Ảnh: Khoa Kỹ Thuật – Đại học Illinois

Thiết bị tiêu dùng sẽ chạy lâu hơn bằng cách kéo điện từ môi trường.

Năng lượng từ xung: Một piezoelectric(*) harvester tạm hiểu là sự tương tác giữa các tác động rung, dao động cơ học với các loại vật liệu đặt biệt để tạo ra dòng điện được nghiên cứu bằng cách gắn thiết bị chứa vật liệu đặt biệt này trên một trái tim bò và lấy năng lượng từ nhịp đập của tim. Với nguyên lý hoạt động này của thiết bị đã cung cấp đủ năng lượng cho một máy trợ tim.

Chúng ta đang bước vào kỷ nguyên thu thập (harvesting) một lượng nhỏ các năng lượng thừa từ môi trường xung quanh cung cấp ngược lại năng lượng cho các thiết bị làm việc tức thời. Nhu cầu của Internet of things và sự ra đời của các linh kiện chi phí thấp đã giúp đưa hệ thống thu thập năng lượng vào các ứng dụng tích hợp mở rộng quy mô ứng dụng thực tiễn.

Đó là thông điệp được đưa ra ở một hội nghị được tài trợ bởi công ty nghiên cứu thị trường IDTechEx, tổ chức tại Santa Clara, California – Hoa Kỳ. Cuối tháng 11 năm 2014, bảy sự kiện diễn ra cùng một lúc. Ngoài thu thập năng lượng và lưu trữ (energy harvesting and storage), các chủ đề khác bao gồm Printed electronic, wearable technology (thiết bị đeo), 3-D printing (in 3D), supercapacitors (siêu tụ điện), Internet of Things và graphene đều được đưa ra thảo luận. Các lĩnh vực này dường như khác nhau nhưng có sự liên kết chặt chẽ; theo CEO IDTechEx Raghu Das chỉ ra, các thiết bị đeo (wearable devices) đang điều khiển việc phát triển mạnh mẽ các nghiên cứu công nghệ thu thập năng lượng phục vụ cho thiết bị này. Trong suốt các phiên họp của hội nghị, các mối liên kết khác giữa các lĩnh vực được đưa ra như: Siêu tụ phục vụ rất hiệu quả để lưu trữ và giải phóng năng lượng thu thập được, và công nghệ in 3D đóng một vai trò lớn trong việc tạo ra các mẫu gốc cho các mặt hàng sản xuất, có thể xem và điều chỉnh từ khi mới phát thảo giúp việc phát triển các sản phẩm nhanh trong thời gian ngắn và ít tốn thời gian.

Theo các nhà phân tích IDTechEx, ngành công nghiệp thu thập năng lượng dự tính sẽ tăng đến 2,6 tỉ USD đến năm 2024. Các chương trình nghiên cứu thu thập năng lượng được xây dựng xung quanh ba nguồn năng lượng chính và các công nghệ được sử dụng để khai thác chúng như: năng lượng cơ khí, năng lượng nhiệt, và các năng lượng sóng điện từ dư thừa xung quanh ta.

Ảnh: Southeastern Railways

Tận dụng sự dao động: Được trang bị trên một chuyến tàu hỏa, thiết bị này sử dụng các rung động của các bánh xe và khung tàu hỏa để tạo ra dao động trong cuộn dây của nam châm, khi đó giúp tạo ra dòng điện cung cấp cho các cảm biến.

Một phương tiện cơ năng (Mô-đun) thu thập năng lượng được tạo ra bởi các công ty của Anh Perpetuum. Mô-đun thu thập năng lượng từ sự rung động của bánh xe, toa xe: Những rung động đó đã làm dao động nam châm trong một cuộn dây cố định, giúp biến thiên thành dòng điện cung cấp năng lượng cho cảm biến theo dõi nhiệt độ của vòng bi bánh xe. Đường sắt Đông Nam (Southeastern Railways), có trụ sở tại Anh, đã lắp đặt Perpetuum trên tất cả 148 hệ thống của đường sắt Electrostar, để xác định và giải quyết các nhược điểm trước khi đem ra các ứng dụng lớn hơn.

Năng lượng từ chuyển động có thể được thu thập được bằng các phương tiện khác nhau. Một loạt các vật liệu đặc trưng tính điện áp: Tác động một lực vào vật liệu để tạo ra dòng điện (và ngược lại). Vật liệu piezoelectric mới đang được tạo ra trong thời gian gần đây. Ví dụ, một sinh viên tốt nghiệp trường Đại học Illinois đã tạo ra một tấm phim áp điện mỏng tương thích sinh học có thể được cấy một cách an toàn trong mô sống. Một thiết bị đa lớp kết hợp với các tấm phim piezoelectric được gắn trực tiếp trên bề mặt của trái tim con người có thể cung cấp năng lượng như một máy trợ tim. Điều này có thể loại bỏ các nguy cơ đối với bệnh nhân khi phải phẫu thuật thay thế máy trợ tim trong khoảng 5 đến 10 năm, khi pin của máy trợ tim xuống thấp. Piezoelectric cũng có thể làm việc cho các ứng dụng quy mô lớn hơn. Trong thời gian diễn ra thế vận hội mùa hè 2012, tại London, một phần năng lượng dùng để phát sáng các trạm đèn đường đi bộ dưới lòng đất đã được thu thập từ bước chân của hành khách đi trên gạch. IDTechEx ước tính rằng thị trường piezoelectric trên toàn thế giới là khoảng 35 triệu USD trong năm 2014, tăng gần gấp đôi quy mô thị trường so với năm 2013.

Các nhà phân tích IDTechEx đã tăng đánh giá quy mô của thị trường hệ thống nhiệt điện, có thể chuyển đổi năng lượng nhiệt không mong muốn trở thành điện. Trong khi các hệ thống nhiệt điện xung quanh ta đã tồn tại trong nhiều thập kỷ, các thiết bị nhiệt điện mới có thể làm việc với sự khác biệt nhiệt độ nhỏ hơn, tăng số lượng những nơi có thể sử dụng hệ thống này. Tại hội nghị, các nhà phân tích dự báo rằng thị trường nhiệt điện thế hệ mới sẽ tăng gấp đôi từ 2014-2016, đạt gần 95 triệu USD.

Ứng dụng trong tự động là mục tiêu lớn nhất, bện cạnh đó các ứng dụng công nghiệp có nhiều khả năng để thúc đẩy tăng trưởng rất mạnh. Cảm biến không dây chạy bằng nhiệt dư thừa trong các dây chuyền sản xuất có thể giảm chi phí lắp đặt và bảo trì bằng cách loại bỏ nguồn cung cấp và truyền dữ liệu có dây cho mỗi vị trí cảm biến đặt.

Có lẽ phương pháp kỳ diệu nhất của thu thập năng lượng là tạo ra các bản vẽ để thu thập điện từ trường dư thừa tồn tại xung quanh. Đây không phải là một ý tưởng mới: các ăn-ten thu sóng radio đã tồn tại khá phổ biến trong khoảng thời gian vừa qua, cùng với các thẻ RFID và các tế bào quang điện là khá phổ biến hiện nay. Khái niệm này có thể được tiếp tục phát triển. Có thể kéo năng lượng từ các tần số vô tuyến khác nhau và thu chúng lại trong toàn thời gian. Hiệp hội nghiên cứu dệt may Tây Ban Nha Aitex, phối hợp với các nhà nghiên cứu khác, đã tạo ra loại vải có chứa ăng-ten nhỏ, các ăng-ten được dệt trực tiếp lên vải. Công nghệ này có thể được phát triển để quần áo của chúng ta có thể bắt đủ năng lượng cho các bộ cảm biến sinh trắc học và các thiết bị đeo khác.

Hội nghị IDTechEx là một ví dụ tuyệt vời về một sự kiện năng lượng lớn với tổng thể các bộ phận được đưa ra thảo luận. Có một sự hào hứng và nhiệt tình giữa những người tham gia, đó là những gì còn thiếu tại nhiều sự kiện công nghệ trong những năm gần đây. Sự phấn khích để tạo ra thị trường năng lượng mới, tất cả sẽ tăng trưởng nhanh chóng, gợi nhớ về những ngày đầu tiên khởi đầu của thị trường máy tính cá nhân, chúng ta sẽ chứng kiến các sản phẩm tuyệt vời sẽ ra mắt trong thời gian tới. Năng lượng thu thập được là sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc thay đổi cách chúng ta tương tác với các vật dụng hàng ngày, dữ liệu của chúng ta, một số thành phần khác, và thậm chí cả cơ thể của các chúng ta.

(*) Từ ngữ đặc biệt tham khảo wiki Piezoelectric

Theo spectrum.ieee.org