Trong khóa luận này, các nhược điểm trên được nghiên cứu cải thiện bằng việc sử dụng một vật liệu chuyển pha rắn – rắn Pentaerythritol PE kết hợp với vật một liệu xốp Expanded Graphite E
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC
GVHD: TS NGUYỄN TIẾN GIANG SVTH: NGUYỄN THANH VY
TP Hồ Chí Minh, tháng 8/2024
LƯU TRỮ NHIỆT NĂNG THEO CƠ CHẾ CHUYỂN PHA RẮN- RẮN VẬT LIỆU PENTAERYTHRITOL/ EXPANDED GRAPHITE MỚI VỚI ĐA KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TẠI NHIỆT ĐỘ TẦM TRUNG
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
- -
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
LƯU TRỮ NHIỆT NĂNG THEO CƠ CHẾ CHUYỂN PHA RẮN –RẮN: VẬT LIỆU PENTAERYTHRITOL/EXPANDED GRAPHITE MỚI VỚI ĐA KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG
LƯỢNG TẠI NHIỆT ĐỘ TẦM TRUNG
SVTH: NGUYỄN THANH VY MSSV: 20128172
GVHD: TS NGUYỄN TIẾN GIANG
TP Hồ Chí Minh, tháng 8, năm 2024
Trang 3BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
- -
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
LƯU TRỮ NHIỆT NĂNG THEO CƠ CHẾ CHUYỂN PHA RẮN –RẮN: VẬT LIỆU PENTAERYTHRITOL/EXPANDED GRAPHITE MỚI VỚI ĐA KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG
LƯỢNG TẠI NHIỆT ĐỘ TẦM TRUNG
SVTH: NGUYỄN THANH VY MSSV: 20128172
GVHD: TS NGUYỄN TIẾN GIANG
TP Hồ Chí Minh, tháng 8, năm 2024
Trang 13i
TÓM TẮT KHÓA LUẬN
Lưu trữ năng lượng nhiệt tại nhiệt độ tầm trung (80 – 250 ℃) đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng dân dụng và công nghiệp Tuy nhiên, phần lớn các vật liệu chuyển pha (Phase change materials – PCM) lưu trữ nhiệt năng tại khoảng nhiệt độ này có cơ chế chuyển pha rắn – lỏng và gặp phải nhược điểm dễ bị rò rỉ ở thể lỏng Thêm vào đó, các nhược điểm chung của PCM như độ dẫn nhiệt thấp và khả năng chuyển đổi năng lượng thấp đã giới hạn ứng dụng thực tế của chúng Trong khóa luận này, các nhược điểm trên được nghiên cứu cải thiện bằng việc sử dụng một vật liệu chuyển pha rắn – rắn Pentaerythritol (PE) kết hợp với vật một liệu xốp Expanded Graphite (EG) với khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện, và hấp thu ánh sáng mặt trời tốt Các vật liệu PE/EG CPCM (Composite phase change material) được tổng hợp với các hàm lượng PE khác nhau (80-95%) và các tính chất nhiệt cũng như khả năng chuyển đổi và lưu trữ điện – nhiệt và quang – nhiệt được đánh giá và thảo luận Kết quả cho thấy PE và EG có mức độ tương thích hóa học tốt, không xảy ra các phản ứng hóa học Các mẫu PE/EG thể hiện nhiệt độ chuyển pha tại ~185 ℃ và giảm được mức độ siêu lạnh xuống dưới 4℃ so với giá trị 11
℃ của PE tinh khiết Bên cạnh đó, chúng thể hiện dung lượng lưu trữ nhiệt năng trong khoảng 204.5 – 250.5 J/g và hiệu xuất giải phóng năng lượng tốt (97.2 – 97.7 %), cao hơn hầu hết so với các loại vật liệu đã được công bố trước đây Kết quả thực nghiệm với mẫu
80 – 90 wt% PE/EG CPCM cho thấy vật liệu có khả năng chuyển đổi quang – nhiệt khá tốt với hiệu suất đạt 87.6 – 83.1%, do sự có mặt của EG với khả năng dẫn nhiệt cao, giúp vật liệu CPCM hấp thu ánh sáng mặt trời tốt Thêm nữa, độ dẫn điện cao của EG cũng giúp vật liệu 90 wt% PE/EG có được khả năng chuyển đổi năng lượng điện – nhiệt tốt, tăng nhiệt độ từ 33 – 197 ℃ trong 600 giây khi được áp vào một điện thế thấp (2.5 V) Hiêu năng lưu trữ, giải phóng và chuyển đổi năng lượng đa nguồn cao tại nhiệt độ tầm trung cũng như giá thành thấp, giúp vật liệu PE/EG đầy hứa hẹn trong các ứng dụng liên quan đến nhiệt
Trang 14Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Tiến Giang, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài Kiến thức sâu rộng, sự kiên nhẫn, sự tận tâm cùng với bầu không khí luôn vui vẻ thầy mang lại đã giúp em vượt qua những khó khăn để hoàn thành bài khóa luận một cách tốt nhất
Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến với gia đình đã luôn ủng hộ về tinh thần và vật chất trong suốt thời gian qua Xin cảm ơn bạn bè và những người đã hỗ trợ, góp ý và động viên trong khoảng thời gian nghiên cứu và hoàn thành khóa luận
Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, không tránh khỏi những sai sót và thiếu sót do kiến thức còn hạn chế nhiều, em kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy, cô để bài khóa luận được hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 15iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan quá trình thực hiện nghiên cứu được thực hiện độc lập bởi tôi, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS Nguyễn Tiến Giang, giảng viên của trường Đại học Sư phạm
Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Các kết quả nghiên cứu và số liệu trong khóa luận là hoàn toàn trung thực, do chính chúng tôi khảo sát và thực hiện Những tài liệu tham khảo
sử dụng trong khóa luận, đã được trích dẫn và công bố đầy đủ, và xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
TP Hồ Chí Minh, tháng 8, năm 2024
Sinh viên thực hiện
Vy
Nguyễn Thanh Vy
Trang 16iv
MỤC LỤC
TÓM TẮT KHÓA LUẬN i
LỜI CẢM ƠN ii
LỜI CAM ĐOAN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC BẢNG vii
DANH MỤC HÌNH viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix
MỞ ĐẦU x
1 Lý do chọn đề tài x
2 Mục tiêu nghiên cứu xi
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xii
4 Phương pháp nghiên cứu xii
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn xii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 1
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2
1.2 Lưu trữ năng lượng nhiệt (TES) 3
1.2.1 Phân loại 4
1.2.2 So sánh các hệ thống TES 6
1.3 Vật liệu chuyển pha (Phase change material – PCM) 7
1.3.1 Định nghĩa PCM 7
1.3.2 Các tiêu chí để lựa chọn PCM 8
Trang 17v
1.3.3 Phân loại PCM 9
1.3.4 Pentaerythritol (PE) 13
1.3.5 Kỹ thuật chuyển đổi các nguồn năng lượng khác nhau thành nhiệt năng 14
1.3.6 Vật liệu xốp 16
1.3.7 Vật liệu chuyển pha hỗn hợp CPCM 19
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20
2.1 Hóa chất và thiết bị nghiên cứu 20
2.1.1 Hóa chất 20
2.1.2 Thiết bị 20
2.2 Quy trình thực nghiệm 20
2.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu chuyển pha hỗn hợp PE/EG 20
2.2.2 Quy trình kiểm tra độ tin cây nhiệt của mẫu 90 wt% PE/EG CPCM 21
2.2.3 Quy trình kiểm tra khả năng chuyển đổi năng lượng quang – nhiệt của vật liệu 22
2.2.4 Quy trình kiểm tra khả năng chuyển đổi năng lượng điện – nhiệt của vật liệu 23 2.3 Các phương pháp phân tích đánh giá 24
2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 24
2.3.2 Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 24
2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 24
2.3.4 Phương pháp phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) 25
2.3.5 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 25
2.3.6 Phương pháp đo quang phổ hấp thụ (UV-VIS) 25
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26
3.1 Phân tích hình thái bề mặt của vật liệu PE/EG CPCM 26
3.2 Khả năng tương thích hóa học của vật liệu PE/EG CPCM 27
Trang 18vi
3.3 Đặc tính tinh thể của vật liệu PE/EG CPCM 28
3.4 Đặc tính nhiệt của vật liệu PE/EG CPCM 29
3.5 Độ bền nhiệt của vật liệu PE/EG CPCM 31
3.6 Độ bền vòng lặp của vật liệu PE/EG CPCM 34
3.7 Khả năng chuyển đổi năng lượng quang – nhiệt của vật liệu PE/EG CPCM 36
3.7.1 Khả năng hấp thụ Vis-NIR 36
3.7.2 Khả năng chuyển đổi quang – nhiệt của vật liệu 37
3.8 Khả năng chuyển đổi năng lượng điện – nhiệt của vật liệu PE/EG CPCM 40
KẾT LUẬN 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO 43
Trang 19vii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh các tiêu chí của ba loại TES [25] 6
Bảng 1.2: Ưu và nhược điểm của 3 loại TES 7
Bảng 1.3: Các tiêu chí chính khi lựa chọn PCM 9
Bảng 2.1: Các hóa chất được sử dụng 20
Bảng 3.1: Tính chất nhiệt của các CPCM so với PE tinh khiết 31
Bảng 3.2: Các thông số nhiệt của PE/EG CPCM và các PCM ở nhiệt độ chuyển pha tầm trung trong các bài báo khoa học được công bố khác 31
Bảng 3.3: Tính chất nhiệt của mẫu 90 wt% PE/EG CPCM trước và sau khi trải qua 100 chu kỳ nhiệt 36
Trang 20
viii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Phân loại TES [20] 4
Hình 1.2: Mô tả quá trình chuyển pha rắn – lỏng của vật liệu [27] 8
Hình 1.3: Phân loại vật liệu chuyển pha 10
Hình 1.4: Cấu trúc phân tử của PE [6] 13
Hình 1.5: Một số loại vật liệu xốp hỗ trợ cho vật liệu chuyển pha [60] 17
Hình 1.6: Expanded graphite 18
Hình 1.7: Mô tả quá trình hình thành CPCM [58] 19
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp vật liệu PE/EG CPCM 21
Hình 2.2: Quy trình kiểm tra độ bền vòng lặp của mẫu 90 wt% PE/EG CPCM 22
Hình 2.3: Quy trình kiểm tra khả năng chuyển đổi năng lượng quang – nhiệt của mẫu PE tinh khiết và mẫu 90 wt% PE/EG CPCM 23
Hình 2.4: Quy trình kiểm tra khả năng chuyển đổi năng lượng điện – nhiệt của mẫu PE tinh khiết và mẫu 90 wt% PE/EG CPCM 24
Hình 3.1: Ảnh SEM của (a), (b) Expanded graphite, (c) 80 wt% PE/EG, (d) 85 wt% PE/EG, (e) 90 wt% PE/EG, (f) 95 wt% PE/EG 26
Hình 3.2: Phổ FT-IR của mẫu EG, PE tinh khiết và các PE/EG CPCM 28
Hình 3.3: Phổ XRD của mẫu EG, PE tinh khiết và các PE/EG CPCM 29
Hình 3.4: Đường cong DSC (a) gia nhiệt và (b) hạ nhiệt, (c) mức độ siêu lạnh và (d) độ kết tinh của PE tinh khiết và các PE/EG CPCM 30
Hình 3.5: Đường cong TGA của mẫu EG, PE tinh khiết và 80, 90 wt% PE/EG CPCM 34
Hình 3.6: (a) Đường cong DSC, (b) Phổ XRD, (c) Phổ FTIR của mẫu 90 wt% PE/EG CPCM trước và sau 100 chu kỳ nhiệt 35
Hình 3.7 Phổ hấp thụ Vis-NIR của mẫu PE tinh khiết và mẫu 90 wt% PE/EG CPCM 36
Hình 3.8: Khả năng chuyển đổi quang – nhiệt của PE/EG (a) Kết quả thực nghiệm của vật liệu PE tinh khiết và 90 wt% PE/EG dưới ánh sáng mặt trời (b) Sự tiến triển nhiệt độ theo thời gian của vật liệu 90 wt% PE/EG với cường độ chiếu sáng của đèn lần lượt ở 2000 và 3000 W/m2 (c) – (d) Kết quả thực nghiệm và hiệu suất chuyển đổi quang – nhiệt của vật liệu 80 – 90 wt% PE/EG khi được chiếu sáng bằng đèn ở cường độ 3000 W/m2 39 Hình 3.9: Khả năng chuyển đổi năng lượng điện – nhiệt của vật liệu 90 wt% PE/EG ở các điện thế khác nhau và mẫu PE tinh khiết ở 4 V 41
Trang 21ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
TES Thermal energy storage Lưu trữ năn lượng nhiệt PCM Phase change material Vật liệu chuyển pha
PE Pentarythritol
EG Expanded graphite Graphite giãn nở
CPCM Composite phase change
material
Vật liệu chuyển pha hỗn hợp
SHS Sensible heat storage Lưu trữ nhiệt cảm
LHS Latent heat storage Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn
TCES Thermochemical energy storage Lưu trữ nhiệt hóa
SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét
FT-IR Fourier transform infrared
spectroscopy
Quang phổ hồng ngoại biến đổi
XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X
DSC Differential scanning calorimetry Phân tích nhiệt lượng quét
vi sai TGA Thermogravimetric analysis Phân tích nhiệt trọng lượng UV-Vis Ultraviolet-visible Quang phổ hấp thụ
Trang 22đa dạng (rắn – lỏng, rắn – rắn, khí – lỏng…) theo các khoảng nhiệt độ hoạt động khác nhau, cùng khả năng hấp thụ, lưu trữ, giải phóng được lượng nhiệt lớn, PCM đã mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng cho nhiều lĩnh vực trong cuộc sống ngày nay Trong hơn thập
kỷ qua, PCM rắn – lỏng đã được nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế khá nhiều, đặc biệt
là các nghiên cứu ở khoảng nhiệt độ chuyển pha tầm thấp (<80 oC) và đã được ứng dụng thực tiễn trong việc vận chuyển bảo quản thực phẩm [4], sưởi ấm và làm mát trong các tòa nhà [5], Tuy nhiên, vật liệu chuyển pha rắn – lỏng lại có nhược điểm lớn chính là khả năng bị rò rỉ, sự mất ổn định hình dạng và bị ăn mòn nghiêm trọng ở nhiệt độ cao, điều này sẽ hạn chế đi tính an toàn cũng như tuổi thọ của hệ thống TES [6] Trong khi đó, vật liệu chuyển pha rắn – rắn lại sở hữu những ưu điểm vượt trội hơn như không bị rò rỉ, tính ổn định hình dạng cao, không bị ăn mòn sau các quá trình chuyển pha thuận – nghịch Do đó, việc nghiên cứu và phát triển PCM rắn – rắn đã dần nhận được nhiều sự chú ý hơn trong những năm gần đây Bên cạnh đó, xu hướng bảo vệ môi trường đã và đang luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu thì PCM lại cho thấy tầm quan trọng hơn khi
có thể được tích hợp vào các hệ thống thu hồi nhiệt thải hay nhà máy phát điện mặt trời
để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như giảm thiểu chất gây ô nhiễm môi trường, bao gồm cả mục đích sử dụng trong gia đình và công nghiệp như nấu ăn và sản xuất nước nóng, y tế tại khoảng nhiệt độ hoạt động chuyển pha tầm trung (80 – 250 oC) [7, 8] Vì vậy, để có thể tận dụng tối đa khả năng của PCM, chúng tôi đã lựa chọn và tiến hành nghiên cứu vật liệu chuyển pha rắn – rắn Pentaerythritol (PE) PE có khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt cao ở khoảng nhiệt độ thay đổi pha tầm trung (~187 oC), không bị rò
Trang 23xi
rỉ hay phân tách pha sau các quá trình chuyển pha rắn – rắn và sẵn có trên thị trường với giá thành hợp lý [9] Tuy nhiên, hầu hết các loại vật liệu chuyển pha rắn – rắn lại có nhược điểm lớn chính là độ dẫn nhiệt thấp, điều này sẽ ảnh hưởng đến tốc độ sạc và xả năng lượng Do đó, một trong những phương pháp phổ biến và hiệu quả để khắc phục nhược điểm này chính là tích hợp PCM vào vật liệu xốp [10] Và vật liệu xốp được lựa chọn để cải thiện khả năng dẫn nhiệt kém của PE chính là Expanded graphite (EG) EG là vật liệu có độ xốp cao, cấu trúc lỗ rỗng phù hợp có thể hấp thụ và cố định các PCM cùng với khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, phù hợp để chuyển đổi các dạng năng lượng khác nhau như quang – nhiệt, điện – nhiệt [11] Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng,
EG không tốn kém, ổn định về mặt nhiệt và hóa học, do đó phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn [8] Với những lý do trên, chúng tôi đã nghiên cứu trong việc kết hợp vật liệu chuyển pha rắn – rắn PE với chất nền là EG tạo ra vật liệu chuyển pha hỗn
hợp (CPCM) và lựa chọn đề tài “Lưu trữ nhiệt năng theo cơ chế chuyển pha rắn-rắn:
Vật liệu Pentaerythritol/Expanded Graphite mới với đa khả năng chuyển đổi năng lượng tại nhiệt độ tầm trung”
2 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài chính là tạo ra vật liệu PE/EG CPCM có độ dẫn nhiệt, dẫn điện cao, với đa khả năng chuyển đổi năng lượng quang – nhiệt và điện – nhiệt Cụ thể hơn trong bài luận này, chúng tôi đặt ra những mục tiêu nghiên cứu phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm như sau:
− Tổng hợp vật liệu chuyển pha hỗn hợp PE/EG bằng phương pháp ngâm tẩm và bay hơi dung môi
− Đánh giá các ảnh hưởng của vật liệu xốp EG đến các thuộc tính khác nhau của vật liệu PE/EG như hình thái học, cấu trúc, độ kết tinh, hành vi chuyển pha, khả năng tương thích hóa học, khả năng lưu trữ nhiệt, độ ổn định nhiệt của vật liệu, khả năng chuyển đổi đa dạng các nguồn năng lượng khác nhau thành nhiệt năng để ứng dụng cho lưu trữ nhiệt
Trang 24xii
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Khóa luận này tập trung nghiên cứu về PE, EG, và vật liệu PE/EG CPCM
Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát khả năng chuyển đổi, lưu trữ và giải phóng năng lượng quang – nhiệt và điện – nhiệt của PE/EG CPCM
4 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tổng hợp vật liệu PE/EG CPCM bằng phương pháp ngâm tẩm và bay hơi dung môi
Phân tích và đánh giá vật liệu PE tinh khiết, EG và CPCM thu được bằng các phương pháp phân tích hiện đại như: kính hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phân tích phổ UV-Vis
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Kết quả của khóa luận là cơ sở khoa học góp phần nghiên cứu tạo ra vật liệu chuyển pha hỗn hợp PE/EG có mật độ lưu trữ năng lượng cao, độ ổn định nhiệt
và độ dẫn nhiệt tốt, có khả năng chuyển đổi quang nhiệt, điện nhiệt Bên cạnh đó, phương pháp chế tạo đơn giản, chi phí thấp, có tiềm năng trong các ứng dụng về lưu trữ năng lượng
Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu, tổng hợp được vật liệu chuyển pha từ nguồn nguyên liệu giá rẻ, dễ tìm kiếm trên thị trường, ít gây ảnh hưởng đến môi trường và con người
Trang 251
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, trong nước vẫn chưa có bài báo nghiên cứu cụ thể nào về vật liệu chuyển pha rắn – rắn tại nhiệt độ tầm trung Tuy nhiên, vẫn có những nghiên cứu về PCM rắn – lỏng tại nhiệt độ tầm trung này
Năm 2023, TS Nguyễn Tiến Giang, giảng viên của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh cùng các cộng sự [8] đã nghiên cứu và tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (SSPCM) Glutaric acid (GA)/expanded graphite (EG)
có hiệu năng lưu trữ năng lượng cao ở nhiệt độ chuyển pha tầm trung (GA thay đổi pha ~
100 oC) Với độ xốp cao, EG có thể giữ ổn định tới 85 wt% GA mà không bị rò rỉ, đồng thời vẫn duy trì được độ kết tinh cao của PCM Các SSPCM thể hiện khả năng ức chế hiệu quả mức độ siêu lạnh của GA xuống dưới 5 oC, giúp vật liệu trở nên lý tưởng hơn cho các ứng dụng thực tế Cuối cùng, 85 wt% GA/EG SSPCM còn thể hiện độ tin cậy và
độ ổn định nhiệt sau 300 lần thử nghiệm chu kỳ nhiệt, cho thấy được tiềm năng của vật liệu SSPCM này cho các ứng dụng dài hạn trong lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ tầm trung
Năm 2021, TS Nguyễn Tiến Giang cùng các cộng sự [12] đã phát triển thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng azelaic acid/expanded graphite (AA/EG) Kết quả cho thấy EG có khả năng giam giữ 85 wt% AA trong cấu trúc xốp mà không bị rò rỉ sau các quá trình chuyển pha AA tinh khiết có nhiệt độ chuyển pha nóng chảy ở 108 oC với mức
độ siêu lạnh là 5.8 oC Trong khi 85 wt% AA/EG SSPCM có sự giảm nhẹ nhiệt độ nóng chảy (105.8 oC) nhưng lại thể hiện mức độ siêu lạnh tốt hơn (1.0 oC), cùng với khả năng lưu trữ nhiệt lượng cao (162.5 J/g) và độ bền nhiệt tốt sau 200 chu trình nhiệt Việc bổ sung EG cũng đã giúp cho độ dẫn nhiệt của AA tăng lên 15.7 lần so với mẫu tinh khiết, điều này mang lại tiềm năng hơn cho vật liệu SSPCM trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt tại nhiệt độ tầm trung
Trang 262
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Năm 2023, Zhaofeng Dai cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu phát triển vật liệu chuyển pha rắn – rắn ứng dụng cho lưu trữ năng lượng mặt trời tại nhiệt độ tầm trung Nghiên cứu đã sử dụng tris (hydroxymethyl) aminomethane (TRIS)/EG làm vật liệu CPCM Vật liệu tổng hợp được đã thể hiện nhiệt độ chuyển pha tầm trung (132 oC), khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt tuyệt vời (213.47 J/g) cùng với khả năng dẫn nhiệt lên tới 21.3 W/ (m.K) khi bổ sung thêm 20 wt% EG đã giúp cho tốc độ sạc và xả nhiệt lượng của vật liệu đạt hiệu quả cao hơn
Năm 2022, Rongrong Luo cùng các cộng sự [14] tập trung vào việc tổng hợp vật liệu chuyển pha rắn-rắn pentaerythritol với chất nền là graphene có khả năng chuyển đổi quang nhiệt và có độ dẫn nhiệt cao ứng dụng cho hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời Kết quả cho thấy sự thêm nano – graphene vào PE đã làm tăng hệ số dẫn nhiệt của PE từ 1.02 (W/ (m.K)) lên 1.69, 2.41, 3.86 và 4.42 (W/ (m.K)) tương ứng với 5%, 10%, 15% và 20% GNPs So với PE tinh khiết, độ dẫn nhiệt của 15 wt% GNPs-CPCMs đã tăng lên tới 333,33% Điều này cho thấy việc tăng cường độ dẫn nhiệt của PCMs bằng việc phân tán với các hạt nano có tính dẫn nhiệt cao là một cách hiệu quả để cải thiện khả năng dẫn nhiệt kém của PE Ngoài ra, kết quả DSC chỉ ra rằng so với PE có enthalpy cao (264.02 J/g), 15 wt% GNPs-CPCMs vẫn duy trì được mật độ lưu trữ năng lượng là 73% (190.88 J/g) và vẫn thể hiện độ tin cậy nhiệt tốt sau 500 chu kỳ (156.72 J/g), điều này cho thấy tiềm năng lớn trong các ứng dụng về lưu trữ năng lượng nhiệt
Năm 2021, Mani và các cộng sự [15] đã nghiên cứu cải thiện khả năng dẫn nhiệt kém của
PE bằng cách sử dụng hạt nano đồng như một chất phụ gia Kết quả DSC cho thấy so với
PE có enthalpy cao (290.3 kJ/kg), các vật liệu tổng hợp Cu-pentaerythritol vẫn duy trì được khả năng lưu trữ nhiệt lượng cao Hỗn hợp của 0.0625 wt% Cu-PE hầu như không
có sự khác biệt enthalpy (290.0kJ/kg) so với PE Ngoài ra, độ dẫn nhiệt của PE giảm 20% khi nhiệt độ được tăng 30 – 140 oC, trong khi 0.0625 wt% Cu-pentaerythritol giảm 15.4% trong khoảng nhiệt độ này Kết quả này dẫn đến việc giảm 35,8% thời gian hoàn thành quá trình chuyển pha rắn-rắn và tăng tốc độ hấp thụ năng lượng nhiệt lên 35,6%
Trang 271.2 Lưu trữ năng lượng nhiệt (TES)
Lưu trữ năng lượng nhiệt (Thermal energy storage – TES) mang lại cả lợi ích về môi trường và kinh tế bằng cách giảm nhu cầu đốt nhiên liệu dựa trên phương thức hoạt động của nó [17] TES hoạt động bằng cách làm nóng phương tiện lưu trữ trong thời gian sạc
và sau đó giải phóng lượng nhiệt hấp thụ được [18] Hệ thống có thể lưu trữ năng lượng trong nhiều giờ, nhiều ngày và nhiều tháng, từ đó góp phần giải quyết được vấn đề xung đột giữa cung và cầu năng lượng [19] Một số ứng dụng đã được phát triển rộng rãi của TES là hệ thống hấp thụ và lưu trữ năng lượng mặt trời, hệ thống làm mát bên trong các tòa nhà, hệ thống sưởi ấm không khí, …[17] TES được phân thành ba loại chính (hình 1.1): lưu trữ nhiệt hiện, lưu trữ nhiệt tiềm ẩn và lưu trữ nhiệt hóa học [19]
Trang 284
Hình 1.1: Phân loại TES [20]
1.2.1 Phân loại
1.2.1.1 Lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt hiện (Sensible heat storage – SHS)
Hệ thống lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt hiện, năng lượng được lưu trữ thông qua sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu bằng cách gia nhiệt để làm nóng hay làm mát vật liệu [3] Nhiệt lượng được lưu trữ bởi nhiệt cảm có thể được tính theo công thức sau [18]:
Q = ∫ mCT2 pdT
T1Trong đó:
Q là mật độ nhiệt được lưu trữ (J)
m là khối lượng của vật liệu (kg)
Cp là nhiệt dung riêng (J/kg K)
T1 và T2 là nhiệt độ bắt đầu và kết thúc của hệ thống SHS
Trang 295
Qua công thức trên có thể thấy trong quá trình sạc và xả, nhiệt dung riêng sẽ đóng vai trò
vô cùng quan trọng trong việc lưu trữ nhiệt Do sự đơn giản của phương pháp này nên SHS đã được sử dụng phổ biến trên toàn thế giới, đặc biệt là tại các vùng có khí hậu nóng hoặc lạnh Vật liệu cho hệ thống lưu trữ nhiệt cảm này có thể hoạt động ở cả dạng rắn hoặc lỏng [21] Trong các ứng dụng dưới 100°C, nước là chất lỏng SHS tốt nhất vì tính sẵn có rộng rãi, chi phí thấp và nhiệt dung riêng tương đối cao Trên 100°C, dầu tổng hợp, muối nóng chảy, kim loại lỏng có thể được sử dụng [18]
1.2.1.2 Lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt tiềm ẩn (Latent heat storage – LHS)
Trái ngược với lưu trữ nhiệt cảm, nhiệt tiềm ẩn không lưu trữ năng lượng bằng sự thay đổi nhiệt độ mà năng lượng sẽ được lưu trữ thông qua sự thay đổi pha của vật liệu tại ngưỡng nhiệt độ cụ thể hay nói cách khác lưu trữ nhiệt tiềm ẩn sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM) làm phương tiện lưu trữ [22] Trong quá trình sạc và xả của hệ thống LHS, quá trình chuyển pha thuận nghịch có thể xảy ra ở pha rắn – rắn, rắn – khí, rắn – lỏng, lỏng – khí hoặc ngược lại [19] Tại quá trình chuyển pha nóng chảy, PCM sẽ hấp thụ và lưu trữ nhiệt lượng, sau đó tại quá trình đóng rắn, PCM sẽ giải phóng ra lượng nhiệt này Khi đó, độ dẫn nhiệt, enthalpy, nhiệt độ chuyển pha là những thông số quan trọng trong
hệ thống lưu trữ nhiệt ẩn Bên cạnh đó, các vật liệu nhiệt tiềm ẩn thường có mật độ lưu trữ nhiệt cao hơn so với nhiệt hiện Do đó, các vật liệu nhiệt tiềm ẩn thường cần ít không gian hơn để lưu trữ cùng một lượng năng lượng, đây là điều vô cùng quan trọng khi sử dụng TES với PCM cho các ngành công nghiệp đặc biệt là ở khu vực thành phố vì khi đó không gian sẽ là vấn đề được quan tâm hàng đầu [23]
1.2.1.3 Lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt hóa (Thermochemical energy storage – TCES)
Hình thức lưu trữ nhiệt này thông qua các phản ứng hóa học để lưu trữ và giải phóng lượng nhiệt TCES sẽ trải qua ba quá trình để hoạt động: Trong quá trình sạc, năng lượng nhiệt được sử dụng để phân tách chất phản ứng hóa học thành sản phẩm Các sản phẩm của phản ứng được lưu trữ Trong quá trình xả, các sản phẩm này được trộn lẫn với nhau
và phản ứng tạo thành chất phản ứng ban đầu Nhiệt lượng tỏa ra trong phản ứng sẽ được
sử dụng làm nguồn năng lượng Lưu trữ dựa trên các phản ứng hóa học có công suất nhiệt
Trang 30và thử nghiệm các dự án Bên cạnh đó, bởi vì có khoảng nhiệt độ hoạt động rộng nên LHS vẫn được ưu tiên phát triển hơn bởi tính ứng dụng cao của hệ thống có thể mang lại
Bảng 1.1: So sánh các tiêu chí của ba loại TES [25]
Các thông số Loại lưu trữ năng lượng nhiệt
Khoảng nhiệt độ
Mật độ lưu trữ năng
của vật liệu
Phụ thuộc vào sự phân hủy chất phản ứng
Khả năng thương
mại
Có sẵn trên thị trường
Có sẵn trên thị trường với một số loại vật liệu
và nhiệt độ
Chưa có trên thị trường
Trang 317
Bảng 1 2: Ưu và nhược điểm của 3 loại TES
Ưu điểm Nhược điểm
SHS
Chi phí thấp
Dễ ứng dụng với các vật liệu có sẵn
Độ tin cậy cao với tuổi thọ dài
Thất thoát nhiệt ra môi trường cao
Sự thay đổi thể tích lớn
ở vật liệu
LHS
Có khả năng lưu trữ nhiệt lượng cao
Sự thay đổi thể tích tương đối thấp
Hệ thống hoạt động ổn định trong thời gian dài
Độ dẫn nhiệt tương đối thấp
Ăn mòn ở một số vật liệu
TCES
Mật độ lưu trữ năng lượng cao
Khả năng thất thoát nhiệt thấp
Chi phí cao Yêu cầu kỹ thuật phức tạp vì cần phản ứng hóa học ở điều kiện chính xác để xảy ra quá trình lưu trữ và giải phóng nhiệt
1.3 Vật liệu chuyển pha (Phase change material – PCM)
1.3.1 Định nghĩa PCM
Vật liệu chuyển pha (Phase change material – PCM) là vật liệu lưu trữ nhiệt ẩn có khả năng lưu trữ, hấp thụ và giải phóng năng lượng khi chúng thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, trong một phạm vi nhiệt độ nhất định hay còn gọi là nhiệt độ chuyển pha Hình 1.2 mô tả quá trình chuyển pha rắn – lỏng của vật liệu Cụ thể, khi được cấp nhiệt, hay tại quá trình nóng chảy, vật liệu sẽ nóng lên đồng thời năng lượng được lưu trữ dưới dạng nhiệt hiện, khi đạt đến nhiệt độ chuyển pha từ rắn sang lỏng, vật liệu sẽ tiếp tục hấp thụ và lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt ẩn Khi hạ nhiệt độ, hay tại quá trình kết tinh, PCM sẽ chuyển trạng thái từ lỏng sang rắn và đồng thời giải phóng lượng nhiệt đã hấp thụ [26]
Trang 32Hình 1.2: Mô tả quá trình chuyển pha rắn – lỏng của vật liệu [27]
Trang 33Sự thay đổi thể tích nhỏ khi chuyển pha
Tính chất hóa học
Chu kỳ sạc và xả hoàn toàn thuận nghịch
Ổn định hóa học lâu dài sau các quy trình chuyển pha Khả năng chống ăn mòn, không độc hại, không cháy, nổ
và PCM eutectic [29] Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, tùy theo mục đích ứng dụng mà các PCM còn được phân loại dựa trên nhiệt độ thay đổi pha [26]
Trang 3410
Hình 1.3: Phân loại vật liệu chuyển pha
1.3.3.1 Phân loại dựa trên sự thay đổi pha
PCM rắn – rắn
Vật liệu chuyển pha rắn – rắn hấp thụ và giải phóng lượng nhiệt bằng cách chuyển pha thuận nghịch giữa pha tinh thể, pha bán tinh thể hoặc pha vô định hình khi vật liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ chuyển pha Vì không trải qua quá trình chuyển pha lỏng nên vật liệu chuyển pha rắn – rắn vẫn giữ lại được hình dạng “khối” ban đầu hay có tính ổn định hình dạng cao Ngoài ra, PCM rắn – rắn còn có ưu điểm hơn so với PCM rắn – lỏng chính
Trang 3511
là tránh được các vấn đề rò rỉ, sự phân tách pha xảy ra ít hơn cũng như sự thay đổi thể tích nhỏ giúp cho PCM rắn – rắn không cần phải bao bọc như PCM rắn – lỏng Vì vậy mà độ bền của vật liệu cũng được kéo dài sau các quá trình luân chuyển nhiệt, điều này là quan trọng đối với các ứng dụng yêu cầu hiệu suất lâu dài Do những ưu điểm trên, PCM rắn – rắn đang ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu hơn trong các hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt Tùy thuộc vào cấu trúc, liên kết hóa học, các loại PCM rắn – rắn sẽ thể hiện sự chuyển pha, nhiệt độ chuyển pha, độ dẫn nhiệt hay khả năng lưu trữ nhiệt lượng khác nhau [2, 14, 23] Polyols, polyethylene, và perovskites có cấu trúc lớp là những chất lưu trữ nhiệt pha rắn – rắn được xem là hứa hẹn nhất [31]
1.3.3.2 Phân loại theo nhiệt độ chuyển pha
PCM có khoảng nhiệt độ chuyển pha thấp (< 80 ℃)
Nhiều năm qua đã có vô số nghiên cứu và phát triển PCM trong khoảng nhiệt độ chuyển pha thấp (< 80 oC) bởi đây là khoảng nhiệt độ phù hợp cho nhiều ứng dụng dân dụng như: PCM được tích hợp vào hệ thống làm lạnh của tủ lạnh, hệ thống làm mát – sưởi ấm thụ động bên trong các tòa nhà, ứng dụng trong quá trình vận chuyển và bảo quản thực phẩm, các hệ thống đun nước bằng năng lượng mặt trời của PCM ở khoảng nhiệt độ này cũng đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới [32, 33, 34] Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp đều ở khoảng nhiệt độ tầm trung và cao như sấy khô bằng năng lượng mặt trời, thu hồi nhiệt thải hay ứng dụng dân dụng cho hộ gia đình như nấu ăn, sản xuất nước nóng Theo tài liệu tham khảo [35], 56% năng lượng tiêu thụ hàng năm ở Đức được áp dụng trong khoảng nhiệt độ 100–300 °C
PCM có khoảng nhiệt độ chuyển pha tầm trung (80 – 250 ℃)
So với lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ thấp, PCM trong phạm vi nhiệt độ tầm trung (80 –
250 ℃) có khả năng tận dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải để chuyển đổi thành nhiều tiện ích khác nhau, bao gồm cả mục đích sử dụng trong gia đình và công nghiệp như nấu
ăn, đun nóng nước, sản xuất bìa cứng và giấy, sản xuất vật liệu xây dựng, các tiện ích y tế như khử trùng bằng hơi nước hoặc kết hợp với động cơ nhiệt để tạo ra công suất hiệu quả cho hầu hết các nhu cầu hàng ngày [8, 36, 37] Trong vài thập kỷ qua, nhiều loại vật liệu
Trang 3612
thay đổi pha rắn – lỏng đã được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ tầm trung này, chẳng hạn như muối hydrat [38], eutectic [39], và rượu đường [40] Tuy nhiên, những vật liệu này gặp phải những thách thức đáng kể liên quan đến sự phân tách pha, ăn mòn và rò rỉ trong quá trình thay đổi pha rắn-lỏng sau nhiều chu kỳ [6] Vì vậy, như một giải pháp, PCM rắn – rắn đã dần nhận được nhiều sự chú ý hơn trong những năm gần đây bởi tính ổn định về mặt cấu trúc và vẫn giữ được đặc tính nhiệt tốt sau nhiều quá trình chuyển pha rắn – rắn khác nhau Tuy vậy, vẫn chưa có quá nhiều nghiên cứu về PCM rắn – rắn ở nhiệt độ tầm trung, lý do chủ yếu có thể đến từ việc hầu hết các loại PCM đều có độ dẫn nhiệt thấp (0.1 – 1 W/mK) [41] và mức độ siêu lạnh cao, hạn chế khả năng ứng dụng của vật liệu khi tích hợp vào hệ thống lưu trữ thực tế, bên cạnh đó, khó thiết lập hệ thống thực nghiệm và tốn nhiều thời gian để kiểm tra độ bền vòng lặp của vật liệu sau nhiều chu kỳ thay đổi pha rắn – rắn Ngoài ra, so với PCM có nhiệt độ chuyển pha thấp, PCM có nhiệt độ chuyển pha tầm trung cũng sẽ mất nhiều thời gian hơn trong quá trình gia nhiệt để đạt đến nhiệt độ hoạt động mong muốn Nhìn chung, tuy vẫn có những hạn chế nhất định nhưng vật liệu chuyển pha rắn – rắn ở nhiệt độ tầm trung vẫn đủ hấp dẫn để nghiên cứu và phát triển mở rộng trong tương lai khi có nhiều cơ hội tiềm năng hơn trong việc sử dụng và tiết kiệm năng lượng
PCM có khoảng nhiệt độ chuyển pha cao (> 250 ℃)
Tương tự như PCM có nhiệt độ chuyển pha tầm trung, PCM có nhiệt độ chuyển pha cao (>250 oC) cũng đã mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp với các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ cao như luyện kim, sản xuất hóa chất, duy trì nhiệt độ cao ổn định cho các lò phản ứng nhiệt, đặc biệt là ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ [42] Tuy nhiên đây là thách thức lớn trong việc nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng bởi PCM có thể gặp vấn đề về sự ổn định hóa học trong thời gian dài sau nhiều chu kỳ chuyển pha ở nhiệt
độ cao, khó khăn trong việc tổng hợp cũng như đánh giá các tính chất của vật liệu Bên cạnh đó, việc tích hợp PCM ở nhiệt độ cao vào hệ thống hiện có hoặc thiết kế hệ thống mới sẽ gặp khó khăn và luôn đòi hỏi ở chi phí, kỹ thuật cao
Trang 3713
1.3.4 Pentaerythritol (PE)
Pentaerythritol là một polyol hữu cơ có công thức phân tử C5H12O4 với điểm nóng chảy
255 – 259 oC Phân tử PE tương đối linh hoạt, bốn nguyên tử cacbon methylenic gắn với bốn nhóm hydroxyl (OH) tương ứng, được bao quanh bởi nguyên tử cacbon trung tâm (hình 1.4) Ở điều kiện nhiệt độ phòng, PE có cấu trúc tứ diện tâm khối (body – centered tetragonal, BCT) và các phân tử được liên kết với nhau thông qua liên kết hydro Ở nhiệt
độ chuyển pha rắn – rắn, liên kết hydro bị phá vỡ, các phân tử có thể quay và dao động tự
do, chuyển thành cấu trúc lập phương tâm mặt (face – centered cubic, FCC) mất trật tự có định hướng và PE vẫn giữ được mạng tinh thể nhờ vào lực phân tán yếu Van der Waals [9, 42]
PE được xem là ứng viên tiềm năng cho lưu trữ năng lượng nhiệt tại nhiệt độ tầm trung
do có nhiệt độ chuyển pha rắn – rắn (cấu trúc tứ diện sang cấu trúc lập phương) trong khoảng 187 ℃ cùng khả năng lưu trữ nhiệt ẩn cao (260 − 280 kJ/kg) Bên cạnh đó, PE còn thể hiện sự thay đổi thể tích nhỏ, không bị rò rỉ, không bị phân tách pha, không bị ăn mòn sau các quá trình chuyển pha, và xét về khía cạnh kinh tế, PE sẵn có trên thị trường với giá thành hợp lý và dễ tổng hợp Với những lý do trên, PE là vật liệu chuyển pha rắn – rắn ở nhiệt độ tầm trung đầy hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực như: xây dựng, tái chế nguồn nhiệt thải, sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng điện, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến nguồn năng lượng mặt trời [12, 15]
Hình 1.4: Cấu trúc phân tử của PE [6]
Trang 3814
1.3.5 Kỹ thuật chuyển đổi các nguồn năng lượng khác nhau thành nhiệt năng
Có nhiều nguồn năng lượng khác nhau trong tự nhiên Việc chuyển đổi và lưu trữ năng lượng là điều đáng quan tâm trong việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả tùy theo các mục đích khác nhau Trong đó, chuyển đổi và lưu trữ năng lượng mặt trời thành nhiệt hay điện thành nhiệt được xem là phổ biến và tiềm năng nhất trong số các công nghệ chuyển đổi năng lượng hiện nay
1.3.5.1 Kỹ thuật chuyển đổi năng lượng quang – nhiệt
Năng lượng mặt trời được coi là một trong những nguồn năng lượng tái tạo bền vững và tiềm năng nhất trong số các nguồn năng lượng khác nhau vì có đặc tính dồi dào, phổ biến
và sạch [44] Do đó, vật liệu thay đổi pha có khả năng chuyển đổi quang – nhiệt là hướng được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến nhất PCM sẽ được tích hợp trong các thiết bị hoặc hệ thống có khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời Các thiết bị này thường có bề mặt hấp thụ hiệu quả cao như các tấm thu nhiệt mặt trời [45] Khi nguồn sáng mặt trời chiếu vào, nguồn năng lượng từ bề mặt hấp thụ sẽ được truyền đến PCM thông qua cơ chế dẫn nhiệt
là chính Theo nguyên lý, PCM sẽ hấp thụ và lưu trữ lượng nhiệt khi nhiệt độ tăng lên đạt đến nhiệt độ chuyển pha của vật liệu Nhiệt năng sẽ được lưu trữ trong thời gian dài cho đến khi cần thiết Khi nhiệt độ môi trường xung quanh giảm hoặc khi cần sử dụng nhiệt, PCM sẽ kết tinh và giải phóng lượng nhiệt đã được lưu trữ Tuy nhiên, hầu hết các PCM đều có độ dẫn nhiệt khá thấp (𝜆 ~ 0.1 – 1 W/(mK)), điều này sẽ gây trở ngại cho PCM trong việc chuyển đổi và hấp thụ năng lượng mặt trời để ứng dụng cho các hệ thống thực
tế Giải pháp triển vọng để giải quyết vấn đề này chính là bổ sung thêm vật liệu có độ dẫn nhiệt cao như graphene [46], carbon có nguồn gốc từ sinh khối [47], expanded graphite [48] và đây đều là các vật liệu có độ xốp cao hoặc các hạt nano đồng [49], Al2O3 [50],…vào PCM Sự kết hợp này tận dụng khả năng chuyển đổi quang – nhiệt của các chất nền có độ dẫn nhiệt cao, đồng thời tận dụng khả năng hấp thụ, lưu trữ và giải phóng năng lượng nhiệt của PCM để tạo ra vật liệu có khả năng chuyển đổi quang – nhiệt, ứng dụng cho các hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời
Trên thế giới, đã có khá nhiều nghiên cứu về việc kết hợp này và mang lại kết quả nổi bật như: Zhaofeng Dai cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu phát triển vật liệu chuyển pha
Trang 3915
rắn – rắn ứng dụng cho lưu trữ năng lượng mặt trời tại nhiệt độ tầm trung Nghiên cứu đã
sử dụng tris (hydroxymethyl) aminomethane (TRIS)/EG làm vật liệu CPCM Vật liệu tổng hợp được đã thể hiện nhiệt độ chuyển pha tầm trung (132 ℃), khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt tuyệt vời (213.47 J/g) cùng với khả năng dẫn nhiệt lên tới 21.3 W/ (m.K) khi
bổ sung thêm 20 wt% EG, giúp cho tốc độ sạc và xả nhiệt lượng của vật liệu đạt hiệu quả cao hơn Khi kết hợp với bộ hấp thụ quang được chọn, CPCM đã cho thấy sự tích hợp hiệu quả giữa chuyển đổi nhiệt mặt trời và lưu trữ khi có tỷ lệ hấp thụ chọn lọc năng lượng mặt trời lên đến 95% Bin Li cùng các cộng sự [51] đã đề xuất một hệ thống thu nhiệt/lưu trữ năng lượng mặt trời sử dụng erythritol, có nhiệt độ chuyển pha là 106 ℃ kết hợp với 3 wt% EG nhằm hạn chế khả năng rò rỉ và tăng cường độ dẫn nhiệt của PCM Kết quả cho thấy hệ thống thu nhiệt/lưu trữ năng lượng mặt trời có hiệu suất lưu trữ nhiệt tốt và hiệu suất lưu trữ trung bình hàng ngày đạt 39.98%
1.3.5.2 Kỹ thuật chuyển đổi năng lượng điện – nhiệt
Bên cạnh ứng dụng PCM cho quá trình quang nhiệt, gần đây các PCM dựa trên công nghệ lưu trữ và chuyển đổi điện – nhiệ7t đã cho thấy tiềm năng to lớn trong việc quản lý nhiệt của xe điện, thiết bị điện tử và hệ thống lưu trữ điện, giúp giảm chi phí cũng như đem lại
sự an toàn hơn cho quá trình sử dụng điện vào giờ cao điểm [41] Ngoài ra, đây còn là giải pháp thay thế khi nguồn bức xạ năng lượng mặt trời không được liên tục vào ban ngày hay vào những mùa mưa bão Tuy nhiên, không chỉ có khả năng dẫn nhiệt thấp, các PCM tinh khiết còn thể hiện khả năng dẫn điện yếu kém [52], do đó quá trình chuyển đổi
và lưu trữ điện – nhiệt của PCM sẽ khó có khả năng xảy ra để ứng dụng vào thực tế Tương tự như kỹ thuật chuyển đổi quang – nhiệt, giải pháp khả thi nhất cũng chính là tích hợp PCM với vật liệu có khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện cao Cơ chế chuyển đổi điện nhiệt
cơ bản như sau: Khi dòng điện chạy qua các PCM đã được cải thiện khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện, khi đó, nhiệt Joule được sinh ra do có các electron di chuyển và va chạm với các phân tử hoặc nhóm khác trong vật liệu [53] Sau đó, nhiệt Joule giải phóng sẽ được PCM hấp thụ và lưu trữ dưới dạng nhiệt ẩn thông qua quá trình chuyển pha Sau khi cắt nguồn điện, vật liệu thay đổi pha sẽ giải phóng lượng nhiệt đã hấp thụ tại nhiệt độ kết tinh Hiện nay, việc tích hợp và phát triển các PCM cho quá trình điện nhiệt đã trở thành một tiêu điểm nghiên cứu [53] Qinrong Sun cùng các cộng sự [54] đã tổng hợp PEG2000 kết