Một thiết bị năng lượng mặt trời mới có thể tạo ra nguồn năng lượng giá rẻ và liên tục bằng cách chuyển đổi nhiệt năng thành các chùm ánh sáng tập trung.

Pin năng lượng mặt trời ngày càng phủ kín nhiều mái nhà hơn, nhưng thậm chí nhiều thập kỷ sau khi chúng được ra đời, các tấm silic vẫn cồng kềnh, đắt đỏ và không hiệu quả. Các hạn chế cơ bản ngăn những quang điện thông thường này hấp thụ hơn một phần năng lượng trong ánh sáng mặt trời.

Tuy nhiên, một nhóm các nhà khoa học của MIT (Viện Công nghệ Massachusetts) đã chế tạo một loại thiết bị năng lượng mặt trời khác sử dụng kỹ thuật đầy sáng tạo và các tiến bộ khoa học vật liệu để thu được nhiều năng lượng mặt trời hơn. Bí quyết là đầu tiên biến ánh sáng mặt trời thành nhiệt và sau đó chuyển đổi nhiệt thành ánh sáng, nhưng hiện được tập trung trong quang phổ mà các tế bào năng lượng mặt trời có thể sử dụng. Trong khi nhiều nhà nghiên cứu đã làm việc trong nhiều năm về cái gọi là nhiệt quang điện mặt trời, thiết bị MIT này là thiết bị đầu tiên hấp thụ nhiều năng lượng hơn tế bào quang điện, chứng minh rằng phương pháp này có thể tăng hiệu quả đáng kể.

Các tế bào năng lượng mặt trời silic tiêu chuẩn chủ yếu là thu ánh sáng có thể nhìn thấy từ màu tím đến màu đỏ. Điều đó và các yếu tố khác có nghĩa rằng chúng không bao giờ có thể biến hơn khoảng 32% năng lượng trong ánh sáng mặt trời thành điện năng. Thiết bị MIT này hiện vẫn là một nguyên mẫu thô, hoạt động ở mức hiệu suất 6.8% – nhưng với nhiều cải tiến, nó có thể mang lại hiệu quả gấp đôi so với các quang điện thông thường.

Tế bào năng lượng mặt trời nóng

Đột phá?

Một thiết bị năng lượng mặt trời có khả năng tăng gấp đôi hiệu suất về mặt lý thuyết của các tế bào năng lượng mặt trời thông thường.

Tại sao cần quan tâm?

Thiết kế mới có thể tạo ra nguồn năng lượng mặt trời giá rẻ, liên tục ngay cả khi mặt trời lặn.

Đối tượng sử dụng chính?

– David Bierman, Marin Soljacic, và Evelyn Wang, Viện Công nghệ Massachusetts (MIT)

– Vladimir Shalaev, Đại học Purdue

– Andrej Lenert, Đại học Michigan

– Ivan Celanovic, Viện Công nghệ Massachusetts (MIT)

Tính sẵn có?

Trong vòng 10 đến 15 năm nữa

Bước quan trọng trong việc tạo ra thiết bị là sự phát triển của một thứ gọi là bộ phát hấp thụ. Về cơ bản, nó hoạt động như một phễu ánh sáng nằm phía trên các tế bào năng lượng mặt trời. Lớp hấp thụ được chế tạo từ các ống nano cacbon rắn màu đen thu giữ tất cả năng lượng trong ánh sáng mặt trời và chuyển đổi phần lớn năng lượng thành nhiệt. Khi nhiệt độ đạt tới khoảng 1,000°C, lớp phát xạ liền kề phát năng lượng đó trở lại dưới dạng ánh sáng, hiện hầu như bị thu hẹp xuống các dải mà các tế bào quang điện có thể hấp thụ. Bộ phát được tạo ra từ tinh thể quang tử, một cấu trúc có thể được thiết kế với kích thước nano để điều khiển các bước sóng ánh sáng nào đi qua nó. Một bước tiến quan trọng khác là việc bổ sung một bộ lọc quang học chuyên dụng cao truyền ánh sáng phù hợp trong khi phản xạ lại gần như tất cả các photon không sử dụng được. “Việc tái tạo photon” này sản sinh nhiều nhiệt hơn, giúp tạo ra nhiều ánh sáng hơn mà tế bào năng lượng mặt trời có thể hấp thụ, nâng cao hiệu quả của hệ thống.

Các ống nano cacbon màu đen, đặt trên đỉnh lớp phát-hấp thụ, thu năng lượng qua quang phổ mặt trời và chuyển năng lượng đó thành nhiệt.

Nguồn: MIT Technology Review

 Lớp phát-hấp thụ được đặt trên một bộ lọc quang và tế bào quang điện, điều này có thể nhìn thấy ở bên dưới.

Nguồn: MIT Technology Review

Có một số nhược điểm đối với phương pháp tiếp cận của nhóm nghiên cứu MIT, bao gồm chi phí tương đối cao của một số thành phần nhất định. Nó cũng hiện chỉ hoạt động trong môi trường chân không. Nhưng kinh tế học nên cải thiện khi các mức độ hiệu quả tăng, và các nhà nghiên cứu hiện có một con đường rõ ràng để đạt được điều đó. “Chúng tôi có thể điều chỉnh thêm các thành phần ngay bây giờ mà chúng tôi đã cải thiện tầm hiểu biết của mình về những gì chúng tôi cần có để đạt được hiệu quả cao hơn”, phó giáo sư Evelyn Wang, người đã hỗ trợ thực hiện nỗ lực này nói.

Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tận dụng một thế mạnh khác của quang điện nhiệt mặt trời. Vì nhiệt năng dễ lưu trữ hơn điện năng nên có thể chuyển lượng dư thừa do thiết bị tạo ra sang hệ thống lưu trữ nhiệt năng mà sau đó có thể được sử dụng để sản xuất điện năng ngay cả khi không có mặt trời. Nếu các nhà nghiên cứu có thể kết hợp một thiết bị lưu trữ và cải thiện các mức độ hiệu quả, thì một ngày nào đó hệ thống này có thể cung cấp năng lượng mặt trời sạch, giá rẻ và liên tục.

Ánh sáng tập trung từ một bộ mô phỏng năng lượng mặt trời chiếu qua cửa sổ của buồng chân không, nơi ánh sáng tiếp xúc với thiết bị quang điện nhiệt mặt trời và tạo ra điện.

Nguồn: MIT Technology Review

Thanh Huyền

Lược dịch theo MIT Technology Review


Tác giả James Temple: Biên tập viên cao cấp về mảng Năng lượng của tạp chí công nghệ uy tín MIT Technology Review. Ông chủ yếu nghiên cứu về năng lượng tái tạo và sử dụng công nghệ để ứng phó với biến đổi khí hậu.