.png){kind=logo}
.png)
Danh mục Diễn đàn
Bài viết liên quan
.jpg){kind=logo}
Cơ chế tự làm mát của pin mặt trời sẽ giúp chúng đạt hiệu suất cao hơn và kéo dài tuổi thọ
Các nhà khoa học có thể vượt qua một trong những trở ngại lớn trong việc phát triển các thế hệ pin mặt trời mới hiệu quả cao, thời gian sử dụng lâu dài - giữ cho chúng luôn mát, ngay cả trong cái nắng gay gắt của buổi trưa hè. Bằng cách thêm một lớp hoa văn đặc biệt bằng kính silica lên bề mặt của các tấm pin năng lượng mặt trời thông thường, một nhóm các nhà nghiên cứu được dẫn dắt bởi Shanhui Fan, một giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học Stanford ở California đã tìm ra cách để cho các tấm pin năng lượng mặt trời tự làm mát bằng cơ chế điều hướng nhiệt bức xạ không mong muốn đi.
Pin năng lượng mặt trời là một trong những công nghệ năng lượng tái tạo có triển vọng và được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường hiện nay. Mặc dù có sẵn và sản xuất dễ dàng, ngay cả những thiết kế tốt nhất thì khả năng chuyển đổi thành điện năng sử dụng được vẫn chỉ được một phần nhỏ năng lượng mà chúng nhận được từ mặt trời.
Một phần của sự mất mát này là hậu quả không thể tránh khỏi của việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Một số lượng đáng ngạc nhiên gây nhiều tranh cãi, tuy nhiên, là do các tấm pin năng lượng mặt trời quá nóng.
Ở điều kiện hoạt động bình thường, pin năng lượng mặt trời có thể dễ dàng đạt tới nhiệt độ khoảng 130 độ F (55 độ C) trở lên. Những điều kiện khắc nghiệt đó sẽ làm giảm hiệu quả một cách nhanh chóng và có thể rút ngắn tuổi thọ của một tấm pin năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, tích cực làm mát pin năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng thông gió hoặc chất làm mát sẽ gây tốn kém và mâu thuẫn với sự cần thiết phải tối ưu hóa khả năng tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
Thiết kế được đề xuất mới này tránh được những vấn đề trên bằng cách áp dụng một cơ chế tiếp cận thụ động nhưng thẩm mỹ hơn để làm mát. Bằng cách gắn cấu trúc kim tự tháp nhỏ hình nón lên một lớp cực mỏng silica thủy tinh, các nhà nghiên cứu tìm thấy một cách để chuyển hướng nhiệt không mong muốn ở dạng hồng ngoại bức xạ từ bề mặt của pin năng lượng mặt trời, thông qua bầu khí quyển, và quay trở lại không gian.
“Phương pháp tiếp cận mới của chúng tôi có thể làm giảm nhiệt độ hoạt động pin năng lượng mặt trời một cách thụ động, cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng đáng kể và tăng tuổi thọ của pin năng lượng mặt trời,” Linxiao Zhu, một nhà vật lý tại Đại học Stanford và tác giả chính của bài báo Optica nói.
Các tấm pin năng lượng mặt trời hoạt động bằng cách chuyển đổi trực tiếp các tia sáng mặt trời thành năng lượng điện. Khi các photon ánh sáng đi vào khu vực bán dẫn của pin năng lượng mặt trời, chúng đánh bật các electron ra khỏi nguyên tử, cho phép điện lưu thông tự do, tạo ra một dòng điện. Tuy nhiên, các mẫu thiết kế thành công và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là chất bán dẫn silicon cũng chỉ chuyển đổi được chưa tới 30% năng lượng mà chúng nhận được từ mặt trời thành điện năng .
Phần năng lượng mặt trời không được chuyển đổi sẽ tạo ra nhiệt thải, làm giảm hiệu suất của pin năng lượng mặt trời của. Đối với việc tăng mỗi một độ C (1,8 độ F) nhiệt độ, hiệu quả của một tấm pin năng lượng mặt trời giảm khoảng 0,5%.
“Đó là một sự suy giảm rất đáng kể,” Aaswath Raman, một học giả sau tiến sĩ tại Đại học Stanford và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. “Ngành công nghiệp ứng dụng năng lượng mặt trời đầu tư một lượng vốn đáng kể để tạo ra những cải tiến hiệu quả. Phương pháp của chúng tôi là làm thay đổi lớp bao phủ một cách cẩn thận để có thể nâng cao hiệu quả của bất kỳ tấm pin năng lượng mặt trời nằm bên dưới. Điều này làm cho các thiết kế đặc biệt phù hợp và quan trọng.”
Ngoài ra, pin năng lượng mặt trời “già” nhanh hơn khi nhiệt độ của chúng tăng, với tốc độ lão hóa gấp đôi cho mỗi 18 độ Fahrenheit (10 độ C) tăng lên.
Làm mát một cách thụ động pin năng lượng mặt trời cho phép chúng loại bỏ lượng nhiệt dư thừa mà không tiêu tốn năng lượng đòi hỏi phải khai thác các tính chất cơ bản của ánh sáng cũng như "cửa sổ" hồng ngoại đặc biệt qua bầu khí quyển của Trái đất.
Mỗi bước sóng khác nhau của ánh sáng lại tương tác với pin năng lượng mặt trời theo những cách rất khác nhau-với dải ánh sáng nhìn thấy thì hiệu quả nhất trong việc tạo ra điện trong khi dải hồng ngoại lại hiệu quả hơn trong việc tạo nhiệt. Mỗi bước sóng khác nhau cũng bị uốn cong và khúc xạ khác nhau, tùy thuộc vào loại và hình dạng của vật liệu mà chúng đi qua.
Các nhà nghiên cứu áp dụng các nguyên tắc cơ bản để cho phép ánh sáng trong dải nhìn thấy đi qua các lớp phủ silica không những không bị cản trở mà còn tăng cường thêm lượng năng lượng hữu ích so với pin năng lượng mặt trời ở dải ánh sáng có bước sóng sinh nhiệt.
“Silica trong suốt với ánh sáng nhìn thấy được, nhưng nó cũng có thể tinh chỉnh như thế nào đó để làm uốn cong và khúc xạ ánh sáng có bước sóng cụ thể,” Fan, tác giả chính cho biết.
“Một lớp silica thiết kế cẩn thận sẽ không làm giảm hiệu suất của pin năng lượng mặt trời nhưng nó sẽ tăng cường bức xạ ở các bước sóng nhiệt định trước để phản xạ nhiệt của pin năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.”
Để kiểm tra ý tưởng của họ, các nhà nghiên cứu so sánh hai silica khác nhau bao gồm thiết kế: một mặt phẳng dày khoảng 5 mm và một lớp mỏng khác được bao phủ bởi cấu trúc kim tự tháp và vi tế bào hình nón chỉ dày một vài micron (một phần ngàn milimet) với các kích thướnc khác nhau.
Kích thước của các tính năng này là cần thiết. Bởi việc kiểm soát chính xác chiều rộng và chiều cao của kim tự tháp và vi tế bào hình nón, chúng có thể điều chỉnh được khúc xạ và chuyển hướng chỉ các bước sóng hồng ngoại không mong muốn ra khỏi pin năng lượng mặt trời và phản xạ vào không gian.
Fan nói: “Chúng tôi rất vui mừng khi nhận thấy rằng trong khi các lớp silica phẳng cũng có khả năng làm mát thụ động, nhưng lớp silica cấu trúc làm mát nhanh hơn đáng kể so với thiết kế silica phẳng dày 5 mm, và có hiệu suất gần giống trong các điều kiện lý tưởng.”
Zhu và các đồng nghiệp của ông hiện đang chế tạo các thiết bị và thực hiện các bài kiểm tra thử nghiệm trên thiết kế của họ. Bước tiếp theo của họ là để chứng minh khả năng làm mát bức xạ của pin năng lượng mặt trời trong điều kiện ngoài trời.
“Chúng tôi nghĩ rằng công việc này giải quyết một vấn đề công nghệ quan trọng trong hoạt động và tối ưu hóa của pin năng lượng mặt trời”, ông kết luận, “và do đó có tiềm năng thương mại hóa đáng kể.”
