Đánh giá hiệu quả của peltier năm 2024

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.

Quy trình chế tạo linh kiện 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:

1. 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).
2. 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).
3. 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).
4. 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).

Sò nóng lạnh là một tấm bán dẫn siêu công nghệ (hoặc chip peltier). Đây là loại linh kiện bán dẫn với đặc điểm là một mặt làm lạnh và mặt còn lại làm nóng. Mặt nóng được tản nhiệt càng tốt thì mặt lạnh hoạt động càng hiệu quả và ngược lại.

Cũng có thể hiểu chi tiết, đây là một tấm bán dẫn nhỏ, nhẹ kết hợp có công suất lớn để có thể thực hiện hút nhiệt của mặt này để chuyển qua mặt còn lại. Lượng nhiệt năng được đưa ra ở bề mặt sẽ bằng tổng nhiệt năng được hút vào ở mặt còn lại. Bề mặt này sẽ có lượng nhiệt chuyển đổi từ điện điện năng đầu vào của sò nóng lạnh.

Sò nóng lạnh TEC1-12705

Sò nóng lạnh có thiết kế nhỏ gọn và tùy thuộc vào ứng dụng của nó trong các thiết bị mà công suất thường dao động trong khoảng từ 10W đến 120W. Trong trường hợp đặt vào 2 đầu dây có một mức điện áp lớn sẽ khiến cho bề mặt nóng có nhiệt độ cao nhưng không tản nhiệt. Khi đó, tấm bán dẫn có thể bị hỏng do nhiệt độ cao.

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của sò nóng lạnh

Sò nóng lạnh có cấu tạo đơn giản với 2 mặt là mặt nóng và mặt lạnh và 2 dây nguồn âm dương. Ngoài ra, sò nóng lạnh còn có tấm tản nhiệt cho mặt nóng để giúp hoạt động ổn định hơn.

Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn cho sò nóng lạnh, sò sẽ thực hiện chuyển đổi nguồn nhiệt từ mặt nóng sang mặt lạnh. Tùy theo nhu cầu của ứng dụng, mà chúng ta sẽ chọn sử dụng mặt nóng hay mặt lạnh. Mức nhiệt lượng chuyển từ mặt này sang mặt kia với tổng nhiệt lượng cao. Nhờ vậy, thiết bị có thể tùy chọn sử dụng làm nóng hoặc làm lạnh.