Mô tả sản phẩm

Giới thiệu sản phẩm:

1. Vai trò của máy phát điện nano ma sát WD-TENG trong xu thế phát triển bền vững.
Hiện nay, thế giới chúng ta đang phải đối mặt với những vấn đề như khủng hoảng năng lượng, ô nhiễm rác thải nhựa và sự gia tăng không ngừng của lượng khí thải nhà kính. Đây là những vấn đề gây ảnh hướng rất lớn đến sự tồn tại và phát triển bên vững của thế giới. Cụ thể, sự gia tăng không ngừng của lượng rác thải nhựa, theo một nghiên cứu của MDPI, lượng rác thải nhựa toàn cầu có thể đạt tới 66.1 triệu tấn/năm vào năm 2050 nếu như không có sự thay đổi trong hành vi tiêu dùng và quản lý rác thải. Trong khi đó, theo báo cáo của Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD) chỉ có khoảng 9% lượng rác thải nhựa được tái chế trên toàn thế giới, điều này gây ô nhiễm môi trường và góp phần gia tăng cho sự nóng lên toàn cầu. Đồng thời, nhu cầu về năng lượng sẽ tăng nhanh chóng trong vòng 3 năm tới với mức tiêu thụ tăng dự kiến 3.4% trong một năm, 80% nhu cầu này đến từ Trung Quốc, Ấn Độ và các nước Đông Nam Á. Phần lớn các nguồn cung cấp năng lượng hiện nay vẫn còn đến từ các loại nhiên liệu hoá thạch, điều này làm gia tăng lượng khí thải nhà kính và gây nên tình trạng nóng lên toàn cầu cùng với các vấn đề thay đổi môi trường, ô nhiễm khí hậu. Tính đến năm 2022 thế giới đã thải ra 35 tỷ tấn khí thải nhà kính mỗi năm, trong đó sản lượng khí thải nhà kính thải ra từ việc sử dụng các loại năng lượng hoá thạch đã tăng 321 Mt( megaton) đạt mức mới cao hơn 36,8 Gt(gigaton) theo IEA. Do đó, việc sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo và giảm phát thải nhựa ngày càng thu hút sự quan tâm của Chính phủ và các nhà khoa học trên toàn thế giới, vì nó đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển ổn định và thịnh vượng của các quốc gia. Tại Hội nghị lần thứ 26 về biến đổi khí hậu của Liên Hợp Quốc (COP26) năm 2021, Thủ tướng Phạm Minh Chính đã đưa ra cam kết Net Zero cho Việt Nam vào năm 2050. Để đạt được điều này, cần có sự chuyển đổi hoàn toàn về cách thức sản xuất, tiêu thụ và di chuyển. Chính điều này là động lực thúc đẩy việc chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo không cạn kiệt, không phát thải như ánh sáng mặt trời, gió, sóng biển có thể sử dụng rác thải nhựa để chế tạo trở thành xu hướng không thể đảo ngược. Nhận thấy tầm quan trọng và tính cấp thiết của vấn đề, nhóm quyết định chế tạo thiết bị WD-TENG.
Thiết bị dựa trên công nghệ TENG (viết tắt của triboelectric nanogenerator – hay máy phát điện nano ma sát), một công nghệ tân tiến trong việc thu thập năng lượng từ môi trường được phát triển được phát triển bởi GS Zhonglin Wang thuộc viện Công nghệ Georgia (the Georgia Institute of Technology) vào năm 2012. Trong nghiên cứu này, nhóm đưa ra ra ý tưởng và thực hiện thiết kế thiết bị thu thập và chuyển đổi năng lượng cơ học, ứng dụng các công nghệ mới như công nghệ in 3D FDM, công nghệ thiết bị phát điện nano ma sát TENG và thiết bị chuyển đổi những giao động cơ học sử dụng rác thải nhựa làm nguồn nguyên liệu sản suất. Với thiết kế này, chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm thiết bị WD-TENG trong việc chuyển đổi nguồn năng lượng từ gió thành nguồn điện cao áp trực tiếp. Có thể nói rằng thiết bị là sự kết tinh dựa trên những ưu điểm mà bản thân mỗi công nghệ như TENG và các công nghệ khác mà nó sở hữu. Không những thế, thiết bị còn mang ý nghĩa thực tiễn cao trong bối cảnh chuyển đổi số quốc gia và xu hướng phát triển xanh toàn cầu khi có thể sử dụng rác thải nhựa để tạo ra những nguồn lượng xanh.

2. Công nghệ của tương lai – máy phát điện nano ma sát
Trong số các công nghệ xanh hiện nay thì TENG (viết tắt của Triboelectric nanogenerator) là công nghệ tiềm năng cho việc thu thập các nguồn năng lượng cơ học từ môi trường vì những ứng dụng rộng rãi mà công nghệ này mang lại, thể hiện qua 4 lĩnh vực chính: nguồn năng lượng vi mô, cảm biến tự cấp nguồn, thu hồi năng lượng xanh, và nguồn điện cao áp trực tiếp.
Đây là một công nghệ tiên tiến có khả năng chuyển đổi năng lượng cơ học không ổn định và ngẫu nhiên từ các hoạt động hàng ngày của con người (ví dụ: chạm tay, đi bộ) hoặc từ các hiện tượng tự nhiên (ví dụ: gió, mưa, dòng chảy, sóng biển) thành điện năng, dựa trên sự kết hợp của hai hiệu ứng: tích điện ma sát (contact electrification) và cảm ứng tĩnh điện (electrostatic induction). Trong những năm qua, nhiều nỗ lực nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của TENG đã được triển khai: lựa chọn loại vật liệu tích điện tốt, sử dụng các cấu trúc đặc biệt, cải tiến về thiết kế của sản phẩm,… Trong những phương án ấy, việc tăng mật độ điện tích trên thiết bị bằng cách biến tính bề mặt tạo cấu trúc đặc biệt là hướng mà nhóm tiếp cận. Sự cải tiến trong thiết kế và chế tạo đã khắc phục đáng kể những nhược điểm vốn có, cũng như cải thiện rõ rệt hiệu suất hoạt động của thiết bị.

Tính năng cơ bản:

Khi vận hành, thiết bị thu năng lượng gió từ môi trường và chuyển đổi chúng thành nguồn điện dựa vào công nghệ TENG. Các thiết bị có thể kết nối với nhau tạo thành 1 mạng lưới truyền tải điện.Với những ưu điểm như sự nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, có thể thu năng lượng gió hiệu quả ở tất cả mọi hướng ngay cả trong điều kiện tần số thấp, công nghệ TENG cùng với thiết bị chuyển đổi giao động cơ học là một công nghệ khai thác năng lượng có thể triển khai trong môi trường đô thị lớn, đây là khả năng mà các công nghệ khai thác năng lượng tái tạo hiện nay không có, hoặc có nhưng hiệu suất rất thấp. Các công nghệ như điện gió, điện hạt nhân, địa nhiệt…đều cần diện tích rộng, xa khu dân cư để triển khai, ngoài ra một số loại công nghệ như điện mặt trời có thể triển khai trong khu vực dân cư, đô thị nhưng hiệu suất điện năng không cao và pin năng lương mặt trời sau một thời gian sẽ trở thành rác thải khó tái chế sau khi chúng hết thời hạn sử dụng, gây áp lực lên quá trình tái chế. WD-TENG có thể khắc phục các khuyết điểm trên trong việc tận dụng nguồn rác thải nhựa làm màng TENG phát điện, triển khai mạng lưới điện ở đô thị, việc có mạng lưới điện ở đô thị sẽ làm giảm áp lực lên các tuyến vận tải điện năng, giảm thiểu hao phí điện năng.
Cách thức để xây dựng một mạng lưới điện như vậy là lắp đặt các thiết bị WD-TENG ở các đường đi ở giữa các tòa chung cư hoặc cao ốc, tận dụng hiệu ứng Bernoulli giữa các tòa nhà cao tầng để khai thác tối đa sức gió trong đô thị.
Các nguồn điện sử dụng chính như là Gas tự nhiên, năng lượng hạt nhân và thủy điện là những nguồn năng lượng yêu cầu cần phải có cơ sở khai thác rất lớn, đòi hỏi rất cao về nhân lực và chi phí vận hành ,và sẽ rất khó khăn để thay thế những nguồn năng lượng này, trong khi đó những nguồn năng lượng như điện gió, điện mặt trời lại chỉ cung cấp một phần trăm nhỏ trong mạng lưới điện của thành phố nhưng 2 nguồn năng lượng này cũng yêu cầu những cơ sở khai thác rất lớn, và kèm theo đó là hàng trăm km đường dây dẫn, đây là một khoảng chi phí rất tốn kém, theo The New York Independent System Operator Inc, cơ quan về hệ thống năng lượng của Mỹ đã chỉ ra rằng hệ thống dây dẫn sẽ phải được thay thế sau 30 năm và chi phí sẽ rơi vào khoảng 25 tỷ đô cho toàn bộ hệ thống. Chính vì những lý do trên mà WD-TENG là một công nghệ tiềm năng nhằm thay thế điện gió hay điện mặt trời ở trong các khu vực đô thị lớn, với sự gọn nhẹ, hiệu suất dòng điện lớn, dễ lắp đặt và hạn chế được hệ thống dây dẫn chính là những ưu điểm chính để WD-TENG có thể thay thế hoàn toàn các công nghệ như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió thông thường. Ở trong các thành phố lớn, các khu vực hẹp nằm giữa các tòa nhà cao tầng thường xuyên xảy ra hiệu ứng hang gió do hiệu ứng Bernoulli gây ra, sức gió ở những khu vực này có thể lên đến 64 km/h, các thiết bị WD-TENG nhờ vào những lợi thế của nó mà có thể lắp đặt, triển khai ở những khu vực này và khai thác nguồn năng lương gió rất lớn từ hiệu ứng Bernoulli , giảm thiểu được việc phải xây dựng, bảo trì các dường dây điện dài hàng trăm km đồng thời đảm bảo an toàn cho khu vực dân cư sinh sống xung quanh.
Khi đặt WD-TENG kế bên các thiết bị có vài điểm tương đồng như turbin gió với thiết kế cánh quạt trục gió đứng dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ, WD-TENG có nhiều ưu điểm vượt trội hơn hẳn về hiệu điện thế sinh ra theo mức p/p(pay for performance) và về điều kiện hoạt động của thiết bị.

Hiệu điện thế:
Gía trị hiệu điện thế của cánh quạt gió đứng turbine gió: thông thường dưới 1kV (dao động từ 575V đến 690V) ở mức hiệu điện thế trung bình
Gía trị hiệu điện thế của thiết bị WD-TENG: Ở mức một thiết bị đơn lẻ, mức hiệu điện thế trung bình xấp xỉ 200V, hiệu điện thế đỉnh có thể lên đến 660V, khi kết nối song song các unit TENG, hiệu điện thế sẽ tăng lên theo số lượng unit được kết nối, khi kết nối 8 unit, hiệu điện thế có thể lên đến 4100V
Khi nhận xét về hiệu điện thế tối đa có thể đạt được, Turbine gió sẽ có ưu thế hơn đôi chút do cánh quạt gió đứng có kích thước rất lớn và khai thác được nhiều năng lượng hơn khi có gió lớn, tuy nhiên trong điều kiện hoạt động thông thường với tần số thấp và điều kiện không gian chật hẹp, WD-TENG lại có ưu thế hơn hẳn do không chiếm nhiều diện tích, có thể hoạt động tốt trong điều kiện tần số thấp, hiệu điện thế đạt được từ việc kết nối các WD-TENG trong điều kiện bình thường sẽ lớn hơn hiệu điện thế của cánh quạt Turbine gió, tính trên phương diện kinh tế, WD-TENG có mức độ p/p (pay for performance) tốt hơn ở khía cạnh cung cấp dòng điện có hiệu điện thế cao

Điều kiện hoạt động:
Điều kiện hoạt động của Turbine điện gió: sức gió tối thiểu 10 m/s, điều kiện lý tưởng sức gió 45 m/s 3, chiều cao yêu cầu trung bình của một tháp turbine là 10 mét 4
Điều kiện hoạt động của WD-TENG: sức gió tối thiểu 2,9 m/s, điều kiện lý tưởng sức gió 6,9 m/s, chiều cao tối ưu vào của thiết bị so với mặt đất khoảng 2-3 m
Các ràng buộc về điều kiện hoạt động của thiết bị WD-TENG dễ đạt được hơn rất nhiều, với các điều kiện mà Turbine điện gió yêu cầu, khu vực hoạt động sẽ yêu cầu sức gió rất lớn, rộng và không có dân cư, như bãi biển, đồi núi và các khu vực này sẽ chỉ dành cho việc hoạt động của Turbine điện gió bởi một khu vực bao gồm hàng chục tháp turbine với độ cao 10 mét là rất nguy hiểm. Ngược lại WD-TENG dễ triển khai hơn, đặc biệt do yêu cầu về độ cao thấp và cường độ dòng điện tương đối thấp nên mức độ an toàn sẽ cao hơn, điều kiện hoạt động lý tưởng cũng dễ đạt đến hơn do sức gió cần để hoạt động thấp hơn nhiều so với turbine quạt gió.
Do khá dễ để đạt đến điều kiện lý tưởng, tần số tối thiểu để hoạt động và tần số lý tưởng để hoạt động chỉ chênh lệch 4Hz, nên hầu như thiết bị WD-TENG sẽ luôn đạt được trạng thái lý tưởng để hoạt động nếu được đặt trong các môi trường phù hợp. Nhưng nếu xét ở các mức tần số thấp, khả năng tạo ra điện năng của WD-TENG vẫn ở mức ổn định.
Ở điều kiện tốc độ gió 2,9 m/s, tần số xấp xỉ 1 Hz, xét trên thiết bị xấp xỉ một đơn vị TENG.Hiệu điện thế vẫn có thể đạt được mức xấp xỉ 100 Volt , các tín hiệu thấp hơn của thiết bị đạt được giá trị xấp xỉ 50 Volt, các tín hiệu này cách nhau trong chưa đầy 1 giây, các thông số này chứng tỏ rằng tuy ở điều kiện hoạt động không lý tưởng nhưng thiết bị vẫn có thể cho ra dòng điện có chỉ số hiệu điện thế khá tốt với tần suất ổn định, và khi kết nối các thiết bị TENG lại với nhau, ta còn có thể đạt được giá trị hiệu điện thế lớn hơn kể cả là ở tần số thấp.

Tính sáng tạo và đổi mới:

Tính độc đáo trong thiết kế nằm ở sự kết hợp giữa công nghệ TENG (Triboelectric Nanogenerator) và thiết bị chuyển đổi giao động cơ học. Thông thường, những thiết bị TENG thu năng lượng gió sẽ được thiết kế dựa trên chế độ trượt giữa các bề mặt (lateral sliding). Tuy nhiên, việc kết hợp nam châm và cánh quạt trục gió đứng trong thiết kế của thiết bị giúp WD-TENG có thể chuyển đổi từ chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, tạo trạng thái tiếp xúc - tách cho màng TENG phát điện. Mặc dù đã có nhiều thiết kế nhằm thu năng lượng gió nhưng đây là lần đầu tiên nam châm cùng với công nghệ trục gió đứng được kết hợp với nhau trong cùng 1 thiết bị. Sự kết hợp này giúp thiết bị tận dụng được khả năng thu gió từ nhiều hướng của cánh quạt trục gió đứng của thiết bị chuyển đổi, đồng thời phát huy những ưu điểm trong chế độ tiếp xúc – tách mang lại như nguồn áp cao và dễ dàng tích hợp nhiều lớp vật liệu khác nhau để cho hiệu suất hoạt động cao hơn. Bên cạnh đó, sự đơn giản trong chế tạo thiết bị còn thể hiện ở việc sử dụng công nghệ in 3D FDM, khi công nghệ này chỉ sử dụng ít nguyên vật liệu và giá thành phải chăng mà vẫn tạo ra sản phẩm có khả năng chịu lực tốt. Ngoài ra, thiết bị còn sử dụng nhựa tái chế làm nguồn nguyên liệu đầu vào cho các bộ phận cấu thành và màng TENG phát điện. Cùng với những ưu điểm của công nghệ cánh quạt gió đứng như: thu gió từ mọi hướng (phù hợp cho khu vực nội thành – nơi mà hướng gió khó để xác định), an toàn cho các loài vật và con người khi cường độ dòng điện mà công nghệ này tạo ra tương đối nhỏ, giảm thiểu diện tích lắp đặt, dễ thay thế và bảo dưỡng. Những điều trên giúp thiết bị trở thành mảnh ghép hoàn hảo trong bức tranh phát triển bền vững khi có thể tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có (nhựa tái chế) từ môi trường và chuyển hoá năng lượng từ chúng.

Tính ứng dụng:

Trong hơn nửa thế kỷ vừa qua, nhờ sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, xã hội loài người dần chuyển sang xu hướng tự động hóa và các thiết bị điện tử đã trở thành 1 phần thiết yếu trong cuộc sống của mỗi người. Hơn nữa, kích thước của chúng ngày càng nhỏ đi theo từng milimet, và thậm chí là micromet. Sự suy giảm về kích thước dẫn đến sự sụt giảm điện năng tiêu thụ xuống chỉ còn vài miliwatt hoặc thậm chí là microwatt. Do đó, những cải tiến trong tiêu thụ điện năng ở mức độ vi mô sẽ thúc đẩy quá trình tích hợp các thiết bị điện tử đa chức năng nhằm hình thành nên hệ thống điện tử vi mô, chẳng hạn như hệ thống thiết bị sử dụng Internet vạn vật (IoT). Tuy nhiên, sự phát triển của những hệ thống này phải đối mặt với thách thức về nguồn năng lượng cung cấp thích hợp. Thông thường các cảm biến cấp nguồn này được cấp nguồn bằng các nguồn điện phân tán như pin. Tuy nhiên, việc sử dụng pin mang theo nhiều hạn chế, như tuổi thọ ngắn, cần sạc lại khi hết điện, cần thay thế khi hỏng, khó khăn trong việc thay pin, và gây ô nhiễm môi trường khi bị loại bỏ. Đặc biệt, trong tương lai, việc sạc lại hoặc thay thế pin cho một lượng lớn cảm biến IoT là không khả thi, vì lẽ đó nên WD-TENG có thể được sử dụng nhằm cấp nguồn cho các hệ thống cảm biến IoT nhằm đảm bảo độ ổn định của hệ thống và tăng độ tin cậy của dữ liệu từ cảm biến. Từ đây, có thể thấy được khả năng ứng dụng vào trong đa dạng các lĩnh vực của WD-TENG

Thiết bị với nhiều ưu điểm vượt trội như dễ dàng lắp đặt và bảo trì, không yêu cầu thời gian đào tạo để sử dụng, sử dụng được trong môi trường đô thị và bất cứ nơi đâu, có thể áp dụng rộng rãi. Đồng thời cùng với việc sử dụng công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modelling) dùng nguồn nguyên liệu nhưa tái chế để sản xuất. Việc sử dụng công nghệ FDM giúp giảm chi phí sản xuất, chi phí vận chuyển logistic do có thể sản xuất nhanh chóng và liên tục ngay bất cứ nơi đâu, phù hợp để sản xuất hệ thống theo dây chuyền công nghiệp. Ngoài ra, điều này còn hướng tới khả năng tự động hoá sản xuất, góp phần tối thiểu hoá chi phí vật tư sản xuất. Không những vậy cùng với xu hướng NET ZERO như hiện nay nhu cầu thay thế các nguồn năng lượng hoá thạch bằng các nguồn năng lượng xanh là vô cùng cấp thiết chính vì vậy các thiết bị tạo ra năng lượng xanh ứng dụng những nguồn vật liệu tái chế là vô cùng cần thiết đóng góp rất nhiều vào các thành phần kinh tế xã hội giúp nâng cao nhận thức của xã hội về năng lượng và sự phát triển bền vững.

Tiềm năng phát triển:

Với tiềm năng to lớn của công nghệ WD-TENG thì nó có thể phục vụ năng lượng cho các hệ thống IoT tự hành trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, nhà ở thông minh, các cảm biến cảnh báo nguy hiểm và điện.
Công nghệ WD-TENG phù hợp với các ứng dụng trong bối cảnh nông nghiệp đang hiện đại hóa ở Việt Nam. Như ở thị trường cà phê Việt Nam hiện tại đang nâng cao yêu cầu đối với chất lượng của hạt cà phê, đòi hỏi những tiêu chuẩn khắc khe hơn, điều này dẫn đến việc các cơ sở sản xuất cà phê ở nước ta cần phải tăng cường theo dõi địa chất môi trường và dự báo khí tượng. Hiện tại khu vực sản xuất cà phê chính ở nước ta là Tây Nguyên, một khu vực cao nên sẽ rất khó khăn cho việc cung cấp điện từ lưới điện hay dùng các nguồn điện phân tán như pin lên các khu vực trồng cà phê rộng lớn, chính vì vậy mà công nghệ tự hành như WD-TENG sẽ giúp cung cấp năng lượng cho các cảm biến theo dõi địa chất môi trường và khí tượng.
Công nghệ WD- TENG cũng là một công nghệ phù hợp nhằm vận hành các thiết bị cảnh báo cháy rừng hoặc ô nhiễm, do các thiết bị WD-TENG có lợi thế rất lớn trong tính linh hoạt, không yêu cầu khắt khe từ môi trường vận hành, với những tinh chỉnh phù hợp, công nghệ WD-TENG có thể cung cấp năng lượng cho các hệ thống cảnh báo hỏa hoạn ở các cánh rừng khô, hoặc censor thông báo mức độ ô nhiễm của nước nếu các cánh quạt được điều chỉnh phù hợp để hoạt động dưới nước, giúp hạn chế thiệt hại và theo dõi đại chất hiểu quả hơn mà không yêu cầu phải nối dây đến các khu vực dã chiến.
WD-TENG cũng có những ứng dụng trong khu vực đô thị, thậm chí là hoạt động hiệu quả ở những khu vực này. Các đèn điện ở các khu công viên, hành lang giữa các tòa nhà cao tầng hoàn toàn có thể được cung cấp năng lượng bởi công nghệ WD-TENG, với các nâng cấp về chuyển hóa AC-DC và công nghệ lưu trữ, công nghệ WD-TENG cũng có thể trở thành những trụ sạc tiềm năng cho trào lưu xe điện hiện nay.

Video: