Chế tạo thành công động cơ nhiệt mới không có bộ phận chuyển động
Động cơ nhiệt là tế bào nhiệt điện (TPV), tương tự như tế bào quang điện của tấm pin mặt trời, thu thụ động các photon năng lượng cao từ nguồn nhiệt nóng trắng và chuyển chúng thành điện năng.
Thiết kế của nhóm nghiên cứu có thể tạo ra điện từ nguồn nhiệt trong khoảng 1.900 đến 2.400 độ C hoặc lên đến khoảng 4.300 độ F.
Ảnh: Tế bào nhiệt điện (TPV) (kích thước 1 cm x 1 cm) được gắn trên bộ tản nhiệt được thiết kế để đo hiệu suất của tế bào TPV. Để đo hiệu suất, tế bào được tiếp xúc với một bộ phát và thực hiện đồng thời các phép đo công suất điện và dòng nhiệt qua thiết bị
Các nhà nghiên cứu dự định kết hợp tế bào TPV vào một pin nhiệt quy mô lưới. Hệ thống sẽ hấp thụ năng lượng dư thừa từ các nguồn tái tạo như mặt trời và lưu trữ năng lượng đó trong các bờ than chì nóng được cách nhiệt. Khi cần năng lượng, chẳng hạn như vào những ngày u ám, các tế bào TPV sẽ chuyển nhiệt thành điện và chuyển năng lượng đến lưới điện.
Với tế bào TPV mới, nhóm nghiên cứu hiện đã chế tạo thành công các bộ phận chính của hệ thống trong các thí nghiệm quy mô nhỏ, riêng biệt. Họ đang tích hợp các bộ phận để tạo nên một hệ thống hoạt động hoàn chỉnh. Từ đó, họ hy vọng sẽ mở rộng quy mô hệ thống để thay thế các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch và tạo ra một lưới điện khử cacbon hoàn toàn, được cung cấp 100% bằng năng lượng tái tạo.
Giáo sư Asegun Henry, Khoa Cơ khí của MIT cho biết: “Tế bào nhiệt điện là bước quan trọng cuối cùng để chứng minh rằng pin nhiệt là một khái niệm khả thi. Đây là một bước có ý nghĩa rất lớn trên con đường tăng cường năng lượng tái tạo và tiến tới lưới điện khử cacbon hoàn toàn.”
Hơn 90% điện năng trên thế giới đến từ các nguồn nhiệt như than đá, khí đốt tự nhiên, năng lượng hạt nhân và năng lượng mặt trời tập trung. Trong một thế kỷ, tuabin hơi nước đã là tiêu chuẩn công nghiệp để chuyển đổi các nguồn nhiệt như vậy thành điện năng. Trung bình, các tuabin hơi nước chuyển đổi khoảng 35% nguồn nhiệt thành điện, với hiệu suất cao nhất khoảng 60% của bất kỳ động cơ nhiệt nào cho đến nay. Nhưng máy móc phụ thuộc vào các bộ phận chuyển động bị giới hạn về nhiệt độ. Các nguồn nhiệt cao hơn 2.000 độ C, chẳng hạn như hệ thống pin nhiệt do Henry đề xuất, sẽ quá nóng đối với tuabin. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã xem xét các giải pháp thay thế ở trạng thái rắn - động cơ nhiệt không có bộ phận chuyển động, có khả năng hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao hơn. Một trong những ưu điểm của bộ chuyển đổi năng lượng ở trạng thái rắn là chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn với chi phí bảo trì thấp hơn vì chúng không có bộ phận chuyển động.
Giống như pin mặt trời, tế bào TPV có thể được tạo ra từ vật liệu bán dẫn với một vùng cấm cụ thể - khoảng cách giữa vùng hóa trị của vật liệu và vùng dẫn của nó. Nếu một photon có năng lượng đủ cao bị vật liệu hấp thụ, nó có thể đá một electron qua dải băng tần, nơi electron có thể dẫn điện, và do đó tạo ra điện - làm như vậy mà không cần chuyển động các cánh quạt. Cho đến nay, hầu hết các tế bào TPV chỉ đạt hiệu suất khoảng 20%, cao nhất là 32%, vì chúng được làm bằng vật liệu dải tần tương đối thấp chuyển đổi các photon năng lượng thấp, nhiệt độ thấp hơn và do đó chuyển đổi năng lượng kém hiệu quả hơn.
Trong thiết kế TPV mới, Henry và các đồng nghiệp của ông đã tìm cách bắt các photon năng lượng cao hơn từ nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn, do đó chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn. Tế bào TPV mới của nhóm làm được như vậy với các vật liệu có dải tần cao hơn và nhiều điểm nối hoặc các lớp vật liệu, so với các thiết kế TPV hiện có. Nhóm đã kiểm tra hiệu quả của tế bào bằng cách đặt nó trên một cảm biến thông lượng nhiệt - một thiết bị đo trực tiếp nhiệt hấp thụ từ tế bào. Họ cho tế bào tiếp xúc với đèn nhiệt độ cao và tập trung ánh sáng vào tế bào. Sau đó, họ thay đổi cường độ hoặc nhiệt độ của bóng đèn và quan sát hiệu suất năng lượng của tế bào - lượng điện mà nó tạo ra, so với nhiệt mà nó hấp thụ - thay đổi như thế nào theo nhiệt độ. Trong phạm vi từ 1.900 đến 2.400 độ C, tế bào TPV mới duy trì hiệu suất khoảng 40%.
Giáo sư Henry chia sẻ: “Chắc chắn đây là một nghiên cứu có tính bền vững rất lớn. Công nghệ an toàn, thân thiện với môi trường trong vòng đời của TPV mới tác động rất nhiều đến việc giảm thiểu lượng khí thải carbon dioxide từ sản xuất điện.”
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 13/4/2022.
Nguồn: Massachusetts Institute of Technology (MIT)
Xử lý tin: Phương Hà
