Phương pháp mới chuyển nhiệt thành điện

Các nhà vật lý trường đại học Utal đã phát triển được các thiết bị có khả năng chuyển nhiệt thành âm thanh và sau đó thành điện. Công nghệ này đem lại hứa hẹn cho việc chuyển đổi nhiệt thải thành điện, khai thác năng lượng mặt trời để sản xuất điện và làm nguội máy vi tính và radar.

“Chúng tôi đang chuyển đổi nhiệt thải thành điện theo một cách hiệu quả và đơn giản bằng cách sử dụng âm thanh,”ông Orest Symko, giáo sư vật lý trường đại học Utal phát biểu. “Đây là một nguồn năng lượng có thể hồi phục lại từ nhiệt thải.”

Năm thực tập sinh tiến sĩ của giáo sư Symko gần đây đã sáng chế ra phương pháp cải thiện hiệu suất của các thiết bị động cơ nhiệt âm thanh để chuyển nhiệt thành điện. Họ sẽ trình bày khám phá của mình vào thứ 6 ngày 8 tháng 6 này trong cuộc họp thường niên của Hội Âm Học Mỹ.

Giáo sư Symko dự định sẽ kiểm tra các thiết bị này trong vòng một năm để sản xuất ra điện từ nhiệt thải tại một cơ sở radar quân sự và tại một nhà máy tạo nước nóng của trường đại học.

Giáo sư Symko hy vọng rằng trong vòng hai năm tới, có thể sử dụng thiết bị này để lựa chọn thay thế các tế bào quang điện trong việc chuyển ánh sáng mặt trời thành điện. Các động cơ nhiệt còn có thể được sử dụng để làm nguội laptop và máy tính khác phát ra nhiệt nhiều hơn khi các thiết bị điện tử của chúng trở nên phức tạp hơn. Và giáo sư Symko đã lường trước được việc sử dụng các thiết bị phát ra điện từ nhiệt này.

Làm thế nào tạo ra năng lượng từ nhiệt và âm thanh

Công trình nghiên cứu của giáo sư Symko về chuyển đổi nhiệt thành điện thông qua các bộ phận âm thanh để phát triển các tủ lạnh nhiệt âm cực nhỏ để làm nguội các thiết bị điện tử.

Sử dụng âm thanh chuyển nhiệt thành điện có hai bước then chốt. Giáo sư Symko và các cộng sự đã phát triển nhiều động cơ nhiệt khác nhau (tên kỹ thuật là các nguồn năng lượng nhiệt âm) để hoàn thành bước đầu tiên: chuyển nhiệt thành âm thanh. Sau đó, họ chuyển âm thanh thành nhiệt bằng cách sử dụng công nghệ hiện tại: thiết bị áp điện, những thiết bị này bị nén lại khi gặp áp lực, bao gồm cả sóng âm và biến đổi áp lực đó thành dòng điện.

Hầu hết các thiết bị âm thanh chuyển từ nhiệt sang điện được chế tạo trong phòng thí nghiệm của giáo sư Symko nằm trong “các bộ phận cộng hưởng”hình trụ, các bộ phận cộng hưởng này nằm vừa trong lòng bàn tay của bạn. Mỗi xy lanh, hay bộ phận cộng hưởng, chứa một “ chồng” vật liệu với diện tích bề mặt rộng – như là kim loại hay các tấm plastic, hoặc các sợi làm bằng thủy tinh, bông hay nhùi thép – được đặt giữa bộ phận chuyển nhiệt lạnh và bộ phận chuyển nhiệt nóng.

Khi tạo ra nhiệt - bằng diêm, đèn hàn hay một bộ phận phát nhiệt – thì nhiệt sẽ đạt ngưỡng. Sau đó không khí nóng chuyển động sẽ tạo ra âm thanh tại một tần số đơn, tương tự như không khí thổi vào trong ống sáo. “Bạn có nhiệt, nhiệt này thì hỗn độn và lộn xộn, nhưng bất thình lình bạn có âm thanh phát ra tại một tần số nào đó,”giáo sư Symko nói.

Sau đó, các sóng âm sẽ nén thiết bị áp điện và tạo ra một điện áp. Giáo sư Symko cho biết điều này tương tự như khi bạn chấn phải dây thần kinh ở khuỷ tay, một xung động thần kinh điện làm cho bạn cảm thấy rất đau được tạo ra.

Các xy lanh cộng hưởng càng dài thì âm thanh phát ra càng nhỏ, trong khi những ống ngắn lại phát ra tiếng to hơn.

Các thiết bị chuyển từ nhiệt thành âm thanh và sau đó thành điện, vì vậy những thiết bị như vậy đòi hỏi bảo trì ít và có tuổi thọ dài hơn. Chúng không cần phải được tạo ra một cách chính xác như píttông trong động cơ, píttông mà mất hiệu suất khi chúng bị hao mòn.

Giáo sư Symko cho biết, các thiết bị này sẽ không gây ra ô nhiễm tiếng ồn. Đầu tiên, vì các thiết được phát triển rất nhỏ nên chúng sẽ chuyển nhiệt thành các tần số siêu âm mà người ta không nghe được. Thứ hai, độ lớn của âm thanh giảm xuống vì nó được chuyển thành điện. Cuối cùng, “rất dễ dàng để chứa tiếng ồn bằng cách đặt một bộ phận thu tiếng ồn xung quanh thiết bị này,”ông nói.

Các nghiên cứu cải thiện hiệu suất của thiết bị âm thanh chuyển đổi từ nhiệt sang điện.

Sau đây là các tóm tắt nghiên cứu của các thực tập sinh tiến sĩ của giáo sư Symko:

-Thực tập sinh tiến sĩ Bonnie McLaughlin chứng minh được có thể nhân đôi hiệu suất của việc chuyển đổi nhiệt thành âm bằng cách tối ưu hóa hình học và độ cách điện của bộ phận cộng hưởng âm và bằng cách đưa nhiệt trực tiếp vào bên trong bộ phận chuyển nhiệt nóng.

Cô đã tạo ra các thiết bị hình trụ dài 1,5 inch và rộng 0,5 inch và nghiên cứu để cải thiện lượng nhiệt chuyển thành âm thanh hơn là lượng nhiệt thoát ra. Chỉ với hiệu số nhiệt độ 90 độ F giữa bộ phận chuyển nhiệt nóng và bộ phận chuyển nhiệt lạnh thì âm thanh đã được tạo ra. Một số thiết bị đã tạo ra âm thanh lên đến 135 decibel – âm thanh có âm lượng to như tiếng búa khoan.

-Thực tập sinh tiến sĩ Nick Webb đã chứng minh bằng cách nén không khí trong một bộ phận cộng hưởng có kích cỡ tương tự cũng tạo ra được nhiều âm thanh hơn và vì vậy nhiều điện hơn.

Ông Webb còn chứng minh được bằng cách tăng áp lực không khí, cần phải có hiệu số nhiệt độ nhỏ hơn để cho nhiệt có thể bắt đầu chuyển thành âm thanh. Điều này khiến cho việc sử dụng các thiết bị âm thanh để làm nguội laptop và các thiết bị điện tử khác, những thiết bị mà phát ra lượng nhiệt thải tương đối nhỏ,trở nên thiết thực hơn, giáo sư Symko cho biết.

Sẽ cần phải có nhiều thiết bị chuyển nhiệt thành âm thanh và thành điện để khai thác năng lượng mặt trời để sản xuất điện hoặc để làm nguội các nguồn nhiệt thải công nghiệp lớn. Thực tập sinh tiến sĩ Brenna Gillman đã biết được cách làm cho các thiết bị này - lắp đặt cùng nhau để tạo nên một dãy thiết bị-- hoạt động cùng với nhau.

Để một dãy thiết bị chuyển nhiệt thành âm thanh và thành điện một cách hiệu quả, mỗi một thiết bị riêng lẽ phải được nối với nhau để tạo ra một tần số âm thanh giống nhau và rung đồng bộ với nhau.

Bà Gillman đã sử dụng các kim loại khác nhau để tạo ra các giá đỡ để đỡ 5 thiết bị. Bà phát hiện ra rằng, có thể đồng bộ hóa các thiết bị này nếu giá đỡ được làm bằng kim loại ít nặng hơn như nhôm chẳng hạn và quan trọng hơn là nếu tỉ lệ của trọng lượng của giá đỡ so với tổng trọng lượng của cả dàn thiết bị ở trong một phạm vi nhất định. Thậm chí có thể đồng bộ hoá các thiết bị này tốt hơn nữa nếu chúng được nối với nhau khi các sóng âm của chúng tương tác trong túi không khí trong giá đỡ.

-Thực tập sinh tiến sĩ Ivan Rodriguez sử dụng một phương pháp khác trong việc xây dựng một thiết bị âm để chuyển nhiệt thành điện. Thay vì dùng ống xylanh, ông tạo ra một bộ phận cộng hưởng tử một ống thép rỗng có đườnng kính 0,25 ich được uốn cong để tạo nên một vòng tròn có đường kính 1,3 inch.

Trong các bộ phận cộng hưởng hình xylanh, sóng âm va đập vào hai đầu của ống xylanh. Nhưng khi tạo ra nhiệt trong bộ phận cộng hưởng hình tròn của thực tập sinh tiến sĩ Rodriguez, thì các sóng âm vẫn di chuyển vòng quanh trong thiết bị mà không bị gì dội lại chúng.

Giáo sư Symko cho biết bộ phận hình tròn thì có hiệu quả gấp 2 lần các bộ phận hình trụ trong việc chuyển nhiệt thành âm thanh và thành điện. Đó là bởi vì áp lức và tốc độ của không khí trong bộ phận hình tròn thì luôn luôn đồng bộ, chứ không giống như trong các bộ phận hình trụ.

-Thực tập sinh tiến sĩ Myra Flitcroftđãthiết kế một động cơ nhiệt hình trụ có kích thước bằng 1/3 kích thước các thiết bị khác. Nó có kích thước bằng một nửa đồng xu, tạo ra được âm thanh có âm lượng lớn hơn nhiều so với các bộ phận cộng hưởng khác. Khi bị nung nóng, thiết bị này tạo ra âm thanh 120 decibel – tương đương với mức âm thanh được tạo ra bằng một chiếc còi báo động hay một buổi trình diễn nhạc rock.

“Nó là một thiết bị nhiệt âm cực nhỏ - một trong những thiết bị nhiệt âm nhỏ nhất được chế tạo – và nó sẽ mở đường cho việc chế tạo chúng thành một dãy các thiết bị,”giáo sư Symko phát biểu.