Tại sao một số khu vực lại có mức độ áp dụng bóng bay năng lượng mặt trời thấp bất chấp ánh nắng dồi dào?

Hiểu Về Công Nghệ Bóng Bay Năng Lượng Mặt Trời Và Tiềm Năng Của Nó Trong Các Ứng Dụng Ở Độ Cao Lớn

Bóng Bay Năng Lượng Mặt Trời Là Gì Và Cách Nó Tận Dụng Năng Lượng Mặt Trời Như Thế Nào?

Các quả bóng bay năng lượng mặt trời tạo ra lực nâng khi ánh sáng mặt trời làm nóng không khí bên trong các lớp vỏ mỏng, trong suốt của chúng. Không khí ấm giãn nở và trở nên nhẹ hơn so với môi trường xung quanh, do đó quả bóng bay tự động bay lên mà không cần đốt bất kỳ nhiên liệu nào. Các phiên bản mới hơn phát triển ý tưởng cơ bản này bằng cách tích hợp trực tiếp các tấm pin năng lượng mặt trời lên quả bóng bay. Những tấm pin này tạo ra điện để vận hành các thiết bị như định vị GPS, thiết bị truyền thông radio và nhiều loại cảm biến khác trong khi quả bóng đang lơ lửng trên cao. Một số thử nghiệm cho thấy rằng những thiết kế đặc biệt dành cho bóng bay tầng bình lưu có thể nhận được khoảng 500 watt mỗi mét vuông từ ánh sáng mặt trời ở thời điểm mạnh nhất, theo nghiên cứu công bố năm 2017 bởi Liu và các cộng sự. Việc kết hợp cả lực nâng dựa trên nhiệt và khả năng phát điện từ ánh sáng mặt trời giúp những quả bóng bay này có thể duy trì bay trong thời gian dài hơn rất nhiều mà không cần con người phải lên kiểm tra hay bổ sung gì.

Vai trò của cấu hình mảng quang điện trong các phương tiện tầng bình lưu

Hiệu quả hoạt động của các khinh khí cầu năng lượng mặt trời thực sự phụ thuộc vào vị trí lắp đặt các tấm pin quang điện (PV), cố gắng tìm ra sự cân bằng phù hợp giữa phân bố trọng lượng, dòng chảy không khí xung quanh chúng và đảm bảo chúng thu được đủ ánh sáng mặt trời. Hầu hết mọi người lắp các tế bào năng lượng mặt trời dạng màng mỏng theo hình xoắn ốc hoặc theo các mẫu giống như gạch lát phủ khắp lớp vỏ ngoài của khinh khí cầu. Cách bố trí này giúp tối đa hóa khả năng tiếp xúc với ánh nắng mà không gây quá nhiều áp lực lên vật liệu. Theo một số nghiên cứu từ tạp chí Renewable Energy năm 2020, việc lắp nghiêng các tấm pin này ở góc khoảng 15 đến 20 độ hướng về phía mặt trời khi ở vị trí cao nhất thực sự làm tăng sản lượng năng lượng khoảng 12 đến 18 phần trăm so với việc chỉ đặt phẳng chúng. Những lựa chọn thiết kế thông minh như vậy tạo nên sự khác biệt lớn trong việc duy trì nguồn cung cấp điện ổn định khi khinh khí cầu bay lên cao và tiếp tục hoạt động qua các chu kỳ ngày-đêm, nơi điều kiện ánh sáng và thời tiết thay đổi liên tục.

Ưu điểm của Khinh khí cầu Năng lượng Mặt trời so với Các Nền tảng Trên không Truyền thống

Bóng bay năng lượng mặt trời mang đến một lựa chọn rẻ hơn và thân thiện với môi trường hơn so với các vệ tinh đắt tiền và những chiếc drone đốt nhiên liệu ồn ào mà chúng ta thấy khắp nơi hiện nay. Những thiết bị này có thể lơ lửng ở độ cao khoảng 20 đến 25 kilômét trong nhiều tuần liên tục, cung cấp khả năng phủ sóng liên tục để quan sát Trái Đất, theo dõi biến đổi khí hậu và thậm chí hỗ trợ tín hiệu viễn thông. Một nghiên cứu từ năm ngoái cho thấy việc triển khai bóng bay năng lượng mặt trời giúp giảm chi phí khoảng 60 phần trăm so với việc phóng thiết bị vào quỹ đạo thấp quanh Trái Đất. Hơn nữa, chúng thải ra ít hơn gần 700 gram khí CO₂ trên mỗi kilôwatt giờ so với các drone thông thường. Điều làm nên hiệu quả của chúng là thiết kế đơn giản, cho phép chúng di chuyển theo các luồng gió ở tầng bình lưu cao, nghĩa là chúng không cần nhiều năng lượng để duy trì độ cao, từ đó kéo dài thời gian hoạt động trước khi cần bảo trì.

Sự chênh lệch địa lý: Các khu vực ánh sáng mặt trời mạnh nhưng triển khai bóng bay năng lượng mặt trời thấp

Nhận ra nghịch lý: Mạnh mẽ nhiều nhưng hạn chế sử dụng

Mặc dù những khu vực này có nhiều ánh nắng mặt trời, những nơi gần xích đạo và vùng sa mạc khô nơi mà ánh sáng mặt trời trung bình hàng ngày khoảng 5 đến 6 kWh mỗi mét vuông chiếm ít hơn 12 phần trăm của tất cả các thiết bị bong bóng năng lượng mặt trời trên toàn thế giới. Điều đó khá khác với những gì chúng ta thấy trên mặt đất, nơi các trang trại năng lượng mặt trời truyền thống được áp dụng với tỷ lệ cao hơn khoảng 67% ở những điểm nắng tương tự. Tại sao lại có khoảng cách lớn như vậy? Có một số thách thức thực sự ở đây. Gió cao có thể tăng tốc đôi khi, thổi hơn 120 km/h và khiến cho việc giữ cho bóng bay ổn định trở nên khó khăn. Thêm vào đó, mặt trời ở đó quá mạnh đến nỗi lớp phủ đặc biệt trên tấm pin mặt trời bị mòn nhanh hơn gần 40% so với các vùng mát hơn trên thế giới.

Phân tích bức xạ mặt trời so với xu hướng triển khai hiện tại

Trong số 22 quốc gia có ít nhất 2.800 giờ nắng mỗi năm, chỉ có 8 quốc gia có dự án bóng gió mặt trời đang được triển khai. Hầu hết những quả bóng này kết thúc ở những nơi xung quanh vĩ độ trung bình nơi có ánh sáng mặt trời tốt nhưng không cực (khoảng 3 đến 4 kWh mỗi mét vuông). Các khu vực này có xu hướng có sự hỗ trợ tốt hơn của chính phủ cho năng lượng tái tạo và các hệ thống kỹ thuật đã có để hỗ trợ các dự án như vậy. Hãy nhìn vào các địa điểm thử nghiệm ở các vùng ôn đới này, họ giữ cho bóng bay của họ bay trong khoảng 85% thời gian mặc dù chúng sản xuất ít hơn 18% năng lượng so với các thiết lập tương tự gần xích đạo. Có vẻ như sự ổn định có ưu tiên hơn là ép từng giọt năng lượng mặt trời cuối cùng khi nói đến các ứng dụng trong thế giới thực.

Các rào cản kỹ thuật để tích hợp năng lượng mặt trời đáng tin cậy trên bóng bay

Quản lý biến động năng lượng trong chu kỳ leo lên và chu kỳ ban ngày

Hiệu suất của các tấm pin quang điện giảm khoảng 47% khi chúng tăng lên vì nhiệt độ thay đổi nhanh như thế nào theo nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia vào năm 2023. Ở độ cao khoảng 20 km, mặc dù ánh sáng mặt trời tăng mạnh hơn khoảng 25%, các tấm trở nên kém hiệu quả hơn khi trời lạnh đến -56 độ C, khi mà chúng ta cần thêm năng lượng. Để giữ cho các hệ thống quan trọng hoạt động trong những khoảng thời gian khó khăn đó vào buổi sáng và buổi tối, các kỹ sư phải đối mặt với một thách thức khá lớn là quản lý biến động điện áp thực sự lớn gấp ba lần so với những gì xảy ra trên các thiết bị mặt trời trên mặt đất thông thường. Điều này có nghĩa là thiết bị đặc biệt phải được đặt vào vị trí để xử lý những biến động hoang dã trong sản lượng điện hiệu quả.

Áp lực vật liệu và suy thoái nhiệt trong điều kiện tầng bình lưu

Nhiệt độ cực đoan mà các khinh khí cầu tầng bình lưu trải qua có thể dao động tới 165 độ C chỉ trong một ngày, khiến lớp vỏ polyme của chúng kéo dài và co lại gần hai lần mỗi ngày. Tất cả sự mở rộng và co lại liên tục này thực sự gây ảnh hưởng đến vật liệu. Theo nghiên cứu được công bố trong tạp chí Aerospace Materials Review năm ngoái, sự hao mòn xảy ra nhanh hơn bốn lần so với những gì chúng ta thấy trong máy bay thông thường bay ở độ cao thấp hơn. Và còn một vấn đề nữa. Ở độ cao khoảng 50.000 feet nơi các quả bóng hoạt động, bức xạ cực tím đủ mạnh để phá vỡ lớp phủ phản xạ đặc biệt trên các tế bào quang điện nhanh hơn bình thường khoảng 32%. Để chống lại vấn đề này, các kỹ sư đã phải chuyển sang các lớp kính thạch anh cứng hơn. Nhưng những vật liệu mạnh hơn này có giá cả - chúng nặng thêm 9 kg/m2. Trọng lượng tăng lên đó không phải là tin tốt cho bao lâu quả bóng có thể ở trên không hay nó có thể mang bao nhiêu hàng hóa.

Sự cân bằng trọng lượng và hiệu quả trong các hệ thống quang điện di động

Theo nghiên cứu từ MIT năm 2022, tấm pin mặt trời màch mỏng thực sự hoạt động tốt hơn khoảng 21% khi nói đến năng lượng trên trọng lượng so với tấm silicon truyền thống, khiến chúng rất tốt cho những thứ cần nhẹ trên chân. Nhưng có một điều là chúng khá mong manh. Để xử lý những cơn gió bay điên rồ có thể đạt tốc độ 160 km/h, các tấm này cần các cấu trúc củng cố nghiêm túc. Và đây là nơi các nhà thiết kế gặp phải một vấn đề thực sự tiết kiệm chỉ một kg vật liệu mặt trời thường có nghĩa là thêm ba kg trọng lượng như thùng tháo để giữ cho mọi thứ ổn định. Điều đó loại bỏ hầu hết những gì chúng ta đạt được từ việc sử dụng những vật liệu mới này ngay từ đầu.

Các thách thức về cơ sở hạ tầng, quy định và hoạt động trong triển khai

Thiếu hỗ trợ mặt đất cho việc phóng và phục hồi ở các khu vực xa xôi

Những điểm tốt nhất để phóng thứ thường là những vùng sa mạc xa xôi hoặc những cao nguyên nắng nơi có nhiều ánh sáng nhưng hầu như không có gì khác. Hầu hết những nơi này không có đường chính xác chạy qua chúng, không có hangar đứng xung quanh, và chắc chắn không đủ người biết họ đang làm gì khi nói đến việc đưa mọi thứ lên và xuống một cách an toàn. Khi các công ty cần thiết lập các căn cứ tạm thời chỉ để hoạt động ở đó, điều đó thực sự ăn vào ngân sách của họ. Chúng ta đang nói về việc tăng chi phí từ 40% lên tới 60%. Sao lại thế? Bởi vì chúng cần thiết bị đặc biệt như những máy nén helium lớn và hệ thống điều khiển được xây dựng để chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Một cái nhìn gần đây về hoạt động khí quyển cao tầng vào năm 2023 đã xác nhận chính xác vấn đề này. Và nếu không có một số loại cơ sở hạ tầng lâu dài đã được thiết lập, mỗi nhiệm vụ cuối cùng sẽ tốn thêm tiền chỉ để thiết lập. Điều này làm cho các hoạt động mở rộng quy mô khó hơn nhiều so với bất cứ ai muốn.

Quy định không phận và hạn chế bay xuyên biên giới

Các quả bóng mặt trời bay từ khoảng 60.000 đến gần 80.000 feet kết thúc ngay trong không gian khó khăn này nơi các quy định hàng không khác nhau chồng chéo. FAA cho phép một số thứ thử nghiệm theo Phần 101 cho người dân ở Mỹ, nhưng ở châu Âu và châu Á, chính phủ có xu hướng muốn có giấy phép đặc biệt cho mỗi chuyến bay. Cố gắng đưa những quả bóng này qua biên giới chỉ tạo ra thêm đau đầu. Hãy lấy ví dụ về dự án môi trường ở Địa Trung Hải này họ phải trải qua quá trình phê duyệt của sáu quốc gia khác nhau và họ mất không ít hơn 14 tháng dài để giải quyết mọi thứ. Tất cả những việc quan liệu này làm chậm mọi thứ khi cần phải có phản ứng nhanh và thêm hàng tấn giấy tờ mà không ai muốn đối phó.

Khó khăn bảo trì ở các khu vực có nhiều ánh sáng mặt trời, không dễ tiếp cận

Mặt trời thực sự ảnh hưởng đến các vật liệu ở vùng khí hậu nóng, với sự phân hủy tia UV xảy ra nhanh hơn 30% so với những gì các nhà sản xuất ước tính ban đầu. Điều này có nghĩa là tuổi thọ của bao bì bảo vệ được cắt giảm đáng kể. Khi đến lúc sửa chữa các tấm pin mặt trời hoặc hệ thống lưu trữ hydro, mọi thứ trở nên phức tạp hơn bởi vì không có đủ kỹ thuật viên có tay nghề, cộng với nhiều nơi thiếu thiết bị thích hợp để kiểm tra như máy bay không người lái hoặc điểm hạ cánh thích hợp cho trực thăng. Theo một nghiên cứu của ngành công nghiệp từ năm ngoái, gần 6 trong 10 vụ ngừng hoạt động bất ngờ xảy ra vì bảo trì liên tục bị trì hoãn ở các khu vực khô. Và đừng quên về những cơn bão cát thổi qua những vùng này mà chỉ làm tăng tốc độ quá trình hao mòn hơn nữa.

Khả năng kinh tế và các khoảng cách chính sách cản trở việc áp dụng rộng rãi

Chi phí ban đầu cao so với lợi nhuận đầu tư dài hạn

Hệ thống bong bóng năng lượng mặt trời trung bình cần khoảng 1,2 triệu đô la để bắt đầu theo dữ liệu REN21 từ năm 2023, khoảng gấp đôi so với chi phí của máy bay không người lái giám sát truyền thống. Mặc dù các hệ thống này không cần nhiên liệu và đòi hỏi ít bảo trì hơn, nhưng chúng vẫn tiết kiệm khoảng 40% tổng chi phí sau mười năm. Nhưng đây là câu hỏi: hầu hết các cơ quan chính phủ và các cơ quan quản lý có xu hướng tập trung vào những hạn chế ngân sách ngay lập tức của họ thay vì nghĩ về những khoản tiết kiệm dài hạn. Chắc chắn, giá pin quang điện đã giảm gần 90% kể từ năm 2010, nhưng một số bộ phận chuyên dụng như bao bì chống hydro và những hệ thống điều khiển bay chính xác vẫn còn đắt tiền bởi vì các nhà sản xuất chỉ không sản xuất chúng với số lượng đủ lớn.

Thiếu các động lực của chính phủ cho các nền tảng không gian tái tạo

Chỉ khoảng 12% các quốc gia tự hào về các khu vực năng lượng mặt trời hạng A thực sự cung cấp giảm thuế cho việc triển khai bóng gió mặt trời, trong khi khoảng hai phần ba cung cấp hỗ trợ tài chính cho các thiết bị mặt trời truyền thống trên mặt đất theo các phát hiện chính sách năng lượng mới nhất năm 2024. Lý do đằng sau khoảng cách này là gì? Hầu hết các quy định hàng không tiếp tục coi bóng gió mặt trời như những thiết bị thử nghiệm thay vì cơ sở hạ tầng hợp pháp. Các nhà sản xuất phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng ở đây vì họ không có quyền truy cập vào tài trợ nghiên cứu hoặc lợi ích thuế sản xuất tương tự như những gì các nhà sản xuất tuabin gió và các nhà sản xuất tấm pin mặt trời thông thường nhận được. Sự thiếu hỗ trợ tài chính này làm cho nó thực sự khó khăn cho các công ty cố gắng tăng sản lượng sản xuất hoặc giảm giá thông qua kinh tế quy mô.

Nghiên cứu trường hợp: Phi công phi công bóng đèn mặt trời thất bại ở châu Phi cận Sahara

Dự án giám sát hạn hán được khởi động ở Mali vào năm 2022 với kế hoạch cho 18 quả bóng năng lượng mặt trời đã thất bại chỉ sau tám tháng vì tất cả các loại vấn đề. Các quan chức hải quan đã áp thuế đáng kinh ngạc trị giá 740.000 đô la cho những vật liệu tổng hợp sang trọng mà chúng tôi phải nhập khẩu, điều này thực sự làm cạn kiệt ngân sách của chúng tôi. Và khi mọi thứ bắt đầu đổ vỡ? Không có kỹ thuật viên địa phương nào biết cách sửa chữa các pin hydro, nên vấn đề này sau vấn đề khác cứ nảy nở. Ngoài ra, các quy tắc bay nghiêm ngặt có nghĩa là chúng tôi chỉ có thể bao phủ khoảng 30% những gì chúng tôi ban đầu muốn theo dõi. Cuối cùng, toàn bộ vụ lộn xộn này có giá khoảng 2,6 triệu đô la. Điều này dạy chúng ta gì? Chỉ có tiền là không đủ dù mặt trời chiếu sáng mỗi ngày ở vùng này. Chúng ta cần có kế hoạch tốt hơn giữa các cơ quan khác nhau, các chương trình đào tạo thích hợp cho người dân địa phương, và các quy định thông minh hơn thực sự làm việc với các dự án trên mặt đất thay vì chống lại chúng.

Phần Câu hỏi Thường gặp

Những lợi thế chính của bóng gió mặt trời là gì?

Các quả bóng năng lượng mặt trời cung cấp một lựa chọn thay thế hiệu quả về chi phí và thân thiện với môi trường cho các nền tảng không gian truyền thống như vệ tinh và máy bay không người lái. Chúng có thể cung cấp bảo hiểm liên tục cho giám sát và truyền thông khí hậu với chi phí thấp hơn trong khi tạo ra ít khí carbon dioxide hơn.

Các quả bóng năng lượng mặt trời thường được triển khai ở đâu?

Các quả bóng mặt trời thường được triển khai ở các khu vực vĩ độ trung bình, cung cấp sự cân bằng ánh sáng mặt trời và ổn định. Các khu vực này thường nhận được hỗ trợ chính phủ tốt hơn cho các dự án năng lượng tái tạo và có cơ sở hạ tầng kỹ thuật hiện có.

Những thách thức của việc triển khai bóng gió mặt trời ở các vùng có ánh sáng mặt trời cao là gì?

Ở các vùng có ánh sáng mặt trời cao, việc triển khai bóng gió mặt trời phải đối mặt với những thách thức như tốc độ gió cao, ảnh hưởng đến sự ổn định, và ánh sáng mặt trời mạnh gây ra sự phân hủy vật liệu nhanh hơn. Những yếu tố này góp phần vào việc sử dụng bóng đèn mặt trời hạn chế ở các khu vực như vậy.

Tại sao bóng gió mặt trời được coi là thử nghiệm?

Các quả bóng mặt trời thường được phân loại là thử nghiệm do các quy định hàng không chồng chéo và thiếu các ưu đãi của chính phủ tương tự như các công nghệ tái tạo truyền thống, dẫn đến rào cản trong việc áp dụng rộng rãi.