Theo nghiên cứu của Đại học Michigan, gần đạt được hiệu suất tối đa về mặt lý thuyết, các thiết bị biến nhiệt thành điện đang tiến gần hơn đến khả năng sử dụng thực tế trên lưới điện.
Để đo năng lượng do các tế bào quang điện của mình tạo ra, Roy-Layinde giữ một nguồn nhiệt được giữ trên tế bào quang điện, phát ra bức xạ hồng ngoại mà tế bào chuyển đổi thành điện năng. Dây nối với tế bào quang điện chạy điện đến cảm biến đọc điện áp và cường độ dòng điện. Nguồn hình ảnh: Brenda Ahearn, Michigan Engineering
Pin nhiệt có thể lưu trữ năng lượng tái tạo không liên tục trong giờ sản xuất cao điểm, dựa vào phiên bản nhiệt của pin mặt trời để chuyển đổi thành điện năng sau đó.
Andrej Lenert, phó giáo sư UM: “Khi chúng tôi đưa các phần năng lượng tái tạo cao hơn vào lưới điện để đạt được mục tiêu khử cacbon, chúng tôi cần chi phí thấp hơn và thời gian lưu trữ năng lượng dài hơn vì năng lượng do mặt trời và gió tạo ra không khớp nhau khi năng lượng được sử dụng”. về kỹ thuật hóa học và là tác giả tương ứng của nghiên cứu được công bố gần đây trên Joule .
Tế bào quang điện nhiệt hoạt động tương tự như tế bào quang điện, thường được gọi là pin mặt trời. Cả hai đều chuyển đổi bức xạ điện từ thành điện năng, nhưng quang điện nhiệt sử dụng các photon hồng ngoại năng lượng thấp hơn thay vì các photon năng lượng cao hơn của ánh sáng khả kiến.
Nhóm nghiên cứu báo cáo rằng thiết bị mới của họ có hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 44% ở 1.435°C, nằm trong phạm vi mục tiêu cho việc lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ cao hiện có (1.200°C-1.600°C). Nó vượt qua mức 37% đạt được của các thiết kế trước đó trong phạm vi nhiệt độ này.
"Nó là một dạng pin nhưng rất thụ động. Bạn không cần phải khai thác lithium như cách bạn làm với pin điện hóa, điều đó có nghĩa là bạn không phải cạnh tranh với thị trường xe điện. Không giống như nước bơm để lưu trữ năng lượng thủy điện , bạn có thể đặt nó ở bất cứ đâu và không cần nguồn nước gần đó”, Stephen Forrest, Giáo sư Kỹ thuật Điện của Đại học Xuất sắc Peter A. Franken tại UM và là tác giả đóng góp của nghiên cứu cho biết.
Trong pin nhiệt, quang điện nhiệt sẽ bao quanh một khối vật liệu được làm nóng ở nhiệt độ ít nhất là 1.000°C. Nó có thể đạt đến nhiệt độ đó bằng cách truyền điện từ trang trại gió hoặc mặt trời qua một điện trở hoặc bằng cách hấp thụ nhiệt dư thừa từ năng lượng nhiệt mặt trời hoặc sản xuất thép, thủy tinh hoặc bê tông.
Lenert cho biết: “Về cơ bản, sử dụng điện để làm nóng một thứ gì đó là một phương pháp rất đơn giản và rẻ tiền để lưu trữ năng lượng so với pin lithium ion. Nó cho phép bạn tiếp cận với nhiều vật liệu khác nhau để sử dụng làm phương tiện lưu trữ cho pin nhiệt”.
Vật liệu lưu trữ được làm nóng phát ra các photon nhiệt với nhiều mức năng lượng. Ở nhiệt độ 1.435°C, khoảng 20-30% trong số đó có đủ năng lượng để tạo ra điện trong các tế bào quang điện nhiệt của nhóm. Chìa khóa của nghiên cứu này là tối ưu hóa vật liệu bán dẫn, vật liệu thu giữ các photon, để mở rộng năng lượng photon ưa thích của nó đồng thời phù hợp với các năng lượng vượt trội do nguồn nhiệt tạo ra.
Nhưng nguồn nhiệt cũng tạo ra các photon ở trên và dưới mức năng lượng mà chất bán dẫn có thể chuyển hóa thành điện năng. Nếu không có kỹ thuật cẩn thận, những thứ đó sẽ bị mất.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã tạo một lớp không khí mỏng vào tế bào quang điện nhiệt ngay bên ngoài chất bán dẫn và thêm một tấm phản xạ vàng phía sau khe hở không khí – một cấu trúc mà họ gọi là cầu không khí. Khoang này giúp bẫy các photon có năng lượng phù hợp để chúng đi vào chất bán dẫn và gửi phần còn lại trở lại vật liệu lưu trữ nhiệt, nơi năng lượng có cơ hội được phát lại dưới dạng photon mà chất bán dẫn có thể bắt giữ.
Bosun Roy-Layinde, nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật hóa học của UM và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: “Không giống như pin mặt trời, pin quang điện nhiệt có thể phục hồi hoặc tái chế các photon không hữu ích”.
Một nghiên cứu gần đây cho thấy việc xếp chồng hai cây cầu không khí giúp cải thiện thiết kế, tăng cả phạm vi photon chuyển đổi thành điện năng và phạm vi nhiệt độ hữu ích cho pin nhiệt.
Forrest, đồng thời là Chủ tịch Paul G. Goebel Giáo sư Kỹ thuật và giáo sư về kỹ thuật điện và khoa học máy tính, khoa học và kỹ thuật vật liệu và vật lý.
Nhóm đã nộp đơn xin bảo hộ bằng sáng chế với sự hỗ trợ của UM Innovation Partnerships và đang tìm kiếm đối tác để đưa công nghệ này ra thị trường.
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
