Trong hệ thống TES, bộ phát nhiệt sẽ thu nhiệt và chuyển đổi thành bức xạ điện từ, sau đó được tế bào quang điện khai thác để tạo ra điện.
Bộ phát nhiệt do nhóm nghiên cứu của Đại học Rice phát triển.
Pin không hoàn hảo, chúng có những nhược điểm. Ví dụ, chúng được làm từ các khoáng chất khan hiếm thường thu được thông qua các hoạt động khai thác không bền vững. Khi bị thải bỏ, chúng thải ra các hóa chất độc hại vào môi trường và có tuổi thọ hạn chế.
Khi nói đến lưu trữ năng lượng, mặc dù hiện tại chúng ta phụ thuộc rất nhiều vào pin, chúng ta cần một giải pháp xanh hơn và sạch hơn nhiều. Một hướng đi đầy hứa hẹn như vậy là hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt (điện) (TES), lưu trữ điện dưới dạng năng lượng nhiệt bằng cách chuyển đổi nó thành nhiệt, sau đó có thể chuyển đổi trở lại thành điện khi cần.
TES yêu cầu vật liệu giá rẻ, có tuổi thọ dài hơn nhiều so với pin và dễ mở rộng quy mô hơn cho các hệ thống có quy mô lưới điện. Chúng có thể ổn định lưới điện năng lượng tái tạo bằng cách lưu trữ thêm năng lượng mặt trời hoặc gió khi có sẵn và cung cấp trong thời gian nhu cầu cao điểm.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice đã phát triển một bộ phát nhiệt hiệu suất cao có thể đóng góp vào sự phát triển của các hệ thống TES thực tế và có thể mở rộng. Bộ phát nhiệt là thành phần chính trong TES hấp thụ nhiệt, nóng lên và chuyển đổi nhiệt thành bức xạ điện từ, sau đó được một tế bào quang điện thu lại để tạo ra điện.
Tầm quan trọng của một bộ phát nhiệt tốt
Thiết kế TES thường sử dụng hệ thống nhiệt quang điện (TPV) để chuyển đổi nhiệt thành điện.
“Hệ thống này bao gồm hai thành phần chính ⎯ tế bào quang điện (PV) chuyển đổi ánh sáng thành điện và bộ phát nhiệt chuyển nhiệt thành ánh sáng. Cả hai thành phần này phải hoạt động tốt để hệ thống có hiệu quả”, nhóm nghiên cứu của Đại học Rice lưu ý.
Cho đến nay, các nhà khoa học chủ yếu tập trung vào việc cải thiện công nghệ tế bào quang điện. Tuy nhiên, rào cản chính trong việc hiện thực hóa các hệ thống TPV thực tế là tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi. Đây là lúc bộ phát nhiệt, công nghệ ít được chú ý hơn, phát huy tác dụng.
Một bộ phát nhiệt hiệu quả là rất quan trọng để giảm thiểu tổn thất năng lượng khi chuyển đổi từ nhiệt thành điện. Thật không may, các thiết kế TPV truyền thống cho đến nay vẫn chưa tích hợp được một thiết bị như vậy.
Gururaj Naik, một trong những tác giả nghiên cứu và là phó giáo sư tại Đại học Rice, cho biết: "Việc sử dụng các phương pháp thiết kế thông thường sẽ hạn chế không gian thiết kế bộ phát nhiệt và cuối cùng bạn sẽ nhận được một trong hai kịch bản sau: thiết bị thực tế, hiệu suất thấp hoặc bộ phát hiệu suất cao khó tích hợp vào các ứng dụng thực tế".
Ciril Samuel Prasad, đồng tác giả nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tại Đại học Rice, cho biết thêm: "Với sự đổi mới này, về cơ bản chúng tôi đã chỉ ra cách đạt được hiệu suất tốt nhất có thể cho bộ phát khi có những ràng buộc thiết kế thực tế".
Một cải tiến với bộ cộng hưởng nói
Các nhà nghiên cứu của Đại học Rice đã sắp xếp nhiều ống nanosilicon trên một tấm kim loại làm bằng vonfram để tạo ra máy dò nhiệt. Khi hệ thống này nhận được nhiệt, các photon được giải phóng. Trong khi đó, các ống nano hoạt động như các bộ cộng hưởng được thiết kế để hấp thụ các bước sóng hoặc năng lượng cụ thể của các photon này.
Chúng tương tác hoặc "nói chuyện" với nhau theo cách cho phép chúng chọn lọc và chỉ phát ra các photon có năng lượng phù hợp. Các photon này sau đó được gửi đến các tế bào quang điện (PV), nơi chúng có thể được chuyển đổi thành điện.
Các tác giả nghiên cứu lưu ý rằng: "Sự phát xạ có chọn lọc này, đạt được thông qua hiểu biết sâu sắc về vật lý lượng tử, giúp tối đa hóa quá trình chuyển đổi năng lượng và mang lại hiệu suất cao hơn so với trước đây".
Sử dụng hiệu ứng lượng tử, bộ cộng hưởng có thể kiểm soát các photon được giải phóng ở cấp độ lượng tử, đảm bảo chỉ những photon hữu ích nhất cho tế bào quang điện (PV) mới được phát ra, giúp cải thiện hiệu quả chung của hệ thống.
Bộ phát nhiệt lấy cảm hứng từ lượng tử của họ cho thấy hiệu suất ấn tượng lên tới 60 phần trăm và các nhà nghiên cứu tuyên bố rằng họ có thể cải thiện hiệu suất này hơn nữa bằng cách sử dụng vật liệu mới.
Naik giải thích: “Nếu cách tiếp cận của chúng tôi có thể giúp tăng hiệu suất từ 2% lên 5% trong các hệ thống như vậy, thì đó sẽ là sự thúc đẩy đáng kể cho các sứ mệnh dựa vào việc tạo ra năng lượng hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt”.
Hy vọng rằng, bộ phát nhiệt mới sẽ giúp việc lưu trữ năng lượng nhiệt có thể mở rộng quy mô đáng kể và giúp thúc đẩy việc áp dụng năng lượng tái tạo trên diện rộng.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí npj Nanophotonics.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
