Cách tiếp cận mới với năng lượng mặt trời

Các hệ thống khai thác năng lượng mặt trời thường tạo ra: hoặc là điện năng hoặc là nhiệt năng (ở dạng hơi nước hoặc nước nóng). Nhưng một phân tích mới do các nhà nghiên cứu tại MIT cho thấy rằng: sẽ thu được nhiều lợi ích hơn, khi sử dụng các hệ thống khai thác năng lượng mặt trời để sản xuất đồng thời cả: điện năng và nhiệt năng.

Nghiên cứu mới ở MIT cho thấy: "một cơ hội tuyệt vời cho việc tích hợp các thiết bị nhiệt điện trong các hệ thống tổng hợp nhiệt từ nguồn năng lượng mặt trời", theo Evelyn Wang, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí ở MIT, đồng tác giả của nghiên cứu trên.

Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí "The journal Solar Energy".

Nghiên cứu mới là sự kết hợp giữa: các thiết bị nhiệt điện (có thể tạo một dòng điện, từ một độ nhiệt gradient, bên trong một hệ thống tập trung nhiệt thu được từ nguồn năng lượng mặt trời, còn được gọi là một máng parabol. Những hệ thống tập trung nhiệt từ nguồn năng lượng mặt trời này sử dụng các tấm gương cong (máng), dài, để tập trung ánh sáng mặt trời chiếu vào một ống thủy tinh chạy dọc theo đường trung tâm của máng. Một chất lỏng được bơm qua ống thủy tinh, sẽ được làm nóng bởi ánh nắng mặt trời, và sau đó có thể được sử dụng, để tạo ra hơi nước, để quay một tua-bin, hoặc được sử dụng trực tiếp để sưởi ấm không gian hay các quy trình công nghiệp đòi hỏi nhiệt năng.

Theo đề xuất mới của Wang và nghiên cứu sinh Nenad Miljkovic: các nhà nghiên cứu đã nhúng một hệ thống nhiệt điện vào trong một ống thủy tinh chạy dọc theo đường trung tâm của một hệ thống máng parabol để tạo ra: cả nước nóng lẫn điện cùng một lúc. Thiết bị chính để làm cho công việc này được gọi là một xi phông nhiệt (thermosiphon) thu hút nhiệt từ bộ phận "lạnh" của hệ thống nhiệt điện, nhằm duy trì độ nhiệt gradient của nó.

Hệ thống của Wang và Miljkovic sẽ làm thay đổi hình dạng của một ống thủy tinh trong một loạt các ống thủy tinh đồng tâm chạy dọc theo đường trung tâm của một hệ thống máng parabol: ống thủy tinh hẹp hơn (đầu tiên) sẽ chứa vật chất nhiệt điện bên trong, sẽ tác động tới ống hẹp hơn nữa, ở trung tâm của thiết bị chính "xi phông nhiệt" (thermosiphon), sẽ hấp thu sức nóng từ bộ phận "lạnh" của thiết bị nhiệt điện và làm giảm đi nhu cầu cần được bơm dung dịch làm mát (như trong một hệ thống máng parabol thông thường). Nhiệt năng thu được từ thiết bị chính "xi phông nhiệt" (thermosiphon) có thể được dùng để sưởi ấm không gian, vận hành các quy trình công nghiệp hoặc tạo ra nước nóng.

Một hệ thống như vậy sẽ mang lại nhiều ích lợi hơn so với các pin mặt trời truyền thống (thiết bị tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời), Wang nói thêm, "Các thiết bị nhiệt điện có thể rẻ hơn nhiều so với việc sử dụng các pin mặt trời truyền thống". "Ngoài ra, các pin năng lượng mặt trời thông thường không hoạt động tốt ở nhiệt độ cao". Tuy nhiên, cô giải thích: "các thiết bị nhiệt điện hoạt động tốt hơn trong điều kiện nhiệt độ cao, cho phép chúng tạo ra một độ nhiệt gradient lớn hơn".

"Hiện tại thì chưa có hệ thống hệ thống năng lượng mặt trời nào có thể vừa tạo ra điện năng và nhiệt năng trong điều kiện nhiệt độ cao", theo Miljkovic. Tuy nhiên, Miljkovic cho biết thêm, ‘có nhiều công ty đang theo đuổi mục tiêu này.’

"Đây là một cơ hội để tập hợp các công nghệ khác nhau", Wang nói. Thiết bị chính "xi phông nhiệt" (thermosiphon), thu hút nhiệt từ nơi này và truyền nhiệt đến nơi khác (giống như vòi hút chất lỏng), là "một cách thụ động để truyền nhiệt ... với chi phí thấp", Wang nói thêm.

"Các thiết bị chính "xi phông nhiệt" (thermosiphon) thường được làm đầy với các vật liệu đã trải qua một giai đoạn chuyển đổi (thường là biến đổi từ dạng chất lỏng thành hơi nước) khi chúng được đun nóng lên, và có được khả năng dẫn nhiệt - một khả năng truyền nhiệt từ nơi này đến nơi khác cao hơn nhiều so với bất kỳ vật liệu rắn nào", Wang cho biết. "Đây là một cách hiệu quả để truyền nhiệt, tới bất cứ địa điểm nào mà bạn muốn".

Wang và Miljkovic đã phát minh ra một mô hình máy tính để tìm kiếm sự kết hợp tối ưu của các vật liệu hiện tại cho các thiết bị nhiệt điện và thiết bị chính "xi phông nhiệt" (thermosiphon). Mô hình này cho phép kiểm tra những sự kết hợp của các thiết bị khác nhau (sản xuất đồng thời cả: điện năng và nhiệt năng) trong những điều kiện hoạt động khác nhau để làm cho toàn bộ hệ thống các thiết bị này, hoạt động đạt hiệu quả cao nhất.

Một hệ thống duy nhất có thể cung cấp nhiệt năng và điện năng, cho một ngôi nhà, Wang nói. "Trong một ngôi nhà, bạn tiêu thụ rất nhiều nhiệt, nhưng bạn chỉ cần được cung cấp đủ điện năng là được", Wang nói thêm. "Trong khi hiệu suất của hệ thống nhiệt điện như vậy là tương đối thấp, trong một hộ gia đình, bạn thật sự không cần quá nhiều nhiệt năng".

Abraham Kribus, giáo sư kỹ thuật cơ khí, làm việc tại Đại học Tel Aviv, Israel, người không tham gia vào nghiên cứu này, nói rằng nghiên cứu này mô tả một cách tiếp cận mới để chuyển đổi năng lượng mặt trời, với kết quả lạc quan cho thấy hiệu quả cao của lý thuyết chuyển đổi.

"Hiện nay hệ thống kết hợp (tạo ra ra điện năng và nhiệt năng cùng một lúc) này vẫn còn ở giai đoạn phân tích, vẫn còn chưa rõ về tính hiệu quả xác thực dựa trên chi phí và độ tin cậy của hệ thống kết hợp này so với hệ thống năng lượng mặt trời truyền thống. Tuy nhiên, "đây là một lý thuyết rất khả quan, và nhóm nghiên cứu thật sự có năng lực", Kribus nói thêm

Evelyn Wang đồng ý rằng có thể mất một vài năm để áp dụng ý tưởng về thiết kế hệ thống kết hợp này vào thực tế. Hiện tại, Wang và Miljkovic đang đi trước với "nỗ lực xây dựng một hệ thống mẫu để chứng minh".

Nghiên cứu này được tài trợ như là một bộ phận của Trung tâm S3TEC MIT(một Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng tiềm năng) được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.