Các nhà nghiên cứu tại Harvard vừa phát triển một thiết bị thu năng lượng mặt trời độc đáo, hoạt động như công tắc quang học, giúp giải quyết một trong những vấn đề nan giải nhất của năng lượng tái tạo là thu được loại năng lượng phù hợp vào đúng thời điểm.
Điều này cho phép thiết bị tự động chuyển đổi giữa việc tạo ra điện năng trong những ngày hè nóng bức và cung cấp nhiệt năng trực tiếp trong những ngày đông lạnh giá, mà không cần bất kỳ cảm biến, động cơ hay chip máy tính nào.
Công nghệ năng lượng mặt trời truyền thống được xem là khá cứng nhắc. Tấm pin mặt trời tạo ra điện bất kể tòa nhà có cần điện để chạy máy điều hòa không khí hay không. Ngược lại, các bộ thu nhiệt mặt trời liên tục tạo ra nhiệt ngay cả giữa đợt nắng nóng.
Bằng cách thiết kế phần cứng có khả năng thích ứng với môi trường xung quanh, nhóm nghiên cứu tạo ra thiết bị thu năng lượng có “chức năng kép”, đáp ứng nhu cầu của con người. Thiết bị này cung cấp điện để làm mát vào mùa hè và sưởi ấm trực tiếp vào mùa đông.
Thiết bị này là một cấu trúc dạng sandwich thanh thoát, được làm từ các vật liệu đơn giản, bao gồm thấu kính Fresnel (loại thấu kính mỏng, có gờ), một khoang kín chứa nước, và tấm pin mặt trời. Hệ thống hoạt động dựa trên trạng thái của nước bên trong khoang.
Khi điều kiện xung quanh ấm áp hoặc nóng, nước vẫn ở trạng thái hơi. Điều này tạo ra sự chênh lệch chỉ số khúc xạ lớn, cho phép thấu kính tập trung ánh sáng mặt trời trực tiếp vào tấm pin mặt trời để sản xuất điện.
Khi môi trường trở lạnh, nước đạt đến điểm sương và ngưng tụ thành dạng lỏng. Sự thay đổi vật lý này làm giảm sự chênh lệch về khúc xạ và làm giảm khả năng hội tụ của thấu kính. Thay vì chiếu vào pin mặt trời, ánh sáng sẽ đi vòng qua nó và đi vào tòa nhà dưới dạng nhiệt.
Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mô phỏng khí hậu như ở Boston, thiết bị này có khả năng “tự điều chỉnh” đầu ra của nó dựa trên điểm sương 15°C. Từ tháng 5 đến tháng 10, thiết bị ưu tiên sản xuất điện. Từ tháng 11 đến tháng 4, nó tự động chuyển sang chế độ sưởi ấm.
Hiệu suất được cải thiện đáng kể. Ở chức năng sưởi ấm, hệ thống chuyển đổi khoảng 90% ánh sáng mặt trời thành nhiệt năng trong nhà. Con số này cao gấp khoảng 5 lần so với hiệu suất sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời của một tấm pin mặt trời truyền thống kết hợp với máy sưởi điện.
Mặc dù có bước đột phá nhưng “góc chiếu của mặt trời” vẫn là một trở ngại. Vì các thiết bị hiện được cố định tại chỗ, chúng chỉ tập trung ánh sáng hiệu quả nhất trong những giờ cụ thể. Khi Mặt trời ở góc chiếu không thuận lợi, thiết bị sẽ tự động chuyển sang chế độ sưởi ấm.
Nhóm nghiên cứu Harvard hiện đang nghiên cứu các chiến lược để mở rộng “giờ hoạt động” cho cả hai chức năng, với mục tiêu tạo ra các bộ phận có thể mở rộng, giá rẻ và có thể tích hợp vào nhà kính, xe cộ, thậm chí cả kính của các tòa nhà văn phòng.
