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

Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời từ không gian

Chi phí và chi phí điện quy dẫn (LCOE): Hiện có rất nhiều biến số ảnh hưởng đến tổng chi phí thiết kế hệ thống, trong đó còn có chi phí xây dựng và bảo trì. Do vậy, cần phải xem xét chi phí vận hành và bảo trì cũng như tuổi thọ dự kiến ​​của hệ thống cũng như cần có chi phí tổng thể để tính LCOE, đây được coi là một yếu tố quan trọng khác và là chỉ số cơ bản để so sánh tổng chi phí trọn đời của sản xuất điện. Đó là tỷ lệ giữa tổng chi phí trọn đời của một nhà máy điện với tổng sản lượng năng lượng của nó trong suốt vòng đời.

Theo chi phí ước tính của CASSIOPeiA sẽ là 16,3 tỷ bảng Anh với LCOE là 50 £/MWh và chi phí ước tính của SPS-ALPHA thì cho biết sẽ là 11,4 tỷ USD với LCOE là 5,50 USD mỗi watt. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu (2021 và 2017) và đối với SBSP, phần lớn chi phí sẽ là chi phí vận chuyển đang giảm hàng ngày khi ngày càng có nhiều công ty tư nhân tham gia cuộc chạy đua vào khoảng không vũ trụ. Chính vì vậy, trừ khi một dự án thực sự được bắt đầu, chi phí không thể được báo giá một cách chính xác và LCOE không thể được tính toán chính xác. Một thực tế khác là LCOE đối với các nguồn tài nguyên khác nhau sẽ khác nhau ở các quốc gia khác nhau dựa trên địa lý và thời tiết của họ. Giống như đối với năng lượng mặt trời quy mô lớn, LCOE ở Vương quốc Anh là khoảng 33 £/MWh song đối với Hoa Kỳ, LCEO sẽ dao động từ 24 USD/MWh-96 USD/MWh, tùy theo từng tiểu bang. Đối với gió ngoài khơi, LCOE này ở Vương quốc Anh là 33 £/MWh và ở Hoa Kỳ là 72 USD/MWh -140 USDMWh.

Tính linh hoạt của sứ mệnh: Thiết kế của vệ tinh dựa trên quỹ đạo mục tiêu, chẳng hạn như GEO, để có được sự hấp thu nhiều năng lượng nhất và sử dụng năng lượng đó trên toàn bộ quỹ đạo. Những quỹ đạo khác có khả năng thích ứng cao hơn và có thể sử dụng nhiều quỹ đạo, chẳng hạn như LEO và MEO, trong khi vẫn đạt được mức sử dụng cao và cung cấp năng lượng rẻ tiền. Tính năng này có thể cho phép tính linh hoạt của sứ mệnh và cơ hội cho các vệ tinh phát triển quy mô nhỏ hơn cung cấp năng lượng cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau (ví dụ như các tổ chức nghiên cứu ở các vùng cực nơi chi phí nhiên liệu rất cao, cứu trợ thiên tai và triển khai quân sự).

Đổi mới vật liệu và công nghệ: Vật liệu và công nghệ được sử dụng trong SBSP là một trong những trở ngại lớn nhất. Đánh giá các lĩnh vực này cho thấy mặc dù hiện đã có sẵn các công nghệ cần thiết song hiệu quả hoạt động vẫn cần được giải quyết. Các trạm vũ trụ và các vệ tinh khác hiện đang sử dụng các tấm pin mặt trời và trong khi pin mặt trời nhẹ làm từ gallium arsenide (GaAs) có sẵn trên thị trường, hiệu suất của chúng là khoảng từ 30%–35%, vẫn chưa đủ cho các loại ứng dụng này.

Liên quan đến truyền dẫn điện không dây, Nikola Tesla là một nhà phát minh, kỹ sư điện, kỹ sư cơ khí (Hoa Kỳ) đã tiến hành các thí nghiệm đầu tiên vào cuối Thế kỷ 19, song ông đã không thành công do sự khuếch tán công suất không dây, vốn phụ thuộc vào tần số và kích thước của antenna. W. Brown cũng đã phát triển khái niệm mảng chỉnh lưu đầu tiên tại Công ty Raytheon (1963) với những thành công trong các cuộc thử nghiệm truyền dẫn điện không dây (wireless power transfer-WPT) trên thực địa, song kích thước và chi phí của hệ thống đã ngăn cản mọi ứng dụng thực tiễn khả thi.

Về mặt chỉnh lưu, kích thước và chi phí luôn luôn cao là vấn đề song các thí nghiệm gần đây cho thấy điều này là khả thi. Ngày 3/3/2023, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Caltech đã trình diễn việc truyền dẫn năng lượng không dây bằng cách sử dụng một loạt các bộ truyền năng lượng vi sóng nhẹ, linh hoạt được cung cấp năng lượng bởi các chip điện tử được thiết kế đặc biệt được chế tạo bằng công nghệ silicon với giá cả phải chăng. Để truyền dẫn năng lượng tới các khu vực mục tiêu, họ đã sử dụng một loạt mảng máy phát. Những thí nghiệm như thế này đang trở nên ngày càng phổ biến hơn khi công nghệ điện tử trở nên hiệu quả hơn.

Thiết kế ý tưởng của SBSP: Đánh giá kỹ thuật

Một số ý tưởng thiết kế vệ tinh đang được nhiều hãng, tổ chức và doanh nghiệp khác nhau thực hiện với một số khái niệm như sau:

Modules bánh sandwich: “Modules bánh sandwich” được nghiên cứu lần đầu tiên liên quan đến nghiên cứu của NASA/DOE vào cuối những năm 1970 và là thành phần chính của một số cấu trúc modules SBSP. Modules bánh sandwich thực hiện các nhiệm vụ có thể được chia thành ba lớp: Tích lũy năng lượng mặt trời và chuyển đổi thành điện một chiều; tạo ra tín hiệu sóng vô tuyến vi ba có cường độ cao và tần số thích hợp để truyền dẫn và tạo ra khẩu độ mảng truyền dẫn trong không gian với khả năng ghép chùm tia đủ để truyền dẫn năng lượng hữu ích xuống mặt đất.

Mảng pha quỹ đạo tích hợp thể rắn khẩu độ không đổi (CASSIOPeiA): Hệ thống các tấm quang điện mặt trời tập trung cao (HCPV) gắn trên cấu trúc xoắn ốc có tên CASSIOPeiA, được định hướng bắc-nam để thu tia mặt trời phản chiếu bởi gương ở cả hai phía của cấu trúc. Một tập hợp các antenna phát sóng vi ba tạo thành một mảng pha có thể định hướng trực giao với các tấm HCPV. Điều này cho phép điều khiển chùm vi sóng 360°. Do đó, các gương có thể tiếp tục hướng về Mặt trời trong suốt quỹ đạo của nó và tiếp tục cung cấp điện cho Trái đất. Hệ thống không có thành phần dịch chuyển và hoàn toàn ở thể rắn. Bằng cách điều chỉnh áp suất mặt trời lên gương bằng vật liệu điện chrom, sự ổn định của quỹ đạo được thực hiện. Mỗi modules riêng lẻ có sự kết hợp của antenna lưỡng cực PV và RF, khiến nó trở thành một thiết kế phân tán theo modules. Cấu trúc của nó từ một số lượng lớn chỉ có năm loại modules phổ biến cho phép triển khai cùng với cấu trúc robots cùng với thiết kế phân tán được tạo ra để giảm bớt những thách thức nảy sinh từ việc quản lý nhiệt và phân phối điện. Do không còn điểm hư hỏng nào nữa nên cũng có thể xảy ra hiện tượng xuống cấp nhẹ. Theo các nhà thiết kế, vệ tinh sẽ không cần bảo trì và có khả năng chống lão hóa nhẹ nhàng trong suốt vòng đời của nó.

Theo Cash, khối lượng ước tính của hệ thống 2 GW công suất là 2.000 tấn, với antenna rộng 1,6 km sẽ phát sóng tới antenna dài 5 km. CASSIOPeiA dự kiến ​​sẽ đạt được mức công suất cụ thể cao do nhờ việc sử dụng HCPV của cấu trúc, giúp giảm lượng quang điện cần thiết và cách bố trí sáng tạo, giúp tối đa hóa việc sử dụng tất cả các modules.

Vệ tinh năng lượng mặt trời thông qua mảng pha tùy ý (SPS-ALPHA): SPS-ALPHA là một thiết kế bộ tập trung sử dụng thiết kế ổn định độ dốc trọng lực để cách ly khối gương khỏi modules bánh sandwich mở rộng vài km. Bảng điều khiển tấm bánh sandwich có chức năng tương tự như trên CASSIOPeiA song mỏng hơn với hướng vĩnh viễn về Trái đất để truyền dẫn điện. Để phản chiếu ánh sáng lên các quang điện trong bảng điều khiển tấm bánh sandwich, thiết kế này sử dụng các bộ định nhật được điều chỉnh bằng động cơ và riêng biệt để phản ứng với sự thay đổi vị trí của Mặt trời so với Trái đất. Bằng cách điều chỉnh vị trí vệ tinh của người điều hành, lượng ánh sáng chiếu vào các tấm pin có thể được điều chỉnh. Bộ dụng cụ bao gồm hệ thống tấm gương phẳng xoay (heliostats) gắn trên một trục được di chuyển bằng kim đồng hồ trong đó tia nắng được phản xạ đều đặn theo một hướng rất quan trọng để kiểm soát tải nhiệt cùng với việc bố trí 10 loại modules tiêu chuẩn có thể hỗ trợ việc triển khai, lắp ráp robots và bảo trì. Bằng cách loại bỏ các điểm hư hỏng đơn lẻ, thiết kế này cho phép giảm nhẹ sự hư hỏng tiềm tàng. Thiết kế này cung cấp công suất vi sóng 2 GW công suất với antenna có đường kính 1,7 km kết hợp với antenna khổ rộng 6 km, với tổng khối lượng ước tính là 8.000 tấn. Để cung cấp năng lượng ổn định, vệ tinh được dự định sẽ quay quanh quỹ đạo GEO. Người ta kỳ vọng thiết kế của hệ thống sẽ có tuổi thọ 100 năm và có thể thay thế các bộ phận do tính linh hoạt của nó.

Vệ tinh năng lượng mặt trời đa vòng quay (MR-SPS): MR-SPS là một thiết kế định hướng về phía Mặt trời mà không có bộ thu. Mỗi tấm pin mặt trời khổng lồ của vệ tinh được hỗ trợ bởi một khớp nối xoay/quay (đa vòng quay). Một antenna được liên kết với cấu trúc; các khớp nối xoay cho phép các tấm pin mặt trời quay theo một trục độc lập với khuôn khổ; năng lượng do các tấm pin tạo ra được truyền tới antenna thông qua các khớp nối xoay. Công nghệ này được cho là có thể loại bỏ vấn đề tạo ra thiết lập bộ thu năng lượng mặt trời chính xác và kiểm soát nhiệt độ. Hơn thế nữa, các kỹ sư còn nhận thấy các khớp nối xoay cực kỳ chắc chắn và hệ thống phân phối điện rộng lớn đặt ra những thách thức công nghệ đáng kể. Dường như đã có nhiều sự chú ý dành cho việc khắc phục những khó khăn này. Kế hoạch hiện tại là thiết lập hệ thống cấu trúc 1 GW công suất có chiều rộng 11,8 km, nặng 10.000 tấn đặt trên quỹ đạo GEO. Antenna thì có đường kính 1 km cùng với antenna rộng 5 km với tuổi thọ dự kiến ​​là ba mươi năm.

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