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

Những người ủng hộ năng lượng mặt trời từ không gian khẳng định giấc mơ này hiện đã trở nên khả thi hơn

Heliyon là một tạp chí truy cập mở, toàn diện về khoa học, và là một phần của gia đình Cell Press, chuyên tập trung vào các báo cáo nghiên cứu có giá trị và chính xác về mặt khoa học, tuân thủ các tiêu chuẩn xuất bản khoa học-kỹ thuật và công nghệ đã được chấp nhận xem xét xuất bản.

Trong phạm vi bài viết này, xin trân trọng giới thiệu với quý độc giả ấn phẩm với tiêu đề “Hướng tới mục tiêu net-zeoro: Công nghệ về tiềm năng của năng lượng mặt trời từ không gian và truyền dẫn điện không dây” của nhóm các tác giả thuộc Rajshahi University of Engineering & Technology phát hành số ra tháng 4 vừa qua và đã được đăng tải trên chuyên trang nghiên cứu” www.researchgates.com, để tham khảo.

*****

Năng lượng mặt trời từ không gian: Sự tiến hóa và đỉnh cao

Từ lâu được coi là nguồn năng lượng tái tạo hấp dẫn song khá đắt tiền, những người ủng hộ năng lượng mặt trời từ không gian khẳng định giấc mơ này hiện đã trở nên khả thi hơn về mặt kinh tế và kỹ thuật trong thập kỷ qua. Hiện có một số yếu tố góp phần vào sự quan tâm ngày càng tăng trên toàn thế giới đối với năng lượng mặt trời từ không gian với một số phẩm chất cụ thể rất cần thiết do nhu cầu cấp thiết về nguồn nguyên liệu được phát hiện gần đây như được xác định trong Mục tiêu phát triển bền vững 7 (SDG7) đã đặt mục tiêu “năng lượng giá cả phải chăng, đáng tin cậy, hiện đại và bền vững cho tất cả mọi người” (2030). Việc đảm bảo an ninh năng lượng giá rẻ, đáng tin cậy và rộng rãi, gia tăng đáng kể lượng sản xuất năng lượng tái tạo, hỗn hợp năng lượng và tăng gấp đôi tốc độ tiến bộ về hiệu quả năng lượng tái tạo là ba mục tiêu chính của các mục tiêu mục tiêu về năng lượng của SDG7. Hiện nhiều mục tiêu của SDG7 đã góp phần hoàn thành các mục tiêu SDG khác nên gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã chuyển sự chú ý của họ sang vấn đề này mà một số trong số này bao gồm nhu cầu về các nguồn năng lượng mới không có rủi ro và khả thi về mặt kỹ thuật cũng như việc phải tồn tại một bối cảnh đáng tin cậy và an toàn, và hệ thống phải được thiết kế có tính đến sức khỏe con người cũng như phải hiệu quả, mạnh mẽ và có dung lượng lớn, đồng thời tác động đến môi trường và biến đổi khí hậu phải ở mức tối thiểu. Bên cạnh đó, khả năng chi trả về điện, chi phí vận hành và bảo trì cũng như chi phí đầu tư cần được ưu tiên trong tình hình kinh tế hiện tại, đồng thời cần lưu ý đến tác động đến sức khỏe con người. SBSP dự kiến sẽ trung hòa carbon và loại bỏ lượng khí thải quan trọng từ quá trình sản xuất điện cũng như SBSP có thể là nguồn năng lượng duy nhất cung cấp năng lượng cơ bản trong một hệ thống an toàn, đáng tin cậy và không lãng phí, xanh, bền vững và hiệu quả.

Khái niệm sử dụng không gian để tạo ra điện bắt nguồn từ truyện ngắn “Lý do” của Isaac Asimov (Giáo sư hóa sinh tại Đại học Boston, Hoa Kỳ, nổi tiếng nhất với các tác phẩm về khoa học viễn tưởng), trong đó một trạm vũ trụ sử dụng sóng vi ba microwave/vi sóng để truyền năng lượng mặt trời đến nhiều hành tinh khác nhau. Sau đó, bắt đầu từ năm 1968, khái niệm này liên tục phát triển. Từ năm 1979, nhiều ý tưởng về hệ thống thu năng lượng mặt trời, chẳng hạn như bộ thu đối xứng tích hợp (integrated symmetrical concentrator-ISC), Omega, ALPHA, CASSIOPeiA, v.v., đã được đề xuất.

Hiện việc phóng các vật thể vào không gian gần đây đã trở nên rẻ hơn và xu hướng này dự kiến ​​sẽ tiếp tục diễn ra, trong đó, khu vực tư nhân đã bổ sung thêm một chiều hướng phát triển mới cho nền kinh tế với các ý tưởng như SPS Alpha và CASSIOPeiA rất linh hoạt và được thiết kế để sản xuất thương mại quy mô lớn. Hệ thống HCPV (high-concentration photovoltaic) 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, truyền dẫn không dây và robots không gian là một số phương cách đang sử dụng công nghệ để khắc phục các vấn đề kỹ thuật. Hiện chính phủ nhiều nước trên thế giới có thể nhận thấy lợi ích chiến lược và ảnh hưởng quốc tế trong khả năng tạo ra nguồn cung cấp năng lượng dồi dào, rẻ tiền có thể chiếu sáng tới bất kỳ nơi đâu trên hành tinh. Hiện nhiều quốc gia đang phát triển hệ thống năng lượng mặt trời từ không gian, ví dụ như Hoa Kỳ, Vương quốc Anh, Trung Quốc và Nhật Bản đều có các dự án lớn định hướng chính sách quốc gia. Tất cả các bên tham gia dự án phát triển đều kỳ vọng thực sự và mạnh mẽ về sự hợp tác xuyên biên giới. Hiện nhiều tổ chức tư nhân và chính phủ nhiều nước đang làm việc trên các thành phần dự án khác nhau trong lĩnh vực này.

SBSP: Khuôn khổ và kiến ​​trúc

Hiện có ba thành phần cơ bản của năng lượng mặt trời trong không gian là: (i) Thu năng lượng mặt trời từ không gian bằng tế bào quang điện (PV) hoặc gương hội tụ. (ii) Sử dụng tia laser hoặc vi sóng tần số siêu cao để truyền dẫn điện không dây tới Trái đất. (iii) Trạm thu năng lượng mặt trời từ không gian được lắp đặt trên Trái đất giống như một antenna sóng vi ba microwave/vi sóng (chỉnh lưu để chuyển đổi năng lượng điện từ thành điện một chiều).

Toàn bộ hệ thống trên phải đối mặt với rất nhiều thách thức khác nhau ví dụ như lực hấp dẫn do Trái đất tác dụng giảm dần khi khoảng cách với nó tăng lên. Tuy nhiên, cấu trúc thiên thể trong không gian vẫn bị ảnh hưởng bởi những nhiễu loạn hấp dẫn bắt nguồn từ các thiên thể như Mặt trăng và Mặt trời. Tuy nhiên, rác vũ trụ và bức xạ mặt trời sẽ là một trong những nguyên nhân chính gây nhiều quan ngại. Do kích thước của hệ thống, điều cần thiết là phải có một khuôn khổ quy mô lớn, nhẹ, có thể hỗ trợ tất cả các thành phần của hệ thống và có thể được chế tạo bằng robots mà không ảnh hưởng đến độ cứng của cấu trúc hệ thống. Khi phóng một cấu trúc vào không gian vũ trụ, vị trí quỹ đạo của vật thể là điều cần cân nhắc chính.

Hiện căn cứ theo độ cao so với mặt đất, quỹ đạo của các vệ tinh của trái đất, được chia làm 3 loại: quỹ đạo địa tĩnh (geostationary earth orbit-GEO), quỹ đạo trung bình (medium earth orbit-MEO) và quỹ đạo thấp (low earth orbit-LEO). Độ cao của quỹ đạo vệ tinh của Trái đất thấp/gần Trái đất LEO là khoảng 2.000 km hoặc thấp hơn. Nhằm đảm bảo quá trình chuyển đổi năng lượng không bị gián đoạn suốt cả ngày cho một điểm cụ thể trên Trái đất, một cụm trạm gồm từ 3 modules -13 modules phải được triển khai hoặc nhiều quốc gia sẽ cần cộng tác trong một dự án để giảm số lượng modules song điều đó sẽ làm gián đoạn việc cung cấp 24/7. Lực hấp dẫn mạnh hơn trong LEO đòi hỏi phải sử dụng nhiên liệu bổ sung để bảo trì cụm trạm dạng kiểu nhà máy này. Trong khi đó, chu kỳ quỹ đạo của các vệ tinh của Trái đất trong MEO thì lại dao động từ 6 đến 12 giờ. Số vệ tinh này sẽ duy trì sự hiện diện lâu dài hơn trên một khu vực cụ thể của Trái đất.

Độ cao của quỹ đạo Trái đất địa tĩnh (GEO) tính từ bề mặt Trái đất là khoảng 36.000 km. Khi một vệ tinh hoặc modules SBSP được đặt đúng vào quỹ đạo này thì nó sẽ quay quanh Trái đất với tốc độ tương đương với tốc độ quay của Trái đất. Kết quả là, nó sẽ hầu như luôn ở nguyên vị trí nơi nó được phóng ban đầu, mặc dù thử nghiệm sẽ bắt đầu ở quỹ đạo Trái đất thấp hơn. Do vị trí đứng yên của các vệ tinh nên phần lớn các khái niệm thường tập trung vào quỹ đạo địa tĩnh (GEO) song việc thử nghiệm phải bắt đầu ở các quỹ đạo thấp hơn nhiều, điều này sẽ giúp duy trì tải cơ bản gần như không đổi trong suốt cả năm bằng cách chỉ sử dụng một module để cung cấp điện cho một địa điểm duy nhất đặt trên Trái đất. Chi phí đưa vào GEO chắc chắn cao hơn so với LEO và MEO. Hiệu suất của nhà máy năng lượng mặt trời pin PV hai mặt vượt trội hơn MEO bằng cách thực hiện chuyển động modules trên quỹ đạo chính xác với việc áp dụng lực đẩy tối thiểu cần thiết để ổn định quỹ đạo và khá tối thiểu so với hai quỹ đạo còn lại, do vậy, đây có thể được coi là quỹ đạo tối ưu để phóng SBSP.

Đối với truyền dẫn không dây, hệ thống dựa trên sóng vi ba microwave/vi sóng có thể áp dụng ở tất cả các quỹ đạo LEO, MEO, GEO, trong khi hệ thống dựa trên tia laser bị hạn chế ở các quỹ đạo thấp hơn. Những nhược điểm của công nghệ dựa trên laser còn vượt ra ngoài những quan ngại về an toàn, môi trường và pháp lý. Đối với những yếu tố này và các yếu tố khác, việc truyền dẫn dựa trên vi sóng là trọng tâm chính của các nghiên cứu khoa học. Đối với truyền dẫn vi sóng, các phương pháp chuyển đổi năng lượng quang điện (PV) và hoạt động mặt trời (solar dynamic-SD) đang được nghiên cứu, trong đó công nghệ PV được ưu tiên. Trong công nghệ PV, các tia mặt trời được thu giữ dưới dạng năng lượng giống như pin mặt trời truyền thống, sau đó chuyển hóa thành năng lượng. PV sử dụng vật liệu bán dẫn như silicon để chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Tính đơn giản, nhu cầu bảo trì thấp và khả năng thích ứng với các môi trường đa dạng khiến chúng trở thành lựa chọn đáng tin cậy cho các ứng dụng không gian. Tuy nhiên, hệ thống PV phải đối mặt với những thách thức như hiệu suất hạn chế, trọng lượng đáng kể và độ nhạy cảm với sự dao động nhiệt độ. Hệ thống hoạt động mặt trời sử dụng gương để tập trung ánh sáng vào chất lỏng đang hoạt động, sau đó tạo ra điện thông qua động cơ nhiệt. Sử dụng gương có thể là một giải pháp khả thi để giảm khối lượng tổng thể của hệ thống song điều này cũng có những phức tạp riêng. Tuy nhiên, thiết kế phức tạp, sự phụ thuộc vào các bộ phận chuyển động và độ nhạy với độ chính xác trong việc chỉ ra những thách thức về độ phức tạp và bảo trì. Do tần số được đề xuất, việc truyền dẫn điện không dây sử dụng vi sóng là an toàn cho con người. Chùm tia chạm vào Trái đất để truyền tới bộ chỉnh lưu trên mặt đất có nhiệm vụ chuyển đổi vi sóng thành điện năng có thể được điều chỉnh và đưa vào lưới điện với các đặc tính thích hợp. Toàn bộ hệ thống được chia thành nhiều hệ thống phụ khác nhau. Sau đây là các hệ thống con của hệ thống SBSP dựa trên vi sóng:

Thu giữ và chuyển đổi năng lượng: Thu giữ năng lượng mặt trời sẽ là chức năng chính của giai đoạn đầu tiên của hệ thống. Pin mặt trời hoặc hệ thống sẽ được sử dụng ở quy mô đó (có thể là km). Các photons thu được phải hướng tới cơ chế chuyển đổi. Đây là một trong những khía cạnh thách thức nhất của hệ thống bởi vì công nghệ pin mặt trời hiện tại không đạt được như kỳ vọng. Trước khi năng lượng mặt trời có thể được truyền dẫn, nó phải được chuyển đổi từ năng lượng điện vi sóng hoặc chum tia laser. Điều này cũng sẽ bao gồm việc điều chỉnh công suất cần thiết trước khi truyền dẫn để tăng hiệu quả. Những phát triển mới trong điện tử công suất đã hợp lý hóa quy trình chuyển đổi, mặc dù vẫn cần nghiên cứu để đạt được hiệu quả cao hơn. HCPV sẽ hỗ trợ giảm khối lượng hệ thống và tăng hiệu suất chuyển đổi, lái hướng nhiệt và giảm khối lượng hệ thống.

Truyền dẫn năng lượng: Hệ thống phụ này sử dụng chùm năng lượng vi sóng để truyền dẫn một lượng lớn năng lượng. Điều này liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng điện thành tần số vô tuyến vi ba không ion hóa và truyền nó từ vệ tinh đến trạm thu đặt trên mặt đất. Việc sản xuất antenna truyền dẫn điện lớn, hiệu quả phải là trọng tâm chính song những công nghệ này không hiệu quả ở quy mô nhỏ và không thể xác minh được trừ khi chúng được triển khai trên quy mô lớn. Mặc dù một số thử nghiệm đã được tiến hành song vẫn cần nghiên cứu chuyên sâu hơn để cải thiện hiệu quả và độ chính xác của hệ thống. Việc tạo ra một chùm tia kết hợp trên một khuôn khổ linh hoạt sẽ rất khó khăn. Đây là một trong những trở ngại công nghệ nghiêm trọng nhất đối với sự phát triển năng lượng mặt trời từ không gian. Các băng tần phải được ấn định và thống nhất ở cấp độ quốc tế để chống nhiễu cho các hệ thống hiện có.

Điều khiển, liên lạc và bảo trì vệ tinh: Việc bảo trì và liên lạc vệ tinh chiếm một lượng lớn hoạt động của hệ thống. Điều này bao gồm quản lý nhiệt, bảo trì trạm, hệ thống liên lạc và điều khiển cho vệ tinh. Để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy, thiết bị điện tử công suất và các bộ phận khác phải được làm mát đầy đủ song vẫn cần thử nghiệm thêm về tải nhiệt và tản nhiệt trong không gian. Nhu cầu về hệ thống làm mát trong không gian hiện còn đang gây tranh cãi. Mức tải nhiệt không gian và phân tán nhiệt cần được thử nghiệm nhiều lần hơn. Trong trường hợp này, công nghệ vệ tinh hiện đại có thể hỗ trợ phát triển sự hiểu biết sâu sắc hơn. Để duy trì quỹ đạo cần thiết, tàu vũ trụ sẽ cần có động cơ đẩy và các cấu trúc lớn phải đối mặt với các vấn đề về mở rộng quy mô và cải tiến công nghệ. Những công trình khổng lồ đòi hỏi công nghệ tiên tiến hơn. Việc duy trì trạm trong khi hạ thấp khối lượng kết cấu đòi hỏi phải có bộ đẩy điện và giảm chấn cơ học cũng như việc điều khiển vệ tinh đòi hỏi phải tích hợp các cảm biến, logics điều khiển và xử lý. Hệ thống điều khiển được dự báo sẽ tiên tiến hơn đáng kể so với các vệ tinh hiện có. Người ta dự báo sẽ cần thêm các cảm biến để giúp kiểm soát các hệ thống và ứng phó với các mối đe dọa bất ngờ. Việc phát triển các phương pháp quản lý tài nguyên để điều chỉnh chùm antenna trong khi vẫn đảm bảo an ninh hệ thống là cần thiết cũng như cần phải liên lạc liên tục để điều khiển và giám sát các hệ thống từ Trái đất. Với việc các công nghệ thông tin hiện đại đã phát triển, hệ thống thông tin sẽ là một trong những khía cạnh ít khó khăn nhất của toàn bộ hệ thống.

Định hướng Mặt trời-Trái đất

Duy trì góc: Trong suốt quỹ đạo của nó, một SBSP trong GEO duy trì cùng một góc so với Trái đất. Trong quỹ đạo GEO, góc giữa bộ thu năng lượng mặt trời hướng về mặt trời và bộ phát vi sóng hướng về Trái đất luôn thay đổi. Do đó, nếu bộ thu năng lượng mặt trời liên tục hướng về phía mặt trời thì chùm tia vi sóng phải luôn hướng vào đúng vị trí trên Trái đất. Nếu chùm vi sóng được đặt hướng về phía Trái đất thì bộ thu phải liên tục hướng về phía mặt trời. Để khắc phục khó khăn này, một số giải pháp sử dụng hệ thống lái cơ khí, trong khi một số giải pháp khác sử dụng hệ thống lái chùm tia điện thể rắn.

Độ chính xác định hướng: Đối với các thiết kế sử dụng gương làm bộ thu, các gương phải được căn chỉnh với độ chính xác cực cao để duy trì cường độ mặt trời cao trên các bộ phận PV. Các gương phải giữ độ đồng nhất đủ cao để ngăn chặn các điểm nóng cục bộ hình thành trên các thành phần PV.

Hệ thống mặt đất sẽ dễ dàng xây dựng và bảo trì hơn so với hệ thống trên không gian. Bộ chỉnh lưu biến chùm tia truyền thành năng lượng điện là thành phần chính của hệ thống thu sóng mặt đất. Điều này khó khăn do chúng ta thiếu kỹ năng và kiến ​​thức về công nghệ antenna quan trọng cũng như việc chúng ta không có khả năng tiến hành các thí nghiệm trên quỹ đạo gần Trái đất. Để giảm kích thước của cấu trúc không gian, cần có một diện tích antenna khổng lồ lắp đặt trên Trái đất. Một chỉnh lưu nhỏ hơn có thể được sử dụng song nó sẽ chỉ thu được một phần năng lượng được truyền đi. Kích thước của vệ tinh trên không và chỉnh lưu của Trái đất được kết nối với nhau nhờ vật lý nhiễu xạ với các thử nghiệm đã chứng minh khái niệm này khả thi về mặt lý thuyết. Việc chuyển đổi điện thành dạng phù hợp để cung cấp cho lưới điện đòi hỏi các kỹ thuật vận hành lưới điện như bộ điều hòa nguồn (power conditioning) để chuyển đổi nguồn DC do pin nhiên liệu tạo ra thành nguồn AC có thể sử dụng được và kiểm soát công suất phản kháng (reactive power). Các trạm SBSP và PV sử dụng các kỹ thuật lọc điện, đảo ngược và quản lý công suất phản kháng tương tự nhau.

Phân phối mặt đất và tích hợp mạng lưới điện: Sử dụng máy biến áp và đường dây truyền dẫn để thu điện từ địa điểm và cung cấp điện cho mạng lưới điện là bước dễ dàng nhất trước khi chuyển đổi. Cơ sở hạ tầng để kết nối công nghệ như vậy với lưới điện đã tồn tại. Trạm điều khiển sẽ quản lý vệ tinh, việc truyền dẫn điện năng, chuyển đổi điện năng, phân phối điện năng và tất cả các luồng dữ liệu đi qua và được giám sát.

Dựa trên laser: Khái niệm về các hệ thống dựa trên chùm tia laser gần như giống hệt nhau. Ở quỹ đạo thấp hơn, vệ tinh sẽ đi qua nhiều quốc gia. Hoặc dự án sẽ là một nỗ lực đa quốc gia, hoặc năng lượng sẽ không được thu hồi suốt ngày đêm. Năng lượng mặt trời sẽ được chuyển đổi thành chùm tia laser bằng hệ thống laser thể rắn. Chùm tia laser này hướng về phía trạm thu mặt đất, biến đổi năng lượng của trạm mặt đất thành năng lượng điện.

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