Nhật Bản là quốc gia có năng lượng tái tạo tiên tiến nhất thế giới? ! Trình diễn quy mô đầy đủ sẽ bắt đầu vào năm 2022 hướng tới việc sử dụng thực tế việc phát điện mặt trời trong không gian
Tạo ra một nhà máy điện mặt trời khổng lồ ngoài không gian và gửi một lượng lớn điện xuống mặt đất 24 giờ một ngày. Một dự án lớn như vậy là Hệ thống Điện Mặt trời Không gian (SSPS). Trong khi sự ra đời của năng lượng tái tạo đang tăng tốc trên khắp thế giới hướng tới hiện thực hóa một xã hội khử cacbon, thì việc phát điện mặt trời không gian, tạo ra năng lượng bất kể thời tiết trên mặt đất và cả ngày lẫn đêm, được định vị là năng lượng tái tạo cuối cùng, và Nhật Bản dẫn đầu thế giới. làm. Chính phủ Nhật Bản đặt mục tiêu thương mại hóa các tấm pin mặt trời vào năm 2050 và sẽ bắt đầu các thí nghiệm trình diễn để triển khai các tấm pin mặt trời trong không gian từ năm 2022. Chính xác thì phát điện mặt trời ngoài không gian là gì?
Điện mặt trời vũ trụ có thể tạo ra điện cả ngày lẫn đêm, bất kể thời tiết là gì?
Chi phí xây dựng hơn 2 nghìn tỷ yên
Vi sóng thực sự có thể truyền điện?
Không chịu thua kém Nhật Bản, Hoa Kỳ, Trung Quốc, v.v. cũng đang tăng tốc R&D
Nhật Bản là quốc gia tiên tiến nhất thế giới, có kế hoạch trình diễn quy mô lớn vào những năm 2030
Điện mặt trời vũ trụ có thể tạo ra điện cả ngày lẫn đêm, bất kể thời tiết là gì?
Sản xuất điện mặt trời ngoài không gian là một vệ tinh phát điện trôi nổi trên quỹ đạo ở độ cao 36.000 km so với đường xích đạo, thu thập ánh sáng mặt trời để tạo ra điện, chuyển điện năng thành sóng vô tuyến như vi sóng và gửi xuống mặt đất. Đó là một dự án. Các vệ tinh phát điện được trang bị các tấm pin mặt trời và ăng-ten truyền tải điện, và còn được gọi là "trạm phát điện trôi nổi trong không gian."
Khoảng 2 km vuông, một tấm pin mặt trời khổng lồ được triển khai trên quỹ đạo để tạo ra 1.000.000 kW điện, tương đương với công suất của một nhà máy điện hạt nhân. Một hệ thống đẹp như mơ với đường kính 4 km đang được hình dung.
Hình ảnh của SSPS vi sóng
Nguồn: Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, Khoa học và Công nghệ và Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp
Trên thực tế, lịch sử phát điện mặt trời ngoài không gian đã lâu đời một cách đáng kinh ngạc. Năm 1968, lần đầu tiên nó được Tiến sĩ Peter Glaser của Hoa Kỳ đề xuất là năng lượng tái tạo tối ưu không dựa vào nhiên liệu hóa thạch. Vào thời điểm đó, nước Mỹ đang ở thời kỳ hoàng kim của chương trình Apollo. Để đối phó với xu hướng của cuộc chạy đua không gian, phương pháp xây dựng cho sự phát triển không gian tiếp theo, sử dụng công nghệ truyền tải điện bằng vi sóng, mới bắt đầu được nghiên cứu, bắt đầu được xem xét. Cú sốc dầu xảy ra vào những năm 1970 đã khiến xã hội chú ý ngay lập tức.
Nhưng tại sao phải quan tâm đến việc xây dựng một nhà máy điện ngoài không gian?
Lý do rất đơn giản: nó rất hiệu quả. Hướng tới quá trình khử cacbon vào năm 2050, chính phủ Nhật Bản đã đặt ra mục tiêu giới thiệu năng lượng tái tạo càng nhiều càng tốt và biến nó trở thành nguồn năng lượng chính. Tuy nhiên, nếu nó được lắp đặt trên mặt đất, nó không thể phát điện vào ban đêm, và bị ảnh hưởng bởi thời tiết vào ban ngày, và lượng điện tạo ra giảm vào những ngày mưa hoặc nhiều mây. Mặt khác, 36.000 km không gian có thể tạo ra điện mà không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết trên mặt đất như mây. Ngoài ra, vì đường xích đạo của Trái đất nghiêng khoảng 24 độ so với hướng của mặt trời, nên có thể tạo ra điện 24 giờ một ngày, ngoại trừ tối đa 70 phút trong mùa xuân và mùa thu khi nó ở trong bóng tối của Trái đất. .
Nguồn: Nippon Electric Glass
Hơn nữa, do bầu khí quyển không bị xáo trộn, có thể thu được ánh sáng mặt trời mạnh, nên hiệu suất phát điện được cho là cao hơn khoảng 10 lần so với trên mặt đất (theo một tính toán thử nghiệm của Tổ chức Thúc đẩy Sử dụng và Phát triển Hệ thống Vũ trụ). Vì điện năng được tạo ra được phân phối bằng sóng vô tuyến, nó có thể được gửi linh hoạt đến các khu vực cần thiết. Tất nhiên, vì là năng lượng tái tạo nên nó không thải ra khí carbon dioxide và không tốn nhiên liệu. Người ta cũng cho rằng ăng-ten thu sóng khổng lồ ở mặt đất sẽ được lắp đặt trên biển.
Nó thực sự là năng lượng tái tạo tối thượng, một dự án đáng mơ ước. Vì lý do đó, hàng năm, chính phủ Nhật Bản cũng tuyên bố rằng họ sẽ nghiên cứu và phát triển hướng tới hiện thực hóa sản xuất điện mặt trời trong không gian trong "Kế hoạch Cơ bản cho Chính sách Không gian", đây là chính sách cơ bản của chính sách không gian. Bản sửa đổi vào cuối năm 2021 bao gồm mục tiêu chứng minh khả năng truyền năng lượng từ quỹ đạo Trái đất tầm thấp xuống mặt đất vào năm 2025 nhằm hướng tới hiện thực hóa sản xuất điện mặt trời ngoài không gian.
Tuy nhiên, nó sẽ không được thực hiện sớm nhất là vào khoảng năm 2050. Điều này là do chi phí xây dựng rất lớn, và việc phát triển công nghệ chuyển điện năng tạo ra thành vi sóng và truyền xuống mặt đất cách xa 36.000 km là vô cùng khó khăn.
Hai thách thức lớn phải đối mặt là phát điện mặt trời ngoài không gian
Chi phí xây dựng hơn 2 nghìn tỷ yên
Cấu trúc không gian lớn nhất từng được nhân loại xây dựng là Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), hoạt động ở độ cao khoảng 400 km. Tuy nhiên, kích thước của nó rộng khoảng 100 mét và nặng khoảng 340 tấn. ISS được hoàn thành bằng cách phóng tên lửa và tàu con thoi nhiều lần, vận chuyển các bộ phận và lắp ráp có người lái lên quỹ đạo bởi các phi hành gia vận hành cánh tay robot.
Tuy nhiên, nếu chúng ta tạo ra một trạm phát điện nổi có công suất 1.000.000 kW trên quỹ đạo ở độ cao 36.000 km, thì khối lượng sẽ lên tới hàng chục nghìn tấn. Ngoài nhu cầu vận chuyển khối lượng lớn 100 tấn mỗi ngày, người ta hình dung rằng các bộ phận sẽ được phóng lên quỹ đạo thấp bằng một tên lửa, lắp ráp và sau đó vận chuyển lên đến 36.000 km. Ít nhất hàng trăm lần phóng lên quỹ đạo trái đất thấp sẽ được yêu cầu. Theo tính toán thử nghiệm của Viện Kinh tế Năng lượng, Nhật Bản, chi phí xây dựng hệ thống 1.000MW sẽ lên tới 2.360 tỷ Yên. Hơn nữa, nghiên cứu về vận chuyển giữa các quỹ đạo, chẳng hạn như cách vận chuyển nó từ quỹ đạo trái đất thấp đến 36.000 km, vẫn còn sơ khai.
Ngoài ra, nếu bạn phóng nó bằng tên lửa H2A, được cho là 10 tỷ yên / đơn vị, chỉ riêng con số đó sẽ vượt quá vài nghìn tỷ yên. Nó cũng rất cần thiết để phát triển các tên lửa có chi phí cực thấp chỉ bằng 1/10 chi phí.
Lò vi sóng thực sự có thể truyền điện?
Một vấn đề kỹ thuật khác là truyền tải điện đường dài bằng vi sóng. Có thể truyền điện bằng lò vi sóng không?
Vi ba là sóng vô tuyến có bước sóng từ 0,1 mm đến 10 cm hoặc tần số từ 0,1 đến 100 GHz. Đó là làn sóng vô tuyến của phát sóng FM và truyền hình mặt đất / vệ tinh, lò vi sóng cũng biến đổi điện năng thành vi sóng và áp vào thức ăn để hâm nóng.
Có thể nhìn thấy ánh sáng vì nó là sóng vô tuyến có tần số rất hẹp. Do đó, nó được gọi là ánh sáng khả kiến. Mặt khác, sóng vô tuyến trở thành ánh sáng không nhìn thấy được. Nói cách khác, cả ánh sáng và vi sóng đều là sóng điện từ, và việc phát điện bằng năng lượng mặt trời sẽ biến đổi quang năng thành điện năng. Điều này có nghĩa là năng lượng vi sóng có thể được chuyển đổi thành điện năng.
Nghiên cứu cũng đang được tiến hành để chuyển sản xuất điện mặt trời trong không gian thành vi sóng và truyền chúng. JAXA (Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản) và các nhà sản xuất thiết bị điện do Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp ủy quyền lần đầu tiên tiến hành các thí nghiệm trình diễn trên mặt đất để xem vi sóng có thể được truyền đi chính xác như thế nào trong khoảng cách xa, với công suất 10 kW ở khoảng cách khoảng 500 mét. Tôi đã gửi điện thành công. Tuy nhiên, nó vẫn là 500m cho 36.000km, và thậm chí còn ít hơn theo chiều dọc. Ngoài ra, công suất có thể được truyền đi vẫn còn xa 10 kW và 1 triệu kW.
Tuy nhiên, nó đã được chứng minh rằng điện thực sự có thể được gửi đi, và theo nghĩa đó, có thể nói rằng nghiên cứu và phát triển đang tiến triển.
Hoa Kỳ và Trung Quốc cũng đang tăng tốc nghiên cứu và phát triển sản xuất điện mặt trời trong không gian
Không chịu thua kém Nhật Bản, Hoa Kỳ, Trung Quốc, v.v. cũng đang tăng tốc R&D
Mặt khác, một số ý kiến cho rằng ngân sách nên được phân bổ để mở rộng việc đưa vào sản xuất điện mặt trời trên mặt đất và sản xuất điện gió thay vì dựa vào sản xuất điện mặt trời trên không gian. Mặc dù kế hoạch được đề xuất ban đầu ở Hoa Kỳ vào những năm 1960, chi phí xây dựng khổng lồ hơn 100 tỷ đô la và các vấn đề kỹ thuật đã trở thành trở ngại, và nghiên cứu đã bị hủy bỏ ở mỗi quốc gia. Kể từ những năm 1980, chỉ có Nhật Bản tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển theo từng bước nhỏ nhưng vững chắc, và hiện đang đứng đầu thế giới.
Tuy nhiên, trong những năm 2010, các nghiên cứu bắt đầu về ứng dụng thực tế của cung cấp điện không dây, đây là một công nghệ phụ để sản xuất điện mặt trời trong không gian, và việc nghiên cứu và phát triển đã được đẩy mạnh ở Hoa Kỳ, Châu Âu, Trung Quốc và Hàn Quốc. Sau khi công nghệ spin-off được thiết lập, có thể truyền điện bằng vi sóng để sạc điện thoại thông minh và máy tính bảng, cung cấp điện cho các thiết bị IoT, máy bay không người lái và robot trong các nhà máy và lắp đặt thiết bị truyền tải điện dưới các con đường., Nó có thể có thể cho xe điện (EV) tiếp tục chạy mà không cần sạc lại.
Trên thực tế, JAXA đã thành công trong việc gửi vi sóng tới một máy bay không người lái cách mặt đất 30 mét. Chỉ riêng thị trường nội địa đối với lĩnh vực truyền tải điện bằng vi sóng dự kiến sẽ tăng lên tới 552 tỷ yên vào năm 2025 và Space Power Technologies, một công ty khởi nghiệp được tài trợ bởi Kansai Electric Power Co., đang cạnh tranh để phát triển.
Ước tính thị trường truyền tải điện vi sóng (năm 2025)
Số lượng dự báo quy mô thị trường ứng dụng
(2025, Nhật Bản)
(1) Cảm biến FA / IoT 375 tỷ yên
(2) Cảm biến theo dõi / chăm sóc y tá ¥ 50 tỷ
③ Thiết bị đầu cuối di động
(điện thoại thông minh, máy tính bảng, v.v.) 127 tỷ yên
Tổng ¥ 552 tỷ
Ước tính bởi Diễn đàn không dây băng thông rộng
Nguồn: Văn phòng Nội các
Hoa Kỳ sẽ bắt đầu một dự án quy mô khoảng 10 tỷ yên từ năm 2019, chủ yếu tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân và có kế hoạch tiến hành một thí nghiệm không gian quy mô nhỏ vào năm 2023. Trung Quốc cũng được cho là đang có kế hoạch xây dựng một viện nghiên cứu ở Trùng Khánh từ năm 2021 và phóng vệ tinh phát điện ra ngoài vũ trụ. Ngoài ra, các công ty Trung Quốc đang tăng cường sự hiện diện của họ, chẳng hạn như Xiaomi, một công ty điện thoại thông minh lớn, thông báo rằng họ đã phát triển một bộ sạc điện thoại thông minh có khả năng cung cấp năng lượng không dây vào cuối tháng 1/2021.
Nhật Bản là quốc gia tiên tiến nhất thế giới, có kế hoạch trình diễn quy mô lớn vào những năm 2030
Khi quá trình nghiên cứu và phát triển sản xuất điện mặt trời trong không gian tăng tốc, Nhật Bản cũng sẽ bắt đầu các thử nghiệm trình diễn quy mô đầy đủ để triển khai các tấm pin mặt trời ngoài không gian từ năm tài chính 2022. JAXA và Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, Khoa học và Công nghệ sẽ phóng HTV-X số 1, cung cấp nguồn cung cấp cho Trạm Vũ trụ Quốc tế, được trang bị các tấm pin mặt trời dài 2 m và rộng 4 m. được triển khai trong không gian bên ngoài. Chúng tôi cũng sẽ xác minh xem liệu sóng vô tuyến có thể được gửi và nhận từ mặt đất hay không. HTV-X là sự kế thừa của KOUNOTORI, đã hoàn thành sứ mệnh của mình vào năm 2020.
Hình ảnh sứ mệnh trên HTV-X
Nguồn: JAXA
Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp đang đặt mục tiêu phát triển "bảng điều khiển tích hợp phát điện (50 cm vuông)" được trang bị ăng-ten phát sóng vi ba và pin mặt trời vào năm tài chính 2023. Vào những năm 2030, chúng tôi có kế hoạch thực hiện một cuộc trình diễn quy mô lớn về việc thả nổi một bảng điều khiển lớp 30 mét trong không gian bên ngoài, đồng thời tiếp tục trình diễn công nghệ truyền sóng vi ba cách xa hơn một km.
Lên lịch cho đến khi sử dụng thực tế
Nguồn: Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, Khoa học và Công nghệ và Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp
Có nhiều vấn đề cần được khắc phục, chẳng hạn như lo ngại về tác động xấu của vi sóng đối với cơ thể con người, máy bay và thiết bị điện tử. Tuy nhiên, sản xuất điện mặt trời ngoài không gian là một công nghệ mơ ước có thể hiện thực hóa quá trình khử cacbon, và nghiên cứu phát triển trên thế giới đang được đẩy nhanh. Đặc biệt, Trung Quốc, quốc gia đặt mục tiêu trở thành “cường quốc không gian”, đang bắt kịp đáng kể. Việc sử dụng thực tế vẫn còn một thời gian nữa, sớm nhất là năm 2050, nhưng tôi hy vọng rằng Nhật Bản sẽ tiếp tục đi đầu trong việc nghiên cứu và hiện thực hóa sản xuất điện mặt trời trong không gian.
