Phát hiện mới trong chuyển hoá nhiệt thải thành điện năng

Thiết bị TPV không khe hở chân không

Một tấm kính cách nhiệt trong suốt với tia hồng ngoại cho phép truyền tải năng lượng nhiệt hiệu quả, dẫn đến sự gia tăng đáng kể về công suất đầu ra.

ột nhóm kỹ sư và nhà khoa học vật liệu tại Đại học Colorado Boulder (Mỹ) đã phát triển một thiết bị nhiệt quang điện (thermophotovoltaic - TPV) mới có khả năng chuyển đổi bức xạ nhiệt thành điện năng với hiệu suất cao chưa từng có, thậm chí vượt qua giới hạn lý thuyết.

Thiết bị TPV khe hở không chân không, được thiết kế bởi nhóm nghiên cứu tại Đại học Colorado Boulder (Mỹ). Ảnh: CU Boulder

"Hai phần ba tổng năng lượng mà chúng ta sử dụng bị chuyển hóa thành nhiệt. Hãy nghĩ về việc lưu trữ năng lượng và tạo ra điện mà không cần đến nhiên liệu hóa thạch. Chúng ta có thể thu hồi một phần nhiệt năng bị lãng phí này và sử dụng nó để tạo ra điện sạch" - Phó Giáo sư Longji Cui, Trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết trong một thông cáo báo chí.

Mật độ công suất cao hơn nhờ ‘khe hở chân không bằng không’

Các hệ thống TPV truyền thống, vốn chuyển hóa nhiệt thành điện, bị giới hạn bởi định luật bức xạ nhiệt của Planck.

"Định luật Planck, một trong những nguyên lý nền tảng của vật lý nhiệt, đặt ra giới hạn về lượng nhiệt năng có thể khai thác từ một nguồn nhiệt ở một nhiệt độ nhất định", Cui giải thích.

Tuy nhiên, thiết bị mới của nhóm nghiên cứu tại CU Boulder đã đạt được mật độ công suất cao hơn so với các giới hạn trước đây, qua đó, thay đổi đáng kể cách áp dụng định luật này vào thực tiễn.

"Bằng cách thiết kế một thiết bị TPV độc đáo và nhỏ gọn, có thể cầm gọn trong lòng bàn tay, nhóm nghiên cứu đã vượt qua giới hạn chân không do định luật Planck đặt ra, giúp tăng gấp đôi mật độ công suất so với các thiết kế TPV thông thường", thông cáo báo chí cho biết.

Các thiết bị TPV truyền thống thường dựa vào một khe hở chứa khí hoặc chân không giữa nguồn nhiệt và tế bào quang điện, điều này gây ra tổn thất năng lượng đáng kể và làm giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Nhóm nghiên cứu đã khắc phục hạn chế này bằng cách phát triển một thiết kế TPV mới với "khe hở chân không bằng không" (zero-vacuum gap), loại bỏ hoàn toàn khoảng không gian chứa khí hoặc chân không giữa nguồn nhiệt và tế bào quang điện.

Khả năng mở rộng quy mô nhờ tăng mật độ công suất

Thiết bị mới sử dụng một tấm kính cách nhiệt có khả năng truyền tia hồng ngoại, giúp cải thiện hiệu quả quá trình truyền tải năng lượng nhiệt và tăng đáng kể công suất đầu ra.

"Điều này tạo ra một kênh mật độ công suất cao, cho phép sóng nhiệt truyền qua thiết bị mà không bị suy giảm, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất phát điện," thông cáo báo chí nhấn mạnh.

Khác với các phương pháp trước đây vốn yêu cầu nhiệt độ cực cao để đạt được mức công suất tương đương, thiết bị này có thể hoạt động ở mức nhiệt thấp hơn nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Việc sử dụng các vật liệu sẵn có với chi phí thấp, chẳng hạn như thuỷ tinh, cũng là một điểm đáng chú ý trong nghiên cứu này.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cho biết những vật liệu khác có thể giúp tăng mật độ công suất của thiết bị lên gấp 20 lần.

"Trước đây, khi muốn tăng mật độ công suất, người ta phải tăng nhiệt độ. Ví dụ, từ 1.500°C lên 2.000°C, thậm chí còn cao hơn, điều này không những không khả thi mà còn gây rủi ro an toàn cho toàn bộ hệ thống năng lượng", Cui giải thích.

"Giờ đây, chúng tôi có thể làm việc ở nhiệt độ thấp hơn, phù hợp với hầu hết các quy trình công nghiệp, trong khi vẫn tạo ra mức điện năng tương đương với các thiết bị TPV truyền thống có khe hở tích hợp. Thiết bị của chúng tôi hoạt động ở 1.000°C (1.832°F) nhưng đạt công suất tương đương với các hệ thống trước đây vận hành ở 1.400°C (2.552°F)", Cui lý giải thêm.