguồn Hiệp hội quốc tế khoa học vô tuyến URSI) Với việc sử dụng tần số của hệ thống truyền dẫn năng lượng sóng viba là 2,45 GHz hay 5,8GHz, số lượng các phần tử ăng ten đơn lẻ trong ma trận trên một m2 được tính toán vào khoảng 100 đến 400 phần tử. Mỗi phần tử ăng ten đơn tạo ra 10 hoặc 2.5W. Và tổng số lượng các phần tử ăng ten đơn trong toàn bộ ma trận có thể lên tới vài trăm triệu và như vậy có thể phát ra công suất tới độ lớn GW [38].
(a)
(b) (c)
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 [10]
Trong bất kỳ trường hợp nào, hàng nghìn linh kiện ống chân không viba, hàng triệu phần tử ăng ten phát phải được phân đoạn và điều khiển, đây là những thử thách công nghệ rất lớn cho các nhà khoa học công nghệ.
2.5. Giải pháp KHCN về hệ thống thu năng lượng viba trên mặt đất 2.5.1. Ma trận ăng ten mặt đất
Hình 29: Mô hình rectenna và sơ đồ mạch chỉnh lưu
Rectenna được ghép từ 2 từ tiếng Anh là "rectifying circuit" và "antenna".
Rectenna nhận năng lượng viba và chuyển thành điện một chiều (DC). Rectenna là một phần tử thụ động, kết nói với diode chỉnh lưu Schottky, nó hoạt động mà không cần nguồn nuôi. Rectenna có một bộ lọc thông thấp giữa ăng ten và diode chỉnh lưu để triệt tiêu phát xạ lại của hoạ âm cao, thêm vào đó còn có một bộ lọc để là phẳng tín hiệu lối ra. Rectenna có thể có một vài kiểu ăng ten như: ăng ten phân cực, ăng ten Yagi-Uda, ăng ten dải vi điện tử, ăng ten parabol. Hiệu suất viba lối vào đối với mạch chỉnh lưu được xác định bởi độ mở hiệu suất của ăng ten và mật độ công suất viba. Rectenna có thể có một vài kiểu mạch chỉnh lưu như: single shunt full-wave rectifier, full-wave bridge rectifier, hoặc hybrid rectifiers. Diode trong mạch sẽ quyết định hiệu suất chuyển đổi từ RF sang DC.
Diode bán dẫn Schottky thường được sử dụng cho các rectenna. Bộ chỉnh lưu
single shunt full-wave thường được sử dụng cho rectenna, nó bao gồm 1 diode, 1 tụ điện… Khi đó hiệu suất chuyển đổi RF-DC là cao nhất, xấp xỉ 90% tại công suất 4W ở lối vào tại tần số 2,45GHz. Còn các rectenna khác có hiệu suất suất chuyển đổi xấp xỉ 70-90%.
Hình 30: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng tại rectenna điển hình.
(Nguồn Viện công nghệ Georgia, Atlanta, USA) Hiệu suất chuyển đổi RF-DC của rectenna phụ thuộc vào cường độ năng lượng viba lối vào và sự bao phủ của chùm sóng viba lên rectenna. Hiệu suất cao nhất khi cường độ năng lượng viba lối vào tốt nhất và sự bao phủ của chùm sóng lên rectenna tốt nhất. Hiệu suất chuyển đổi sẽ được quyết định bởi đặc tính của diode. Diode có 2 giới hạn là hiệu điện thế junction VJvà hiệu điện thế đánh thủng Vbr, diode chỉ hoạt động tốt khi hiệu điện thế lối vào lằm trong giới hạn trên.
Các rectenna sẽ được sử dụng như là một mảng. Sự kết nối (mutaul coupling) và sự sắp xếp pha (phase distribution) là các vấn đề cần được giải quyết. Tổng công suất lối ra của mảng rectenna thấp hơn tổng công suất của các phần tử rectenna cộng lại, điều này sẽ ảnh hưởng tới hiệu suất chuyển đổi từ RF sang DC.
Mảng rectenna lớn nhất trên thế giới được sử dụng cho cuộc thí nghiệm từ đất đối đất tại Goldstone bởi JPL, USA, năm 1975, kích cỡ của nó là 3,4 m x 7,2 m=24,5 m2, sử dụng sóng viba tần số 2,45GHz, tạo ra 3,4kW DC với hiệu suất 82,5%. Một mảng rectenna khác với kích thước 3,54 m x 3,2 m đã được thí nghiệm cho đất đối đất bởi Đại học Kyoto, Kobe, tập đoàn điện tử Kansai vào năm 1994; chúng đã sử dụng 2304 phần tử rectenna tại tần số 2,45GHz.
Phân bố mật độ năng lượng trên rectenna
Biểu đồ 1: Mật độ năng lượng điển hình tại Rectenna
(Nguồn The 2nd Joint International Conference on “Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)” 21-23 November 2006, Bangkok, Thailand)
Một rectenna điển hình có đường kính 4 km thì antenna phát phải có đường kính 1km và hoạt động ở tần số 5,8GHz, 93% công suất phát sẽ được thu và mật độ công suất đỉnh tại rectenna sẽ là 27 mW/cm2. Như trên hình ta thấy sự phân bố cường độ là không đồng đều, tập trung ở trung tâm của rectenna và cường độ thấp hơn ở vùng rìa. Ở hầu hết các quốc gia, để an toàn với sức khoẻ con người thì mật độ công suất sóng viba ở ngưỡng 1mW/cm2.
Điều khiển và xác định chuẩn
Một điều quan trọng khác liên quan tới ăng ten sóng viba trong không gian là đảm bảo độ chính xác cao việc điều khiển hướng của chùm sóng viba từ không gian về Trái đất. Điều này là rất quan trọng bởi 2 lý do sau: để tối đa năng lượng truyền về Trái đất và hạn chế phát xạ ra hướng không mong muốn, để tránh ảnh hưởng không tốt tới các hệ thống viễn thông hiện tại, hệ thống sinh vật học. Điều này có thể đạt được với việc ăng ten mặt đất sẽ gửi tín hiệu dẫn đường tới SPS nhằm mục đích chỉ ra vị trí hệ thống ăng ten mặt đất trước khi chùm năng lượng được phát.
Thủ tục khẩn cấp lên được định nghĩa trước và phải được thực thi khi hướng của chùm sóng viba không lằm trong góc sai khác cho phép là 0,0005°, nhằm mục đích ngắt truyền dẫn RF.
Trung tâm của chùm viba lên được giới hạn trong vùng trong 0,0005° của phần trung tâm ăng ten mặt đất.Việc điều khiển chính xác chùm sóng viba trong hệ thống truyền dẫn năng lượng sóng viba SPS có thể đạt đựoc bằng cách sử dụng một số lượng lớn các phần tử ăng ten phát năng lượng, hạn chế việc lỗi pha tổng cộng.
Đo lường và xác định chuẩn lầ rất quan trọng để đảm bảo cho SPS và hệ thống truyền dẫn năng lượng sóng vi ba. Vũ trụ là một môi trường khắc nghiệt, với lượng lớn gradient nhiệt độ, gió mặt trời, và bức xạ ion.
2.5.2. Kết nối hệ thống truyền tải điện quốc gia
Xây dựng hệ thống SPS thành công có thể cung cấp cho mạng lưới điện quốc gia hàng GW điện, công nghệ cho việc kết nối tới mạng lưới điện quốc gia đã có mặc dù lối ra của hệ thống SPS là dòng điện một chiều (DC). Đầu ra của nhà máy nhiệt điện hay nhà máy điện nguyên tử là dòng điện xoay chiều (AC) do chúng sử dụng tua bin để phát điện. Như vậy, SPS là hệ thống không có cơ cấu chuyển động như tua bin nên hệ thống được coi là luân có trạng thái ổn định. SPS tương tự với nhà máy điện nguyên tử trong việc cung cấp nguồn điện tới mạng lưới điện quốc gia.
Chương này phân tích, nghiên cứu một số giải pháp KHCN về truyền dẫn năng lượng viba, mô hình khái quát về cấu tạo một hệ vệ tinh SPS đặng trưng;
hệ thống thu, biến đổi năng lượng mặt trời sang điện một chiều, ma trận linh kiện viba biến đổi năng lượng điện một chiều thành chùm tia viba công suất cao, ma trận ăng ten phát và ma trận ăng ten trạm mặt đất.
Chương 3 - MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VIBA CÔNG SUẤT CAO TỪ VỆ TINH ĐỊA TĨNH