Kỷ nguyên về công nghệ tự tạo năng lượng điện đã bắt đầu

05/10/2011

Bình ắc quy, công tắc, đường phố và cả máy bay đều có thể biến sự rung động, âm thanh hay luồng gió thành năng lượng điện. Kỷ nguyên về công nghệ tự tạo năng lượng điện đã bắt đầu.

Tận dụng năng lượng dư thừa

Thông thường khi muốn vượt Thái Bình Dương, người ta tránh không thực hiện trong tháng chín, đây là thời gian thường xảy ra giông tố, bão táp, và ở ven biển California thường có sóng dồi cao hàng mét. Nhưng đó lại là điều mà kỹ sư Luke Beatman mong muốn. Nhờ những đợt sóng đó, “vật ăn bám” (die Drohne) của vị kỹ sư làm việc tại hãng Startups Liquid Robotics (California) có thể đến đích nhanh hơn trong quá trình vượt đại dương. Vật lướt sóng vượt đại dương này có hình dáng như ván lướt sóng, giá mỗi cái khoảng 150.000 USD, thiết bị này không có động cơ, cánh quạt hay bình chứa nhiên liệu. “Con Drohne” này tận dụng năng lượng vận động của biển cả.

Doanh nghiệp Startup Roundabout Outdoor ở Nam Phi trong năm qua đã sản xuất trên 600 đu quay
Playpump mà khi chơi những đứa trẻ cònlàm thêm việc bơm nước từ giếng lên bể chứa

Để di chuyển được Drohne có một sợi cáp kéo theo thiết bị truyền động đặc biệt ở độ sâu 7 mét, thiết bị này trông như một đoạn hàng rào gồm nhiều thanh chắn có khả năng vận động. Cấu trúc của thiết bị không những hết sức đơn giản mà còn rất khôn ngoan: Sóng dâng Drohne trên mặt nước, mỗi khi Drohne được đẩy lên cao nó lại lôi thiết bị truyền động lên theo. Do áp lực nước nên những tấm chắn tự dịch chuyển xuống dưới và đẩy Drohe tiến lên, cơ chế này tương tự vây bơi lùi ở cá voi. Nhờ vậy, Drohne có thể di chuyển không ngừng theo mọi hướng với vận tốc 3,7 km/giờ. Những thiết bị lắp trên Drohne như thiết bị định vị hay phát tín hiệu được nạp điện thông qua các tấm pin mặt trời cỡ nhỏ.

Kỹ sư Beatman dự kiến cho hai thiết bị lướt sóng tự tạo năng lượng này vượt một khoảng cách 1.1000 km khởi hành từ San Francisco tới Australia và Nhật Bản. Nếu điều này trở thành hiện thực thì theo kỹ sư Beatman "đây là một kỷ lục thế giới" và có thể ghi vào sách kỷ lục Guiness.

Ý đồ vượt đại dương nói trên chỉ là một trong nhiều ví dụ tuyệt vời về công nghệ sử dụng năng lượng dư thừa để tạo ra năng lượng điện: những tuốc bin gió kiểu mới đặt ở ven đường chuyển hóa sức gió do xe chạy thành điện, thiết bị giảm xóc chuyên dụng mỗi khi vào ổ gà lại tác động vào máy phát điện và các cảm biến công nghiệp cực nhỏ tự cấp năng lượng cho mình thông qua chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng. Từ những rung động nhỏ nhất, từ tín hiệu radio và thậm chí cả từ sóng âm người ta vẫn có thể dùng thiết bị chuyển hóa năng lượng mới nhất để làm ra điện.

Thu hái điện

Giới chuyên môn dùng khái niệm Energy Harvesting để nói về việc này (tạm dịch sang tiếng Việt là "thu hái điện"). Thực ra ý tưởng này cũng không hoàn toàn mới: thí dụ từ lâu người ta đã gắn dynamo vào xe đạp để lấy điện chiếu sáng hay ở một số loại đồng hồ đeo tay tự tích điện thông qua vận động của cánh tay v.v.

Trong tương lai nguyên tắc này sẽ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp cũng như trong cuộc sống hàng ngày: các cảm biến (Sensor), thiết bị cấy ghép (Implantate) , điện thoại di động và thậm chí cả máy bay điện sẽ tự tạo năng lượng điện cho mình.

Ông Peter Harrop thuộc doanh nghiệp nghiên cứu thị trường công nghệ của Mỹ IDTechE cho rằng: "Energy Harvesting có vai trò đối với một loạt công nghệ tương lai".

Giới chuyên môn Mỹ dự đoán năm nay doanh thu của ngành này sẽ đạt khoảng 663 triệu USD; đến năm 2021 thị trường này sẽ phát triển lên 4,4 tỷ USD.

Những cảm biến không cần điện hay pin

Khái niệm cung cấp điện, như cách hiểu thông thường của chúng ta, đã thay đổi. Tương lai có thể có mạng lưới hình thành từ những cảm biến vô tuyến không có pin mà tự tạo năng lượng điện. Nhờ thế cảm biến có thể hoạt động ở những vị trí khó hoặc không thể tiếp cận được: thí dụ như ở trong bê tông của những cây cầu lớn, nơi những râu đo đạc không thể phát hiện kịp thời để cảnh báo về những vết rạn nứt.

Trong ngành hàng không dân dụng: Các nhà nghiên cứu EADS đã dán thí nghiệm cảm biến không cần pin lên thân máy bay, những cảm biến này có thể báo cho nhân viên kỹ thuật trong buồng điều khiển khi các bộ phận bị ăn mòn có vấn đề. Những cảm biến này nạp điện từ cái gọi là máy phát điện nhiệt (Thermogenerator). Đó là những tấm Chips-silic nhỏ, chúng có thể tạo ra điện khi hai đầu tấm chíp có sự chênh lệch về nhiệt – thí dụ phần kim loại trên máy bay một phía thì nóng nhưng phía tiếp giáp với không khí thì rất lạnh. Các nhà vật lý gọi hiện tượng này là hiệu ứng Seebeck.

Hãng Startup Perpetuum của Anh tới đây dự kiến sẽ tung ra thị trường một loại râu điện tử để giám sát ổ phanh của các toa xe lửa. Hệ thống phát mini nạp năng lượng nhờ sự rung động khi tàu chạy. Một cuộn kim loại rất nhỏ tiếp nhận sự rung động này, sự rung động này diễn ra nhiều lần trong một giây đồng hồ qua một thanh nam châm. Từ đó tạo điện áp, như ở đynamô - xe đạp. Thậm chí loại GPS-Chips đòi hỏi nhiều năng lượng lắp trong Container trên tàu hỏa cũng có thể áp dụng kỹ thuật này để lấy điện.

Những loại cảm biến mới này xuất hiện ngày càng nhiều trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Chúng ta sẽ có những công tắc đóng mở không dùng pin để điều khiển hệ thống lò sưởi hoặc hệ thống chiếu sáng.

Sức sống của một định luật

Sở dĩ Energy Harvesting có thể vận hành được chính là nhờ một định luật tự nhiên. Nhà vật lý Julius Robert von Mayer (Đức) đã phát hiện định luật này năm 1840. Ở tuổi 26, khi là bác sỹ làm việc trên một tàu biển của Hà Lan chạy tuyến Indonesia ông phát hiện vùng biển có nhiều sóng bao giờ cũng ấm áp hơn so với vùng biển lặng.

Và von Mayer cho rằng sự chuyển động đã tạo ra nhiệt. Từ phát hiện tình cờ này nhà vật lý nghiệp dư đã phát triển một trong những định luật vật lý quan trọng nhất đó là định luật bảo toàn năng lượng. Nội dung của định luật này là: năng lượng không bao giờ mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.

Các chuyên gia kỹ thuật dựa vào định luật này tái sử dụng những năng lượng bị coi là “năng lượng phế thải” và biến chúng thành năng lượng điện.
Với chiếc máy bay chạy điện X2 do hãng chế tạo máy bay điện của Mỹ Electraflyer đưa ra thị trường trong năm nay, chỉ cần ấn nút là lượng năng lượng phát sinh khi cất cánh hay hạ cánh và khi bay được chuyển vào một máy phát điện để biến thành điện nạp vào bình ác quy trên máy bay. Điều này có nghĩa là máy bay có thể bay liên tục cả ngày mà không hết điện.

Những người sử dụng loại ô tô hybrid (ô tô lai) như model Prius của hãng Toyota đã biết mỗi khi hãm xe, máy phát điện sẽ hoạt động. Khi gặp đèn đỏ, người ta hãm xe, lượng điện thu hồi được đủ để sau đó xe chạy được vài trăm mét mà không tiêu hao nhiên liệu.

Để tiết kiệm nhiên liệu tới đây sẽ có những những máy phát điện có khả năng thu hồi nhiệt ở ống xả để biến thành điện năng: Tập đoàn công nghệ Siemens, Bosch và Viện Kỹ thuật đo lường Fraunhofer Freiburg (IPM) tham gia dự án EU HeatReCar với ý tưởng trên. Mục tiêu là tạo được một Kilowatt, tiết kiệm được 5% nhiên liệu.

Sắp tới, ngay từ năm 2012 các loại xe buýt và xe tải có thể được lắp giảm xóc của hãng US-Startups Levant Power và có thể sản sinh tới 400 Watt điện. Sau nhiều thí nghiệm người Mỹ hy vọng với loại giảm sóc này mỗi xe tải mỗi năm tiết kiệm được 1% nhiên liệu. Thoạt nghe thì dường như mức tiết kiệm này chẳng đáng bao nhiêu, nhưng nếu bình quân một xe tải ở Mỹ chạy một năm khoảng 192.000 km thì bình quân một năm cũng tiết kiệm được 800 USD nhiên liệu.

Đi vào cuộc sống thường ngày

Những loại công nghệ này sẽ ngày một quan trọng hơn vì giá nhiên liệu ngày một tăng và các nhà chế tạo ô tô cứ vài năm lại phải thực hiện các quy định khắt khe hơn về khí thải CO2.

Chi phí năng lượng tăng cũng là một gánh nặng đối với ngân sách của các địa phương. Các địa phương ở Đức chi mỗi năm 570 triệu Euro để chiếu sáng đường phố. Đấy là chưa kể đến khoản chi phí cho các cảm biến giao thông hay bảng chỉ dẫn điện tử.

Cả ở lĩnh vực này Energy Harvesting cũng đưa ra các giải pháp: Đơn vị quản lý hệ thống đường cao tốc ở Pháp Autoroute Paris-Rhin-Rhône đã thử sản xuất điện gió trên một đoạn đường thuộc xa lộ A6 phía nam Paris, điện gió được sản xuất từ sức gió do xe ô tô chạy qua tạo nên. Lượng điện tạo ra ở trạm thí nghiệm này đủ để cung cấp cho các bảng thông tin điện tử hay cho các trạm thời tiết.

Doanh nghiệp Startup Innowattech của Israel còn tạo ra điện từ mặt đường ô tô. Các chuyên gia đính vào lớp nhựa trên mặt đường sợi-gốm áp điện tử (piezoelektronischen Fasern – Keramiken), khi mặt đường chịu lực nén thì sản sinh ra điện.

Người Israel đã thử nghiệm trên đoạn đường dài 10 mét có mật độ xe chạy dày đặc mỗi giờ thu được 200 Kilowatt giờ – lượng điện này đủ dùng cho 300 hộ gia đình. Chuyện này nghe như chuyện khoa học viễn tưởng. Nhưng điều này đã được áp dụng trong thực tế, cụ thể là ở câu lạc bộ khiêu vũ ở London và Rotterdam: Doanh nghiệp Startup Sustainable Dance Club của Hà Lan đã lắp đặt dưới sàn nhảy những dynamo mini, các bước nhảy của các thành viên câu lạc bộ này đủ để tạo được điện thỏa mãn nhu cầu thắp sáng ở câu lạc bộ.

Cơ thể con người cũng là một nhà máy điện với nhiều con số gây bất ngờ: khi đi lên cầu thang con người xử dụng 200 Watt năng lượng vận động, khi nghỉ ngơi nhiệt lượng cơ thể là 70 Watt, khi phóng xe đạp các vận động viên vào lúc đỉnh điểm có thể tạo ra một Kilowatt. Một số thiết bị thể dục thể hình của hãng US-Startups The Green Revolution đã tận dụng điều này để tạo ra điện – do chi phí sản xuất thiết bị quá cao nên khả năng này mới được dùng vì mục đích quảng cáo.

Tuy nhiên các thầy thuốc muốn tận dụng năng lượng dự trữ trong cơ thể con người để cung cấp điện cho những thiết bị cấy ghép trong cơ thể người. Nhà nghiên cứu Zhong Lin Wang thuộc Viện Công nghệ Georgia ở bang Atlanta (Hoa kỳ) nghiên cứu dùng dây áp điện tử để lấy năng lượng từ sự vận động của động mạch phục vụ các thiết bị y tế mini thí dụ các cảm biến vô tuyến để đo áp lực trong huyết quản.

Các nhà y học cũng muốn làm sao để các thiết bị tạo nhịp tim có khả năng tự túc về điện. Cho đến nay cứ mười năm các bệnh nhân lại phải phẫu thuật một lần để thay pin. Các nhà khoa học thuộc Viện nghiên cứu hệ thống vi kỹ thuật (Institut für Mikrosystemtechnik) (Imtek) ĐH Freiburg đã thiết kế một tế bào nhiên liệu lấy điện từ đường huyết. Nhà nghiên cứu Sven Kerzenmacher của Imteck hy vọng sau vài năm nữa sẽ có thiết bị tạo nhịp tim không bao giờ hết điện.

Những thiết bị chuyển hóa năng lượng kiểu mới cũng sẽ giải quyết những vấn đề trong cuộc sống hàng ngày – thí dụ khi pin trong MP3 hết điện mà người sử dụng lại đang trên đường công tác. Hãng Startup Tremont Electric của Mỹ bán thiết bị chuyển hóa năng lượng dạng dynamo, thiết bị này chuyển hóa năng lượng vận động cơ thể thành điện năng: thiết bị là một thanh tròn, dài 23 cm có tên là nPower PEG có thể gắn vào ba lô và tạo ra điện theo bước chân. Theo nhà sản xuất thì đi bộ một phút đủ để có điện cho iPod Nano hoạt động trong một phút.

Nghe như vậy thì có cảm giác lượng điện không nhiều nhặn gì. Nhưng công nghệ này có thể giải quyết những vấn đề cơ bản trong cuộc sống: chuyên gia của tổ chức viện trợ phát triển Uncharted Play đã áp dụng công nghệ này để tạo điện trong quả bóng tròn, mang tên Soccket, trong tháng 9 này Soccket sẽ được tặng cho các thôn bản hẻo lánh ở châu Phi, ở đây thường không có điện nhưng trẻ em lại rất ham mê đá bóng. Ban ngày khi các em chơi bóng bên trong quả có gắn thiết bị tạo ra điện và tích vào bình ắc quy . Buổi tối bố mẹ các em gắn quả bóng vào đèn-LED: theo tổ chức Uncharted Play nếu chơi bóng độ 15 phút thì có đủ điện chiếu sáng trong ba giờ đồng hồ.

Energy Harvesting phát triển mạnh nhất trên biển cả. Dọc bờ biển Hawaii, Nasa đã tiến hành thử nghiệm dài ngày đối với tàu ngầm-Drohnen (U-Boot-Drohne) và thấy rằng có thể tạo ra những phương tiện đi biển tự tạo năng lượng điện.

Con tàu hình ngư lôi tận dụng sự chênh lệch nhiệt độ ở các độ nước sâu khác nhau để tạo ra điện: những vật liệu chuyên dụng thường co lại khi nhiệt độ thấp do tàu ở sâu dưới nước; khi tàu ngoi lên vật liệu này dãn ra và nén vào dầu, áp lực của dầu kích cho máy phát điện hoạt động; nhờ đó tàu ngầm có thể hoạt động liên tục. Không lâu nữa các nhà nghiên cứu sẽ biến ước mơ về một con tàu hoạt động vĩnh cửu thành sự thật.

Theo Tạp chí Tia Sáng

Kỷ nguyên về công nghệ tự tạo năng lượng điện đã bắt đầu

Thông báo nhận hồ sơ các Giải thưởng hiệu quả năng lượng năm 2024

Giải pháp chiếu sáng hướng đến sử dụng hiệu quả, tiết kiệm năng lượng

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