Phát xạ nhiệt điện là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa phát xạ nhiệt điện

Phát xạ nhiệt điện (thermoelectric emission) là hiện tượng chuyển đổi trực tiếp giữa năng lượng nhiệt và điện năng dựa trên các hiệu ứng nhiệt điện. Quá trình này không sử dụng bộ phận chuyển động, hoạt động ổn định và không phát sinh khí thải, thích hợp cho các ứng dụng thu hồi nhiệt thải và thiết bị làm mát.

Hiệu ứng nhiệt điện bao gồm hai cơ chế chính: hiệu ứng Seebeck tạo ra điện áp khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu vật liệu và hiệu ứng Peltier hấp thụ hoặc tỏa nhiệt khi có dòng điện chạy qua mối nối giữa hai chất bán dẫn khác nhau. Tính hai chiều của quá trình cho phép vừa phát điện vừa làm mát hoặc sưởi ấm.

Nguyên lý phát xạ nhiệt điện dựa trên sự vận chuyển đồng thời của electron và lỗ trống trong vật liệu bán dẫn. Khi một đầu module được làm nóng và đầu kia giữ nguội, phân bố nhiệt độ chênh lệch khiến các hạt mang điện di chuyển, tạo ra dòng điện hữu ích.

Cơ sở vật lý và phương trình

Hiệu ứng Seebeck được biểu diễn bởi phương trình:

$V = S\,\Delta T$

trong đó V là điện áp sinh ra (V), S là hệ số Seebeck (V/K), ΔT là chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu vật liệu (K). Hệ số Seebeck phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng và mật độ tải của vật liệu bán dẫn.

Độ hiệu quả của vật liệu nhiệt điện được đánh giá bởi hệ số figure of merit ZT:

$ZT = \frac{S^2\,\sigma\,T}{\kappa}$

• σ (S/m): độ dẫn điện của vật liệu;
• κ (W/m·K): hệ số dẫn nhiệt;
• T (K): nhiệt độ trung bình của module;
• S (V/K): hệ số Seebeck.

Giá trị ZT càng cao thì hiệu suất chuyển đổi nhiệt thành điện càng lớn. Để gia tăng ZT, cần tối ưu đồng thời tăng S, tăng σ và giảm κ. Tuy nhiên, các đại lượng này thường tương quan nghịch chiều, đòi hỏi thiết kế vật liệu và cấu trúc tinh vi.

Vật liệu nhiệt điện

Vật liệu nhiệt điện phổ biến bao gồm các hợp chất hơi ngột như bismuth telluride (Bi2Te3), lead telluride (PbTe) và skutterudites. Mỗi hệ vật liệu có khoảng nhiệt độ hoạt động tối ưu để đạt ZT cao nhất.

Các vật liệu oxide như manganite và cobaltite cũng được nghiên cứu nhờ khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao và độ bền hóa học tốt. Vật liệu oxide thường có độ dẫn nhiệt cao nhưng hệ số Seebeck lớn và chi phí thấp.

Các nghiên cứu gần đây tập trung vào vật liệu nano và cấu trúc đa lớp (superlattice) để giảm dẫn nhiệt khung mạng đồng thời duy trì độ dẫn điện. Phương pháp pha tạp (doping) cũng được áp dụng để điều chỉnh mật độ hạt tải và tối ưu hóa hệ số Seebeck.

Thiết kế và cấu trúc thiết bị

Module nhiệt điện bao gồm nhiều cặp P-N ghép nối nối tiếp về mặt điện và song song về mặt nhiệt. Cặp P-N kết hợp hai loại bán dẫn doped khác nhau, tạo thành mối nối Seebeck khi có chênh nhiệt độ.

Hai tấm dẫn nhiệt (heat sink) gắn hai bề mặt module, đảm bảo một bên tiếp xúc nguồn nhiệt và bên kia tiếp xúc môi trường làm mát. Thiết kế tản nhiệt và đối lưu quan trọng để duy trì chênh lệch nhiệt độ liên tục.

• Thiết kế các khối P-N theo micro- hoặc nano- cấu trúc giảm dẫn nhiệt;
• Sử dụng vật liệu tản nhiệt hiệu suất cao như nhôm, đồng hoặc vật liệu composite;
• Ứng dụng công nghệ in 3D để tạo module linh hoạt, mỏng nhẹ.

Công nghệ cải tiến module tập trung vào việc giảm điện trở tiếp xúc và tối ưu hóa phân bố dòng điện để giảm thiểu tổn thất Joule. Nhiều giải pháp tích hợp bộ thu nhiệt tập trung (concentrator) nhằm tăng chênh lệch nhiệt độ đầu dò.

Ứng dụng thực tế

Phát xạ nhiệt điện được sử dụng rộng rãi trong thu hồi nhiệt thải công nghiệp, giúp tận dụng nguồn nhiệt dư từ lò hơi, lò nung, ống xả động cơ đốt trong để sinh ra điện năng. Các module nhiệt điện gắn trực tiếp lên bề mặt ống xả hoặc vỏ lò, tận dụng chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt nóng và không khí xung quanh, cung cấp điện cho các hệ thống cảm biến và điều khiển tự động mà không cần nối lưới.

Trong lĩnh vực làm mát, hiệu ứng Peltier cho phép tạo ra các tủ lạnh mi ni và hệ thống làm mát chip bán dẫn mà không cần quạt hay máy nén cơ học, giảm tiếng ồn và tăng độ tin cậy. Thiết bị làm mát nhiệt điện (thermoelectric cooler) thường áp dụng trong y sinh để điều khiển nhiệt độ mẫu sinh học, bảo quản vaccine hoặc mái tản nhiệt cho thiết bị nhạy nhiệt.

• Thu hồi nhiệt thải: động cơ ô tô, lò công nghiệp, máy phát điện.
• Làm mát điện tử: tản nhiệt CPU, cảm biến hồng ngoại và thiết bị quang học.
• Cung cấp điện độc lập: vệ tinh không gian, thiết bị đo địa chấn, trạm quan trắc từ xa.
• Thiết bị y sinh: tủ lạnh di động, máy PCR lưu động, bảo quản mẫu sinh học.

Đặc biệt, trong không gian vũ trụ, radioisotope thermoelectric generator (RTG) sử dụng nguồn nhiệt phân rã phóng xạ kết hợp module nhiệt điện để cung cấp điện cho tàu thăm dò như Voyager, Curiosity và New Horizons. Công nghệ này đảm bảo cung cấp điện ổn định trong môi trường không có ánh sáng mặt trời và ít bảo trì suốt nhiều năm.

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm chính của công nghệ phát xạ nhiệt điện là không có bộ phận chuyển động, dẫn đến độ ồn gần bằng không, bảo trì thấp và tuổi thọ thiết bị cao (thường >25 năm). Ngoài ra, khả năng hoạt động ở nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau và quy mô module nhỏ gọn giúp lắp đặt linh hoạt và tích hợp dễ dàng với hệ thống hiện có.

Hạn chế lớn nhất là hiệu suất chuyển đổi nhiệt sang điện khá thấp, thường chỉ đạt 5–8% đối với module cao cấp và ZT ~1–1.2. Chi phí sản xuất vật liệu bán dẫn cao cấp (Bi2Te3, PbTe) và quy trình lắp ráp chính xác làm tăng giá thành hệ thống. Sự tương quan nghịch giữa độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt trong cùng một vật liệu cũng gây khó khăn trong việc đồng thời tối ưu các thông số S, σ và κ.

• Ưu điểm: không ồn, bảo trì thấp, tuổi thọ dài, lắp đặt linh hoạt.
• Hạn chế: hiệu suất thấp (5–8%), chi phí vật liệu và sản xuất cao.
• Khó cân bằng thông số vật liệu: hệ số Seebeck, dẫn điện, dẫn nhiệt.

Kỹ thuật cải thiện hiệu suất

Giảm kích thước hạt vật liệu xuống cấp nano giúp tạo ra biên giới hạt (grain boundary) làm tán xạ phonon hiệu quả, giảm độ dẫn nhiệt khung mạng mà ít ảnh hưởng đến dẫn điện. Công nghệ tổng hợp nano phủ lên bề mặt hạt mịn cho phép κ giảm xuống 10–50% so với vật liệu bulk, gia tăng đáng kể hệ số ZT.

Cấu trúc siêu tầng (superlattice) với lớp mỏng xen kẽ giữa hai vật liệu có khung mạng khác nhau cũng tán xạ phonon, trong khi electron có thể di chuyển dễ dàng qua lớp mỏng, giữ độ dẫn điện cao. Kỹ thuật này đã chứng minh tăng ZT lên đến 2–3 ở nhiệt độ phòng.

• Doping điều chỉnh mật độ hạt tải, tối ưu hệ số Seebeck và độ dẫn điện.
• Tạo vật liệu nano: giảm phonon, giữ nguyên dẫn điện.
• Superlattice: tăng tán xạ phonon, duy trì dẫn điện.
• Composite: kết hợp vật liệu hữu cơ – vô cơ để điều khiển κ và σ.

Thiết kế graded-composition (thang nhiệt độ) ghép nhiều vật liệu nhiệt điện có điểm hoạt động tối ưu khác nhau dọc module, giữ hiệu suất cao trên dải nhiệt độ rộng. Phương pháp này thích hợp cho ứng dụng thu hồi nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thay đổi như ống xả động cơ.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu hướng tới vật liệu oxide nhiệt điện thân thiện môi trường và bền vững hơn, giảm nhu cầu sử dụng nguyên tố độc hại như tellurium và lead. Hợp chất như Ca3Co4O9, ZnO và các perovskite oxide đang được cải tiến để đạt ZT ~0.5–1 ở nhiệt độ cao (>500 °C).

Công nghệ in phun và in 3D cho phép chế tạo module mỏng, linh hoạt trên nền polymer hoặc kim loại mềm, mở rộng ứng dụng cho thiết bị đeo và quần áo thông minh thu hồi nhiệt cơ thể. Mạng lưới module mảnh có thể phủ lên bề mặt cong, tận dụng nhiệt cơ thể hoặc nhiệt môi trường cho thiết bị IoT.

• Vật liệu oxide thân thiện: Ca3Co4O9, ZnO, perovskite.
• In 3D & in phun: module mỏng, linh hoạt trên polymer.
• Tích hợp IoT: thu hồi nhiệt cơ thể, năng lượng cho cảm biến đeo.
• Hybrid hệ thống: kết hợp pin mặt trời – nhiệt điện – lưu trữ năng lượng.

Liên kết giữa mô phỏng tính toán vật liệu (first-principles) và thực nghiệm cao cấp giúp phát triển nhanh vật liệu mới với hiệu suất nhiệt điện cải thiện trên thực tế. Hợp tác đa ngành trong hóa học, vật lý và kỹ thuật sẽ đẩy mạnh ứng dụng thương mại của phát xạ nhiệt điện.

Tài liệu tham khảo

1. NIST, “Thermoelectric Materials,” National Institute of Standards and Technology. nist.gov/pml/thermoelectric-materials
2. DOE, “Thermoelectrics,” U.S. Department of Energy. energy.gov/eere/vehicles/articles/thermoelectrics
3. Snyder GJ. & Toberer ES., “Complex thermoelectric materials,” Nat. Mater., 2008. doi.org/10.1038/nmat2297
4. Zebarjadi M. et al., “Perspectives on thermoelectrics: from fundamentals to device applications,” Energy Environ. Sci., 2012. doi.org/10.1039/C1EE02497B
5. Rowe DM. (ed), “Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano,” CRC Press, 2005.