K thu t thu bi n đ iỹ ậ ế ổ
năng l ng m t tr iượ ặ ờ
truy n không dây t vũề ừ
tr v m t đ tụ ề ặ ấ
Năng l ng là m t th c th khách quan t n t i trong vũ tr . Nó là kh iượ ộ ự ể ồ ạ ụ ở
ngu n c a vũ tr , là đ ng l c căn b n t o ra s s ng và s phát tri n trongồ ủ ụ ộ ự ả ạ ự ố ự ể
th gi i t nhiên, trong đó có con ng i. V i s bùng n dân s m nh mế ớ ự ườ ớ ự ổ ố ạ ẽ
nh hi n nay, nhu c u tiêu th năng l ng cho các ho t đ ng c a con ng iư ệ ầ ụ ượ ạ ộ ủ ườ
ngày càng tăng. Trong khi các ngu n năng l ng hóa th ch đang ngày càngồ ượ ạ
c n ki t d n, ngu n năng l ng h t nhân tính an toàn không cao, còn cácạ ệ ầ ồ ượ ạ
ngu n năng l ng tái t o l i chi m t ph n r t ít, thì v n đ an ninh năngồ ượ ạ ạ ế ỷ ầ ấ ấ ề
l ng đang là m t trong các v n đ then ch t c n ph i gi i quy t.ượ ộ ấ ề ố ầ ả ả ế
Đ có th đ m b o an ninh năng l ng lâu dài cho loài ng i, t nhi u th pể ể ả ả ượ ườ ừ ề ậ
k nay các nhà khoa h c đã và đang t p trung tìm ki m các ngu n năng l ngỷ ọ ậ ế ồ ượ
m i, trong đó có ngu n năng l ng m t tr i truy n không dây t vũ tr vớ ồ ượ ặ ờ ề ừ ụ ề
m t đ t b ng công ngh chùm tia vi ba và laser công su t cao.ặ ấ ằ ệ ấ
Trong vũ tr (ví d trên qu đ o đ a tĩnh-GEO), ánh sáng m t tr i có g n nhụ ụ ỹ ạ ị ặ ờ ầ ư
quanh năm, m t đ năng l ng m t tr i đ t c 1340 W/m2, l n g p g n 8ậ ộ ượ ặ ờ ạ ỡ ớ ấ ầ
l n so v i năng l ng trung trình trên m t đ t. Năng l ng m t tr i nhi u vôầ ớ ượ ặ ấ ượ ặ ờ ề
t n, có th dùng hàng t năm.ậ ể ỷ
M t tr i phát năng l ng d ng tia b c x kho ng 12x1016 Joules/secặ ờ ượ ở ạ ứ ạ ả
(ho c 120.000 TW/sec) xu ng trái đ t. L ng năng l ng này còn l n h nặ ố ấ ượ ượ ớ ơ
r t nhi u l n so v i s l ng năng l ng c trái đ t dùng trong 1 năm. Vìấ ề ầ ớ ố ượ ượ ả ấ
v y, bi n đ i năng l ng m t tr i sang d ng chùm tia vi ba ho c laser v iậ ế ổ ượ ặ ờ ạ ặ ớ
công su t cao (c GW đ n TW) r i truy n v trái đ t (ho c truy n t m tấ ỡ ế ồ ề ề ấ ặ ề ừ ộ
đi m đ n m t đi m trong vũ tr ), sau đó chuy n sang d ng đi n năng, đ aể ế ộ ể ụ ể ạ ệ ư
đ n n i s d ng đ c coi là gi i pháp có tính kh thi nh t, đ m b o an ninhế ơ ử ụ ượ ả ả ấ ả ả
năng l ng lâu dài cho loài ng i.ượ ườ
M t s nét chính v h truy n không dây năng l ng m t tr i t vũộ ố ề ệ ề ượ ặ ờ ừ
tr v m t đ tụ ề ặ ấ
Truy n năng l ng không dây hay truy n công su t không dây WPTề ượ ề ấ
(Wireless Power Transmission) là quá trình truy n năng l ng cao t m tề ượ ừ ộ
đi m đ n m t đi m nào đó không c n dây d n. Truy n năng l ng khôngể ế ộ ể ầ ẫ ề ượ
dây, v c b n khác v i truy n thông tin không dây trong vi n thông (nhề ơ ả ớ ề ễ ư
radio, TV, Rada, Mobilphone), đó thông tin đ c bi n đi u truy n đi m iở ượ ế ệ ề ọ
h ng, tín hi u có trong m t d i t n xác đ nh, công su t tín hi u đ u thuướ ệ ộ ả ầ ị ấ ệ ở ầ
th ng r t nh (c nW đ n µW)… còn trong lĩnh v c truy n năng l ngườ ấ ỏ ỡ ế ự ề ượ
không dây thì đ l n và hi u su t truy n năng l ng là quan tr ng nh t, năngộ ớ ệ ấ ề ượ ọ ấ
l ng ch truy n theo m t chi u xác đ nh.ượ ỉ ề ộ ề ị
Ph n l n các h th ng truy n năng l ng không dây tr ng g n d a trênầ ớ ệ ố ề ượ ườ ầ ự
nguyên lý c m ng t và c m ng đi n t . V sau công ngh truy n năngả ứ ừ ả ứ ệ ừ ề ệ ề
l ng không dây tr ng xa đ c th c hi n b ng nguyên lý phóng chùm tiaượ ườ ượ ự ệ ằ
công su t (powerbeam) d ng tia vi ba hay tia laser đ truy n công su t l nấ ở ạ ể ề ấ ớ
(c KW, MW th m chí thi t k đ n c GW) t vũ tr v b m t trái đ t.ỡ ậ ế ế ế ỡ ừ ụ ề ề ặ ấ
V m t l ch s truy n năng l ng không dây đ c nghiên c u tri n khai r tề ặ ị ử ề ượ ượ ứ ể ấ
s m, cách đây kho ng 150 năm, b t đ u t các khái ni m và ý t ng vớ ả ắ ầ ừ ệ ưở ề
truy n năng l ng mà không c n dùng đ ng dây t i đi n cao th do Nicolaiề ượ ầ ườ ả ệ ế
Tesla kh i x ng. Tuy nhiên t đó đ n nay k t qu lý thuy t và th c nghi mở ướ ừ ế ế ả ế ự ệ
v truy n công su t không dây đã không ti n b nhi u so v i công nghề ề ấ ế ộ ề ớ ệ
truy n thông tin do thi u mô hình lý thuy t và công ngh m i phù h p.ề ế ế ệ ớ ợ
Năm 1900 v i vi c tri n khai truy n năng l ng không dây qua các tháp caoớ ệ ể ề ượ
New York, làm sáng m t s bóng đèn huỳnh quang kho ng cách 26 h i lýở ộ ố ở ả ả
(c 40 km), N.Tesla đã thu đ c m t s k t qu đáng khích l trong lĩnh v cỡ ượ ộ ố ế ả ệ ự
truy n không dây. M t s nhà nghiên c u sau đó đã tri n khai nhi u nghiênề ộ ố ứ ể ề
c u thí nghi m v truy n năng không dây tr ng g n dùng đ n p đi n choứ ệ ề ề ườ ầ ể ạ ệ
m t s thi t b nh máy đi n, ôtô, xe đi n, máy tính, đi n tho i di đ ng...ộ ố ế ị ư ệ ệ ệ ạ ộ
Doanh thu cho n p đi n không dây lên t i trên 1 t USD. Tuy nhiên, ch đ nạ ệ ớ ỷ ỉ ế
năm 2004, sau các nghiên c u lý thuy t t ng minh h n, và nh t là sau cácứ ế ườ ơ ấ
thí nghi m c a nhóm nghiên c u t i MIT, v n đ này m i đ c nghiên c uệ ủ ứ ạ ấ ề ớ ượ ứ
m nh m , nhi u công ty l n nh Samsung, Intel đã nhanh chóng đ u t vàạ ẽ ề ớ ư ầ ư
đ t đ c r t nhi u k t qu n t ng.ạ ượ ấ ề ế ả ấ ượ
Trong khi đó vi c nghiên c u truy n công su t tr ng xa đã đ c quan tâmệ ứ ề ấ ườ ượ
m nh t nh ng năm 1973, sau patent c a Glaser Peter dùng chùm tia vi ba hayạ ừ ữ ủ
laser công su t cao đ truy n công su t t qu đ o GEO, MEO hay LEO trênấ ể ề ấ ừ ỹ ạ
vũ tr v m t đ t. T đó đ n nay đã có hàng ch c d án l n M , Nh t,ụ ề ặ ấ ừ ế ụ ự ớ ở ỹ ậ
châu Âu, Trung qu c, n Đ đ c tri n khai v i đ u t hàng ch c t USDố Ấ ộ ượ ể ớ ầ ư ụ ỷ
và đã thu đ c nhi u k t qu t t.ượ ề ế ả ố
Hình 1. Hình trong patent g c v ph ng pháp truy n năng l ngố ề ươ ề ượ
không dây t vũ tr v m t đ t c a Peter Glaser (1973) a); nguyên lý môừ ụ ề ặ ấ ủ
hình h truy n năng l ng không dây b ng chùm tia Vi ba, b,c); và hệ ề ượ ằ ệ
th ng rectena thu chùm tia Vi ba trên m t đ t chuy n sang d ng đi nố ặ ấ ể ạ ệ
năng d)
Nguyên lý c u t o c a h th ng truy n năng l ng cao không dây b ngấ ạ ủ ệ ố ề ượ ằ
chùm tia vi ba ho c laser v m t đ t bao g m các ph n chính sauặ ề ặ ấ ồ ầ
V tinh năng l ng M t tr i (SPS-Solar Power Satellite) bay trên qu đ oệ ượ ặ ờ ỹ ạ
GEO, MEO, LEO, bao g m m t s kh i thi t b sau:ồ ộ ố ố ế ị
- Kh i thi t b thu năng l ng m t tr i, th ng bao g m h th ng g ng đố ế ị ượ ặ ờ ườ ồ ệ ố ươ ể
h i t năng l ng m t tr i, và các pannel pin m t tr i đ cung c p đi n choộ ụ ượ ặ ờ ặ ờ ể ấ ệ
ma tr n linh ki n vi ba (ho c laser).ậ ệ ặ
- Kh i ma tr n linh ki n viba nh TWT, cyclostron, ho c cryston bi n đ iố ậ ệ ư ặ ế ổ
năng l ng đi n t năng l ng m t tr i thành các tia vi ba có công su t cao.ượ ệ ừ ượ ặ ờ ấ
Còn đ i v i h laser là các ma tr n laser công su t cao.ố ớ ệ ậ ấ
- H th ng (ma tr n) angten phát b c x vi ba b ng các angten liên k t phaệ ố ậ ứ ạ ằ ế
đ t trên v tinh h ng xu ng m c tiêu d i đ t, n i có h th ng angten thu.ặ ệ ướ ố ụ ướ ấ ơ ệ ố
Còn đ i v i h laser là h th ng phát chùm laser công su t cao xu ng m cố ớ ệ ệ ố ấ ố ụ
tiêu
Không gian truy n d n năng l ng không dây: b u không gian vũ tr t quề ẫ ượ ầ ụ ừ ỹ
đ o GEO, MEO hay LEO v m t đ t. T n s (b c sóng) đ i v i công nghạ ề ặ ấ ầ ố ướ ố ớ ệ
chùm tia vi ba là 2,58 GHz, ho c t n s 5,8 GHz, còn đ i v i chùm tia laserặ ầ ố ố ớ
là b c sóng h ng ngo i d i λ= 0,7 - 1,1µmướ ồ ạ ở ả
H th ng thi t b angten thu chùm tia vi ba (laser) bi n đ i sang đi n r iệ ố ế ị ế ổ ệ ồ
truy n d n năng l ng đ n n i s d ngề ẫ ượ ế ơ ử ụ
- H th ng thu chùm tia vi ba trên m t đ t là ma tr n angten thu tín hi u vi baệ ố ặ ấ ậ ệ
và b ch nh l u k t h p v i nhau, g i là rectena. Tín hi u vi ba đ c thu r iộ ỉ ư ế ợ ớ ọ ệ ượ ồ
ch nh l u b ng m ch ch nh l u dùng phôtôđiôt schottky. Vì năng l ng phátỉ ư ằ ạ ỉ ư ượ
ra t qu đ o GEO th ng có d ng hình nón, nên m t đ t c n có rectenaừ ỹ ạ ườ ạ ở ặ ấ ầ
kích th c thích h p m i thu nh n đ c h t năng l ng. Thông th ng năngướ ợ ớ ậ ượ ế ượ ườ
l ng t p trung ch y u trung tâm ra phía ngoài, t i rìa angten năng l ngượ ậ ủ ế ở ạ ượ
b ng không.ằ
- Đ i v i h th ng thu laser ch y u là dùng các t m pin m t tr i PV đa l pố ớ ệ ố ủ ế ấ ặ ờ ớ
hi u su t cao ghép vào nhau. Pin m t tr i có kh năng thu c ánh sáng m tệ ấ ặ ờ ả ả ặ
tr i t nhiên và c ánh sáng b c x t vũ tr phát ra.ờ ự ả ứ ạ ừ ụ
Hình 2. Mô hình nguyên lý v ph ng pháp truy n năng l ng không dâyề ươ ề ượ
t vũ tr v m t đ t b ngừ ụ ề ặ ấ ằ
chùm tia Laser a,b,c) và m t vài ng d ng trong lĩnh v c quân s e,f)ộ ứ ụ ự ự