CHLB ĐỨC – Các tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra điện, bộ thu nhiệt mặt trời cung cấp nhiệt, trong khi việc làm mát được thực hiện bởi các hệ thống điều hòa vốn cũng tiêu thụ điện năng. Điều này khiến các cao ốc phải bố trí nhiều công nghệ khác nhau trên diện tích có hạn của mái nhà và mặt dựng (phần bề mặt bên ngoài theo phương thẳng đứng của một tòa nhà). 

Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Gan Huang tại viện công nghệ vi cấu trúc thuộc viện công nghệ Karlsruhe (KIT – Karlsruhe institute of technology) dẫn đầu, đã phát triển một hệ thống năng lượng hybrid có khả năng đồng thời cung cấp điện, nhiệt và khả năng làm mát chỉ trên một bề mặt. Hệ thống PDRC-solar này kết hợp công nghệ quang điện, thu nhiệt mặt trời và làm mát bức xạ thụ động vào ban ngày, hay PDRC (passive daytime radiative cooling). Thành phần trung tâm của hệ thống là một lớp làm mát trong suốt. Lớp vật liệu này cho phép ánh sáng mặt trời truyền qua, đồng thời phát tán nhiệt ra không gian dưới dạng bức xạ hồng ngoại. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm thành công nguyên mẫu trong điều kiện ngoài trời, và cho rằng công nghệ này có thể trở thành một thành phần quan trọng của các lớp ngoại thất của công trình đa chức năng trong tương lai. 

Theo nhóm nghiên cứu, hệ thống đặc biệt phù hợp với những ứng dụng cần đồng thời cả năng lượng và khả năng làm mát. Tiến sĩ Huang chia sẻ: “Mục tiêu dài hạn là biến mái nhà và mặt dựng của công trình thành những bề mặt năng lượng chủ động, có thể cùng một lúc phát điện, cung cấp nhiệt và làm mát. Công nghệ cũng có tiềm năng đối với các ứng dụng tiêu thụ nhiều năng lượng như trung tâm dữ liệu trí tuệ nhân tạo (AI), nơi vừa cần lượng điện lớn vừa yêu cầu khả năng làm mát cao”.

Nguyên mẫu hệ thống hybrid khai thác đồng thời năng lượng từ mặt trời và khả năng làm mát từ không gian vũ trụ để phát điện, tạo nhiệt và làm mát

Tỏa nhiệt qua “cửa sổ khí quyển”
Hệ thống sử dụng một bộ phát xạ trong suốt gồm nền silica được phủ polymer silicone polydimethylsiloxane. Vật liệu này cho phép ánh sáng mặt trời đi qua nhưng đồng thời phát nhiệt dưới dạng bức xạ hồng ngoại qua “cửa sổ khí quyển”, tức dải bước sóng mà khí quyển trái đất có độ trong suốt rất cao đối với bức xạ nhiệt. Nhờ vậy, một phần nhiệt có thể được truyền trực tiếp ra không gian thay vì tích tụ trong hệ thống. Bên dưới lớp phát xạ trong suốt là một thấu kính Fresnel (*) có nhiệm vụ hội tụ ánh sáng mặt trời đã truyền qua lớp làm mát vào một bộ thu quang điện nhiệt (photovoltaic-thermal collector) có kích thước nhỏ gọn. Tại đây, năng lượng mặt trời được chuyển đổi đồng thời thành điện năng và nhiệt năng.
(*) Thấu kính Fresnel: là một thấu kính mỏng gồm nhiều rãnh đồng tâm, được thiết kế để hội tụ ánh sáng với khối lượng và độ dày nhỏ hơn đáng kể so với thấu kính thông thường.

Trong các thử nghiệm ngoài trời, nguyên mẫu đạt khả năng làm mát xuống thấp hơn nhiệt độ môi trường tới 6,5°C, đồng thời tạo ra mật độ công suất điện 60,6 W/m² và đạt nhiệt độ sưởi lên tới 110,8°C. Các kết quả này cho thấy ba chức năng làm mát, phát điện và tạo nhiệt có thể diễn ra đồng thời trên cùng một hệ thống. 

Kết hợp “lửa” và “băng” trong cùng một hệ thống
Tiến sĩ Huang nói rằng: “Công trình nghiên cứu chứng minh rằng một hệ thống duy nhất có thể đồng thời khai thác nguồn nhiệt từ mặt trời và nguồn lạnh từ không gian vũ trụ”. 

Vấn đề nằm ở việc kết hợp hai quá trình trái ngược về mặt nhiệt học. Tiến sĩ Huang nói tiếp: “Bộ thu năng lượng mặt trời cần hấp thụ càng nhiều bức xạ càng tốt và đạt nhiệt độ cao, trong khi bộ làm mát bức xạ lại phải duy trì nhiệt độ càng thấp càng tốt”.

Lớp làm mát trong suốt giúp ngăn cách vùng nóng và vùng lạnh
Ông Iván Alberto Cruz García thuộc viện vông nghệ vi cấu trúc, là tác giả chính của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Cell Reports Physical Science, chia sẻ: “Giải pháp của nhóm nghiên cứu là để ánh sáng mặt trời trước tiên đi xuyên qua lớp làm mát trong suốt. Sau đó, thấu kính Fresnel hội tụ ánh sáng vào một bộ thu năng lượng mặt trời có diện tích nhỏ hơn nhiều. Cấu trúc này giúp bộ thu năng lượng mặt trời có nhiệt độ cao được tách biệt về mặt vật lý khỏi lớp làm mát bức xạ phía trên”.

Hướng tới các hệ thống năng lượng đa chức năng
Nghiên cứu mới được phát triển từ công trình trước đó của nhóm. Năm 2024, các nhà khoa học đã giới thiệu một loại vật liệu trong suốt có khả năng làm mát thụ động cho công trình nhưng vẫn cho ánh sáng ban ngày truyền qua. Tiến sĩ Huang nói thêm: “Trên nền tảng đó, nhóm tiếp tục tích hợp cơ chế làm mát bức xạ với hệ thống thu năng lượng mặt trời, qua đó biến một bề mặt duy nhất thành một hệ thống năng lượng đa chức năng”. Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung cải thiện thiết kế quang học, khả năng quản lý nhiệt và hiệu suất của các cell quang điện nhằm nâng cao hiệu quả tổng thể của hệ thống. 

Nghiên cứu được thực hiện với sự hợp tác của Giáo sư Shanhui Fan thuộc đại học Stanford (Hoa Kỳ), một chuyên gia hàng đầu về công nghệ PDRC. Theo nhóm nghiên cứu, mặt trời không phải nguồn năng lượng duy nhất có thể khai thác từ bầu trời. Nhiệt độ rất thấp của không gian cũng có thể được xem như một nguồn tài nguyên tái tạo. Việc đồng thời khai thác năng lượng từ mặt trời và vũ trụ lạnh giá có thể hướng đến một thế hệ hệ thống năng lượng mới, trong đó cùng một bề mặt có khả năng đáp ứng đồng thời nhu cầu điện, nhiệt và làm mát. 

Để xem các tin bài khác về “Hệ thống hybrid”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online