Chế tạo hệ thống pin mặt trời mới dựa trên đặc tính tự nhiên của hoa hướng dương

Posted by admin at 19 Tháng Mười Hai, at 08 : 42 Sáng In

Nếu là một người thân thuộc với Hà Nội, hẳn bạn đã một lần đi trong sớm tinh sương để ra chợ Quảng Bá mua một bó hướng dương thật to, hay có lỡ thiếu tiền thì cũng có thể qua phố Chùa Bộc buổi sáng ngắm xe hàng rong chở loài hoa đẹp đẽ ấy.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Với chúng ta như vậy là một trải nghiệm tuyệt vời rồi (đem hoa tặng bạn gái mà lại), nhưng các nhà khoa học tại đại học Wiscosin-Madison (WISC, Hoa Kỳ) còn tìm thấy ở loài hoa này một đặc tính tự nhiên độc đáo để phát triển các hệ pin mặt trời mới với hiệu năng cao.

Trong khi hiệu suất quang điện bị hạn chế do đặc tính của vật liệu thì để nâng cao tỉ lệ năng lượng ánh sáng chuyển thành dòng điện, các pin mặt trời hiện nay được thiết kế dựa trên nguyên tắc chủ động. Cụ thể, hệ thống pin sẽ xác đinh vị trí mặt trời dựa theo tọa độ GPS tại nơi đặt và thời gian, sau đó các mô tơ sẽ xoay để hướng các tấm panel theo phương tối ưu nhất dựa trên kết quả lập trình có sẵn. Tuy nhiên, nhược điểm của phương thức này là nó không cho hiệu quả cao nếu bị tác động của các yếu tố thời tiết. Ví dụ như trời có mây, mưa, nhiệt độ, độ ẩm và ảnh hưởng của địa hình có thể gây tán xạ ánh sáng và khiến sự điều chỉnh của hệ pin không chính xác.

Khoa học sinh ra là để giúp con người hiểu về tự nhiên. Vì thế nếu chúng ta chưa nắm rõ và áp dụng thuần thục những những quy luật của tạo hóa thì tốt nhất là nên bắt chước theo nó. Quan sát hoạt động của hoa hướng dương các nhà nghiên cứu ở WISC thấy nó có một đặc điểm sinh học mà không nhiều sinh vật khác sở hữu: tính hướng sáng. Nhờ khả năng đó, loài thực vật này sẽ xoay các tán lá của nó để nhận được nhiều ánh sáng mặt trời nhất. Xuất phát từ đó, giáo sư Hongrui Jiang cùng các cộng sự đã nảy ra ý tưởng thiết kế các tấm pin mặt trời dựa trên phương thức bị động động. Nói cách khác, hệ thống lấy năng lượng từ ánh sáng sẽ căn cứ xem ở góc độ nào thì ánh sáng chiếu trực tiếp tới thiết bị từ đó điều chỉnh các tấm panel quay theo đúng hướng đó.

Ngoài những thành phần cơ bản như các hệ thống năng lượng khác, thiết kế của nhóm nghiên cứu tại WISC bao gồm một bộ phận điều khiển cơ học cấu thành từ nhiều cần truyền động (Actuator). Mỗi Actuator bao gồm phần vật liệu đàn hồi tinh thể lỏng (liquid crystallineelastomer LCE) và các ống carbon nanotube. Mục đích của các ống carbon là tạo ra cơ chế hấp thụ dải rộng bức xạ với các bước sóng khác nhau: từ vùng ánh sáng nhìn thấy tới vùng hồng ngoại. Trong khi đó, LCE có thể bị co giãn và thay đổi tính chất quang học dưới tác dụng của nhiệt độ.

Khi ánh sáng ở phương mạnh nhất chiếu qua các tấm panel, nó sẽ được hội tụ vào hệ thống cơ học nhờ một chiếc gương đặc biệt. Giả sử chùm sáng chiếu đến một Actuator X có cường độ lớn nhất, các ống carbon nanotube tại đó sẽ hấp thụ năng lượng và biến nó thành nhiệt. Do hệ thống nóng lên nên phần vật liệu LCD sẽ co lại, sự co làm quay các tấm panel sao theo phương tối ưu nhất đề thu được nhiều ánh sáng. Khi mặt trời di chuyển hoặc các yếu tố khác làm thay đổi phương truyền sáng, nhiệt độ ở Actuator X sẽ giảm đi và LCE ở đây sẽ nở ra, trong khi tại các Actuator Y LCE co lại. Quá trình đó diễn ra liên tục nên lúc nào các tấm panel cũng thu được nhiều ánh sáng nhất. Được biết góc quay của hệ thống pin lên tới 180 cho phép nó hoạt động tốt trong cả ngày.

Ưu điểm của thiết bị do WISC chế tạo là nó không sử dụng các motor hay mạch tiêu thụ điện nên nó không tiêu hao năng lượng trong quá trình chạy. Hơn nữa kết quả đo đạc cho thấy với cùng một loại vật liệu, hiệu suất quang điện trên các tấm pin tăng thêm 10% so với khi áp dụng phương thức hoạt động chủ động. Do đó, hệ thống mới sẽ tạo ra nhiều điện năng hơn để phục vụ cho các tải tiêu thụ ngoài.

(theo: tinhte)