Pin mặt trời quang-điện-hóa cải tiến lưu trữ nhiệt sóng nhiệt hiệu suất cao

Khi nhiệt độ lên cao, pin truyền thống mất đến 25% công suất do hiệu suất giảm. Nghiên cứu tại Anh sử dụng tế bào quang-điện-hóa kiểu dòng chảy tận dụng nhiệt dư thừa lưu trữ thành năng lượng hóa học và tạo điện sau, giúp tăng tổng hiệu suất vận hành.

Điểm nổi bật:

• Công nghệ năng lượng mặt trời truyền thống giảm hiệu suất 10–25% khi nhiệt độ tăng cao.
• Pin mặt trời quang-điện-hóa (PEC) lưu trữ nhiệt dư thừa thành năng lượng hóa học để tạo điện sau.
• Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của PEC tăng ở khoảng 45°C (113°F) trước khi suy giảm.
• PEC không cần dây dẫn truyền thống và phù hợp cho hệ thống độc lập.
• Công nghệ này cần vượt qua thách thức về điện áp khởi động và khả năng chống ăn mòn.

Đây là những gì bạn sẽ học trong bài viết này:

• Hiệu suất pin truyền thống giảm mạnh khi gặp sóng nhiệt.
• Phương pháp quang-điện-hóa lưu trữ nhiệt dư thừa dưới dạng năng lượng hóa học.
• Điểm tối ưu chuyển hóa năng lượng của PEC nằm ở khoảng 113°F (45°C).

Mặc dù có vẻ mâu thuẫn, nhưng pin năng lượng mặt trời cũng có thể nhận quá nhiều ánh nắng. Theo World Economic Forum, khi nhiệt độ tăng cao, đầu ra điện của các tấm pin giảm 10 đến 25%.

Đây là vấn đề tồn tại lâu nay và có thể ngăn cản việc áp dụng rộng rãi pin mặt trời, đã trở thành nguồn năng lượng khả thi từ những năm 1970. Khi nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng và thế giới chuyển khỏi nhiên liệu hóa thạch, hiệu suất ngày càng trở thành yếu tố then chốt trong phát điện bền vững, đặc biệt khi sóng nhiệt ngày càng phổ biến do biến đổi khí hậu.

Bây giờ, các nhà khoa học ở Anh có thể đã tìm ra giải pháp tận dụng năng lượng nhiệt dư thừa, chuyển nó thành năng lượng hóa học để cung cấp điện bù đắp.

Mỗi tế bào quang điện truyền thống trong mảng pin có lớp bán dẫn silicon được thiết kế đặc biệt để hấp thụ photon (hạt ánh sáng) và chuyển đổi chúng thành điện năng. Các photon truyền năng lượng cho electron trong vật liệu bán dẫn, khiến chúng di chuyển và tạo ra dòng điện.

Những tấm pin này hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ 60 đến 95°F (15–35°C), nhưng chúng có thể hấp thụ quá nhiều nhiệt, nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng vượt trội. Nhiệt độ bề mặt pin có thể lên tới 150°F (65°C) ngay cả khi nhiệt độ ngoài trời chỉ 85°F (30°C). Lúc này, electron trong mạch của mỗi tế bào quang điện bắt đầu va đập ác liệt, làm điện áp giảm và hạ thấp hiệu suất.

Nghiên cứu mới này đi xa hơn quang điện và chuyển sang sử dụng tế bào quang-điện-hóa (PEC) dòng chảy dựa trên silicon. Chúng kết hợp với hệ thống lưu trữ có hiệu suất tăng theo nhiệt độ. Kết quả tích cực này được công bố trong số tháng 8 của The Journal of Chemical Physics.

Hệ thống này tương tự công nghệ pin mặt trời truyền thống, nhưng có khác biệt chính: một phản ứng hóa học xảy ra tại bề mặt tế bào để điều khiển quá trình truyền điện. Theo Dowon Bae, PhD, đồng tác giả nghiên cứu tại Đại học Loughborough, “Tùy vào loại hóa chất trong điện giải (nơi lưu trữ và mang điện tích), chúng ta có thể chuyển điện năng thành các hợp chất khác hoặc lưu trữ dưới dạng năng lượng hóa học trong điện giải.”

Tế bào PEC dòng chảy hoạt động chủ yếu qua hai bước. Đầu tiên, hấp thụ ánh sáng tạo ra điện năng. Sau đó, điện năng này kích hoạt phản ứng hóa học ở ranh giới giữa tế bào PEC và điện giải.

“Thí nghiệm của chúng tôi cho thấy một lượng nhiệt nhất định có thể thúc đẩy phản ứng chuyển hóa hóa học, bù đắp tổn thất điện áp,” Bae nói. “Nói ngắn gọn, có khoảng nhiệt độ nơi nhiệt có thể được sử dụng hiệu quả mà không gây quá nhiệt.”

Điểm tối ưu cho tăng chuyển hóa năng lượng là khoảng 113°F (45°C). Vượt quá ngưỡng này, nhiệt độ tăng cao cũng khiến PEC giảm hiệu quả. Mức ngưỡng này có thể thay đổi tùy vật liệu sử dụng, nhưng khi nhiệt càng cao, nhiều chất liệu bám lên bề mặt tế bào, đến một mức độ nhất định thì quá tải.

Mặc dù tế bào PEC dòng chảy hứa hẹn thu nhiều ánh sáng hơn so với công nghệ truyền thống, chúng cũng có điểm yếu riêng: cần một mức “phí khởi động” để bắt đầu phản ứng hóa học cần thiết. Mức điện áp quá mức này làm giảm hiệu suất tổng thể. Chúng cũng dễ bị ăn mòn hơn so với pin thông thường.

Hiện tại, tế bào PEC chưa đủ bền để áp dụng rộng rãi. Những hạn chế này đã ngăn cản sự phát triển công nghệ, dù một số ngành đã sử dụng chúng cho sản xuất hydro xanh hoặc thu giữ carbon.

Pin quang điện tiêu chuẩn có thể vẫn là nền tảng của cuộc cách mạng năng lượng xanh, nhưng Bae tin rằng tế bào PEC dòng chảy mang lại nhiều lợi ích. Chúng phù hợp với các tình huống không phụ thuộc lưới điện chính nhờ lưu trữ năng lượng tốt. Chúng cũng đơn giản hơn vì không cần dây dẫn hay kết nối điện truyền thống. Một số nhà nghiên cứu gọi tế bào PEC là “lá nhân tạo.”

Bae rất hoài nghi về việc ứng dụng công nghệ PEC cho sản xuất hydro hoặc giảm CO₂ do những vấn đề về hiệu suất và ăn mòn. Tuy nhiên, ông cho rằng pin redox, dựa trên phản ứng oxi hóa-khử để tạo điện, có thể là lựa chọn tốt hơn. “Khác với các quy trình chuyển hóa hóa học khác, pin redox yêu cầu điện áp quá mức thấp và không cần quá trình lọc khí hoặc sản phẩm,” ông giải thích.

Những giải pháp sáng tạo như vậy sẽ cần thiết trong tương lai gần. Giá điện từ quang điện đã giảm 85% kể từ năm 2010, và việc cho phép pin hấp thụ nhiều năng lượng hơn có thể tiếp tục giảm chi phí, làm công nghệ pin mặt trời trở nên hấp dẫn hơn.

Trong khi các kỹ sư năng lượng từng coi nhiệt là kẻ thù cần tránh trong nhiều thập kỷ, nghiên cứu mới này cho thấy, trớ trêu thay, chính sóng nhiệt cũng có thể thúc đẩy cuộc cách mạng năng lượng xanh.