Hệ thống biến sức nóng mặt trời thành điện “xanh”

Trong bối cảnh thế giới đang đẩy mạnh chuyển đổi năng lượng sạch để đối phó với biến đổi khí hậu, các nhà khoa học không ngừng tìm kiếm những công nghệ mới để khai thác tối đa năng lượng mặt trời.

Gần đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Rochester (Mỹ) đã phát triển một hệ thống nhiệt điện mặt trời đột phá, có khả năng tăng hiệu suất sản xuất điện lên gấp 15 lần so với các thiết bị cũ, mà không cần thay đổi vật liệu bán dẫn chính.

Đây là một bước đột phá lớn, mở ra con đường mới cho việc sản xuất điện sạch mà không cần dựa vào các tấm pin quang điện truyền thống.

Không giống như các tấm pin năng lượng mặt trời mái nhà thông thường chuyển đổi ánh sáng trực tiếp thành điện năng, thiết bị nhiệt điện mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý khác: Chuyển đổi sự chênh lệch nhiệt độ thành dòng điện ổn định thông qua hiệu ứng Seebeck.

Khi một bên của vật liệu đặc biệt (vật liệu nhiệt điện) nóng hơn bên còn lại, sự chênh lệch nhiệt độ này sẽ đẩy các hạt mang điện về phía bên lạnh hơn, tạo ra một điện áp có thể khai thác. Về cơ bản, hệ thống này kéo điện trực tiếp từ nhiệt lượng tạo ra bởi ánh sáng mặt trời tập trung.

Hệ thống nhiệt điện mặt trời mới tập trung cải thiện quản lý nhiệt ở hai phía (nóng và lạnh) mà không thay đổi vật liệu bán dẫn. Ảnh: SciTechDaily

Điểm sáng của nghiên cứu là tập trung cải thiện quản lý nhiệt ở hai phía mà không thay đổi vật liệu bán dẫn, trong khi các nỗ lực trước đây chủ yếu nhằm cải thiện bán dẫn nhưng chỉ mang lại tiến bộ khiêm tốn.

Để tối ưu hóa mặt nóng, nhóm nghiên cứu đã tạo hình lại một tấm vonfram mỏng bằng cách sử dụng tia laser femtosecond (công cụ bắn xung ánh sáng cực ngắn). Các xung laser này khắc lên kim loại một "khu rừng" cấu trúc siêu nhỏ, khiến bề mặt gần như màu đen.

Bề mặt vonfram được xử lý hoạt động như một bộ hấp thụ chọn lọc, hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả nhưng lại phát ra tương đối ít nhiệt hồng ngoại. Điều này giúp vonfram đạt nhiệt độ cao hơn đáng kể so với tấm kim loại không được xử lý.

Để giữ nhiệt không bị thất thoát ra không khí, các nhà nghiên cứu phủ lên bề mặt nóng một màng nhựa trong suốt, tạo ra một hiệu ứng nhà kính tí hon, giúp vonfram duy trì nhiệt độ cao hơn nhiều so với môi trường xung quanh.

Cận cảnh các cấu trúc nano được khắc bằng laser trên bề mặt của máy phát điện nhiệt điện mặt trời. Ảnh: SciTechDaily

Ở mặt lạnh, hệ thống laser tương tự được sử dụng để tạo mẫu cho lá nhôm mỏng bằng các rãnh và gờ siêu nhỏ.

Bề mặt có cấu trúc vi mô này làm tăng đáng kể diện tích bề mặt, cho phép kim loại tản nhiệt nhanh hơn nhiều. Trong không khí mở, nhôm được xử lý hoạt động như một bộ tản nhiệt nhỏ gọn, kết hợp bức xạ năng lượng hồng ngoại với tiếp xúc không khí hiệu quả. Việc tản nhiệt nhanh hơn giúp mặt lạnh luôn mát hơn, trong khi mặt nóng vẫn giữ được cường độ cao.

Sự kết hợp giữa vonfram được làm đen (hấp thụ nhiệt tối ưu) và nhôm có cấu trúc vi mô (tản nhiệt nhanh) đã nâng cấp mặt nóng và mặt lạnh của máy phát, giúp nó tạo ra nhiều năng lượng hơn gấp 15 lần so với trước đây.

Nhà nghiên cứu Chunlei Guo đang thử nghiệm máy phát điện nhiệt điện mặt trời. Ảnh: SciTechDaily

"Trong hàng thập kỷ, cộng đồng nghiên cứu tập trung cải thiện vật liệu bán dẫn cho các thiết bị nhiệt điện mặt trời, nhưng chỉ đạt tiến bộ khiêm tốn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi không chạm đến vật liệu bán dẫn mà tập trung vào mặt nóng và mặt lạnh của hệ thống. Bằng cách kết hợp hấp thụ năng lượng mặt trời tốt hơn, giữ nhiệt ở phía nóng và tản nhiệt tốt hơn ở phía lạnh, chúng tôi đạt được cải thiện đáng kinh ngạc", giáo sư Chunlei Guo, dẫn đầu nghiên cứu, chia sẻ.

Với hiệu suất được cải thiện, công nghệ nhiệt điện mặt trời này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng, đặc biệt là trong các lĩnh vực yêu cầu nguồn điện nhỏ, bền bỉ và độc lập như Internet vạn vật (IoT) và cảm biến, thiết bị điện tử đeo trên người, cũng như các ứng dụng ngoài lưới điện như trạm sạc xe, biển báo giao thông...

Mặc dù vẫn cần thử nghiệm ngoài trời để đánh giá độ bền, nhưng đây là bước tiến hứa hẹn, có thể thay đổi cách con người khai thác năng lượng mặt trời, góp phần vào tương lai năng lượng sạch bền vững hơn.

Minh Đức (Theo Earth, Interesting Engineering)