6. Nội dung luận văn tập trung giải quyết
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 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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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)
Vệ tinh INT-7 NSTAR TDRSS ETS-6
Tần số (GHz) 4 2.5 2 2.5
Hiệu suất (%) 29 36 32 31
Công suất lối ra (W) 30 40 24 14
Trọng lượng (kg) 1.7 2.5 3.4 1.2
Bảng 2: Các đặc tính của các bộ truyền nhận vô tuyến bán dẫn trong các ứng dụng không gian
2.2. Giải pháp KHCN về lựa chọn tần số để phát chùm tia năng lượng vi ba 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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- 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 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 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.
Các loại ống Klystron TWT Magnetron
Tần số (GHz) 4 2.5 2
Hiệu suất (%) 76 60-67 60-75
Công suất lối ra (W) 100- 7
10 100 100-1000
Trọng lượng (g/W) 40-100 20 45(2.45 GHz)
20-30 (5.8 GHz) Hoạ âm (dBc) <-70 <-70 -55, -80, -70, -75