 Quy trình chuyển đổi năng lượng hỏa điện - Ảnh: Phys.org. |
Hệ thống màng mỏng sử dụng quy trình chuyển đổi năng lượng hỏa điện (pyroelectric) mà nghiên cứu mới đã chứng minh rất phù hợp để khai thác các nguồn cung cấp năng lượng nhiệt thải dưới 100 độ C hay còn gọi là nhiệt thải chất lượng thấp.
Quy trình chuyển đổi năng lượng hỏa điện giống như nhiều hệ thống biến đổi nhiệt thành năng lượng, hoạt động tốt nhất nhờ sử dụng các chu kỳ nhiệt động học, giống như phương thức hoạt động của động cơ ô tô. Nhưng khác động cơ ô tô ở chỗ, quá trình chuyển đổi năng lượng hỏa điện có thể được thực hiện hoàn toàn ở trạng thái rắn mà không cần các chi tiết động vì nó biến đổi nhiệt thải thành điện.
Kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ màng mỏng quy mô rất nhỏ này đặc biệt phù hợp cho việc lắp đặt và khai thác nhiệt thải từ các thiết bị điện tử tốc độ cao và cũng có phạm vi ứng dụng rộng rãi. Đối với các nguồn nhiệt đang thay đổi, nghiên cứu cho thấy màng mỏng có thể biến đổi nhiệt thải thành năng lượng hữu ích có mật độ năng lượng, mật độ công suất và hiệu quả cao hơn so với các phương thức chuyển đổi năng lượng hỏa điện.
Hiệu ứng hỏa điện đã được biết đến từ lâu, nhưng việc xác định chính xác tính chất của những phiên bản màng mỏng của hệ thống hỏa điện vẫn gặp khó khăn. Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp các phiên bản màng mỏng của vật liệu chỉ dày từ 50 -100 nano mét và sau đó chế tạo thử nghiệm các cấu trúc của thiết bị hỏa điện dựa vào những màng này. Các cấu trúc đó cho phép các kỹ sư đo đồng thời cả nhiệt độ và dòng điện xuất hiện cũng như nhiệt nguồn để kiểm tra khả năng phát điện của thiết bị trên màng dày gần 100 nano mét.
Nghiên cứu đề cập đến kỷ lục mới về mật độ năng lượng của quy trình chuyển đổi năng lượng hỏa điện (1,06 J/cm3), mật độ năng lượng (526W/cm3) và hiệu suất (19% hiệu suất Carnot, là đơn vị đo tiêu chuẩn cho hiệu suất của động cơ nhiệt). Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tìm cách tăng tối đa hiệu quả của vật liệu màng mỏng cho các dòng nhiệt thải và nhiệt độ cụ thể.
Theo nhóm kỹ sư của trường ĐH California, gần 70% năng lượng sản sinh mỗi năm ở Mỹ bị thải loại dưới dạng nhiệt. Phần lớn lượng nhiệt thải này đều ở mức dưới 100 độ C và phát ra từ nhiều nguồn như máy tính, xe hơi hoặc các quy trình công nghiệp lớn.