Hướng nghiên cứu vật liệu linh kiện nhiệt điện lần đầu tiên được triển khai tại HCMUS bởi GS. TS. Phan Bách Thắng với các nhân sự cốt lõi như PGS. TS. Phạm Kim Ngọc, ThS. Phan Thanh Tuấn Anh và mới đây nhất là cựu thành viên của IMM Lab sau thời gian học Tiên sĩ tại Nhật Bản trở về với nhóm nghiên cứu - TS. Trần Quang Minh Nhật
Tổng quan hướng nghiên cứu về vật liệu linh kiện nhiệt điện:
Nguồn năng lượng tái tạo và các công nghệ tăng cường hiệu suất năng lượng được cho là đóng vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng năng lượng trong tương lai. Tuy nhiên có một số thách thức cần phải được giải quyết như: hiệu suất đủ hợp lý, các vật liệu cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn bền vững như tính phổ biến cao, không độc hại và ổn định trong dài hạn để phù hợp với các tiêu chí môi trường hiện nay. Vật liệu và linh kiện nhiệt điện hứa hẹn là một giải pháp quan trọng trong việc tiến bộ các hệ thống năng lượng bền vững.
Sơ đồ ước lượng mức
năng lượng tạo ra, tiêu thụ và thải bỏ của nước Mỹ năm 2018.
Nhiệt điện là khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng nhiệt thành năng lượng điện, và ngược lại. Điều này có nghĩa là khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa hai đầu của vật liệu, nó có thể tạo ra một dòng điện. Hiện tượng nhiệt điện dựa trên hiện tượng Seebeck và Peltier, trong đó hiện tượng Seebeck là sự tạo ra điện thế (điện áp) khi có sự khác biệt nhiệt độ giữa hai đầu của vật liệu, và hiện tượng Peltier là sự phát nhiệt hoặc hấp thụ nhiệt khi dòng điện đi qua vật liệu. Nhiệt có thể được cung cấp từ đốt cháy, sinh khối, ánh sáng mặt trời hoặc chất thải công nghiệp. Do đó, ứng dụng trong việc phục hồi nhiệt từ chất thải là có thể. Hiệu ứng nhiệt điện được sử dụng trong các mô-đun nhiệt điện, trong đó thường các vật liệu loại n và p được kết nối điện theo chuỗi và nhiệt theo chiều song song. Các mô-đun nhiệt điện được lắp ráp thành các máy phát điện nhiệt điện.
Sơ
đồ minh họa của một cặp nhiệt điện.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của việc phát điện nhiệt điện bị chi phối bởi hệ số Z [K-1] của các vật liệu cấu thành cặp đơn nhiệt điện:
- Hệ số Seebeck (S -Seebeck coefficient): Đây là một tham số quan trọng xác định mức độ tạo ra điện thế khi có sự khác biệt nhiệt độ giữa hai đầu của vật liệu. Hệ số Seebeck được đo bằng đơn vị microvolts per Kelvin (μV/K).
- Độ dẫn điện (Electrical conductivity): Độ dẫn điện cao giúp tạo ra hiệu suất nhiệt điện tốt. Vật liệu nhiệt điện cần có khả năng dẫn điện tốt để dòng điện có thể lưu thông qua một cách hiệu quả. Độ dẫn điện thường được đo bằng đơn vị Siemens per meter (S/m) hoặc Ohm per meter (Ω/m).
- Độ dẫn nhiệt (Thermal conductivity): Độ dẫn nhiệt càng thấp, càng giúp tạo ra hiệu suất nhiệt điện tốt. Điều này đồng nghĩa với việc vật liệu có khả năng duy trì sự khác biệt nhiệt độ giữa hai đầu của nó, làm tăng hiệu quả của hiện tượng Seebeck. Độ dẫn nhiệt thường được đo bằng đơn vị Watts per meter-Kelvin (W/m·K).
- Hiệu năng nhiệt điện (Z - Thermoelectric efficiency): Đây là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả của vật liệu nhiệt điện, thường được biểu thị bằng tham số ZT. Giá trị ZT càng lớn thể hiện vật liệu càng tốt trong việc chuyển đổi nhiệt năng thành năng lượng điện và ngược lại.
Các hệ vật liệu sử dụng cho nhiệt điện:
Phạm vi nhiệt thải và nhiệt độ vận hành điển hình của các vật liệu nhiệt điện khác nhau.
Hiện nay, TS. Trần Quang Minh Nhật đang triển khai nghiên cứu vật liệu Tungsten Sub-oxide phase WO3-x cho ứng dụng nhiệt điện.
Cấu trúc tinh thể của W18O49 (a), nhìn dọc
theo [010] và [001] với cấu trúc xen kẽ cho thấy các đường hầm chạy dọc theo hướng
[010] (b), của WO2 (c), của WO3 (d).
Hình thái
Các nhu cầu tham gia học tập và chế tạo vật liệu và linh kiện nhiệt điện, xem thêm tại đây
Post a Comment