Sản xuất điện từ nhiệt thải

Viện Nghiên cứu Thiết bị Năng lượng Thông dụng (RIUED) thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia của Nhật Bản (AIST) đã phát triển thành công môđun biến đổi nhiệt điện chế tạo từ vật liệu gốm, mà không bị giảm hiệu suất bởi sự oxy hóa. Cho đến nay, đã có các môđun nhiệt điện vận hành ở nhiệt độ cao, môđun mới phát triển có đặc trưng nổi bật do không bị giảm hiệu suất thậm chí sau khi vận hành ở 800oC trong không khí và không sử dụng bất kỳ một chất độc hại hoặc nguyên liệu quý hiếm nào. Môđun nhiệt điện mới được biết là tốt hơn rất nhiều so với các môđun hiện nay về khía cạnh tính kinh tế và độ an toàn.

Nếu môđun nhiệt điện mới này được sử dụng trong thiết bị đốt chất thải, các lò công nghiệp và ôtô, điện năng có thể được thu hồi từ năng lượng thải không được thu hồi, thường chiếm đến khoảng 70% tổng năng lượng tiêu thụ. Với phương thức này, môđun nhiệt điện mới có thể được coi là phương tiện có triển vọng làm giảm nhẹ các vấn đề như nóng lên toàn cầu và tiết kiệm năng lượng.

Ngoài ra, do môđun nhiệt điện mới có mật độ năng lượng cao, có thể áp dụng môđun này làm nguồn điện sử dụng trong trường hợp khẩn cấp hoặc cho các thiết bị di động tại các địa điểm có thảm họa thiên tai, ở nơi chỉ sẵn có các nguồn nhiệt. Môđun nhiệt điện mới được chế tạo từ vật liệu nhiệt điện oxyt, hoặc vật liệu gốm, không bị xuống cấp ở nhiệt độ cao và không chứa các nguyên tố độc hại.

Từ năm 1998, Nhóm nghiên cứu của AIST đã bắt đầu nghiên cứu hệ thống nhiệt điện bằng gốm đã đạt được một số kết quả nổi bật, như phát hiện ra oxyt nhiệt điện trên cơ sở các lớp p-type với hiệu suất biến đổi 10% ở độ chênh nhiệt độ vận hành là 500 ^oC và đã thiết lập các công nghệ tổng hợp và mô tả đặc trưng của hơn 2000 loại vật liệu nhiệt điện trong 1 ngày. Nhóm nghiên cứu đã tham gia chế tạo môđun sản xuất điện kiểu nhiệt điện trên cơ sở vật liệu mới tìm được.

Môđun nhiệt điện mới được chế tạo từ các oxyt kiểu p-type và n-type ghép nối xen kẽ với nhau. Ghép nối nhiều vật liệu là không tránh khỏi khi một cặp tạo ra hiệu điện thế cao nhất là 100 mV, mặc dù độ chênh nhiệt độ lớn thế nào đi chăng nữa.

Vấn đề khó khăn nhất trong chế tạo môđun là ghép nối vật liệu như thế nào để điện trở nhỏ nhất. Ví dụ, để chế tạo môđun 4V cần để nạp điện cho điện thoại di động, cần ghép nối 40 cặp hoặc hơn theo kiểu ghép nối tiếp, tạo ra 80 điểm ghép nối. Sự không liền mạch hoặc điện trở cao tại một điểm của các điểm ghép nối này có thể làm giảm điện năng sản xuất từ môđun. Do môđun tạo ra điện trên cơ sở độ chênh nhiệt độ, có thể gây ra hỏng hóc bởi sự khác biệt hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu nhiệt điện và các điện cực kim loại kết nối chúng.

Môđun nhiệt điện do RIUD-AIST phát triển được thiết kế để vận hành ở 800 ^oC trong không khí và không thể sử dụng các kỹ thuật thông thường như hàn trong chế tạo môđun này. Vì vậy, cần phát triển các kỹ thuật đổi mới để ghép nối các điện cực, điểm ghép nối và các cấu phần khác.

Cấu tạo của môđun được phát triển bởi RIUED-AIST sau hàng loạt các thử nghiệm-và-sai. Một điện thoại di động có thể được nạp bằng môđun nhiệt điện bằng cách sử dụng độ chênh nhiệt độ giữa ngọn lửa của bếp ga và một nồi chứa đầy nước. Theo cách này, đã chứng tỏ hiệu quả chuyển đổi của môđun là ổn định và không bị ảnh hưởng ở nhiệt độ cao đến 800 ^oC trong không khí, cung cấp điện bất cứ lúc nào và ở đâu khi có nguồn nhiệt.

Môđun nhiệt điện oxyt được chế tạo trong nghiên cứu này chứa 7 đến 280 cặp mối ghép p-n và một môđun có kích thước như lòng bàn tay có thể tạo ra khoảng 10W với hai mặt nóng và lạnh ở 800 ^oC và 300 ^oC tương ứng. Môđun do RIUED-AIST phát triển được chế tạo từ vật liệu không chứa các nguyên tố độc hại và quý hiếm và có chi phí rẻ, các mối ghép bền trong các chu trình nung nóng-làm nguội và có khả năng sản xuất điện cao so với thiết bị nhỏ, trọng lượng nhẹ. Tẩt cả các đặc trưng này tạo cho môđun nhiệt điện tính năng tuyệt hảo khi dùng làm môđun nhiệt điện để thu hồi tận dụng nhiệt thải.

Nguồn: Tech Monitor; vista 3/5/2006