6. Nội dung luận văn tập trung giải quyết
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 2
m , 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 2
/cm
mW . 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 1 2
/cm
mW .
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
3.1. Môi trường không gian truyền năng lượng từ vũ trụ về mặt đất
Không gian ở đây có hai miền, chúng có đặc tính rất khác biệt nhau: đó là không gian ngoài miền khí quyển bao quanh Trái đất và miền không gian trong bầu khí quyển của Trái đất. Tùy theo vệ tinh SPS ở trên quỹ đạo nào mà sự tác động của môi trường không gian đến vệ tinh và ảnh hưởng tới bài toán truyền năng lượng không dây về mặt đất sẽ rất khác nhau.
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 [25]
3.1.1. Một số đặc điểm Không gian vũ trụ
Không gian ngoài miền khí quyển bao quanh Trái đất hay còn gọi là Không
gian vũ trụ là khoảng không gian từ độ cao 1.280 km trở lên. Không gian vũ trụ
có các đặc điểm sau:
- Không gian vũ trụ có áp suất rất thấp nên coi là môi trường chân không:
Từ độ cao tính từ bề mặt Trái đất khoảng 100km trở lên áp suất khí quyển giảm xuống rất thấp, có thể coi là chân không, trong điều kiện này việc truyền sóng vi ba rất thuận lợi.
- Môi trường ngoài vũ trụ coi là môi trường plasma: Các nhà khoa học đã ước lượng khoảng 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma. Môi trường plasma gồm các nguyên tử hay phân tử đã được ion hóa một phần hay toàn phần nhưng là trung tính. Tuy nhiên, mật độ plasma của gió mặt trời gần Trái đất rất loãng, chỉ có khoảng 6 hạt trong 1m3
.
Trong môi trường này có gió mặt trời, đó là dòng hạt vật chất có năng lượng cao, mật độ cao. Gió Mặt Trời mang các hạt electron và proton ở năng lượng cao, khoảng 500 KeV, vì thế chúng có khả năng thoát ra khỏi lực hấp dẫn của các ngôi sao nhờ năng lượng nhiệt cao này. Nhiều hiện tượng có thể được giải thích bằng gió Mặt Trời, trong đó bao gồm: bão từ, khi dòng hạt mang điện này tác dụng lên các đường cảm ứng từ của Trái Đất; hiện tượng cực quang, được sinh ra khi các hạt trong gió Mặt Trời tương tác với từ trường của các hành tinh và tạo nên các màu sắc đặc trưng ở ban đêm trên bầu trời; lời giải thích tại sao đuôi của các sao chổi luôn luôn hướng ra ngoài Mặt Trời; cùng với sự hình thành của các ngôi sao ở khoảng cách xa.
Môi trường vũ trụ chứa nhiều rác vũ trụ và các thiên thạch: các mảnh sao
băng thường suất hiện trong không gian vũ trụ, có mưa sao bằng vào những thời gian nhất định. Người ta đã thống kê có tới vài nghìn lần thiên thạch rơi xuống Trái đất. Ngoài ra còn có rác Vũ trụ, đó là các mảnh vỡ của tên lửa và vệ tinh do con người phóng lên sau một thời gian hoạt động nó bị vỡ ra hoặc bị bốc cháy tạo nên các mảnh vỡ với kích cỡ vài cm bay lơ lửng trong không gian vũ trụ. Hiện có khoảng trên dưới 3000 tấn chất thải vũ trụ đang tồn tại trong môi truờng vũ trụ không có trọng lượng chúng đang chuyển động với tốc độ 24 000 km/giờ, khi va chạm với các vệ tinh đang hoạt động có thể gây ra tổn hại lớn.
3.1.2. Một số đặc điểm bầu khí quyển bao quanh Trái Đất
Bầu khí quyển bao quanh Trái đất có thể chia ra làm 6 tầng khác nhau, từ
mặt đất cho tới độ cao 1.280 km. Không gian bầu khí quyển Trái đất bao gồm 6 tầng và có các đặc điểm sau:
- Tầng đối lưu (tropospherre) là tầng thấp nhất bắt đầu từ bề mặt Trái đất
lên đến khoảng 7 km tại hai cực Trái đất và lên đến khoảng 17 km tại miền xích Đạo. Không khí ở đây bao gồm khoảng 78% N2 và 21% O2, còn lại là một số khí khác như Ar khoảng 1%...
- Tầng bình lưu (Stratosphere) nằm trên tầng đối lưu có độ cao từ 7 hoặc từ
17 km đến khoảng 50 km . Trong tầng này không khí loãng, không có mây, có đặc tính ổn định, tức có ít có các biến động thời tiết. Các máy bay thường bay trong tầng này, ở độ cao cỡ khoảng trên 9 km.
- Tầng trung lưu ( mesosphere) có độ cao từ 50 Km đến khoảng 85 km. Nhiệt độ ở đây rất lạnh có khi đạt đến -90oC .
- Lớp nhiệt khí quyển (thermosphere) có nhiều sự biến động còn chưa được biết một cách tường minh. Tại đây các khí Ôzôn do tia tử ngoại Mặt trời tạo ra nhanh chóng bị tái hợp thành oxy nguyên tử. Hiện tượng cực quang cũng xẩy ra trong lớp này. Khi Mặt Trời hoạt động mạnh, nhiệt độ ở đây có thể tăng lên đến vài trăm độ, thậm chí đến khoảng trên dưới nghìn độ o
C.
-Tần điện li (Ionosphere) có độ cao khoảng từ 80km đến khoảng 640 km.
Nhiệt độ tăng theo độ cao có thể lên đến 2000°C hoặc hơn. Tại đây, do có bức xạ của Mặt Trời nhiều phản ứng hóa học xảy ra, chúng bị ion hóa thành các ion như NO+
, O+, O2+, NO3-, NO2-...Tầng này chỉ chiếm khoảng 0,1% lượng không khí của bầu khí quyển Trái đất song nó lại có vai trò rất quan trọng đối với việc truyền sóng vô tuyến.
Tầng điện li lại được chia thành các lớp D, E và F: Lớp D nằm trong khoảng độ cao từ 50 đến 90 km, lớp E nằm ở độ cao từ 90 đến 120 km và được đặc trưng bởi sự tăng nồng độ electron theo độ cao vào ban ngày; nồng độ cực đại nằm ở độ cao khoảng 110 km. Lớp F bao gồm toàn bộ các lớp điện li ở độ cao trên 130 - 140 km và thường được chia thành 2 lớp phụ là F1 (150 - 200 km) và F2.
Tầng điện li có ảnh hưởng rất lớn đến sự truyền sóng vô tuyến, nhất là khi có bão từ. Bức xạ tại vùng bước sóng vi ba và ánh sáng thì đi qua lớp này một cách dễ dàng không bị phản xạ lại. Điều này tạo ra khả năng truyền tin qua vệ tinh và cả khả năng truyền năng lượng không dây từ vệ tinh năng lượng về Mặt đất [40-42].
- Tầng ngoài khí quyển (Exosphere) có độ cao từ 640 km đến 1280 km, nhiệt độ rất thấp.
Thành phần khí quyển Trái đất
Thành phần phần trăm của không khí khô theo thể tích - ppmv: phần triệu theo thể tích. Chất khí Theo NASA Nitơ 78,084% Ôxy 20,946% Agon 0,9340% Điôxít cacbon (CO2) 365 ppmv Neon 18,18 ppmv Hêli 5,24 ppmv Mêtan 1,745 ppmv Krypton 1,14 ppmv Hiđrô 0,55 ppmv
Không khí ẩm thường có thêm
Hơi nước Dao động mạnh; thông thường khoảng 1%
Biểu đồ 2: Thành phần khí quyển Trái đất
3.2. Một số ảnh hưởng chính của không gian truyền năng lượng tới hiệu suất truyền hiệu suất truyền
3.2.1. Ảnh hưởng của Không gian vũ trụ
Không gian vũ trụ là khoảng không gian từ độ cao 1.280 km trở lên, bao quanh Tầng khí quyển của Trái đất. Vệ tinh năng lượng mặt trời bay tại quỹ đạo GEO ở độ cao 36.000 km. Như đã phân tích tại điểm 3.1 Chương 2 sóng viba sẽ chịu rất nhiều ảnh hưởng của áp suất thấp, gió mặt trời, plasma, tia vũ trụ. Các yếu tố này sẽ gây suy hao năng lượng của chùm tia viba.
Áp suất rất thấp trong không gian vũ trụ nên có thể coi môi trường truyền tia viba tại đây là môi trường chân không, rất thuận lợi cho truyền sóng viba. Tuy nhiên, 99% vật chất trong vũ trụ bao gồm các nguyên tử, phân tử đã bị ion hóa nên có thể coi môi trường này là môi trường plasma.
Mật độ plasma của gió mặt trời (mang các hạt electron và proton năng lượng cao) gần Trái đất rất loãng, chỉ có khoảng 6 hạt trong 1m3
nên ảnh hưởng của nó tới sóng viba là không đáng kể. Tuy nhiên, hiện tượng bão từ có thể xảy
ra và gây ảnh hưởng lớn tới sóng viba khi gió mặt trời tác dụng lên các đường cảm ứng từ của Trái Đất.
3.2.2. Ảnh hưởng của Tầng điện li
Ảnh hưởng của tầng điện li lên sóng viba là mạnh nhất trong các tầng khí quyển Trái đất. Như đã phân tích tại điểm 3.2 Chương 2, năng lượng chùm tia viba sẽ bị ảnh hưởng mạnh của các ion (NO+
, O+, O2+, NO3 -
, NO2
-), nhiệt độ cao (khoảng 2000°C), bão từ tồn tại trong Tầng điện li.
3.3. Hiệu suất truyền năng lượng trong mỗi công đoạn của hệ thống truyền dẫn năng lượng tia viba truyền dẫn năng lượng tia viba
Hiệu suất của sự chuyển đổi từ dòng điện một chiều (DC) sang sóng vô tuyến (RF), từ sóng vô tuyến sang dòng điện một chiều và hiệu suất của sự tập trung chùm sóng viba trên ăng ten mặt đất.
Các thử nghiệm hiện tại cho rằng hiệu suất của sự biến đổi từ DC sang RF là 70%, từ RF sang DC tại đoạn mặt đất là 80%, hiệu suất tập trung chùm sóng viaba trên rectenna là 90% (suy hao từ vũ trụ về Trái đất là 10%), hiệu suất tổng cộng từ DC (lối ra của panel pin mặt trời trên SPS) tới DC (lối ra từ hệ thống ăng ten mặt đất) là xấp xỉ 50%.
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
(Nguồn Research Institute for Sustainable Humanosphere, Kyoto University, Japan)
Chương này tập trung phân tích đặc điểm của Không gian vũ trụ, Tầng khí quyển Trái đất và các ảnh hưởng của chúng tới suy hao năng lượng viba như áp suất, nhiệt độ, plasma, bão từ…,cùng các phân tích về hiệu suất qua từng công đoạn.
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
4.1. Khái quát bài toán và một số điều kiện giả thiết
Bài toán đặt ra là xây dựng phương trình tính toán được sự suy hao của tín