Kỹ thuật thu biến đổi năng lượng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ

Năng lượng là một thực thể khách quan tồn tại trong vũ trụ. Nó là khởi nguồn của vũ trụ, là động lực căn bản tạo ra sự sống và sự phát triển trong thế giới tự nhiên, trong đó có con người. Với sự bùng nổ dân số mạnh mẽ như hiện nay, nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho các hoạt động của con người ngày càng tăng. Trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần, nguồn năng lượng hạt nhân tính an toàn không cao, còn các nguồn năng lượng tái...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Kỹ thuật thu biến đổi năng lượng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ Kỹ thuật thu biến đổi năng lượng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ về mặt đấtNăng lượng là một thực thể khách quan tồn tại trong vũ trụ. Nó là khởinguồn của vũ trụ, là động lực căn bản tạo ra sự sống và sự phát triển trongthế giới tự nhiên, trong đó có con người. Với sự bùng nổ dân số mạnh mẽnhư hiện nay, nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho các hoạt động của con ngườingày càng tăng. Trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càngcạn kiệt dần, nguồn năng lượng hạt nhân tính an toàn không cao, còn cácnguồn năng lượng tái tạo lại chiếm tỷ phần rất ít, thì vấn đề an ninh nănglượng đang là một trong các vấn đề then chốt cần phải giải quyết.Để có thể đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài cho loài người, từ nhiều thậpkỷ nay các nhà khoa học đã và đang tập trung tìm kiếm các nguồn năng lượngmới, trong đó có nguồn năng lượng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ vềmặt đất bằng công nghệ chùm tia vi ba và laser công suất cao.Trong vũ trụ (ví dụ trên quỹ đạo địa tĩnh-GEO), ánh sáng mặt trời có gần nhưquanh năm, mật độ năng lượng mặt trời đạt cỡ 1340 W/m2, lớn gấp gần 8lần so với năng lượng trung trình trên mặt đất. Năng lượng mặt trời nhiều vôtận, có thể dùng hàng tỷ năm.Mặt trời phát năng lượng ở dạng tia bức xạ khoảng 12x1016 Joules/sec(hoặc 120.000 TW/sec) xuống trái đất. Lượng năng lượng này còn lớn hơnrất nhiều lần so với số lượng năng lượng cả trái đất dùng trong 1 năm. Vìvậy, biến đổi năng lượng mặt trời sang dạng chùm tia vi ba hoặc laser vớicông suất cao (cỡ GW đến TW) rồi truyền về trái đất (hoặc truyền từ mộtđiểm đến một điểm trong vũ trụ), sau đó chuyển sang dạng điện năng, đưađến nơi sử dụng được coi là giải pháp có tính khả thi nhất, đảm bảo an ninhnăng lượng lâu dài cho loài người.Một số nét chính về hệ truyền không dây năng lượng mặt trời từ vũtrụ về mặt đấtTruyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT(Wireless Power Transmission) là quá trình truyền năng lượng cao từ mộtđiểm đến một điểm nào đó không cần dây dẫn. Truyền năng lượng khôngdây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (nhưradio, TV, Rada, Mobilphone), ở đó thông tin được biến điệu truyền đi mọihướng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thuthường rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… còn trong lĩnh vực truyền năng lượngkhông dây thì độ lớn và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, nănglượng chỉ truyền theo một chiều xác định.Phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây trường gần dựa trênnguyên lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ. Về sau công nghệ truyền nănglượng không dây trường xa được thực hiện bằng nguyên lý phóng chùm tiacông suất (powerbeam) ở dạng tia vi ba hay tia laser để truyền công suất lớn(cỡ KW, MW thậm chí thiết kế đến cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt trái đất.Về mặt lịch sử truyền năng lượng không dây được nghiên cứu triển khai rấtsớm, cách đây khoảng 150 năm, bắt đầu từ các khái niệm và ý tưởng vềtruyền năng lượng mà không cần dùng đường dây tải điện cao thế do NicolaiTesla khởi xướng. Tuy nhiên từ đó đến nay kết quả lý thuyết và thực nghiệmvề truyền công suất không dây đã không tiến bộ nhiều so với công nghệtruyền thông tin do thiếu mô hình lý thuyết và công nghệ mới phù hợp.Năm 1900 với việc triển khai truyền năng lượng không dây qua các tháp caoở New York, làm sáng một số bóng đèn huỳnh quang ở khoảng cách 26 hải lý(cỡ 40 km), N.Tesla đã thu được một số kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vựctruyền không dây. Một số nhà nghiên cứu sau đó đã triển khai nhiều nghiêncứu thí nghiệm về truyền năng không dây trường gần dùng để nạp điện chomột số thiết bị như máy điện, ôtô, xe điện, máy tính, điện thoại di động...Doanh thu cho nạp điện không dây lên tới trên 1 tỷ USD. Tuy nhiên, chỉ đếnnăm 2004, sau các nghiên cứu lý thuyết tường minh hơn, và nhất là sau cácthí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại MIT, vấn đề này mới được nghiên cứumạnh mẽ, nhiều công ty lớn như Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tư vàđạt được rất nhiều kết quả ấn tượng.Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trường xa đã được quan tâmmạnh từ những năm 1973, sau patent của Glaser Peter dùng chùm tia vi ba haylaser công suất cao để truyền công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO trênvũ trụ về mặt đất. Từ đó đến nay đã có hàng chục dự án lớn ở Mỹ, Nhật,châu Âu, Trung quốc, Ấn Độ được triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USDvà đã thu được nhiều kết quả tốt. Hình 1. Hình trong patent gốc về phương pháp truyền năng lượngkhông dây từ vũ trụ về mặt đất của Peter Glaser (1973) a); nguyên lý mô hình hệ truyền năng lượng không dây bằng chùm tia Vi ba, b,c); và hệ thống rectena thu chùm tia Vi ba trên mặt đất chuyển sang dạng điện năng d)Nguyên lý cấu tạo của hệ thống truyền năng lượng cao không dây bằngchùm tia vi ba hoặc laser về mặt đất bao gồm các phần chính sauVệ tinh năng lượng Mặt trời (SPS-Solar Power Satellite) bay trên quỹ đạoGEO, MEO, LEO, bao gồm một số khối thiết bị sau:- Khối thiết bị thu năng lượng mặt trời, thường bao gồm hệ thống gương đểhội tụ năng lượng mặt trời, và các pannel pin mặt trời để cung cấp điện choma trận linh kiện vi ba (hoặc laser).- Khối ma trận linh kiện viba như TWT, cyclostron, hoặc cryston biến đổinăng lượng điện từ năng lượng 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) angten phát bức xạ vi ba bằng các angten liên kết phađặt trên vệ tinh hướng xuống mục tiêu dưới đất, nơi có hệ thống angten thu.Còn đối với hệ laser là hệ thống phát chùm laser công suất cao xuống mụctiêuKhông gian truyền dẫn năng lượng không dây: bầu không gian vũ trụ từ quỹđạo GEO, MEO hay LEO về mặt đất. Tần số (bước sóng) đối với công nghệchùm tia vi ba là 2,58 GHz, hoặc tần số 5,8 GHz, còn đối với chùm tia laserlà bước sóng hồng ngo ...