Tế bào quang điện TPV sinh điện hiệu quả hơn tuabin hơi nước

Theo tạp chí khoa học trực tuyến Anh Nature số cuối tháng 4/2022,  Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Mỹ (NREL) vừa hợp tác, cho ra đời tế bào quang điện TPV (Thermophotovoltaic) có khả năng sinh điện cao hơn cả tuabin hơi nước truyền thống.

Động cơ nhiệt quang điện thể rắn hay tế bào quang điện TPV của MIT. Nguồn: MIT

Nature trích dẫn thuyết minh của MIT, 90% điện năng trên thế giới được tạo ra từ các nguồn hóa thạch và năng lượng tái tạo. Trong đó tuabin hơi nước đóng vai trò chủ đạo, chuyển nhiệt thành điện với mức bình quân đạt 35%. Tuy nhiên, nhược điểm của tuabin hơi nước là cần tới nhiều thiết bị và phải hoạt động trong ngưỡng nhiệt độ tới hạn hay quy định, thường ở mức trên 2.000°C (hay 3.600° F).

Để khắc phục bất lợi này, các nhà nghiên cứu ở MIT đã cho ra đời động cơ nhiệt quang điện thể rắn (solid-state thermophotovoltaic heat engine) có thể hoạt động ở nhiệt độ tối ưu, sinh ra nhiều điện từ nhiệt so với tuabin hơi thông thường.

Thực chất của phát minh này là “gom” các photon năng lượng cao hơn từ các nguồn nhiệt cao nhờ vào việc sử dụng vật liệu băng thông cao với nhiều điểm nối. Trong thử nghiệm động cơ nhiệt không có bộ phận chuyển động, một thiết bị nhiệt điện (TPV) mà nhóm dùng nguyên mẫu kích thước 1 x 1 cm (0,4 x 0,4 inch) đã duy trì hiệu suất trên 40% trong phạm vi nhiệt độ từ 1.900 - 2.400°C (3.450 - 4.300°F). Các tế bào TPV trước đó có hiệu suất trung bình chỉ đạt khoảng 20%, cao nhất cũng chưa vượt ngưỡng 32%.

Theo GS Asegun Henry, MIT đã nâng cao hiệu quả ấn tượng bằng cách điều chỉnh một số biến. Thứ nhất, nhiệt độ nhiệt đầu vào - thiết bị này được thiết kế đặc biệt để làm việc ở nhiệt độ cao hơn phạm vi mà tuabin không thể hoạt động được. Điều này cho phép nhóm sử dụng các vật liệu hấp thụ/phát dải băng tần cao hơn, lấy nhiều năng lượng hơn và giải phóng các photon hồng ngoại năng lượng cao hơn ở phía phát - cũng như các tế bào quang điện được thiết kế để tận dụng tối đa các photon năng lượng cao đó.

Động cơ TPV sẽ mở ra hướng đi mới, giúp năng lượng tái tạo phát triển mạnh trong tương lai. Nguồn: MIT.

Sau đó, nhóm nghiên cứu xếp lớp các tế bào quang điện - lớp đầu tiên được thiết kế để thu thập các photon năng lượng cao nhất ở điện áp cao hơn hiệu quả truyền dẫn và lớp thứ hai để quét các photon năng lượng thấp hơn.

Các photon đi qua cả hai lớp được phản xạ trở lại bộ hấp thụ/bộ phát bằng một tấm gương, để bất kỳ photon nào nằm ngoài phạm vi tối ưu đều có thể phản xạ trở lại khi bắt đầu quá trình và giúp giữ cho nhiệt độ của bộ phát tăng lên.

“Tế bào quang điện TPV là bước ngoặt quan trọng chứng minh pin nhiệt hoàn toàn khả thi. Nó mở ra triển vọng mới, tăng cường sản sinh năng lượng tái tạo và cấp điện cho hệ thống lưới điện trung hòa cacbon triệt để trên quy mô toàn cầu”, GS Asegun Henry, thành viên nhóm nghiên cứu ở MIT khi nói về triển vọng của tế bào quang điên TPV trong mục tiêu trung hòa cacbon trong tương lai.

 

 

 


  • 23/05/2022 04:53
  • Khắc Nam (Theo Newatlas-4/2022)