Truyền tải điện bằng Laser - Công nghệ cung cấp năng lượng cho tương lai

Kể từ khi phát minh ra điện và được đẩy mạnh vào sản xuất ứng dụng trong cuộc sống, làm thế nào để tìm ra phương pháp truyền tải hiệu quả cao, giảm thiểu tối đa tổn thất truyền tải đường dài là một trong những trọng tâm chú ý của ngành điện và Các nhà nghiên cứu. Công nghệ truyền tải điện áp siêu cao của Trung Quốc tương đối dẫn đầu thế giới, tuy nhiên, trong quá trình truyền tải vẫn có tỷ lệ tổn thất 2%-7% (tùy theo khoảng cách), đây là mức tổn thất không nên xảy ra. làm ngơ.
Ý tưởng truyền năng lượng không dây lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà khoa học người Serbia Nikola Tesla cách đây 100 năm và tia laser có khả năng truyền năng lượng rất cao theo một hướng, về mặt lý thuyết đáp ứng nhu cầu truyền dẫn đường dài. Giống như ánh sáng mặt trời có thể sạc bảng mạch, laser với vai trò là phương tiện truyền dẫn đường dài không chỉ có công suất đầu ra cao mà còn có thể được thực hiện bất cứ lúc nào và bất cứ nơi nào mà không bị ràng buộc bởi cáp sạc, điều này có những ưu điểm vô song.
Năm 1992, công ty ABB của Hoa Kỳ đã dẫn đầu trong nghiên cứu liên quan đến công nghệ cung cấp năng lượng laser, thực hiện giám sát mạch đường dây điện áp cao và dần thay thế máy biến dòng lấy điểm CT truyền thống. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ và Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia cũng nhận ra rằng nếu vệ tinh và máy bay không người lái thông qua nguồn cung cấp năng lượng laser, bạn có thể đạt được thời gian dài hơn để thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn, nói cách khác là tia laser trong quân sự và hàng không vũ trụ có những khả năng chưa từng có, vì vậy một số chức năng vệ tinh laser của nghiên cứu kỹ thuật liên quan được thực hiện theo cách này.
Năm 1997, Nhật Bản N. Kawashima và những người khác đã tiến hành thử nghiệm cung cấp năng lượng cho robot thăm dò đáy núi lửa mặt trăng (ROVER) sử dụng khả năng truyền năng lượng laser. Bởi vì bên trong núi lửa không có ánh sáng mặt trời, chỉ có trong miệng núi lửa tiếp nhận ánh sáng mặt trời thành tia laser, truyền xuống đáy núi lửa để cung cấp năng lượng cho Rover. Công suất đầu ra laser của hệ thống truyền dẫn là 60W, khoảng cách truyền 1000m, điều khiển thành công hoạt động của robot 10W, hiệu suất chuyển đổi quang điện khoảng 20%.
Năm 2005, Trung tâm bay không gian Marshall của NASA đã tạo ra bước đột phá, lần đầu tiên với công suất 500 W, bước sóng 940nm laser cách xa phương tiện vi mô 15m để cung cấp điện 6W, để phương tiện hoạt động trong 15 phút. Năm 2013, Phòng thí nghiệm Hải quân Hoa Kỳ đã sử dụng thành công tia laser 2kW cách xa nguồn cung cấp điện từ xa của UAV 40m.
Một hệ thống cung cấp năng lượng laser hoàn chỉnh bao gồm ba mô-đun, đó là mô-đun máy phát laser, mô-đun truyền laser và mô-đun chuyển đổi laser thành điện. Trong số đó, hiệu suất của tia laser và tế bào quang điện, là cốt lõi của toàn bộ hệ thống năng lượng laser, làm thế nào để tạo ra năng lượng laser thông qua quá trình chuyển đổi điện - ánh sáng - điện, giảm thiểu tối đa sự suy giảm khí quyển, suy giảm chuyển đổi quang điện, là chỉ số chính của hệ thống này. Đại học Công nghệ Quốc phòng Trung Quốc, Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Nam Kinh, Đại học Vũ Hán, Viện Công nghệ Điện tử Hàng không Vũ trụ Sơn Đông và các viện nghiên cứu khác cũng đã thực hiện nghiên cứu liên quan đến gali arsenide, silicon đơn tinh thể và các tế bào quang điện khác để đạt được các bước sóng và khoảng cách khác nhau. nguồn điện laser.
Trong những năm gần đây, Nhật Bản, Nga và các nước khác cũng đang tập trung vào các ứng dụng công nghệ liên quan đến truyền tải năng lượng laser.
Nga tập trung ứng dụng truyền năng lượng laser trong không gian. Năm 2021, công ty vũ trụ tên lửa "năng lượng" của Nga có kế hoạch sử dụng tia laser cho các thí nghiệm truyền tải điện không dây, cho tương lai của việc truyền năng lượng trong không gian để đưa ra thử nghiệm khả thi. Thí nghiệm không gian, có tên mã là "Pelican", đề cập đến việc sử dụng tia laser để truyền năng lượng giữa các tàu vũ trụ và thí nghiệm này đã được đưa vào chương trình thí nghiệm khoa học dài hạn của Trạm vũ trụ quốc tế của Nga. Hiện nay, hiệu suất của các bộ chuyển đổi quang điện đã đạt tới 60% nên việc sử dụng tia laser để truyền điện từ tàu vũ trụ này sang tàu vũ trụ khác sẽ rất hiệu quả. Các nhà khoa học Nga lạc quan về việc sử dụng công nghệ truyền tải điện không dây bằng laser để sạc các vệ tinh trên quỹ đạo không gian.
Mặt khác, Nhật Bản chủ yếu đưa ra tầm nhìn về các ứng dụng trong cuộc sống. Viện Công nghệ Tokyo và các tổ chức khác cam kết phát triển dân sự hóa công nghệ "sạc không dây nhẹ". Việc sử dụng năng lượng điện để phát ra tia laser, các vật thể được chiếu xạ bằng tia laser và sau đó qua bảng phát điện sẽ được chuyển đổi thành năng lượng điện, do đó không chỉ có thể cứu điện thoại di động, sự cố về cấu hình thiết bị gia dụng mà còn giải quyết các phương tiện năng lượng mới cần thường xuyên dừng lại trên đường đi để tìm các cọc sạc có vấn đề về sạc.
Công nghệ truyền tải điện bằng laser có nhiều ưu điểm nhưng cũng có một số vấn đề cần giải quyết. Ví dụ, hiện nay được sử dụng để truyền tải điện cho các đường dây điện áp cực cao không dễ tiếp xúc với cơ thể con người và tia laser công suất cực cao dựa vào sự lan truyền của không khí, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiều phản xạ khác nhau, một khi được chiếu xạ vào cơ thể con người có thể mang lại nguy hiểm nghiêm trọng. Một ví dụ khác, làm thế nào để đảm bảo rằng tia laser trong các điều kiện khí hậu khác nhau đảm bảo hiệu suất truyền ổn định và đáng tin cậy, giảm suy hao, đồng thời truyền chính xác đến nhu cầu về thiết bị thu nhưng cũng đang chờ các đột phá về công nghệ theo dõi và lấy nét. Tóm lại, công nghệ truyền tải năng lượng laser đại diện cho hướng phát triển cung cấp năng lượng trong tương lai và có không gian ứng dụng rộng rãi.