Động cơ nhiệt mới không có bộ phận chuyển động có thể khử cacbon hoàn toàn cho lưới điện

Một động cơ nhiệt mới không có bộ phận chuyển động cũng hiệu quả như tuabin hơi nước

Các nhà nghiên cứu cho biết thiết kế này một ngày nào đó có thể tạo ra một lưới điện khử cacbon hoàn toàn.

Các kỹ sư tại MIT và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) đã thiết kế một động cơ nhiệt không có bộ phận chuyển động. Các cuộc thử nghiệm mới của họ cho thấy nó chuyển nhiệt thành điện với hiệu suất hơn 40% – hiệu suất tốt hơn so với các tuabin hơi nước truyền thống.

Động cơ nhiệt là tế bào nhiệt điện (TPV), tương tự như tế bào quang điện của tấm pin mặt trời, thu thụ động các photon năng lượng cao từ nguồn nhiệt nóng trắng và chuyển chúng thành điện năng. Thiết kế của nhóm có thể tạo ra điện từ nguồn nhiệt từ 1.900 đến 2.400 độ C , hoặc lên đến khoảng 4.300 độ F.

Các nhà nghiên cứu dự định kết hợp tế bào TPV vào một pin nhiệt quy mô lưới. Hệ thống sẽ hấp thụ năng lượng dư thừa từ các nguồn tái tạo như mặt trời và lưu trữ năng lượng đó trong các bờ than chì nóng được cách nhiệt. Khi cần năng lượng, chẳng hạn như vào những ngày u ám, các tế bào TPV sẽ chuyển nhiệt thành điện và chuyển năng lượng đến lưới điện.

Với tế bào TPV mới, nhóm nghiên cứu hiện đã trình diễn thành công các bộ phận chính của hệ thống trong các thí nghiệm quy mô nhỏ, riêng biệt. Họ đang làm việc để tích hợp các bộ phận để chứng minh một hệ thống hoạt động đầy đủ. Từ đó, họ hy vọng sẽ mở rộng quy mô hệ thống để thay thế các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch và tạo ra một lưới điện hoàn toàn khử cacbon, được cung cấp hoàn toàn bằng năng lượng tái tạo.

Asegun Henry, Giáo sư Phát triển Nghề nghiệp Robert N. Noyce tại Khoa Cơ khí của MIT cho biết: “Tế bào nhiệt điện là bước quan trọng cuối cùng để chứng minh rằng pin nhiệt là một khái niệm khả thi. “Đây là một bước hoàn toàn quan trọng trên con đường tăng cường năng lượng tái tạo và tiến tới lưới điện khử cacbon hoàn toàn.”

Henry và các cộng sự của ông đã công bố kết quả của họ vào ngày 13 tháng 4 năm 2022, trên tạp chí Nature . Các đồng tác giả tại MIT bao gồm Alina LaPotin, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf, và Evelyn Wang, Giáo sư Kỹ thuật Ford và trưởng Khoa Cơ khí, cùng với Kevin Schulte và các cộng tác viên tại NREL ở Golden, Colorado.

Nhảy khoảng cách

Hơn 90% điện năng trên thế giới đến từ các nguồn nhiệt như than đá, khí đốt tự nhiên, năng lượng hạt nhân và năng lượng mặt trời tập trung. Trong một thế kỷ, tuabin hơi nước đã là tiêu chuẩn công nghiệp để chuyển đổi các nguồn nhiệt như vậy thành điện năng.

Trung bình, các tuabin hơi nước chuyển đổi một cách đáng tin cậy khoảng 35% nguồn nhiệt thành điện, với khoảng 60% là hiệu suất cao nhất của bất kỳ động cơ nhiệt nào cho đến nay. Nhưng máy móc phụ thuộc vào các bộ phận chuyển động bị giới hạn nhiệt độ. Các nguồn nhiệt cao hơn 2.000 độ C, chẳng hạn như hệ thống pin nhiệt do Henry đề xuất, sẽ quá nóng đối với tuabin.

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã xem xét các giải pháp thay thế ở trạng thái rắn – động cơ nhiệt không có bộ phận chuyển động, có khả năng hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao hơn.

Henry nói: “Một trong những ưu điểm của bộ chuyển đổi năng lượng ở trạng thái rắn là chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn với chi phí bảo trì thấp hơn vì chúng không có bộ phận chuyển động. “Họ chỉ cần ngồi đó và tạo ra điện một cách đáng tin cậy.”

Tế bào nhiệt điện cung cấp một lộ trình khám phá hướng tới động cơ nhiệt thể rắn. Giống như pin mặt trời, tế bào TPV có thể được làm từ vật liệu bán dẫn với một dải thông cụ thể – khoảng cách giữa vùng hóa trị của vật liệu và vùng dẫn của nó. Nếu một photon có năng lượng đủ cao bị vật liệu hấp thụ, nó có thể đá một electron qua dải băng tần, nơi electron có thể dẫn điện, và do đó tạo ra điện – làm như vậy mà không cần chuyển động các cánh quạt hoặc cánh quạt.

Cho đến nay, hầu hết các tế bào TPV chỉ đạt hiệu suất khoảng 20 phần trăm, với kỷ lục là 32 phần trăm, vì chúng được làm bằng vật liệu dải tần tương đối thấp chuyển đổi các photon năng lượng thấp, nhiệt độ thấp hơn và do đó chuyển đổi năng lượng kém hiệu quả hơn .

Bắt sáng

Trong thiết kế TPV mới của họ, Henry và các đồng nghiệp của ông đã tìm cách thu nhận các photon năng lượng cao hơn từ nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn, do đó chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn. Tế bào mới của nhóm làm được như vậy với các vật liệu có dải tần cao hơn và nhiều điểm nối, hoặc các lớp vật liệu, so với các thiết kế TPV hiện có.

Tế bào được chế tạo từ ba vùng chính: hợp kim dải băng cao, nằm trên hợp kim dải băng thấp hơn một chút, bên dưới là một lớp vàng giống như gương. Lớp đầu tiên bắt giữ các photon năng lượng cao nhất của nguồn nhiệt và chuyển chúng thành điện năng, trong khi các photon năng lượng thấp hơn đi qua lớp đầu tiên sẽ bị lớp thứ hai bắt giữ và chuyển đổi để thêm vào điện áp được tạo ra. Bất kỳ photon nào đi qua lớp thứ hai này sau đó sẽ bị phản xạ bởi gương, trở lại nguồn nhiệt, thay vì bị hấp thụ dưới dạng nhiệt lãng phí.

Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra hiệu quả của tế bào bằng cách đặt nó trên một cảm biến thông lượng nhiệt – một thiết bị đo trực tiếp nhiệt lượng hấp thụ từ tế bào. Họ cho tế bào tiếp xúc với đèn nhiệt độ cao và tập trung ánh sáng vào tế bào. Sau đó, họ thay đổi cường độ hoặc nhiệt độ của bóng đèn và quan sát hiệu suất năng lượng của tế bào – lượng điện mà nó tạo ra, so với nhiệt mà nó hấp thụ – thay đổi như thế nào theo nhiệt độ. Trong phạm vi từ 1.900 đến 2.400 độ C, tế bào TPV mới duy trì hiệu suất khoảng 40%.

Henry nói: “Chúng tôi có thể đạt được hiệu suất cao trong một loạt các nhiệt độ liên quan đến pin nhiệt.

Ô trong các thí nghiệm có kích thước khoảng một cm vuông. Đối với hệ thống pin nhiệt quy mô lưới, Henry hình dung các tế bào TPV sẽ phải có quy mô lên đến khoảng 10.000 feet vuông (khoảng một phần tư sân bóng đá), và sẽ hoạt động trong các nhà kho được kiểm soát khí hậu để lấy điện từ các kho dự trữ khổng lồ. năng lượng mặt trời. Ông chỉ ra rằng có một cơ sở hạ tầng để sản xuất tế bào quang điện quy mô lớn, cũng có thể được điều chỉnh để sản xuất TPV.

Tham khảo: “Hiệu suất nhiệt điện 40%” của Alina LaPotin, Kevin L. Schulte, Myles A. Steiner, Kyle Buznitsky, Colin C. Kelsall, Daniel J. Friedman, Eric J. Tervo, Ryan M. France, Michelle R. Young , Andrew Rohskopf, Shomik Verma, Evelyn N. Wang và Asegun Henry, ngày 13 tháng 4 năm 2022, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-022-04473-y

Nghiên cứu này một phần được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Theo Scitechdaily