Nhiệt điện và tương lai ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô7

Khoa họcKhoa cơng nghệ nước ngồi học Cơng nghệ Nước Nhiệt điện tương lai ứng dụng ngành công nghiệp ô tô Nguyễn Tuấn Hưng1, 2, Vương Văn Thanh3 Viện Nghiên cứu Liên ngành, Đại học Tohoku, Nhật Bản Khoa Vật lý, Đại học Tohoku, Nhật Bản Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Mặc dù xe ô tô cho thấy hiệu cao việc sử dụng lượng, vấn đề lớn chưa giải nhiệt thải* Với công nghệ nhiệt điện (Thermoelectric - TE), phần nhiệt thải chuyển hố trực tiếp thành điện giúp tiết kiệm lượng Mặt khác, công nghệ TE tạo phương pháp làm mát mới, gọi làm mát cục bộ, thay làm mát tồn khơng khí xe tơ Do đó, TE đánh giá công nghệ tiềm giúp ô tô tương lai sử dụng tiết kiệm hiệu lượng C húng ta chứng kiến thay đổi mang tính cách mạng ngành cơng nghiệp tô Cụ thể việc thay động chạy xăng dầu sang động sử dụng pin lithium Sự thay đổi thúc đẩy loạt đầu tư lớn từ công ty ngành ô tô giới Toyota Tesla Tại Việt Nam, VinFast đón đầu thay đổi với việc rót vốn đầu tư vào startup công nghệ pin lithium Ý tưởng xe điện thực tế hình thành vào năm đầu kỷ XVIII, người nhận hạn chế động xăng khí thải phụ thuộc vào nguồn tài nguyên dầu mỏ Tuy nhiên, thời điểm đó, pin dùng xe điện đắt đỏ không hiệu Các tiến khoa học cho đời loại pin gọi lithium có mật độ tích trữ lượng lớn * Nhiệt thải nhiệt dư thừa chuyển hoá lượng động phù hợp để ứng dụng xe điện Đây chìa khố thúc đẩy thay đổi ngành công nghiệp ô tô Câu hỏi đặt sau thành công pin lithium cơng nghệ ứng dụng để ô tô sử dụng lượng hiệu hơn? Tiềm ứng dụng vật liệu TE cho xe ô tô Khi động hoạt động sinh nhiệt, gọi nhiệt thải Nhiệt thải chuyển hố thành lượng điện, sau tích trữ ngược lại vào pin Cơng nghệ gọi TEG (Thermoelectric generator) Chúng ta chuyển hố điện thành nhiệt năng, gọi TEC (Thermoelectric cooler) Công nghệ TEG TEC biết đến lần vào năm 1821, nhà khoa học người Đức Thomas Johann Seebeck phát dòng điện dây dẫn cho đầu dây dẫn tiếp xúc với nguồn nhiệt nóng, đầu cịn lại tiếp xúc với nguồn nhiệt lạnh Tỷ lệ hiệu điện đầu chênh lệch nhiệt độ đầu vào gọi hệ số Seebeck (S) Đối với thiết bị TE, hiệu đầu dây dẫn tiếp xúc với nguồn nhiệt nóng, đầu cị chuyển hố lượng lạnh lệ đầu chênh lệch nh đặc Tỷ trưng bởihiệu mộtđiện tham số số Seebeck (S) có Đốithứ với nguyên thiết (ZT), bị TE, hiệu chuy khen không đượcbởi định trưng mộtnghĩa tham sốnhư bằngsau: khen khơng có thứ ngun (Z đó: độ dẫn điện; độ dẫn nhiệt; nhiệt độ đó: σ độ dẫn điện; κ độ đầu dẫnlạnh nhiệt; T nhiệt độ trung bình Vào nămvà 1950, liệu TE chủ yếu biết đ đầu nóng đầuvật lạnh ĐâyVào cũngnhững thời điểm chất vật bán dẫn nămcác 1950, liệuthu hút ý giá trị ZT~0,6 nhiệt độ phòng học Vật liệu 2Te3 cóbiết TE chủ yếuBiđược đến vật liệu cho bánmột dẫn Te Đây hợp số Bi ứng dụng thựccũng tế Ví dụ, năm 1976, N thời điểm chất1 bán thu hút không gian Voyager dẫn [2] Việc sử dụng thiết bị sựpin củatrong hầutàu hếtkhông gian ngành từ hạt ýnhân Năm 1999, Hãng khoa học Vật liệu Bi Te có giá trị ZT~0,6 nhiệt độ phịng Giá trị hoá để hoạtmột động đồng hồ nàythành coilượng phù hợptrìcho xe tơ, vậtdụng liệu TE cần tế có giá ZTnăm tối thiểu Với ZT sốơứng thực Ví trị dụ, 1976,sẽNASA sử dụng TEnhiệt chođộ phòng [3], lượng đạt đượcđã khoảng 20% tàu không gian Voyager [1, nghệ chuyển lượng TE so sánh với công 2] Việc sử dụng thiết bị TE pin mặt trời Mặc dù số hạn chế giá vật l giúp thu hồi nhiệt thải từ pin hạt có ZT>2 thực khám phá năm gầ nhân tàu không gian Năm hố ứng Hãng dụng TE xe tơ sử hồn tồn khả thi 1999, Seiko dụng TE hoạch TE thu đồng hồlượng đeo taylàm củamát họ.trong xe ô tô đồng hồ đeo tay họ Sự chênh lệch nhiệt độ th Số năm 2022 47 Khoa học Cơng nghệ Nước ngồi Sự chênh lệch nhiệt độ thể môi trường chuyển hố thành lượng để trì hoạt động đồng hồ Tuy nhiên, để ứng dụng xe ô tơ, vật liệu TE cần có giá trị ZT tối thiểu Với ZT=2, hiệu chuyển đổi lượng đạt khoảng 20% nhiệt độ phòng [3], hiệu suất chuyển đổi lượng TE so sánh với cơng nghệ chuyển hoá lượng pin mặt trời Mặc dù số hạn chế giá vật liệu đắt đỏ, vật liệu có ZT>2 thực khám phá năm gần Do đó, việc thực hố ứng dụng TE xe tơ hồn tồn khả thi giai đoạn Hình Thiết bị TE gắn dọc theo ống xả hệ thống tuần hồn khơng khí xe ô tô TE thu hoạch lượng làm mát xe ô tô nào? Đối với việc thu hoạch lượng xe ô tô, sử dụng TEG để thu hồi nhiệt thải chuyển hoá chúng thành lượng điện Thực tế hệ thống TEG ứng dụng dòng xe BMW từ năm 2008 Các kỹ sư BMW lắp đặt máy phát điện dựa nhiệt điện ống xả gầm xe tản nhiệt hệ thống tuần hồn khơng khí (hình 1) Thiết bị cung cấp cơng suất tối đa 330 W dịng xe BMW 116i Công suất tương đối thấp xe ô tô, nhiên với việc sử dụng vật liệu mới, hệ thống TEG mẫu xe BMW 750iA có cơng suất tối đa lên tới 1.000 W [4] BMW báo cáo rằng, TEG giúp giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu lên đến 5% điều kiện lái xe thực tế hàng ngày 48 Hình Các thiết bị TEC sử dụng để sưởi làm mát không khí xe tơ [5] Sự thành cơng TEG động xăng áp dụng tương tự cho động sử dụng lượng điện xe điện tương lai Để tối ưu hoá lượng sử dụng hệ thống sưởi làm mát, hệ thống TEC đặt trực tiếp vị trí người ngồi xe, thay làm ấm lạnh tồn khơng khí xe (hình 2) Thế hệ xe điện Số năm 2022 sớm áp dụng giải pháp Watt dành cho việc kiểm sốt nhiệt độ khơng khí xe dẫn đến việc hiệu việc sử dụng lượng điện từ pin lithium Hệ thống sưởi làm mát sử dụng thiết bị TEC chuyển hố trực tiếp điện thành nhiệt vị trí lắp đặt Do đó, thiết bị giúp phân bố việc kiểm sốt nhiệt độ xác Khoa học Cơng nghệ Nước ngồi vị trí cần thiết vơ lăng, cửa kính ghế ngồi Các dịng xe tơ u cầu công suất lên đến kW cho hệ thống điều hồ khơng khí xe Tuy nhiên với hệ thống TEC, hệ xe tơ phải sử dụng khoảng 100-200 W để làm mát ghế ngồi vị trí khác xe Vật liệu TE giá rẻ cho xe ô tô Các thiết bị chuyển đổi lượng thông thường động xăng dầu hay pin mặt trời đòi hỏi nhiều thành phần cấu tạo với chi phí vật liệu khác Tuy nhiên, thành phần thiết bị chuyển đổi TE bao gồm vật liệu TE Do giá thành vật liệu TE định giá thành thiết bị chuyển đổi TE hoàn chỉnh Giá thành vật liệu TE ước tính chiếm gần 1/3 tổng giá thành TEG TEC [7] Các vật liệu TE thương mại bao gồm Bi2Te3 PbTe, vật liệu có giá thành cao Te nguyên tố trái đất Giá thành vật liệu cao hạn chế việc áp dụng hàng loạt TEG/TEC ngành cơng nghiệp nói chung xe tơ nói riêng Do đó, hướng nghiên cứu TE tìm cách thay nguyên tố Te nguyên tố phổ biến để giảm giá thành TEG/TEC Các nguyên tố phổ biến trái đất kể đến C, Na, Mg, K, Mg nguyên tố tiềm để thay Te Bi2Te3 Gần đây, Mao cộng (2019) [6] công bố Tạp chí Science rằng, hiệu chuyển đổi TE Mg3Bi2 có Hình Một TEC dựa vật liệu giá rẻ Mg3Bi2 (A); quan hệ dòng điện độ chênh lệnh nhiệt độ TEC dựa Mg3Bi2 (B) Hiệu làm mát so sánh với vật liệu thương mại [6] thể so sánh với Bi2Te3 giá vật liệu thấp nhiều Hình cho thấy, thiết bị TEC cho hiệu suất làm mát cực tốt nhiệt độ phòng (tạo chênh lệch nhiệt độ lên đến gần 90 Kelvin với cường độ dòng điện khoảng A) Hiệu làm mát hoàn toàn phù hợp để ứng dụng TEC dựa Mg3Bi2 xe ô tô Nghiên cứu lý thuyết cho thấy, hiệu chuyển đổi lượng cao vật liệu Mg3Bi2 bắt nguồn từ tính chất bán kim loại chúng [8] Tính chất bán kim loại nghĩa vật liệu có khả dẫn điện kim loại lại chứa số đặc trưng chất bán dẫn Đặc biệt, tính chất bán kim loại Mg3Bi2 liên quan đến tô pô (một khái niệm vật lý cho vật liệu có tính chất điện tử khơng tầm thường) dẫn đến khả dẫn điện cao, đồng thời giá trị hệ số Seebeck cao Tiềm thương mại hoá Mg3Bi2 gần chứng minh nhóm nghiên cứu Takao Mori đến từ Nhật Bản Nhóm kết hợp vật liệu Mg3Bi2 MgAgSb cho cặp TE Kết cho thấy, công suất đầu tối đa thiết bị TEG đạt 0,12 W với hiệu chuyển đổi lượng 2,8% (ZT~1) nhiệt độ chênh lệch 95 Kelvin Mặt khác, thiết bị TEC, kết thu cho thấy áp dụng dòng điện A, nhiệt độ chênh lệch thu 56,5 Kelvin hai đầu thiết bị Kết lần cho thấy, TEG TEC dựa vật liệu giá rẻ Mg3Bi2 so sánh với vật liệu thương mại Bi2Te3 [9] Ngoài vật liệu giá rẻ Mg3Bi2 phát gần đây, vật liệu khác Mg3Sb2, SnSe… thu hút ý cộng đồng khoa học nghiên cứu TE Định hướng nghiên cứu TE cho xe ô tô tương lai Một khó khăn lớn nghiên cứu TE nói chung TE cho xe tơ nói riêng hiệu chuyển đổi chúng tương đối thấp Mặc dù vật liệu giá rẻ Mg3Bi2 có hiệu chuyển đổi TE tương đương với vật liệu thương mại Bi2Te3 thảo luận Tuy nhiên, thân vật liệu Bi2Te3 có hiệu chuyển đổi lượng khơng cao (khoảng 3%) Bên cạnh đó, thiết bị TEG TEC cần cặp TE Số năm 2022 49 Khoa học Cơng nghệ Nước ngồi pơ thúc đẩy loạt nghiên cứu vật liệu nghiên cứu TE ngang hưởng lợi từ nghiên cứu trước vật liệu tơ pơ ? TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình So sánh thiết bị TE ngang (phải) thiết bị TE thông thường (trái) [10] hình 3A Cặp TE thiết kế hình dạng Π Thực tế thiết bị TEG/TEC hoàn chỉnh bao gồm hàng trăm cặp TE nối tiếp Việc sử dụng hình dạng Π dẫn đến việc chế tạo phức tạp hạn chế số ứng dụng liên quan đến hình dạng thiết bị Để vượt qua hạn chế này, thiết bị TE ngang giải pháp Thiết bị TE ngang có thiết kế đơn giản nguyên lý hoạt động hoàn toàn khác thiết bị TE thông thường Với thiết bị TE thông thường, chiều dòng điện V chiều với dòng nhiệt ΔT (hình 4, trái) Điều biết đến hiệu ứng Seebeck đề cập phần Tuy nhiên, thiết bị TE ngang có chiều dịng điện V vng góc với chiều ΔT, gọi hiệu ứng Nernst Hiệu ứng địi hỏi từ trường M, chiều M vng góc với chiều V ΔT Hiệu chuyển đổi TE thiết bị TE ngang dựa hiệu ứng Nernst biết cao so với TEG dựa hiệu ứng Seebeck Điều dòng điện tạo thân dịng điện sinh dòng nhiệt Hiệu ứng biết Peltier (ngược 50 với hiệu ứng Seebeck) Đối với thiết bị TEG thơng thường chiều dịng nhiệt phát sinh chiều với ΔT ban đầu Do đó, chúng làm bão hoà nhanh độ chênh lệch nhiệt độ, dẫn đến giảm hiệu chuyển đổi TE Tuy nhiên, thiết bị TE ngang, chiều dòng nhiệt phát sinh vng góc với chiều ΔT Do đó, hiệu ứng Peltier khơng gây ảnh hưởng đến hiệu chuyển đổi lượng Phân tích cho thấy, thiết bị TE ngang lý tưởng cho xe ô tô thiết kế đơn giản có hiệu suất chuyển đổi lượng tốt Việc đòi hỏi từ trường ngồi gây khó khăn thiết kế Tuy nhiên, vật liệu tô pô cho thấy hiệu ứng gọi “hiệu ứng Nernst dị thường”, hiệu ứng cho thấy tính chất giống hiệu ứng Nernst lại khơng cần từ trường ngồi Điều đặc trưng vật liệu tơ pơ Việc cịn lại nhà nghiên cứu tìm kiếm vật liệu tô pô cho hiệu suất chuyển đổi lượng cao thiết bị TE ngang Chủ đề thu hút quan tâm cộng đồng nghiên cứu TE Đặc biệt, Giải Nobel vật lý 2016 cho vật liệu tô Số năm 2022 [1] N.T Hung, R Saito (2021), “The origin of quantum effects in lowdimensional thermoelectric materials”, Adv Quantum Technol., 4, DOI: 10.1002/ qute.202000115 [2] http://www.nasa.gov [3] L.E Bell (2008), “Cooling, heating, generating power, and recovering waste heat with thermoelectric systems”, Science, 321, pp.1457-1461 [4] J Liebl, et al (2009), “The thermoelectric generator from BMW is making use of waste heat”, MTZ Worldwide, 70, pp.4-11 [5] DTP Thermoelectrics, Altadena, CA 91001, USA [6] J Mao, et al (2019), “High thermoelectric cooling performance of n-type Mg3Bi2-based materials”, Science, 365, pp.495-498 [7] S LeBlanc, et al (2014), “Material and manufacturing cost considerations for thermoelectrics”, Renew Sustain Energy Rev., 32, pp.313-327 [8] N.T Hung, et al (2022), “Enhanced thermoelectric performance by van Hove singularities in the density of states of type-II nodal-line semimetals”, Phys Rev B, 105, DOI: 10.1103/ PhysRevB.105.115142 [9] Z Liu, et al (2022), “Maximizing the performance of n-type Mg3Bi2 based materials for room-temperature power generation and thermoelectric cooling”, Nat Commun., 13, DOI: 10.1038/ s41467-022-28798-4 [10] A Sakai, et al (2020), “Ironbased binary ferromagnets for transverse thermoelectric conversion”, Nature, 581, pp.53-57  ... Các thiết bị TEC sử dụng để sưởi làm mát không khí xe tơ [5] Sự thành cơng TEG động xăng áp dụng tương tự cho động sử dụng lượng điện xe điện tương lai Để tối ưu hoá lượng sử dụng hệ thống sưởi... lượng xe ô tô, sử dụng TEG để thu hồi nhiệt thải chuyển hoá chúng thành lượng điện Thực tế hệ thống TEG ứng dụng dòng xe BMW từ năm 2008 Các kỹ sư BMW lắp đặt máy phát điện dựa nhiệt điện ống xả... điện ống xả gầm xe tản nhiệt hệ thống tuần hồn khơng khí (hình 1) Thiết bị cung cấp cơng suất tối đa 330 W dịng xe BMW 116i Công suất tương đối thấp xe ô tô, nhiên với việc sử dụng vật liệu mới,