Trong những năm gần đây, các kỹ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới đã nghiên cứu các công nghệ mới để tạo ra điện từ các nguồn năng lượng tái tạo, bao gồm quang điện (PV), tua bin gió và máy phát điện thủy điện. Một giải pháp thay thế để giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu có thể là chuyển đổi nhiệt dư thừa hoặc nhiệt thải do các ngành công nghiệp, hộ gia đình và môi trường tự nhiên nóng tạo ra thành điện.
Nguồn: Chuyển thể từ Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01589-5
Phương pháp này, được gọi là phát điện nhiệt điện, dựa trên việc sử dụng các vật liệu có đặc tính nhiệt điện có giá trị. Cụ thể, khi các vật liệu này tiếp xúc với nhiệt độ đặc biệt cao ở một mặt và nhiệt độ lạnh hơn ở mặt kia, các electron bên trong chúng bắt đầu chảy từ mặt nóng sang mặt lạnh hơn, tạo ra điện thế
Trong khi các công trình gần đây đã xác định một số vật liệu nhiệt điện đầy hứa hẹn, hiệu suất mô-đun không đạt yêu cầu do những thách thức liên quan đến việc thiết kế và chế tạo các cấu trúc mô-đun tối ưu. Điều này hạn chế đáng kể khả năng tích hợp thực tế của chúng trong các mô-đun nhiệt điện.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang, Đại học George Washington và các viện nghiên cứu khác gần đây đã giới thiệu một chiến lược mới để thiết kế vật liệu nhiệt điện dựa trên đồng selenua (Cu 2 Se).
Chiến lược này, được nêu trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Energy , cho phép họ thiết kế các vật liệu đầy hứa hẹn để tạo ra năng lượng cao bằng các kỹ thuật có thể dễ dàng tái tạo trên quy mô lớn.
"Các thiết bị nhiệt điện truyền thống bao gồm các chân bán dẫn loại p và n, hình khối, được sắp xếp theo cấu hình cặp nhiệt điện", Jae Sung Son, đồng tác giả của bài báo, nói với Tech Xplore. "Trong các thiết bị này, thiết kế của các chân này, về chiều dài và tỷ lệ khung hình, rất quan trọng để tối ưu hóa điện trở nhiệt và điện trở nhằm tối đa hóa việc phát điện.
"Trong bối cảnh này, hình học ba chiều (3D) không phải hình khối có thể cung cấp mức độ kiểm soát bổ sung đối với quá trình truyền nhiệt và điện, có khả năng nâng cao hiệu suất thiết bị vượt xa những gì chân hình khối có thể đạt được."
Vào năm 2020, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Saniya LeBlanc tại Đại học George Washington dẫn đầu đã công bố một bài báo khám phá ảnh hưởng của chân bán dẫn được sử dụng đối với hiệu suất nhiệt điện của máy phát điện nhiệt điện, thông qua một loạt các mô phỏng. Nhưng tiềm năng của chân không hình khối vẫn chưa được đánh giá trong các thiết lập thử nghiệm.
"Nhóm của chúng tôi đang nghiên cứu công nghệ in 3D các vật liệu và thiết bị nhiệt điện cho phép chúng tôi hiện thực hóa hình dạng phức tạp của vật liệu nhiệt điện mà các quy trình sản xuất truyền thống không thể đạt được, đồng thời nghiên cứu tác động của chúng đến hiệu suất phát điện", Son giải thích.
Là một phần của nghiên cứu, Son và các đồng nghiệp đã sử dụng mô phỏng mô hình phần tử hữu hạn 3D để thiết kế hình học không phải hình khối cho các chân bán dẫn. Sau đó, họ chế tạo các thiết kế hình học này bằng kỹ thuật in 3D và đánh giá hiệu suất của chúng bằng thực nghiệm.
"Chúng tôi chọn Cu 2 Se làm vật liệu mô hình, do hiệu suất vật liệu cao ở nhiệt độ cao", Son cho biết. "Chúng tôi đã tiến hành mô phỏng số trên tám hình dạng khác nhau, cả hình khối và không phải hình khối, để đánh giá việc phát điện trong các điều kiện làm việc khác nhau.
"Việc in 3D các loại mực keo dạng hạt Cu 2 Se, được điều chỉnh bằng cách bổ sung thêm các polyanion Se 8 2- , cho phép chúng tôi tạo ra các hình dạng được thiết kế của Cu 2 Se và đánh giá so sánh hiệu suất tạo ra điện của chúng trong một thiết bị một chân."
Các thí nghiệm do nhóm nghiên cứu này thực hiện đã mang lại những kết quả thú vị, làm nổi bật tiềm năng của một số chân không phải hình khối so với những chân khác. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy rằng các chân có hình dạng đồng hồ cát đạt được khả năng tạo ra công suất cao nhất, xét về cả công suất đầu ra và hiệu suất.
"Đây rõ ràng là minh chứng đầu tiên cho thấy tác động của hình học 3D", Son cho biết. "Chúng tôi cũng phát hiện ra rằng thiêu kết pha lỏng có kiểm soát cho phép hình thành khuyết tật của các đứt gãy xếp chồng mật độ cao và các sai lệch kết quả. Các khuyết tật này làm giảm độ dẫn nhiệt của Cu 2 Se và do đó tăng giá trị ZT lên tới 2,0".
Nghiên cứu gần đây của Son và các đồng nghiệp khẳng định rằng hình học 3D của vật liệu nhiệt điện có tác động đáng kể đến dòng điện mà chúng có thể tạo ra. Mặc dù họ đặc biệt sử dụng chiến lược của mình để thiết kế vật liệu dựa trên Cu 2 Se, trong tương lai, nó có thể được áp dụng cho các loại vật liệu nhiệt điện khác, cho phép các nhà nghiên cứu tăng hiệu suất của máy phát điện nhiệt điện mà không làm thay đổi các đặc tính nội tại của chúng.
"Trong các nghiên cứu sắp tới, chúng tôi sẽ áp dụng hình học không phải hình khối vào các hệ thống nhiệt điện khác nhau, chẳng hạn như các thiết bị phân đoạn và mô-đun làm mát Peltier", Son nói thêm. "Hơn nữa, việc tích hợp các công cụ thiết kế cấu trúc với nhiệt điện có thể nâng cao hơn nữa hiệu suất và độ bền của thiết bị".
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
