Vật liệu và thiết bị năng lượng mới là gì?

Năng lượng mới được gọi là năng lượng chưa được sử dụng trên quy mô lớn và đang được nghiên cứu và phát triển tích cực, khác với năng lượng thông thường như than, dầu, khí tự nhiên và thủy điện quy mô lớn và vừa. Ví dụ, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối hiện đại, năng lượng địa nhiệt, năng lượng đại dương và năng lượng hydro đều là những nguồn năng lượng mới. Vật liệu năng lượng mới là vật liệu chủ yếu được sử dụng trong quá trình chuyển hóa và sử dụng các nguồn năng lượng mới và phát triển công nghệ năng lượng mới.

Hiện nay, các vật liệu năng lượng mới được nghiên cứu nhiều hơn và tương đối hoàn thiện chủ yếu là vật liệu pin mặt trời, vật liệu pin điện, vật liệu pin nhiên liệu, vật liệu năng lượng sinh khối, vật liệu năng lượng gió, siêu tụ điện, vật liệu năng lượng hạt nhân, v.v.

Chuyên ngành vật liệu và thiết bị năng lượng mới là chuyên ngành nghiên cứu và phát triển các vật liệu và thiết bị quan trọng, thiết kế và chế tạo chuyển đổi và sử dụng năng lượng mới. Chuyên ngành này là một trong những chuyên ngành đầu tiên liên quan đến các ngành công nghiệp mới nổi chiến lược quốc gia được Bộ Giáo dục bổ sung vào năm 2010, và nó là một trong những chuyên ngành trẻ nhất trong danh mục kỹ thuật vật liệu.

Giáo sư Li Meicheng nói rằng nội hàm của chủ yếu của các thiết bị và vật liệu năng lượng mới nằm ở việc tích hợp các thiết bị và vật liệu năng lượng mới. Khác với các vật liệu truyền thống, chẳng hạn như vật liệu hợp kim, vật liệu năng lượng mới không phải là vật liệu đơn giản, mà có đặc tính cấu trúc và chức năng. Ví dụ, vật liệu cốt lõi của các tấm pin mặt trời không phải là silicon đơn giản, mà để tạo thành một cấu trúc nhất định (chẳng hạn như mối nối PN), và có thể đạt được chức năng chuyển đổi quang điện. Do đó, việc nghiên cứu các thiết bị và vật liệu năng lượng mới không chỉ là vật liệu hay linh kiện mà phải kết hợp cả hai. Nói cách khác, chuyên ngành tập trung vào cách phá vỡ đường đứt gãy giữa các thiết bị và vật liệu năng lượng mới.

Lấy ví dụ như ô tô điện, nơi công nghệ pin điện đang phát triển nhanh chóng. Chẳng hạn, pin âm li titanate có ưu điểm là hiệu suất sạc nhanh, tuổi thọ cao, độ an toàn cao,… nhược điểm là mật độ năng lượng thấp, giá thành cao, thích hợp sử dụng cho xe buýt. Tuy nhiên, gần đây, pin sạc nhanh tiêu cực carbon đã đạt được tiến bộ nhanh chóng, mật độ năng lượng cao và chi phí thấp của nó dự kiến ​​sẽ thay thế pin tiêu cực lithium titanate. Dù là loại pin nào đi chăng nữa thì vật liệu và thiết bị của nó cũng không thể tách rời và vật liệu cuối cùng phải được tạo thành pin. Tất nhiên, đây chỉ là một phần nhỏ trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu và thiết bị năng lượng mới.

Các lĩnh vực nghiên cứu của vật liệu và thiết bị năng lượng mới là gì?

Giáo sư Li Meicheng cho biết các lĩnh vực nghiên cứu tích cực hiện nay của các thiết bị và vật liệu năng lượng mới chủ yếu là:

Đầu tiên, quá trình chuyển đổi năng lượng. Ví dụ, năng lượng ánh sáng thành điện năng, năng lượng ánh sáng thành nhiệt năng, năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học, năng lượng gió thành điện năng, năng lượng sinh khối thành điện năng, v.v. Ví dụ, pin mặt trời chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng, và quang hợp nhân tạo chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học.

Thứ hai, thu nhận và lưu trữ năng lượng. Vào tháng 11 năm 2016, Thủ tướng Lý Khắc Cường chủ trì cuộc họp của Ủy ban Năng lượng Quốc gia, nơi đã thảo luận và thông qua Kế hoạch Phát triển Năng lượng 5 năm lần thứ 13. Lý đề nghị tập trung vào phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mới trên công nghệ lưới điện và lưu trữ năng lượng, đột phá công nghệ mạng vi mô, xây dựng toàn diện năng lượng trí tuệ "Internet +", cải thiện khả năng điều chỉnh hệ thống điện, tăng khả năng cung cấp năng lượng mới , phát triển công nghệ tiên tiến, hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng và cạnh tranh năng lượng với các đỉnh cao của khoa học và công nghệ. Năm 2016, Tổng cục Năng lượng Quốc gia đã phê duyệt việc xây dựng dự án trình diễn lưu trữ năng lượng hóa học quy mô lớn lần đầu tiên trên toàn quốc, đồng thời đưa ra các mục tiêu đổi mới cụ thể cho công nghệ lưu trữ năng lượng của siêu tụ điện công suất lớn. Công nghệ lưu trữ năng lượng sẽ là một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong 5 năm tới. Ngoài ra, lớp phủ bề mặt cánh quạt tuabin gió (chống ăn mòn và các đặc tính khác), pin nhiên liệu, v.v., là những lĩnh vực nghiên cứu thiết bị và vật liệu năng lượng mới.

Cảm biến trong hệ thống năng lượng tích hợp. Đây là một lĩnh vực khác mà Giáo sư Li gần đây đã nhận ra rằng các vật liệu và thiết bị năng lượng mới có thể được sử dụng rộng rãi. Trong bối cảnh cải cách hệ thống điện không ngừng sâu rộng, việc chuyển đổi lưới điện truyền thống và xây dựng hệ thống năng lượng tích hợp đã là xu hướng chung, nhưng vẫn còn thiếu các nút chính, hoặc chuyển sang giao tiếp với mọi người. Sự phức tạp ngày càng tăng của năng lượng kết nối với hệ thống năng lượng đòi hỏi sự triển khai thông minh. Tuy nhiên, lưới điện hiện tại thiếu "mắt" và "tai" để triển khai năng lượng một cách nhanh chóng và chính xác. Những "đôi mắt" và "đôi tai", cảm biến, chính là nơi phát triển của các thiết bị và vật liệu năng lượng mới. Có khả năng việc sử dụng vật liệu năng lượng mới sẽ dẫn đến một sự đổi mới lớn.

Còn về Vật liệu và thiết bị năng lượng mới?

Vào tháng 7 năm 2012, Đại học Điện lực Bắc Trung Quốc đã tổ chức Hội nghị Chuyên đề Quốc gia lần thứ ba về việc chế tạo các thiết bị và vật liệu năng lượng mới. Hơn 70 người đã tham gia sự kiện, bao gồm các hiệu trưởng của các thiết bị và vật liệu năng lượng mới từ hơn 30 trường đại học, đại diện của các doanh nghiệp năng lượng mới và hiệp hội ngành, và các đơn vị xuất bản năng lượng mới. Ni Weidou, viện sĩ của Đại học Thanh Hoa, phát biểu về sự phát triển và nhu cầu nhân tài trong lĩnh vực năng lượng mới. Ông chỉ ra rằng sự phát triển của ngành năng lượng mới cần phải đi trên con đường thực tiễn và các trường cao đẳng và đại học chuyên về năng lượng mới cần dựa trên đặc điểm riêng của mình, khắc phục điểm nghẽn phát triển và góp phần xây dựng năng lượng mới. Hiệp hội năng lượng tái tạo Trung Quốc phó giám đốc ủy ban quang điện, tổng thư ký Wu Dacheng chỉ ra trong cuộc họp, đào tạo nhân sự năng lượng mới nên tăng cường giáo dục cơ bản của tài năng phổ cập, giới thiệu hợp lý của giáo viên, tăng cường trao đổi và giáo dục chung.

Nền tảng của chuyên ngành thiết bị và vật liệu năng lượng mới ở các trường đại học khác nhau rất khác nhau, do đó các khóa học cũng có những đặc điểm riêng. Lấy Đại học Điện lực Bắc Trung Quốc làm ví dụ, chương trình giảng dạy của trường có sự kết hợp chặt chẽ giữa các ngành học và giao lộ. Giáo sư Li Meicheng nói rằng chủ yếu của các thiết bị và vật liệu năng lượng mới liên quan đến ba khía cạnh sau: cơ chế vật lý và hóa học là cơ sở, vật liệu là cơ quan chính, và thiết bị là hiệu suất của vật liệu. Các trường cao đẳng và đại học nên kết hợp các đặc điểm chuyên môn của riêng mình và tạo thành ba yếu tố hữu cơ thông qua việc thiết lập chương trình giảng dạy hợp lý.

Các khóa học chính: (thông tin toàn diện của từng trường)

Vật lý trạng thái rắn, hóa lý, hóa vật liệu và vật lý, năng lượng, điện hóa, công nghệ cung cấp điện, vật lý và thiết bị bán dẫn, vật liệu lưu trữ năng lượng và công nghệ chuẩn bị, phương pháp phân tích và thử nghiệm vật liệu, chuyển đổi và ứng dụng năng lượng, nguyên tắc công nghệ tiết kiệm năng lượng tiên tiến và công nghệ, pin mặt trời, nguyên lý và công nghệ pin lithium ion, thiết kế tích hợp hệ thống năng lượng, xu hướng phát triển năng lượng mới của thế giới của loạt bài giảng, v.v.

Và sự khác biệt lớn về khoa học và kỹ thuật năng lượng mới

Cả hai chuyên ngành đều thuộc nhóm kỹ thuật, nhưng vật liệu và thiết bị năng lượng mới thuộc nhóm vật liệu, và khoa học và kỹ thuật năng lượng mới thuộc nhóm năng lượng. Khoa học và kỹ thuật năng lượng mới được định hướng cho ngành công nghiệp năng lượng mới, với tính liên ngành mạnh mẽ và phạm vi chuyên môn lớn. Nền tảng kỷ luật đến từ nhiều ngành khoa học và kỹ thuật, và có liên quan chặt chẽ đến vật lý, hóa học, vật liệu, máy móc, điện tử, thông tin, phần mềm, kinh tế và nhiều chuyên ngành khác. Theo nhu cầu xã hội và sự tích lũy chuyên môn của bản thân, các trường cao đẳng và đại học đã thiết lập các đặc điểm riêng của chuyên ngành kỹ thuật và khoa học năng lượng mới, mục tiêu đào tạo, chương trình đào tạo, định hướng chuyên ngành, v.v. khá khác nhau.