Hấp thụ ánh sáng mặt trời với công nghệ trí tuệ nhân tạo
Bộ hấp thụ năng lượng mặt trời là một vật liệu được sử dụng để chuyển đổi năng lượng này thành nhiệt hoặc điện. Maria K. Chan, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) điều hành, đã phát triển một phương pháp học máy để sàng lọc hàng nghìn hợp chất làm chất hấp thụ năng lượng. Mặt trời.
Đồng tác giả của Chan trong dự án này là Arun Mannodi-Kanakkithodi, một nhà khoa học hiện đang là trợ lý giáo sư tại Đại học Purdue. Theo một nghiên cứu gần đây của DOE, đến năm 2035, năng lượng mặt trời có thể cung cấp 40% lượng điện của quốc gia, ông Chan nói. Và nó có thể giúp khử cacbon trong lưới điện trong khi cung cấp các công việc mới ”.
Chan và Mannodi-Kanakkithodi đang đánh cược rằng máy học sẽ đóng một vai trò quan trọng trong nỗ lực hiện thực hóa mục tiêu cao cả đó. Một dạng trí tuệ nhân tạo (AI), học máy sử dụng sự kết hợp của các tập dữ liệu lớn và các thuật toán để bắt chước cách con người học. Nó học hỏi từ đào tạo với dữ liệu mẫu và kinh nghiệm trong quá khứ để đưa ra dự đoán tốt hơn bao giờ hết.
Vào thời của nhà phát minh Thomas Edison, cộng đồng khoa học thế giới đã khám phá ra những vật liệu mới thông qua một quá trình thử thách gian khổ với nhiều ứng cử viên khác nhau cho đến khi một vật liệu phát huy tác dụng. Trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học cũng đã dựa vào những tính toán tốn công sức đòi hỏi hàng nghìn giờ để dự đoán các đặc tính của vật liệu. Giờ đây, họ có thể tắt cả hai quy trình khám phá bằng cách sử dụng máy học.
Hiện nay, chất hấp thụ chính trong pin mặt trời là silicon hoặc cadmium telluride. Những chất như vậy đã trở nên phổ biến ngày nay. Nhưng chúng vẫn khá đắt cũng như tốn nhiều năng lượng để sản xuất. Một nhóm các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp học máy của họ để đánh giá mọi đặc tính mặt trời của vật liệu được gọi là perovskite halogenua.
Trong thập kỷ qua, nhiều nhà khoa học đã cố gắng nghiên cứu perovskite vì hiệu quả đáng kể của chúng trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Họ cũng đưa ra triển vọng giảm nhiều chi phí và năng lượng đầu vào cho việc chuẩn bị vật liệu và xây dựng.
Chan giải thích: “Không giống như silicon hoặc cadmium, mọi biến thể có thể có của halogenua kết hợp với perovskite là không giới hạn. Do đó, cần cấp thiết phát triển một phương pháp có thể thu hẹp các ứng viên tiềm năng xuống một con số có thể quản lý được. Vì vậy, máy học được coi là một công cụ hoàn hảo ”.
Nhóm nghiên cứu đã đào tạo phương pháp của họ với dữ liệu cho hàng trăm chế phẩm perovskite halogenua, sau đó áp dụng nó cho hơn 18.000 chế phẩm làm trường hợp thử nghiệm. Phương pháp đánh giá các chế phẩm này về một số đặc điểm chính như tính ổn định, khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, cấu trúc không dễ bị phá vỡ do khuyết tật, v.v.
Các tính toán phù hợp với dữ liệu có liên quan trong các tài liệu khoa học. Ngoài ra, phát hiện làm giảm số lượng sáng kiến đáng được nghiên cứu thêm xuống còn khoảng 400. Chan nhận xét: “Danh sách ứng viên của chúng tôi bao gồm những hợp chất đã được nghiên cứu, những hợp chất mà chưa ai từng thấy trước đây. nghiên cứu, và thậm chí cả các hợp chất không nằm trong số 18.000 ban đầu. Vì vậy, chúng tôi rất vui mừng về điều đó. “Bước tiếp theo sẽ là kiểm tra các dự đoán bằng cách sử dụng một loạt các thử nghiệm.
Kịch bản lý tưởng sẽ là sử dụng một phòng thí nghiệm khám phá tự trị, chẳng hạn như Polybot tại Trung tâm Vật liệu nano (CNM) của Argonne – một cơ sở của Văn phòng Khoa học DOE. Polybot kết hợp sức mạnh của robot với AI nhằm mục đích thúc đẩy khám phá khoa học mà không cần hoặc không có sự can thiệp của con người.
Bằng cách sử dụng thử nghiệm tự động để tổng hợp, mô tả đặc điểm và kiểm tra những gì tốt nhất trong số hàng trăm ứng cử viên chính của họ, Chan và nhóm dự đoán rằng trong tương lai họ cũng có thể cải thiện. các phương pháp học máy hiện hành. Chan nói: “Chúng ta thực sự đang ở trong một kỷ nguyên mới của việc áp dụng AI và tính toán hiệu suất cao vào việc khám phá vật liệu. Bên cạnh pin mặt trời, cách tiếp cận thiết kế của chúng tôi có thể được áp dụng cho đèn LED cũng như cảm biến hồng ngoại ”.
Chuyển đổi quang năng thành điện năng theo yêu cầu
Một nhóm các nhà nghiên cứu đằng sau một hệ thống năng lượng có thể thu năng lượng mặt trời, lưu trữ nó trong 18 năm và giải phóng nó khi nào và ở đâu cần thiết hiện đã đưa hệ thống này tiến thêm một bước nữa. . Sau khi chứng minh cách năng lượng có thể được chiết xuất dưới dạng nhiệt, nhóm nghiên cứu hiện đã thành công trong việc đưa hệ thống này sang sản xuất điện bằng cách kết nối nó với một máy phát nhiệt điện. Cuối cùng, nghiên cứu – được phát triển tại Đại học Công nghệ Chalmers (Thụy Điển) – có thể dẫn đến việc thiết bị điện tử tự sạc sử dụng năng lượng mặt trời được lưu trữ theo yêu cầu.
KasperMoth-Poulsen, trưởng nhóm nghiên cứu và là giáo sư tại Khoa Hóa học và Kỹ thuật Hóa học tại Chalmers cho biết: “Đây là một cách hoàn toàn mới để tạo ra điện từ năng lượng mặt trời. Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện bất kể thời tiết, thời gian trong ngày, mùa hay vị trí địa lý. Đây là một hệ thống khép kín, có thể hoạt động mà không thải ra khí thải carbon gây ô nhiễm môi trường ”.
Công nghệ mới dựa trên hệ thống năng lượng mặt trời MOST – một hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời phân tử – được phát triển tại Đại học Công nghệ Chalmers. Rất đơn giản, công nghệ này dựa trên một phân tử được thiết kế đặc biệt, có thể thay đổi hình dạng khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
Kết quả nghiên cứu nhanh chóng thu hút sự quan tâm lớn trên toàn thế giới khi được trình bày ở giai đoạn trước. Nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Cell Reports Physical Science và được thực hiện với sự hợp tác của một nhóm các nhà nghiên cứu ở Thượng Hải (Trung Quốc), cho phép đưa hệ thống điện mặt trời tiến thêm một bước nữa, trình bày chi tiết cách nó có thể được kết hợp với một máy phát nhiệt điện nhỏ gọn để phục vụ yêu cầu chuyển đổi quang năng thành điện năng.
Nhóm các nhà nghiên cứu Thụy Điển đã gửi phân tử được thiết kế đặc biệt của họ, chứa đầy năng lượng mặt trời, cho các đồng nghiệp Tao Li và Zhiyu Hu tại Đại học Giao thông Thượng Hải, nơi năng lượng được giải phóng và chuyển đổi. thành điện bằng cách sử dụng máy phát điện mà họ đã phát triển ở đó.
Về cơ bản, ánh nắng mặt trời của Thụy Điển đã được chuyển đổi thành điện năng ở Trung Quốc. Nhà nghiên cứu Zhihang Wang, đến từ Đại học Công nghệ Chalmers, nhận xét: “Máy phát điện là một con chip siêu mỏng, có thể tích hợp vào các thiết bị điện tử như tai nghe, đồng hồ thông minh và điện thoại. Cho đến nay, chúng tôi mới chỉ tạo ra một lượng điện nhỏ, nhưng kết quả mới cho thấy khái niệm này thực sự hoạt động. ”
Nghiên cứu có tiềm năng lớn để sản xuất năng lượng tái tạo và không phát thải CO2. Nhưng vẫn còn rất nhiều nghiên cứu và phát triển đang diễn ra ngay bây giờ trước khi chúng ta có thể sạc tất cả các thiết bị công nghệ của mình hoặc sưởi ấm ngôi nhà của chính chúng ta bằng năng lượng mặt trời được lưu trữ của hệ thống.
Kasper Moth-Poulsen cho biết: “Cùng với các nhóm nhà khoa học khác nhau trong dự án, chúng tôi hiện đang hợp tác nghiên cứu để hợp lý hóa hệ thống. Cần phải tăng lượng điện hoặc nhiệt mà nó có thể khai thác.
MOST có thể được hiểu là một hệ thống năng lượng khép kín dựa trên một phân tử cacbon, hydro và nitơ được thiết kế đặc biệt, khi bị ánh sáng mặt trời chiếu vào sẽ biến đổi hình dạng thành một đồng phân giàu năng lượng – một phân tử. Nguyên tử được tạo thành từ các nguyên tử giống nhau nhưng được sắp xếp theo một cách khác nhau. Đồng phân sau đó có thể được lưu trữ ở dạng lỏng để sử dụng sau này khi cần – chẳng hạn như vào ban đêm hoặc vào mùa đông. Nhóm các nhà nghiên cứu đã tinh chỉnh thành công hệ thống này đến mức nó có thể lưu trữ năng lượng lên đến… 18 năm.
Một chất xúc tác được thiết kế đặc biệt giải phóng năng lượng tiết kiệm được dưới dạng nhiệt, đồng thời đưa phân tử trở lại hình dạng ban đầu, do đó nó có thể được tái sử dụng trong hệ thống sưởi ấm. Giờ đây, kết hợp với một máy phát nhiệt điện mỏng micromet, hệ thống điện cũng có thể tạo ra điện năng theo đơn đặt hàng.
