Tận dụng nhiệt thừa pin mặt trời để tạo nước sạch
Tấm pin năng lượng mặt trời không chỉ sản xuất điện mà còn tạo ra nước sạch từ khí quyển. Giải pháp công nghệ mới này hứa hẹn mang lại nguồn tài nguyên quý giá cho những khu vực thiếu nước và năng lượng. Công nghệ tích hợp giữa tấm pin mặt trời và hệ thống thu hồi nước từ không khí đang được nghiên cứu tại Đại học Stanford, mở ra triển vọng khả quan trong tương lai. Hãy cùng tìm hiểu thêm về giải pháp này và cách nó hoạt động.
Tạo ra nước sạch từ sa mạc nhờ tấm pin mặt trời
Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã cố gắng cải thiện hiệu suất của tấm pin mặt trời bằng cách thay thế silicon với chấm lượng tử để thu nhận thêm bước sóng ánh sáng. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu do giáo sư Peng Wang tại Đại học King Abdullah ở Ả Rập Xê Út tập trung vào việc tận dụng nhiệt dư thừa từ tấm pin mặt trời để tạo ra nước sạch từ không khí khô cằn trên sa mạc.
Đặc biệt, nghiên cứu này không chỉ giúp giải quyết vấn đề thiếu nước ở các khu vực khắc nghiệt mà còn có thể cải thiện khả năng tái tạo hydrogel từ nhiệt lượng lãng phí. Điều này mở ra nhiều triển vọng trong việc ứng dụng hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo cho mục đích cung cấp nước sạch.
Giáo sư Wang đã nhận bằng Tiến sĩ về năng lượng tái tạo từ Đại học California tại Santa Barbara vào năm 2009, chỉ vài tháng sau khi Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah mở cửa. Trường đại học này nổi tiếng với các dự án nghiên cứu tiên tiến về năng lượng mặt trời, khử muối trong nước và biến đổi gen thực vật để chúng có thể tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt của sa mạc.
Đại học đã tài trợ không giới hạn cho giáo sư Wang khi ông ấy đến làm việc. Khi đến nơi ở mới, Wang ngạc nhiên trước cảnh các ngôi làng nhỏ xa trung tâm Ả Rập Xê Út và nguồn cung cấp nước rất khó khăn.
“Khi bạn rời khỏi thành phố và đi vào những ngôi làng nhỏ, nguồn cung cấp nước chỉ có thể qua xe tải vận chuyển.”
Điều kiện sống này đã thúc đẩy Wang điều chỉnh chương trình nghiên cứu của mình nhằm tìm kiếm các phương pháp tạo ra nước sạch, thực phẩm và năng lượng cho những nơi xa xôi. Anh ấy muốn đảm bảo rằng những người không tiếp cận được cơ sở hạ tầng tiện lợi vẫn có thể tận hưởng cuộc sống tốt đẹp.
Nước có mặt ở khắp mọi nơi, nhưng hàng tỷ người vẫn đang thiếu nước sạch
Theo Liên Hiệp Quốc, hơn hai tỷ người không được tiếp cận với các dịch vụ nước uống an toàn và quản lý. Hơn 1/3 dân số thế giới (tương đương 2,3 tỷ người) không đủ thực phẩm trong suốt cả năm.
Tuy nhiên, nước – ở dạng hơi – có mặt khắp nơi. Mỗi năm, 37 nghìn tỷ tấn hơi nước luân chuyển qua bầu khí quyển. Vấn đề đặt ra là việc biến đổi lượng hơi nước này thành nước sạch trên một quy mô lớn rất khó thực hiện.
Chỉ chưa đầy một năm trước, các nhà nghiên cứu tại X (một phòng thí nghiệm thuộc sở hữu của công ty mẹ Alphabet của Google) đã xuất bản một bài báo trên tạp chí Nature, cho rằng với sự tiến bộ về công nghệ, việc thu thập nước trong khí quyển có thể cung cấp nước sạch cho khoảng một tỷ người.
Thiết bị được nhóm nghiên cứu Peng Wang phát triển tại Đại học King Abdullah ở Ả Rập Xê Út với mục tiêu tận dụng hiệu suất điện năng và nhiệt lượng lãng phí, có thể góp phần đạt được mục tiêu cao cả này.
Sử dụng Nguồn Nhiệt Lượng Lãng Phí trong Năng Lượng Tái Tạo
Bài viết này dựa trên nghiên cứu về một loại hydrogel được phát triển bởi nhóm của Peng Wang tại Đại học King Abdullah, Ả Rập Xê Út. Công nghệ này tập trung vào việc tận dụng nhiệt lượng lãng phí để tạo ra nước sạch và cải thiện hiệu suất năng lượng.
Hydrogel này bao gồm hai yếu tố chính. Đầu tiên là một loại muối hút ẩm mạnh mẽ, có khả năng hấp thụ phân tử nước từ không khí. Yếu tố thứ hai là cấu trúc polyme xốp liên kết với nhau tạo ra nhiều khe hở để lưu trữ nước.
Khi kết hợp cả hai yếu tố này lại, hydrogel có thể hút và trữ nước một cách hiệu quả hơn. Trong khi đó, vật liệu khác như zeolit cũng có khả năng hút nước nhưng yêu cầu nhiệt độ cao để giải phóng nó.
Hydrogel của Wang đặc biệt vì nó cho phép các phân tử nước thoát ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Điều này có nghĩa là nguồn nhiệt dư thừa từ phía sau của tấm pin mặt trời đã đủ để thực hiện quá trình lấy nước.
Sáng chế này hoạt động theo hai cách khác nhau. Ở chế độ làm mát, hydrogel luôn tiếp xúc với không khí. Trong đêm, nó thu thập các phân tử nước từ không khí. Khi mặt trời làm nóng tấm pin vào ngày hôm sau, các phân tử bay hơi và mang theo năng lượng nhiệt dư thừa.
Wang nói: “Tương tự cơ thể con người giảm nhiệt độ bằng cách thoát mồ hôi. Chế độ làm mát không thu thập nước nhưng có thể tăng sản lượng điện của tấm pin mặt trời lên khoảng 10%.”
Trong chế độ sản xuất nước, hydrogel tiếp xúc với không khí vào ban đêm và đóng kín vào ban ngày. Bằng cách đó, nước thoát ra từ hydrogel có thể được sử dụng. Nước bay hơi được ngưng tụ trong một buồng chứa.
Hiện tại, hệ thống chưa thể tạo ra nhiều nước, chỉ đủ để trồng một ít rau. Tuy nhiên, đây là bằng chứng cho thấy phương pháp này có thể thu được nước. Trong quá trình thử nghiệm, tấm pin mặt trời lớn như bàn học đã tạo ra tổng cộng 1.519 Wh điện và 57 trong số 60 hạt rau muống nảy mầm và phát triển đến 18 cm. Tổng cộng, khoảng 2 lít nước đã được ngưng tụ từ hydrogel trong hai tuần.
Chúng tôi còn một chặng đường dài phía trước vì hiệu suất của hệ thống vẫn chưa được tối ưu hóa. Hy vọng rằng sẽ sớm thôi, nó có thể tạo ra tác động thực sự tại các trang trại năng lượng mặt trời và cộng đồng nhỏ trên khắp thế giới.
Xem thêm:
