Tạo điện năng từ độ ẩm và diều gió

“Pin” dựa trên vải tự sạc

Một nhóm nhà nghiên cứu Trường Cao đẳng Thiết kế và Kỹ thuật (CDE) Đại học Quốc gia Singapore (NUS) phát triển thiết bị tạo ra điện điều khiển bằng hơi ẩm (MEG) làm bằng lớp vải mỏng (độ dày khoảng 0,3 mm, muối biển, mực carbon và một loại gel hút nước đặc biệt. Khái niệm về thiết bị MEG xây dựng dựa trên khả năng của các vật liệu khác nhau tạo ra điện từ sự tương tác với độ ẩm trong không khí.

Lĩnh vực này ngày càng nhận được sự quan tâm do tiềm năng của nó cho một loạt ứng dụng trong thế giới thực - bao gồm nhiều thiết bị điện tử như máy theo dõi sức khỏe, cảm biến da điện tử và thiết bị lưu trữ thông tin. Những thách thức chính của công nghệ MEG hiện tại bao gồm độ bão hòa nước của thiết bị khi tiếp xúc với độ ẩm xung quanh và hiệu suất điện không đạt yêu cầu. Do đó, điện năng do thiết bị MEG thông thường tạo ra không đủ cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện và cũng không bền vững.

Để vượt qua những thách thức này, một nhóm nghiên cứu do Trợ lý Giáo sư Tan Swee Ching từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu thuộc CDE phát minh ra thiết bị MEG mới chứa 2 vùng có tính chất khác nhau nhằm duy trì vĩnh viễn sự khác biệt về hàm lượng nước giữa các vùng để tạo ra điện và cho phép phát điện trong hàng trăm giờ. Thiết bị MEG của nhóm NUS bao gồm lớp vải mỏng phủ hạt nano carbon.

Trong nghiên cứu, nhóm sử dụng một loại vải có bán trên thị trường làm từ bột gỗ và polyester. Một vùng của vải được phủ một lớp hydrogel ion hút ẩm - được gọi là vùng ẩm ướt. Được tạo ra từ muối biển, loại gel hút nước đặc biệt này có thể hấp thụ gấp 6 lần trọng lượng ban đầu và nó được sử dụng để hút ẩm từ không khí. Giáo sư Tan chia sẻ: “Muối biển được chọn làm hợp chất hấp thụ nước do đặc tính không độc hại và tiềm năng cung cấp một lựa chọn bền vững cho nhà máy khử muối để xử lý muối biển và nước muối tạo ra”. Đầu kia của vải là vùng khô không chứa lớp hydrogel ion hút ẩm - nhằm đảm bảo vùng này được giữ khô ráo và nước được giới hạn trong vùng ẩm ướt.

Khi thiết bị MEG được lắp ráp, điện được tạo ra khi các ion muối biển tách ra do nước được hấp thụ trong vùng ẩm ướt. Các ion tự do mang điện tích dương được hấp thụ bởi hạt nano cacbon mang điện tích âm. Điều này gây ra những thay đổi đối với bề mặt của vải, tạo ra một điện trường trên nó. Những thay đổi này trên bề mặt cũng giúp vải có khả năng lưu trữ điện để sử dụng sau này. Sử dụng thiết kế độc đáo của các vùng khô-ướt, nhóm nhà nghiên cứu NUS có thể duy trì hàm lượng nước cao ở vùng ẩm ướt và hàm lượng nước thấp ở vùng khô. Điều này sẽ duy trì sản lượng điện ngay cả khi khu vực ẩm ướt đã bão hòa với nước. Sau khi để trong môi trường ẩm ướt trong 30 ngày, nước vẫn được duy trì trong khu vực ẩm ướt, chứng tỏ hiệu quả của thiết bị trong duy trì sản lượng điện.

Giáo sư Tan giải thích: “Với cấu trúc bất đối xứng độc đáo này, hiệu suất điện của thiết bị MEG của chúng tôi được cải thiện đáng kể so với các công nghệ MEG trước đây, do đó có thể cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị điện tử thông thường, chẳng hạn như máy theo dõi sức khỏe và thiết bị điện tử đeo được”. Thiết bị MEG của nhóm cũng thể hiện tính linh hoạt cao và có thể chịu được căng thẳng do xoắn, lăn và uốn cong. Điều thú vị là tính linh hoạt vượt trội của nó được nhóm nhà nghiên cứu thể hiện bằng cách gấp vải thành một con hạc origami mà không ảnh hưởng đến hiệu suất điện tổng thể của thiết bị.

Thiết bị MEG có các ứng dụng ngay lập tức do khả năng mở rộng dễ dàng và nguyên liệu thô có sẵn trên thị trường. Một trong những ứng dụng tức thời nhất là sử dụng làm nguồn điện di động cho những thiết bị điện tử cấp nguồn trực tiếp bằng độ ẩm môi trường xung quanh. Tiến sĩ Zhang Yaoxin, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết: “Sau khi hấp thụ nước, một mảnh vải tạo ra năng lượng có kích thước 1,5x2cm có thể cung cấp tới 0,7 vôn (V) trong hơn 150 giờ trong môi trường không đổi”.

Nhóm NUS cũng chứng minh thành công khả năng mở rộng của thiết bị mới trong việc tạo ra điện cho nhiều ứng dụng khác nhau. Nhóm NUS kết nối 3 mảnh vải tạo ra năng lượng với nhau và đặt chúng vào một hộp in 3D có kích thước bằng viên pin AA tiêu chuẩn. Điện áp của thiết bị lắp ráp được thử nghiệm đạt mức cao tới 1,96V - cao hơn pin AA thương mại khoảng 1,5V - đủ cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử nhỏ như đồng hồ báo thức.

Khả năng mở rộng của phát minh NUS, sự thuận tiện trong việc lấy nguyên liệu thô có sẵn trên thị trường cũng như chi phí chế tạo thấp khoảng 0,15 USD cho mỗi mét vuông cho phép thiết bị MEG phù hợp để sản xuất hàng loạt. Giáo sư Tan chia sẻ: “Thiết bị của chúng tôi cho thấy khả năng mở rộng tuyệt vời với chi phí chế tạo thấp. So với các cấu trúc và thiết bị MEG khác, phát minh của chúng tôi đơn giản và dễ dàng hơn trong việc mở rộng quy mô tích hợp và kết nối. Chúng tôi tin rằng nó có nhiều hứa hẹn thương mại hóa”. Nhóm nhà nghiên cứu đã nộp bằng sáng chế cho công nghệ này và đang có kế hoạch khám phá các chiến lược thương mại hóa tiềm năng cho nhiều ứng dụng trong thế giới thực.

Những cánh diều tạo ra năng lượng

Florian Bauer, đồng giám đốc điều hành và giám đốc công nghệ của Kitekraft - công ty có trụ sở tại Munich (Đức) - cùng với nhóm kỹ sư André Frirdich, Christoph Drexler và Max Isensee phát triển hệ thống “tuabin gió bay” giúp giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu. Công ty xây dựng mạng lưới nhà máy điện gió bay bao gồm một thiết bị bay có dây buộc được gọi là diều. Con diều mang tuabin gió và bay theo hình số 8 để tạo ra năng lượng điện từ gió. Mặc dù công nghệ “tuabin gió bay” đang ở giai đoạn sơ khai, một số công ty trên khắp thế giới đã tự mình khám phá năng lượng gió trên không và các nhà máy điện bay. Hệ thống cung cấp năng lượng cho diều được tạo thành từ cánh quạt, dây buộc và một trạm trên mặt đất. Khi con diều bay trong không khí, các cánh quạt quay, thu năng lượng của gió, trong khi dây buộc con diều với trạm mặt đất truyền điện xuống đất.

Trạm mặt đất lưu trữ năng lượng trong pin hoặc cấp vào lưới điện. Không giống như tháp tuabin gió cố định yêu cầu kết cấu bê tông và thép, hệ thống dựa trên diều có dây buộc nhẹ và một trạm mặt đất nhỏ, yêu cầu ít hơn 90% vật liệu. Bauer bình luận: “Những lợi ích phát sinh từ đó”. Diều của Kitekraft chủ yếu làm bằng nhôm, có thể dễ dàng tái chế. Ngược lại, vật liệu thường được sử dụng trong tuabin gió thông thường - chẳng hạn như thép và chất dẻo gia cố bằng sợi carbon hoặc sợi thủy tinh - rất khó tái chế. Mặc dù cánh quạt của Kitecraft làm từ sợi carbon, nhưng kích thước nhỏ bé của chúng khiến việc tái chế dễ dàng hơn nhiều.

Bauer giải thích: “Một trong những vấn đề mà ngành công nghiệp gió đang gặp phải hiện nay là thép khá tiêu tốn nhiều năng lượng để sản xuất và thải ra carbon. Giá bê tông và thép cũng cao. Chúng tôi sử dụng ít vật liệu hơn 10 lần so với tuabin gió thông thường để có được cùng một đơn vị năng lượng”. Diều của Kitekraft trang bị 8 động cơ cung cấp năng lượng cho thiết bị trong quá trình cất cánh và hạ cánh. Sau đó, chúng được sử dụng như máy phát điện trong chuyến bay. Bộ điều khiển điện tử công suất ổn định diều và tạo ra điện năng hiệu quả. Mặc dù cánh diều vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, nhưng cuối cùng nó có thể mang lại lợi ích cho những vùng xa xôi bằng cách mang lại nguồn năng lượng tái tạo cho những người sống ngoài lưới điện. Hơn nữa, những con diều có thể đến để giải cứu ở những nơi không thể lắp đặt tuabin gió lớn.

Năm 2023, Baur hy vọng sẽ giải quyết được vấn đề về quyền tự chủ để sẵn sàng cho các bộ truyền động và cảm biến. Bauer báo cáo: “Chúng tôi cũng muốn giảm bớt sự dư thừa phần mềm để không gặp phải lỗi nào. Hơn nữa, công nghệ này cũng phù hợp hơn với một số khu vực dễ xảy ra bão, vì diều có thể được hạ xuống mặt đất hơn là có nguy cơ bị hư hại khi gió lớn”. Nhưng tất nhiên, việc mở rộng quy mô không hề dễ dàng. Mặc dù diều nhỏ hơn rẻ hơn, dễ phát triển và triển khai hơn, nhưng chúng sẽ không hoạt động hiệu quả ở độ cao 300 mét (hoặc hơn) - nơi gió thường mạnh nhất. Việc phát triển những con diều lớn hơn với nhiều sức mạnh hơn đi kèm với rủi ro cần được tính toán cẩn thận.

Bauer trình bày: “Sản phẩm gia nhập thị trường của chúng tôi sẽ là con diều 100 kilowatt với sải cánh dài 10 mét và hy vọng xuất xưởng năm 2024. Nếu mọi thứ suôn sẻ, chúng tôi sẽ mở rộng quy mô. Con diều tiếp theo sẽ có sức mạnh 500 kilowatt với sải cánh dài 20 mét. Tăng gấp đôi cánh không chỉ tăng gấp đôi công suất - thay vào đó, bạn sẽ nhận được nhiều hơn gấp 5 lần. Một khả năng mà chúng tôi đang xem xét, là trang trại thả diều, cũng giống như các trang trại gió. Nó có thể là cả hai, ngoài khơi và trên bờ. Để sử dụng ngoài khơi, tất cả những gì cần thiết là một trạm mặt đất, giống như một chiếc phao nổi. Diều có thể được hạ xuống nếu gió quá mạnh. Chúng tôi cũng có thể sử dụng chúng ở những vùng như sa mạc”.

Sau khi giải quyết được mọi vấn đề về kỹ thuật và tính toán đang khiến diều chưa được sử dụng rộng rãi, thì năng lượng gió trong không khí có thể là câu trả lời cho việc điện khí hóa trong tương lai.