Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins đã đạt được những bước tiến đáng kể trong công nghệ làm mát nhiệt điện, đạt hiệu suất cải thiện gần 100% so với vật liệu truyền thống. Tuy nhiên, cộng đồng công nghệ vẫn còn chia rẽ về việc liệu những tiến bộ này có thể thực sự thách thức các hệ thống làm mát cơ học đang thống trị thị trường hiện nay hay không.
Đột phá này tập trung vào vật liệu màng mỏng CHESS (Cascade Heterostructure for Electronic and Thermal Suppression), có kích thước cực nhỏ - khoảng bằng hạt cát cho mỗi đơn vị làm mát. Việc thu nhỏ này cho phép công nghệ được sản xuất bằng các công cụ sản xuất chất bán dẫn hiện có, có khả năng làm cho nó tiết kiệm chi phí cho sản xuất hàng loạt.
Tính năng Sản xuất và Khả năng Mở rộng Quy mô
- Phương pháp Sản xuất: Lắng đọng hơi hóa học kim loại-hữu cơ ( MOCVD )
- Kích thước Vật liệu: Bằng hạt cát (0,003 cm khối mỗi đơn vị)
- Tương thích Sản xuất: Sử dụng các công cụ sản xuất chip bán dẫn hiện có
- Quy trình Đã được Thiết lập: Cùng phương pháp được sử dụng cho pin mặt trời vệ tinh và đèn LED thương mại
- Khả năng Mở rộng: Được thiết kế cho sản xuất hàng loạt sử dụng cơ sở hạ tầng công nghiệp hiện tại
Tăng hiệu suất cho thấy tiềm năng cho các ứng dụng cụ thể
Công nghệ mới thể hiện những cải thiện hiệu suất ấn tượng, với các giá trị hệ số hiệu suất (COP) dao động từ 1,3 đến 6,8 tùy thuộc vào điều kiện tải nhiệt. Điều này đưa nó vào cùng phạm vi với tủ lạnh gia đình, thường đạt giá trị COP từ 2-4. Nghiên cứu cho thấy điểm mạnh đặc biệt trong các ứng dụng nhiệt thấp, đạt COP khoảng 15 cho chênh lệch nhiệt độ nhỏ chỉ 2°C.
Các cuộc thảo luận cộng đồng tiết lộ rằng các bộ làm mát nhiệt điện truyền thống, được gọi là phần tử Peltier, từ lâu đã bị loại bỏ vì hiệu suất kém - thường được trích dẫn khoảng 5%. Tuy nhiên, các chuyên gia chỉ ra rằng danh tiếng này có thể không công bằng, vì hiệu suất phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện hoạt động. Khi được quản lý đúng cách với chênh lệch nhiệt độ và mức dòng điện phù hợp, các thiết bị Peltier hiện có có thể đạt giá trị COP trên 2,0.
COP (Coefficient of Performance): Một thước đo hiệu suất làm mát, thể hiện tỷ lệ giữa nhiệt lượng loại bỏ và năng lượng điện tiêu thụ.
So sánh hiệu suất công nghệ CHESS
| Chỉ số | Nhiệt điện truyền thống | Công nghệ CHESS | Tủ lạnh gia đình |
|---|---|---|---|
| Dải COP | 1.2 - 3.0 | 1.3 - 6.8 | 2.0 - 4.0 |
| Thể tích vật liệu | Vài cm khối | 0.003 cm khối | N/A |
| Chênh lệch nhiệt độ | Biến đổi | 1.3°C - 2°C tối ưu | 20°C+ |
| Cải thiện hiệu suất | Cơ sở | ~70% cấp hệ thống | N/A |
Hạn chế về quy mô vẫn là rào cản lớn
Bất chấp những cải thiện về hiệu suất, những thách thức đáng kể vẫn tồn tại cho việc áp dụng rộng rãi. Công nghệ hiện tại hoạt động tốt nhất với chênh lệch nhiệt độ rất nhỏ - bài báo nghiên cứu đề cập đến chênh lệch chỉ từ 1,3°C đến 2°C. Hạn chế này làm cho nó không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu giảm nhiệt độ lớn, chẳng hạn như đông lạnh thực phẩm từ nhiệt độ phòng xuống -18°C.
Vật lý cơ bản của làm mát nhiệt điện cũng đặt ra những thách thức liên tục. Không giống như các hệ thống làm mát cơ học nơi các thành phần nóng và lạnh được tách biệt bởi ống mỏng, các thiết bị nhiệt điện có mặt nóng và lạnh được kẹp gần nhau. Sự gần gũi này gây ra rò rỉ nhiệt, nơi nhiệt ngay lập tức chảy ngược từ mặt nóng sang mặt lạnh, làm suy yếu hiệu ứng làm mát.
Làm mát nhiệt điện cần càng nhiều nghiên cứu càng tốt. Làm mát cơ học cực kỳ tốn không gian. CHESS có tiềm năng trong mười năm tới để phần lớn thay thế nén hơi trong hầu hết các hệ thống ngoại trừ các gradient hoặc quy mô cực đoan nhất.
Các ứng dụng thích hợp có thể thúc đẩy việc áp dụng ban đầu
Công nghệ này có vẻ hứa hẹn nhất cho các ứng dụng chuyên biệt hơn là làm mát đa mục đích. Các bộ làm mát nhiệt điện hiện tại đã được sử dụng trong camera hồng ngoại, tủ rượu và tủ lạnh di động nhỏ. Hiệu suất được cải thiện có thể mở rộng đáng kể các ứng dụng này, đặc biệt trong làm mát thiết bị điện tử nơi hạn chế không gian làm cho các hệ thống cơ học không thực tế.
Samsung đã tích hợp các phần tử nhiệt điện vào hệ thống tủ lạnh lai, sử dụng chúng để cải thiện hiệu suất tổng thể bằng cách cho phép máy nén hoạt động ở các chế độ hiệu quả hơn. Cách tiếp cận lai này có thể đại diện cho con đường thực tế hơn so với việc thay thế hoàn toàn các hệ thống cơ học.
Lợi thế sản xuất cũng không thể bỏ qua. Sử dụng lắng đọng hơi hóa học kim loại hữu cơ (MOCVD), cùng quy trình được sử dụng cho pin mặt trời hiệu suất cao và đèn LED, công nghệ này tận dụng cơ sở hạ tầng công nghiệp hiện có cho khả năng mở rộng quy mô.
Kiểm tra thực tế thị trường
Trong khi cải thiện hiệu suất 70% đại diện cho tiến bộ thực sự, công nghệ vẫn đối mặt với những rào cản đáng kể trước khi thách thức các hệ thống làm mát thông thường. Bơm nhiệt và hệ thống làm lạnh cơ học vẫn hiệu quả hơn 10-100 lần so với các giải pháp thay thế nhiệt điện cho hầu hết các ứng dụng. Yêu cầu công suất để thay thế các hệ thống làm mát quy mô lớn sẽ rất lớn - có khả năng yêu cầu 50-100kW tản nhiệt để phù hợp với một đơn vị ngưng tụ 5 tấn.
Nghiên cứu này đại diện cho tiến bộ quan trọng trong công nghệ làm mát trạng thái rắn, nhưng con đường đến việc áp dụng rộng rãi có thể sẽ liên quan đến các ứng dụng có mục tiêu nơi những lợi thế độc đáo của làm mát nhiệt điện - kích thước nhỏ, không có bộ phận chuyển động và kiểm soát nhiệt độ chính xác - vượt trội hơn những bất lợi về hiệu suất. Khi công nghệ tiếp tục cải thiện, nó có thể tìm thấy vị trí của mình cùng với thay vì thay thế các hệ thống làm mát cơ học.
Tham khảo: Nano-engineered Thermoelectrics Enable Scalable, Compressor-Free Cooling