Vật liệu mới chuyển đổi 90% ánh sáng thành nhiệt năng

12/12/2014

Các kỹ sư tại Đại học California, San Diego đã phát triển một loại vật liệu dựa trên các hạt nano cho các nhà máy điện năng lượng mặt trời tập trung có thể chuyển đổi 90% ánh sáng mặt trời thu được thành nhiệt năng. Với các kích thước hạt từ 10 nanomet đến 10 micromet, cấu trúc đa kích cỡ này thu giữ và hấp thu ánh sáng hiệu quả hơn và ở nhiệt độ trên 700 oC.

Một nhóm kỹ sư đa ngành tại Đại học California, San Diego đã phát triển một loại vật liệu mới dựa trên các hạt nano cho các nhà máy điện năng lượng mặt trời tập trung được thiết kế để hấp thu và chuyển đổi thành nhiệt năng hơn 90% ánh sáng mặt trời mà nó hấp thu. Vật liệu mới này cũng có thể chịu được nhiệt độ lớn hơn 7000C và có tuổi thọ kéo dài nhiều năm mặc dù ở ngoài trời và tiếp xúc với không khí và độ ẩm.

Công trình nghiên cứu của họ được Chương trình Sunshot của Bộ Năng lượng Hoa Ky tài trợ và được xuất bản trên tạp chí Nano Energy.

“Trong khi vật liệu hấp thu năng lượng mặt trời hiện tại hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và cần được bảo dưỡng hầu như mỗi năm cho các hoạt động ở nhiệt độ cao, chúng tôi muốn tạo ra một loại vật liệu hấp thu ánh sáng mặt trời mà không để cho bất kỳ ánh sáng nào thoát ra. Chúng tôi muốn vật liệu là một hố đen đối với ánh sáng,” Sungho Jin, Giáo sư tại Khoa Kỹ thuật hàng không và Cơ khí, Trường Kỹ thuật cơ khí Jacobs, Đại học California, San Diego, cho biết. Jin cùng với GS. Zhaowei Liu đến từ Khoa Kỹ thuật máy tính và Điện và Giáo sư kỹ thuật cơ khí Renkun Chen đã phát triển vật liệu vỏ nano bọc silic boride. Họ đều là những chuyên gia về kỹ thuật vật liệu chức năng.

Vật liệu mới có bề mặt “đa kích cỡ” được tạo ra bằng cách sử dụng các hạt có nhiều kích cỡ khác nhau, từ 10 nanomet đến 10 micromet. Các cấu trúc đa kích cỡ này có thể thu giữ và hấp thu ánh sáng, góp phần làm cho vật liệu đạt hiệu quả khi vận hành ở nhiệt độ cao.

Năng lượng mặt trời tập trung (Concentrating solar power - CSP) là công nghệ năng lượng sạch thay thế đang nổi lên, sản xuất khoảng 3,5 GW điện năng tại các nhà máy điện trên khắp thế giới, đủ cung cấp điện cho hơn 2 triệu hộ gia đình, cùng với các nhà máy đang được xây dựng, cung cấp 20 GW điện trong những năm tới. Một trong những điểm thu hút của công nghệ này là nó có thể được sử dụng để trang bị thêm cho các nhà máy điện hiện có sử dụng than hay nhiên liệu hóa thạch vì nó sử dụng cùng một quy trình sản xuất điện từ hơi nước.

Các nhà máy điện truyền thống đốt than hay nhiên liệu hóa thạch để tạo ra nhiệt năng làm bốc hơi nước. Hơi nước làm quay một tuabin khổng lồ sản xuất ra điện từ các nam châm quay và các cuộn dây dẫn. Các nhà máy điện CSP tạo ra hơi nước cần để quay các tuabin bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời để làm nóng muối nóng chảy. Muối nóng chảy cũng có thể được lưu trữ qua đêm trong các bể chứa nhiệt, ở đó nó có thể tiếp tục tạo ra hơi nước và điện, 24 giờ một ngày nếu muốn, một lợi thế đáng kể so với các hệ thống quang điện ngừng sản xuất năng lượng khi Mặt trời lặn.

Một trong những hệ thống CSP phổ biến nhất sử dụng hơn 100.000 gương phản chiếu ánh sáng mặt trời trên một tòa tháp được phun vật liệu sơn đen hấp thu ánh sáng. Vật liệu này được thiết kế để tối đa hóa khả năng hấp thu ánh sáng và giảm thiểu thất thoát ánh sáng phát ra tự nhiên từ bề mặt này dưới dạng bức xạ hồng ngoại.

Nhóm nghiên cứu của Đại học California, San Diego đã phát triển, tối ưu hóa và mô tả một loại vật liệu mới cho kiểu hệ thống này trong 3 năm. Vật liệu vỏ nano tổng hợp được phun sơn lên trên chất nền kim loại để kiểm tra cơ khí và khả năng chịu nhiệt. Khả năng hấp thu ánh sáng của vật liệu được đo trong phòng thí nghiệm quang học bằng một bộ công cụ duy nhất đo quang phổ từ ánh sáng khả kiến đến tia hồng ngoại.

Các nhà máy CSP hiện nay phải đóng cửa khoảng 1 năm 1 lần để tróc các mảng vật liệu hấp thu ánh sáng đã xuống cấp sau đó bọc lên một lớp phủ mới, có nghĩa là điện không được sản xuất trong thời gian bảo dưỡng này. Đó là lý do tại sao Chương trình SunShot của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tài trợ cho nhóm nghiên cứu của Đại học California, San Diego để phát triển một loại vật liệu có chu kỳ sống lâu hơn đáng kể, ngoài nhiệt độ hoạt động cao hơn và hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn. Nhóm nghiên cứu của Đại học California, San Diego đang hướng vào một loại vật liệu có thể được sử dụng trong nhiều năm, một kỳ tích họ tin rằng họ đang gần đạt được.

Theo Sciencedaily

Vật liệu mới chuyển đổi 90% ánh sáng thành nhiệt năng

Bộ tài liệu tuyên tuyền Chỉ thị 20 về Tiết kiệm điện

Phổ biến các tiêu chuẩn quốc gia về hệ thống quản lý năng lượng

Bản quyền thuộc Vụ Tiết kiệm năng lượng và Phát triển bền vững, Bộ Công Thương