Công nghệ về năng lượng mặt trời từ không gian (Kỳ III)

Truyền dẫn điện không dây

Truyền dẫn điện không dây (wireless power transfer-WPT) là phương pháp truyền dẫn điện không cần dây cáp. Cách tiếp cận độc đáo này truyền năng lượng điện qua tường, nước, không khí hoặc không gian giữa nguồn năng lượng và thiết bị tiếp nhận. Phương pháp này sử dụng antenna để truyền dẫn và tiếp nhận điện không dây. Các vệ tinh năng lượng mặt trời, xe điện EV, hệ thống mạng lưới điện không dây và các công nghệ khác đều cần sạc không dây. WPT là một ý tưởng cũ song gần đây đã trở nên dần phổ biến. Trước khi thảo luận về truyền dẫn điện vi sóng, chúng ta khám phá mạng phân loại truyền dẫn điện không dây với việc WPT đã tồn tại được 200 năm qua và hoạt động tương tự như lò vi sóng, máy quét laser và máy chụp X-quang.

Truyền dẫn điện không dây cho SBSP: Truyền dẫn điện không dây sẽ chiếm một phần khá lớn của hệ thống cấu trúc với việc tia laser hoặc vi sóng sẽ được sử dụng để truyền dẫn năng lượng dự trữ tới bề mặt của trái đất.

Laser: Biểu đồ minh họa đã hiển thị sơ đồ cơ sở của hệ thống SBSP dựa trên laser. Sử dụng hệ thống laser thể rắn, năng lượng sẽ được chuyển thành tia laser. Chức năng truyền năng lượng laser bằng cách sử dụng tế bào quang điện có hiệu suất cao ở đầu nhận để thu chùm tia laser phát ra từ máy phát, biến nó thành năng lượng điện và cung cấp ánh sáng laser. Nguồn laser truyền dẫn năng lượng qua một thấu kính có hiệu suất cao nhằm mục tiêu tập trung chùm tia laser này một cách chính xác vào vị trí được chỉ định của máy thu, khi đó, trạm cơ sở chuyển đổi chùm tia thành năng lượng. Vấn đề là sản xuất tia laser mặt trời và chuyển đổi năng lượng. Tia laser trong không gian có thể làm mù mắt và vũ khí hóa các quốc gia. Hiệu quả là tâm điểm chính của WPT. Đối với hệ thống dựa trên laser, hiệu suất là sự kết hợp giữa bức xạ mặt trời thành chuyển đổi laser, hiệu suất antenna, truyền dẫn laser, antenna thu và hiệu suất chuyển đổi laser thành điện năng.

Các ứng dụng truyền dẫn điện không dây trong các lĩnh vực khác: Tác động ứng dụng của WPT còn vượt xa cả SBSP. MWPT có thể chuyển đổi lưới điện không dây. Bằng cách chuyển đổi sang lưới điện không dây, chúng ta có thể loại bỏ rác thải điện tử và cung cấp điện 24 giờ một ngày, bảy ngày một tuần, điều này có thể đem lại lợi ích cho các thiết bị IoT. Khi các thiết bị IoT tiếp tục thu nhỏ, WPT có thể giúp giảm thiểu kích thước của cả hệ thống, đồng thời và cho phép triển khai chúng ở những vị trí mà việc truyền bằng dây cáp là điều phi thực tế. Trong tương lai, một bộ phát trong nhà sẽ truyền dẫn điện năng tới tất cả các thiết bị gia dụng và tiếp nhận thông qua các thiết bị thu trong mỗi thiết bị. Xe điện EV cũng có thể được sạc không dây. Để tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, xe buýt, tàu hỏa, máy bay, UAV và AUV đều có thể được cấp nguồn không dây. WPT còn có thể có tác động đáng kể đến lĩnh vực chăm sóc sức khỏe y tế khi mà hầu hết các thiết bị, bộ phận cấy ghép y tế không yêu cầu sạc sau khi được cấy ghép. Trong một số ứng dụng y tế, bộ phát WPT có thể được cấy bên ngoài trong khi bộ thu được đặt bên trong cơ thể con người, do đó, tránh được việc thay thế pin thường xuyên.

Những thách thức trong truyền dẫn điện không dây

Hiệu ứng sinh học: Hiện đã xuất hiện mối quan ngại lớn về ảnh hưởng của bức xạ đối với đời sống con người. Đặc biệt, đã có những cuộc tranh luận về tác động của tần số 50/60 Hz và tần số lớn hơn một gigahertz bởi vì hiện có nước thì dùng 50 Hz, nước khác thì lại dùng 60 Hz cho đường truyền dẫn song sóng tần số vi sóng sẽ trở nên yếu hơn so với các tần số 2,4 Ghz hoặc 5,8 GHz. Do phần lớn nghiên cứu về tác động sinh học của vi sóng tập trung vào mức phơi nhiễm tương đối tối thiểu và mật độ cảm ứng từ thấp đối với các tình huống cư trú điển hình nên sẽ không thấy tác động đáng kể nào lên tế bào hoặc động vật. Hiện chưa có nghiên cứu quan trọng với tần số siêu cao hơn nào được phát hiện để đưa ra bất kỳ công bố nào với độ chắc chắn 100%. Đối với con người, đồ vật và động vật tiếp xúc với chùm tia, mật độ năng lượng thể hiện có thể nguy hiểm. Nhiều tổ chức khác nhau, chẳng hạn như IEEE, Ủy ban quốc tế về bảo vệ bức xạ không ion hóa (ICNIRP), đã xác định các tiêu chí an toàn để hạn chế sự tiếp xúc liên tục của con người với các giới hạn mật độ năng lượng cụ thể cho cả chùm tia năng lượng laser và năng lượng vi sóng. Theo chi tiết trong các tài liệu này, các giới hạn áp dụng cho cả mật độ công suất và năng lượng hấp thụ với ngưỡng SAR (tỷ lệ hấp thụ đặc biệt: spe-cial absorption rate) xác định phần lớn các tác động bất lợi đối với con người. Hướng dẫn phơi nhiễm của ICNIRP đối với chùm tia GHz là 50 W/m² đối với phơi nhiễm nghề nghiệp và 10 W/m² đối với người dân nói chung. Bởi vì hầu hết các thí nghiệm diễn ra trong môi trường do phòng thí nghiệm kiểm soát nên rất khó để xác định tác động của chúng khi công nghệ này được sử dụng ở cấp độ thương mại.

Tích hợp với cấu trúc hiện có: Chùm vi sóng ở tần số 2,45 GHz và 5,8 GHz là phổ được phân bổ cho các dịch vụ vô tuyến theo Tiêu chuẩn vô tuyến ITU-R cũng như nằm trong các kênh tần số ISM (industrial, scientific, and medical) được phân bổ. Tương tự, kiểm tra hiệu suất đa trạng thái MPT không có tần số được chỉ định, do đó nó sử dụng băng tần ISM.

Can thiệp vào khí quyển: Xem xét hiệu ứng hấp thụ và tán xạ của không khí và mưa cũng như tỷ lệ khúc xạ không khí không đều, các nghiên cứu trước đây chỉ ra việc vi sóng có tác động không đáng kể đến khí quyển. Sự hấp thụ phổ vi sóng của oxygen là khoảng 0,007 dB/km là rất hạn chế.

Cần cải thiện các tiêu chuẩn và phân bổ băng thông mới: Các tiêu chuẩn mới cần được đưa ra để cải thiện các quy tắc và quy định đối với các vấn đề liên lạc và nhiễu điện từ ảnh hưởng đến hệ thống viễn thông, kết nối và điện. Hiện cần phải cải thiện việc phân bổ băng thông để cải thiện tốc độ truyền dẫn điện và phân cách khả thi tối đa giữa các vệ tinh điện, thông tin liên lạc và định vị.

Các bước đi khắc phục hạn chế của truyền dẫn điện không dây

Nhằm giảm thiểu lượng nhiễu điện từ và nhiễu tần số vô tuyến giữa các loại vệ tinh nghiên cứu và hệ thống SBSP, các kỹ thuật công nghệ hiện tại phải được tăng cường. Việc truyền SBSP từ không gian đến bộ chỉnh lưu trên Trái đất phải tuân thủ một số quy định về sức khỏe và an toàn. Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) chịu trách nhiệm phân phối phổ tần mới được cấp phép cho các trạm thu mặt đất để truyền dẫn điện từ vũ trụ tới Trái đất. Cần phải giải quyết các tiêu chuẩn mới cho bộ chỉnh lưu SBSP nhằm giải quyết vấn đề bức xạ phản xạ có thể quay trở lại không gian cũng như cập nhật kỹ lưỡng hơn về định vị vệ tinh và thiết kế giao diện người dùng để giảm thiểu nhiễu. Luật pháp quốc gia cũng phải tuân thủ các hiệp ước về khoảng không vũ trụ để thiết lập các tiêu chí mới cho việc chủ động đưa các rác vũ trụ ra khỏi quỹ đạo cũng như quy mô ngày càng gia tăng của hệ thống SBSP làm trầm trọng thêm mối nguy hiểm liên quan đến các rác thải vũ trụ đối với hệ thống SBSP.

Lợi ích lan tỏa: Các ứng dụng và cơ hội

Khả năng của SBSP trong việc vận chuyển một lượng lớn điện phụ tải cơ bản thẳng đến các địa điểm ở xa và sự hỗ trợ của nó đối với việc sản xuất trong không gian, giúp cắt giảm lượng khí thải CO₂, khiến nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn. Việc sử dụng SBSP rất phổ biến và những tiến bộ công nghệ tiên tiến có thể hỗ trợ các lĩnh vực khác với một số ứng dụng chính là:

Nền tảng lưới điện đa dạng hóa và năng lượng từ xa: SBSP có thể tăng cường an ninh năng lượng mà không cần lưới điện thống nhất và cung cấp năng lượng phụ tải cơ sở linh hoạt và đáng tin cậy để đưa Trái đất hướng tới độc lập về năng lượng sạch hơn. Bằng cách truy cập liên tục vào 1/3 bề mặt Trái đất, nền tảng SBSP trên quỹ đạo địa tĩnh GEO có thể truyền dẫn năng lượng đến những nơi xa xôi. Hệ thống SBSP có thể định tuyến lại đường truyền dẫn điện ngay lập tức trong thời gian mất điện trên toàn quốc. Trong môi trường không có khủng hoảng, nền tảng SBSP có thể giảm thiểu tình trạng tăng tải theo các múi giờ vì mức tiêu thụ năng lượng đạt đỉnh điểm vào buổi sáng và buổi tối. SBSP cũng có thể cung cấp năng lượng cho các cơ sở khử muối ngoài khơi, các nhà máy thu hồi carbon ngoài khơi và những nơi không có lưới điện khác. Việc sử dụng năng lượng mặt trời trong sản xuất điện ngày càng tăng, trong khi khoảng không vũ trụ chứa năng lượng gấp từ 10 lần đến 40 lần trên mỗi mét vuông. Do đó, nền tảng SBSP có thể gia tăng khả năng phục hồi của hệ thống mạng lưới điện và khuyến khích năng lượng tái tạo trong khi xây dựng cơ sở hạ tầng truyền dẫn mới.

Khám phá không gian sâu hơn và sản xuất không gian: Năng lượng mặt trời có nguồn gốc từ không gian là nguồn năng lượng thay thế khả thi cho các hoạt động không gian, đồng thời có thể được chuyển hướng đến nhiều địa điểm và tăng hoặc giảm quy mô để hoàn thành các mục tiêu nhiệm vụ thay đổi. Điều này cũng có thể đem lại lợi ích cho lĩnh vực sản xuất chế tạo tàu du hành vũ trụ bằng cách cung cấp cho họ nguồn năng lượng bền vững và lâu dài.

Nguồn năng lượng thay thế: SBSP cung cấp sản xuất năng lượng dự phòng ngay lập tức cho những nơi cần có giải pháp thay thế cho hệ thống năng lượng chính song năng lượng mặt trời, gió và các nguồn tài nguyên vốn có thể thay đổi khác yêu cầu sản xuất điện dự phòng. Điều này có nghĩa là giữ cho các nhà máy điện dầu và than hoạt động hết công suất để cung cấp năng lượng. Do thời tiết diễn biến khó lường nên hệ thống dự phòng và người vận hành phải liên tục sẵn sàng.

Ứng phó với thảm họa: SBSP có thể cung cấp năng lượng cho các khu vực có khả năng sản xuất điện bị cản trở do thiên tai. Sau thảm họa thiên nhiên, cần có thời gian để sửa chữa, kết nối lại và khôi phục lại tình trạng trước đó. Do đó, SBSP có thể đóng vai trò thay thế cho nhà máy điện bị hư hỏng, đẩy nhanh quá trình cung cấp điện cho bệnh viện, gia đình và doanh nghiệp, từ đó giúp cứu chữa thêm bệnh nhân và tài sản.

Lợi ích trong các lĩnh vực khác: Một số lĩnh vực công nghiệp như điện tử tiêu dùng và sạc ô tô điện EV, được dự đoán sẽ được hưởng lợi từ tiềm năng truyền dẫn điện hữu ích đi xa mà không cần dây dẫn. Điều này có thể làm giảm thiểu nhu cầu sử dụng đường truyền dẫn đường dài, do đó giảm thiểu rác thải điện tử. Việc phát triển các thiết bị vi sóng công suất cao sẽ làm gia tăng hiệu quả chuyển mạch điện trong mạng điện và hệ thống radar. Đối với các ứng dụng năng lượng điện khác nhau, thiết bị điện tử công suất hiệu suất cao sẽ cho phép sản xuất với chi phí thấp, khối lượng lớn. Hệ thống HCPV sử dụng pin mặt trời đa chức năng chuyên dụng, hiệu suất cao được tối ưu hóa cho mức độ tập trung ánh sáng mặt trời cao cho các tấm gương phẳng xoay heliostat và các công nghệ bán dẫn tiên tiến tương đương sẽ đem lại lợi ích cho công nghệ pin mặt trời từ không gian và trên Trái đất. Sự tham gia của các công ty tư nhân vào cuộc chạy đua vũ trụ đã thúc đẩy quá trình thương mại hóa không gian. Điều này thúc đẩy việc cung cấp dịch vụ thương mại của các công ty thương mại không gian. Dự án thú vị này có thể truyền cảm hứng cho thế hệ kỹ sư và nhà phát triển mới về nhiều chủ đề STEM.

Link nguồn:

https://www.researchgate.net/publication/380075101_Towards_net_zero_A_technological_review_on_the_potential_of_space-based_solar_power_and_wireless_power_transmission

Tuấn Hùng

Research Gate