Hệ thống phát nhiệt phát triển bởi nhóm nghiên cứu tại Đại học Rice.

Trong các hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt (TES), một bộ phát nhiệt sẽ hấp thụ nhiệt và chuyển đổi nó thành bức xạ điện từ, sau đó được tế bào quang điện tận dụng để tạo ra điện năng.

Pin và những hạn chế của chúng

Pin không hoàn hảo và có nhiều nhược điểm. Ví dụ, chúng được làm từ các khoáng chất hiếm thường được khai thác thông qua các phương pháp không bền vững. Khi bị thải bỏ, chúng thải ra hóa chất độc hại gây ô nhiễm môi trường và vòng đời sử dụng ngắn.

Hiện tại, mặc dù chúng ta phụ thuộc nhiều vào pin để lưu trữ năng lượng, nhưng cần có giải pháp xanh và sạch hơn. Một hướng đi đầy hứa hẹn là hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt (TES), nơi lưu trữ điện năng dưới dạng nhiệt năng và có thể chuyển đổi lại thành điện khi cần.

TES sử dụng vật liệu chi phí thấp, có tuổi thọ lâu hơn nhiều so với pin và dễ dàng mở rộng quy mô cho các hệ thống lưới điện lớn. Chúng có thể ổn định lưới năng lượng tái tạo bằng cách lưu trữ điện dư từ năng lượng mặt trời hoặc gió để cung cấp khi nhu cầu tăng cao.

Đột phá từ Đại học Rice

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice đã phát triển một bộ phát nhiệt có hiệu suất cao, mở ra tiềm năng cho việc xây dựng các hệ thống TES thực tiễn và có thể mở rộng. Bộ phát nhiệt là thành phần chính trong hệ thống TES, nơi hấp thụ nhiệt, chuyển đổi nó thành bức xạ điện từ, rồi được tế bào quang điện chuyển thành điện năng.

Vai trò quan trọng của bộ phát nhiệt hiệu quả

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) để chuyển đổi ánh sáng thành điện và bộ phát nhiệt để chuyển đổi nhiệt thành ánh sáng. Cả hai thành phần này cần hoạt động tốt để hệ thống đạt hiệu suất cao,” nhóm nghiên cứu tại Đại học Rice cho biết.

Cho đến nay, các nhà khoa học chủ yếu tập trung cải tiến công nghệ tế bào PV. Tuy nhiên, trở ngại chính trong việc thực hiện các hệ thống TPV thực tế là mất mát năng lượng trong quá trình chuyển đổi. Đây chính là lúc bộ phát nhiệt, công nghệ thường ít được chú ý hơn, đóng vai trò quan trọng.

Một bộ phát nhiệt hiệu quả giúp giảm thiểu năng lượng bị mất khi chuyển đổi từ nhiệt sang điện. Đáng tiếc là các thiết kế TPV truyền thống chưa tích hợp được thiết bị này một cách hiệu quả.

“Sử dụng các phương pháp thiết kế thông thường hạn chế không gian sáng tạo cho bộ phát nhiệt, dẫn đến hai kịch bản: thiết bị thực tiễn nhưng hiệu suất thấp, hoặc bộ phát hiệu suất cao nhưng khó ứng dụng vào thực tế,” ông Gururaj Naik, đồng tác giả nghiên cứu và giáo sư tại Đại học Rice, chia sẻ.

Với đột phá này, “chúng tôi đã chỉ ra cách đạt được hiệu suất tốt nhất cho bộ phát trong những giới hạn thiết kế thực tế,” ông Ciril Samuel Prasad, đồng tác giả nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tại Đại học Rice, bổ sung.

Đổi mới với các bộ cộng hưởng "giao tiếp"

Các nhà nghiên cứu của Đại học Rice đã sắp xếp hàng loạt các xi-lanh nano silicon trên một tấm kim loại làm từ tungsten để tạo ra bộ phát nhiệt. Khi hệ thống này nhận nhiệt, các photon được giải phóng. Đồng thời, các xi-lanh nano hoạt động như các bộ cộng hưởng, được thiết kế để hấp thụ các bước sóng hoặc năng lượng cụ thể của photon.

Chúng tương tác hoặc “giao tiếp” với nhau, cho phép chúng chọn lọc và chỉ phát ra những photon có năng lượng phù hợp. Những photon này sau đó được gửi đến tế bào quang điện (PV), nơi chúng được chuyển đổi thành điện.

“Việc phát xạ chọn lọc này, đạt được nhờ các hiểu biết từ vật lý lượng tử, tối đa hóa chuyển đổi năng lượng và cho phép hiệu suất cao hơn so với trước đây,” các tác giả nghiên cứu nhấn mạnh.

Nhờ sử dụng hiệu ứng lượng tử, các bộ cộng hưởng có thể kiểm soát photon ở cấp độ lượng tử, đảm bảo chỉ phát ra các photon có ích nhất cho tế bào PV, cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.