Ứng dụng vật liệu biến đổi pha PCM làm mát nhà trạm viễn thông

Ứng dụng vật liệu biến đổi pha PCM làm mát nhà trạm viễn thông Đề tài đƣợc chia làm 5 chương với nội dung chính như sau: Khái quát về vật liệu biến đổi pha PCM Tính chất hóalý của vật liệu và sự phân loại cho các ứng dụng cụ thể. Thực nghiệm vật liệu PCM làm mát nhà trạm viễn thông, dựa trên kết quả

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

VIỄN THÔNG ĐỒNG NAI

Mục Lục

Mục Lục………1

Danh mục Bảng………3

Danh mục Hình………4

Danh mục các từ viết tắt và thuật ngữ tiếng Anh……….5

Tóm tắt nội dung đề tài……… ……….7

LỜI MỞ ĐẦU……… 9

CHƯƠNG 1/TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA PCM 1.1.HỢP CHẤT CHUYỂN PHA – PCM……….………10

1.1.1.Khái niệm về vật liệu biến đổi pha ………10

1.1.2.Phân loại PCM……… ……… 12

1.2.TÌNH TRẠNG CÔNG NGHỆ VÀ TIỀM NĂNG THỊ TRƯỜNG TƯƠNG LAI CỦA VẬT LIỆU PCM….……… …17

CHƯƠNG 2/TÍNH NĂNG LƯU TRỮ NHIỆT VÀ CÁC ỨNG DỤNG VỚI PCM 2.1 TÍNH NĂNG LƯU TRỮ NHIỆT……… 20

2.1.1 Phân tích tính chất hóa học của PCM……….……….20

2.1.2.Các vấn đề về phân tầng và bù lạnh……… …23

2.1.3.Sự ổn định của đặc tính nhiệt theo chu kỳ……… 26

2.1.4.Các phương pháp nâng cao sự truyền nhiệt……… 28

2.2 CÁC ỨNG DỤNG CHÍNH CỦA VẬT LIỆU PCM……….32

CHƯƠNG 3/ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA PCM TRONG MÔI TRƯỜNG VIỄN THÔNG 3.1.CÁC HỆ THỐNG LÀM MÁT CHÍNH VÀ DỰ PHÒNG CHO TRẠM VIỄN THÔNG HIỆN NAY……… … 43

3.1.1.Máy điều hòa không khí……… 45

3.1.2.Quạt thông gió (free air cooling) ……… ……… …48

3.2.ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA CÁC HỆ THỐNG LÀM MÁT HIỆN NAY ……… …49

3.3.CÁC GIẢI PHÁP, CÁC MẪU THIẾT KẾ LÀM MÁT BẰNG VẬT LIỆU PCM CHO NHÀ TRẠM VIỄN THÔNG……… …51

3.3.1.Hệ thống làm mát PCM không giao tiếp môi trường bên ngoài …… 52

3.3.2.Hệ thống làm mát PCM giao tiếp môi trường bên ngoài phòng máy…55 CHƯƠNG 4/ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM LÀM MÁT BẰNG PCM TẠI VNPT ĐỒNG NAI 4.1.ĐỊA ĐIỂM, THỜI GIAN, MÔI TRƯỜNG, GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CỤ THỂ… 57

4.2.ĐÁNH GIÁ CHI TIẾT ƯU KHUYẾT ĐIỂM GIẢI PHÁP LÀM MÁT BẰNG PCM… 62

4.2.1.Trạm viễn thông cố định Hiệp Hòa ……… … ………… 63

4.2.2.Trạm BTS Vinaphone Biên Hòa 33……… ……… 68

4.2.3.Đánh giá hiệu quả tiết kiệm khi áp dụng làm mát bằng PCM…………70

4.3 ƯU KHUYẾT ĐIỂM GIẢI PHÁP LÀM MÁT BẰNG PCM………….………… 72

CHƯƠNG 5/KẾT LUẬN, KHUYẾN NGHỊ VỀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PCM TRÊN MẠNG LƯỚI VNPT……… …73

5.1.Đối với trạm di động BTS……… …74

5.2 Đối với trạm viễn thông cố định… ……….…77

Lời kết……… 82

Tài liệu tham khảo……….……… ……… 87

Phụ lục 1 Số liệu nhiệt kế điện tử đo được tại các trạm viễn thông ………90

Phụ lục 2 Các mẫu và mô hình thiết kế dùng PCM trên thế giới…… ………… 98

Danh mục Bảng

Bảng 1.1 Danh sách các muối ngậm nước – eutectic PCM xác định theo điểm tan

chảy……… 15

Bảng 1.2 So sánh giữa các vật liệu hữu cơ và vô cơ để lưu trữ nhiệt ……… ……….….…16

Bảng 1.3 Những đặc điểm quan trọng của PCM ……… 16

Bảng 1.4 Tình trạng thương mại hóa các hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt ………17

Bảng 2.1 So sánh giữa các phương tiện lưu trữ nhiệt khác nhau ……… 23

Bảng 2.2 Giải bù lạnh của PCM làm đặc với xúc tác nucleate khác nhau 24

Bảng 2.3 Dữ liệu lý nhiệt đo được của một số chất PCM 27

Bảng 2.4 Bảng dữ liệu đo đạc trong suốt quá trình thực nghiệm làm mát trạm BTS 38

Bảng 2.5 Bảng so sánh chi phí vận hành của shelter viễn thông có dùng PCM và không dùng PCM do Công ty PCM Energy P Ltd Ấn Độ thực hiện 39

Bảng 2.6 : Bảng kỹ thuật thương mại của sản phẩm LATEST™29T……… 40

Bảng 2.7 : Bảng số liệu tính toán cho làm mát Hội trường Bangalore……… 41

Bảng 3.1 : ASHRAE, giới hạn môi trường hoạt động thiết bị 43

Bảng 3.2 : Telcordia, giới hạn môi trường hoạt động thiết bị 44

Bảng 4.1 : Bảng so sánh chi phí đầu tư máy phát điện với PCM……… …57

Bảng 5.1 : Hướng dẫn năm 2008 cho nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương và độ cao 83

Bảng 5.2 : So sánh các phiên bản khuyến nghị nhiệt độ năm 2004 và 2008 83

Bảng 5.3 : So sánh các hướng dẫn nhiệt phiên bản năm 2011 và 2008 84

Bảng 5.4 : Hướng dẫn năm 2011 cho nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương và độ cao 85

Danh mục Hình

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của PCM 11

Hình 1.2 Dải nhiệt độ và điểm nóng chảy tương ứng của vài vật liệu PCM 12

Hình 1.3 Phân loại PCM 12

Hình 1.4 Công nghệ lưu trữ năng lượng quan trọng trong tình hình chung. 17

Hình 2.1(a)(b) Nhiệt tiềm ẩn tan chảy của các hợp chất parafin, phi parafin

Hình 2.1(c) Nhiệt tiềm ẩn tan chảy / khối lượng các hợp chất vô cơ Hình 2.1(d) Nhiệt tiềm ẩn nhiệt nóng chảy / thể tích các hợp chất vô cơ Hình 2.1(e) Nhiệt tiềm ẩn nhiệt nóng chảy các hợp chất eutectic 21

Hình 2.2 Một hệ lưu trữ nhiệt dùng vỏ bao che phẳng đóng gói PCM 28

Hình 2.3 Sơ đồ lưu trữ nhiệt bằng dòng chất lỏng truyền nhiệt 30

Hình 2.4 Đóng gói vi nang ( Micro-encapsulation) 31

Hình 3.1 Cấu tạo máy điều hòa 1 cục 46

Hình 3.2 Cấu tạo máy điều hòa 2 cục 46

Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống điều hòa tổ hợp gọn 47

Hình 3.4 Hệ thống thông gió làm mát 48

Hình 3.5 Sử dụng PCM như hệ lưu trữ nhiệt cho thiết bị viễn thông 52

Hình 3.6 Dùng các tấm PCM làm mát không giao tiếp bên ngoài……… 53

Hình 3.7 Các tấm PCM lắp thành bức mành làm mát dự phòng trạm viễn thông 54

Hình 3.8 Dùng các tấm PCM làm mát có giao tiếp bên ngoài……….………56

Hình 4.1 Khung giá PCM thực nghiệm 59

Hình 4.2 Đồ thị nhiệt độ phòng máy Vinaphone có dùng PCM 60

Hình 4.3 Đồ thị nhiệt độ phòng máy Vinaphone tắt máy lạnh, không dùng PCM 60

Hình 4.4 Đồ thị nhiệt độ phòng máy Mobifone có dùng PCM 61

Hình 4.5 Đồ thị nhiệt độ phòng máy Mobifone tắt máy lạnh, không dùng PCM 62

Hình 4.6 Trạm Hiệp Hòa được lắp đặt thử nghiệm làm mát bằng PCM 64

Hình 4.7 Nhiệt độ bên trong phòng máy Hiệp Hòa 65

Hình 4.8 Trạm BTS BH 33 được lắp đặt thử nghiệm làm mát bằng PCM 68

Hình 4.9 Nhiệt độ bên trong phòng máy BTS BH33 69

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH

AC Air Conditioner-Máy điều hòa không khí

ASHRAE Hiệp hội Kỹ sư điện lạnh Mỹ

CAV Constant Air Volume-lưu lượng gió không đổi

BTS Trạm viễn thông di động

CPUC Ủy Ban Tiện Ích Công Cộng California

CST Nhà máy điện năng lượng mặt trời tập trung

DG Diesel Generator-Máy phát điện

HP Horse Power-công suất máy theo sức ngựa

HDPE Hight Density Polyethylenne-nhựa HDPE

EPRI Viện nghiên cứu năng lượng điện Mỹ

IP Ingress Protection-bảo vệ hướng vào

LH Latent Heat- nhiệt tiềm ẩn

PCM Phase Change Materials-Vật liệu chuyển pha

Sq.ft Square Feet-diện tích theo đơn vị feet

Sq.m Square Meter-diện tích theo đơn vị mét

TES Thermal Energy Storage-lưu trữ năng lượng nhiệt

VAV Variable Air Volume-điều chỉnh lưu lượng gió

VRV Variable Refrigerant Volume-điều chỉnh lưu lượng môi chất

Thuật ngữ tiếng Anh :

Alarm status : tình trạng cảnh báo

Back View : mặt sau

Ceiling : trần nhà

Charge Period : thời gian vật liệu PCM nạp lạnh

Chiller : máy làm lạnh

Daylight Hours : giờ ban ngày

Discharge Period : thời gian vật liệu PCM xả lạnh

Elapsed Time : thời gian trôi qua khi đo nhiệt độ phòng máy

Enthalpy of fusion : nhiệt năng hấp thụ được khi vật liệu chuyển pha tan chảy

Eutectic : hợp chất eutectic

Extra water: nước phụ thêm

Fan Speed Control : điều chỉnh tốc độ quạt

First Reading : lần đọc đầu (đo nhiệt độ)

Free air cooling : thông gió làm mát rẻ tiền

Freezing point : điểm nhiệt độ kết tinh của vật liệu chuyển pha

Front View : mặt trước

Gel : một trạng thái vật chất của một hệ keo

Generic Requirements : khuyến nghị tổng thể

Greenbox : hộp sinh thái thân thiện môi trường

Hydrat salt : muối ngậm nước, muối khan

Inorganic compounds : hợp chất vô cơ

Interval : quãng thời gian cố định lấy mẫu nhiệt độ

Last Reading : lần đọc cuối (đo nhiệt độ)

Latent heat : nhiệt tiềm ẩn

Load : tải

Melting point : điểm nhiệt độ tan chảy của vật liệu chuyển pha

Micro-encapsulation: đóng gói vi nang

Night Hours : giờ ban đêm

Nucleate : cấu trúc hạt nhân kết tinh

Optional bypass : thông qua có chọn lựa

Organic compounds : hợp chất hữu cơ

Panel : tấm, mảnh

Parafin : nhóm các hydrocacbon dạng ankan, có công thức tổng quát CnH2n+2

PCM cell : các tấm hoặc ống chứa vật liệu chuyển pha

Recorder Info : thông tin thu thập (đo nhiệt độ)

Shelter : phòng kín

Sensible heat : nhiệt cảm nhận

Solar gains : nhiệt năng bức xạ mặt trời

Sugar alcohol : đường cồn

Temperature Statistics : thống kê nhiệt độ

Total Readings : tổng số lần đọc nhiệt độ

Tubes : ống đựng chất chuyển pha

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Đề tài được chia làm 5 chương với nội dung chính như sau:

-Khái quát về vật liệu biến đổi pha PCM -Tính chất hóa-lý của vật liệu và sự phân loại cho các ứng dụng cụ thể

-Thực nghiệm vật liệu PCM làm mát nhà trạm viễn thông, dựa trên kết quả

đo đạc bằng nhiệt kế tự ghi nhằm phân tích và đă ra nhận định

-Thống kê các mô hình thiết kế của các Hãng sản xuất trên thế giới và kiến nghị áp dụng

Qua thực nghiệm vật liệu PCM dạng tấm panel xếp đặt trên 01 khung giá bằng sắt,

với mục đích làm mát cho thiết bị viễn thông theo phương thức PCM hấp thu nhiệt tỏa ra

từ thiết bị viễn thông, tại 04 nhà trạm thuộc VNPT Đồng Nai gồm:

-Trạm BSC và BTS Vinaphone-văn phòng viễn thông Tỉnh -Trạm BTS Mobifone- văn phòng viễn thông Tỉnh

-Trạm viễn thông cố định Hiệp Hòa -Trạm BTS Vinaphone BH33

Trong thời gian 2-4 giờ đồng hồ, các máy lạnh của 4 nhà trạm viễn thông trên được tắt, nhằm xác định khả năng hấp thụ nhiệt của vật liệu PCM PH29 thử nghiệm, đã cho thấy PCM có khả năng duy trì nhiệt độ phòng máy từ 30OC-32OC, không làm phát sinh cảnh báo về thiết bị Trong khi đó, nếu chỉ cần ngắt máy lạnh trong vòng 01 giờ thì nhiệt độ phòng máy đã vượt mức báo động với chỉ số 34OC

Điều này cho thấy ứng dụng khả thi của vật liệu PCM làm mát nhà trạm viễn thông mỗi khi bị mất điện lưới, mà có thể không cần chạy máy phát điện ngay trong thời gian lên đến 4 giờ Việc này đem lại sự tiết giảm chi phí nhiên liệu đáng kể, có thể không cần mua sắm máy phát điện cho những vùng địa lý cụ thể có thời gian mất điện ngắn Ngoài ra, còn ngăn ngừa được những rủi ro về tai nạn giao thông, do người trực ứng cứu mạng lưới không phải vội vàng vận chuyển máy phát điện, nhất là vào những thời gian ban đêm, lúc trời mưa bão…

Thực nghiệm còn cho thấy khả năng tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng, đó

là ứng dụng vật liệu PCM để tích trữ năng lượng vào những giờ thấp điểm và sử dụng năng lượng này vào những giờ cao điểm, gọi là chuyển dịch tải lạnh nhà trạm Để làm được điều này thì chúng ta phải dựa rất nhiều vào công nghệ hóa học và lý thuyết nhiệt động lực học, thông qua vật liệu PCM chúng ta có thể trữ được năng lượng theo ý muốn tại những nhiệt độ mong muốn, mà còn thân thiện môi trường

Do không là người chuyên môn am hiểu về nhiệt động học, nên Nhóm thực hiện

đề tài không thể thực hiện được các phép tính toán nhiệt hay bài toán năng lượng cho một công trình cụ thể, để từ đó đánh giá đầy đủ thông tin sản phẩm PCM của nhà sản xuất công bố Tuy đã cố gắng thực hiện đề tài này, song do điều kiện thực tế về các thực nghiệm, nên báo cáo còn những hạn chế về nội dung và tính toán Nhưng với kết quả nghiên cứu sơ bộ, mong rằng sẽ mở rộng ra một con đường nghiên cứu sâu hơn cho xu hướng tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng cho mạng viễn thông hiện nay, mà các nước trên thế giới đang áp dụng

Đề tài nếu được nghiên cứu và áp dụng thành công sẽ giảm chi phí điện năng, chi phí nhiên liệu chạy máy nổ phát điện, chi phí mua sắm và bảo dưỡng máy phát điện hàng

tỷ đồng mỗi năm cho Viễn thông các Tỉnh-Thành Đảm bảo tiêu chí vận hành an toàn IP cao ( Ingress Protection) cho thiết bị viễn thông, so với phương pháp làm mát bằng gió trời hiện nay

LỜI MỞ ĐẦU

Chúng ta có nhiều giải pháp tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng cho mạng lưới viễn thông, một nền kỹ nghệ luôn đặt nặng quan ngại đến giá chi phí ngày càng tăng cao cho tiêu thụ điện năng trong vận hành khai thác hạ tầng thiết bị viễn thông, khi mà xấp xỉ một nửa lượng điện năng tiêu thụ cho các trạm viễn thông là tiêu tốn vào hệ thống làm mát phòng máy

Hơn nữa, nước ta hiện là một nước đang phát triển nên mất điện là chuyện thường ngày Nhưng với các trạm viễn thông lại là một thảm họa, do không còn duy trì được hệ thống làm mát phòng máy bằng máy lạnh sử dụng điện lưới Trong những trường hợp mất điện thì máy phát điện là nguồn cấp điện dự phòng cho nhà trạm, để chạy máy lạnh duy trì nhiệt độ thích hợp bên trong phòng máy đảm bảo sự vận hành của thiết bị viễn thông Vô hình chung lượng nhiên liệu cho máy phát điện thường rất cao, tăng chi phí vận hành của nhà cung cấp dịch vụ

Trên thế giới đã có nhiều giải pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu chạy máy phát điện, trong đó một giải pháp là dùng vật liệu biến đổi pha PCM ( Phase Change Materials) để

làm mát thiết bị viễn thông trong thời gian từ 2-4 giờ đồng hồ, nên không cần chạy máy

phát điện ngay mà vẫn có thể đảm bảo nhiệt độ phòng máy duy trì ở mức cho phép, tiết kiệm được nhiên liệu chạy máy phát điện rất đáng kể

Mục tiêu của đề tài là nhằm tiết giảm hoặc có thể bỏ hẳn chi phí nhiên liệu chạy máy phát điện cho nhà trạm viễn thông, nhất là các trạm BTS, mỗi khi mất điện lưới Tại các Shelter viễn thông outdoor, sử dụng các tấm vật liệu PCM làm mát hệ thống ắc-quy

mà không cần dùng đến máy lạnh, hoặc chỉ dùng máy lạnh vào giờ thấp điểm, nhằm tiết

kiệm chi phí điện năng

Nội dung nghiên cứu của đề tài là tiến hành thực nghiệm khả năng ứng dụng các tấm panel vật liệu biến đổi pha PCM để làm mát thiết bị viễn thông trong các nhà trạm viễn thông VNPT Đồng Nai, kể cả các trạm BTS, mỗi khi bị mất điện lưới trong khoảng 2-4 giờ đồng hồ, mà không cần chạy máy phát điện ngay, nhằm giảm chi phí nhiên liệu

Đồng thời, thực nghiệm khả năng làm mát vào giờ cao điểm thay cho chạy máy lạnh bằng vật liệu PCM (máy lạnh chỉ chạy vào giờ thấp điểm), tiết giảm chi phí điện năng hàng tháng của nhà trạm viễn thông

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA PCM

Vật liệu biến đổi pha PCM ( Phase Change Materials còn gọi là chất chuyển pha)

là các hợp chất hóa học có điểm đông đặc và điểm tan chảy cao hơn hoặc thấp hơn điểm đông đặc của nước (0°C) Các hợp chất PCM này, kể cả các chất xúc tác, được đóng gói trong vỏ bao che có dạng thức khác nhau như hình ống, tấm panel, hình cầu v.v cho

những mục đích ứng dụng khác nhau, trong đó ứng dụng quan trọng nhất là lưu trữ năng

lượng nhiệt

1.1 HỢP CHẤT CHUYỂN PHA - PCM:

1.1.1.Khái niệm về vật liệu biến đổi pha

Hợp chất PCM là những chất liệu có khả năng lưu trữ hoặc giải phóng một lượng lớn năng lượng nhiệt tiềm ẩn (latent heat) Chúng sử dụng các liên kết hóa học để lưu trữ

và giải phóng năng lượng nhiệt tiềm ẩn, mỗi khi PCM thay đổi từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, hoặc từ lỏng sang rắn hoặc từ lỏng sang khí Việc này gọi là một sự thay đổi trạng thái hoặc sự "chuyển pha" Nhiệt độ mà tại đó PCM chuyển pha, từ rắn sang lỏng, gọi là điểm tan chảy (melting point); và từ lỏng sang rắn gọi là điểm đông đặc (freezing point) Băng đá sẽ chuyển pha khi gặp nhiệt độ cao hơn 0°C và chuyển thành nước Băng đá là một ví dụ điển hình tuyệt vời của vật liệu PCM có điểm đông đặc và điểm tan chảy bằng nhau

Băng đá hấp thụ một lượng lớn nhiệt trong quá trình thay đổi từ thể rắn sang thể lỏng và kết quả nó làm mát môi trường xung quanh nó Nhưng nếu ta cần thu lượng nhiệt năng này ở nhiệt độ khác 0°C thì sao? Muối ngậm nước (còn gọi là muối hydrat, muối khan) cũng là hợp chất PCM, có tính lưu trữ và giải phóng năng lượng nhiệt tiềm ẩn trong một phạm vi rộng từ dưới 0°C đến vài trăm độ °C Đòi hỏi “nhiệt năng theo yêu cầu” này hoàn toàn được thỏa mãn bởi các chất PCM chuyển pha ở nhiệt độ xác định Hàng loạt các loại muối ngậm nước được sản xuất cho các ứng dụng khác nhau và cung cấp giải pháp sử dụng PCM cho nhu cầu riêng của khách hàng Trong tự nhiên có một số lượng lớn các hợp chất PCM có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc nằm trong một phạm vi rộng của thang đo nhiệt độ, làm cho chúng trở nên hấp dẫn trong rất nhiều ứng dụng

Vật liệu PCM lưu trữ và giải phóng một lượng lớn năng lượng nhiệt tiềm ẩn Ví

dụ, như tiến trình tan chảy, hóa rắn hoặc bay hơi đều đòi hỏi năng lượng Nhiệt lượng được hấp thụ hoặc giải phóng mỗi khi vật liệu PCM biến đổi trạng thái (chuyển pha) từ thể rắn sang thể lỏng và ngược lại Vì vậy, vật liệu PCM dễ dàng được chuyển pha mỗi khi thu nhận vào một năng lượng nhiệt nhất định và giải phóng năng lượng nhiệt này ra môi trường xung quanh nó khi môi trường hạ nhiệt vào thời điểm sau đó

Như ở hình 1.1, ta thấy PCM hoạt động dựa trên sự lưu trữ nhiệt ẩn So sánh với lưu trữ nhiệt cảm (sensible heat), thì không có sự thay đổi nhiệt độ trong lưu trữ (vùng trắng trên hình) Trong một cảm nhận chung thì mọi chất liệu đều là vật liệu biến đổi pha, bởi tại một kết hợp nhất định của áp suất và nhiệt độ thì tất cả các vật liệu đều có thể thay đổi trạng thái tổng thể của nó (rắn, lỏng, khí) Trong sự thay đổi của trạng thái tổng thể vật liệu, một lượng lớn năng lượng, gọi là nhiệt ẩn có thể được lưu trữ hoặc phát tán ở một nhiệt độ gần như không đổi Vì vậy, với một sự khác biệt nhỏ trong thang nhiệt độ có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng và giải phóng năng lượng lưu trữ này

Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của PCM Như đã đề cập, về cơ bản tất cả các vật liệu là vật liệu chuyển pha PCM Tuy nhiên, các đặc tính cần thiết để lưu trữ năng lượng nhiệt có hiệu quả và có thể dự đoán lại không bao gồm một số lượng lớn các vật liệu Trong hình 1.2, một số vật liệu PCM được minh họa với các phạm vi nhiệt độ tan chảy của vật liệu và nhiệt năng hấp thụ tương ứng (enthalpy of fusion) Hình 1.2 cũng minh họa dải nhiệt độ tiêu biểu cho khoảng nhiệt độ tương thích dùng trong các hộ gia đình Nó cho thấy rằng parrafin và muối hydrat là các vật liệu PCM hữu ích cho các hộ gia đình Muối và đường cồn (salts và sugar alcohol) được sử dụng cho các dải nhiệt độ cao hơn Một ví dụ về sử dụng lưu trữ năng lượng nhiệt độ cao là trạm điện năng lượng mặt trời tập trung, trong đó muối được sử dụng để lưu trữ năng lượng nhằm sử dụng sau khi hết ánh nắng mặt trời Điều này làm giảm bớt một phần khó khăn của nan đề gián đoạn năng lượng mặt trời

Hình 1.2: Dải nhiệt độ và điểm nóng chảy tương ứng của vài vật liệu PCM.

1.1.2.Phân loại PCM

Nhiều chủng loại vật liệu PCM tồn tại trong tự nhiên, có thể phân ra thành 02 chủng loại chính là PCM vô cơ và PCM hữu cơ Các vật liệu PCM thường được sử dụng nhiều cho các ứng dụng kỹ thuật là: parafin (hữu cơ), các axit béo (hữu cơ) và muối hydrat (vô cơ) (theo IEA, năm 2005) Sự khác biệt giữa PCM hữu cơ và PCM vô cơ là đặc biệt quan trọng trong việc xây dựng cơ sở ứng dụng PCM Những sự khác biệt và các chủng loại vật liệu, được minh họa trong hình 1.3

Hình 1.3: Phân loại PCM Nguồn: Abhat, 1983

Các vật liệu

Nhiệt năng cảm nhận nhận

Nhiệt năng tiềm ẩn Năng lượng hóa học

*Eutectic là một hỗn hợp của các hợp chất hoặc nguyên tố hóa học mà trong đó có một hợp phần đông đặc ở nhiệt độ thấp hơn các hợp phần khác trong hỗn hợp đó Hợp phần này được gọi là thành phần eutectic và nhiệt độ đông đặc này gọi là nhiệt độ eutectic

1.1.2.a.Hợp chất PCM hữu cơ : Organic compounds

PCM hữu cơ có thể là các axít béo hoặc các hợp chất hữu cơ khác PCM hữu cơ được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ thấp Các PCM hữu cơ có giá thành cao, có lượng nhiệt tiềm ẩn trung bình cho mỗi đơn vị dung lượng ( khối lượng hoặc thể tích) và mật độ thấp Hầu hết các PCM hữu cơ dễ cháy trong tự nhiên Nhiệt độ nóng chảy của chúng cũng có thể nằm trong một dải nhiệt độ rộng lớn

Với loại PCM hữu cơ thì nhiệt tiềm ẩn nóng chảy, giải nhiệt độ nóng chảy và hệ

số dẫn nhiệt nhìn chung là thấp nhưng tính ổn định nhiệt rất cao

PCM hữu cơ có một số đặc điểm làm cho chúng hữu ích trong việc lưu trữ nhiệt tiềm ẩn trong một số các yếu tố xây dựng nhất định Chúng có nhiều tính chất hóa học ổn định hơn so với các chất vô cơ, chúng tan chảy một cách hoàn chỉnh và việc bù lạnh (sub-cooling) để chúng đông đặc trở lại, không còn là một vấn đề quan trọng Hơn nữa, chúng

dễ tương thích và phù hợp cho sự hấp thụ nhiệt khi lắp đặt ở bên trong nhiều chủng loại vật liệu xây dựng khác nhau Mặc dù chi phí ban đầu của PCM hữu cơ cao hơn so với các loại vô cơ, nhưng chi phí lắp đặt lại cạnh tranh

Tuy nhiên, những vật liệu PCM hữu cơ có những đặc điểm không phù hợp Quan trọng nhất của những đặc điểm này là dễ cháy và có thể tạo ra khói độc khi bị đốt Các vấn đề bất lợi khác, mà có thể phát sinh trong một số ít trường hợp, là phản ứng với các sản phẩm hydrat hóa trong bê tông, nhiệt ôxy lão hóa, có mùi và một sự thay đổi khối lượng đáng kể khi chuyển pha Sự lựa chọn thích hợp và sửa đổi hiện nay đã loại bỏ rất nhiều những đặc điểm không mong muốn đó trong các ứng dụng thực tiễn

1.1.2.b.Hợp chất PCM vô cơ : Inorganic compounds

PCM vô cơ thông thường là muối hydrat (muối ngậm nước) Muối ngậm nước có một số hydrat trong công thức hóa học, có tính khan (dễ hấp nước) dẫn đến sự phân loại các vật chất và mất dần khả năng phục hồi nhiệt tiềm ẩn theo thời gian Muối ngậm nước cũng có xu hướng cần làm lạnh phụ thêm, mỗi khi chuyển sang thể rắn

Các thế hệ muối ngậm nước trước kia được các nhà sản xuất thêm vào các chất phụ gia để nâng cao hiệu suất lưu trữ và giải phóng nhiệt Các chất phụ gia giúp trì hoãn

sự xuống cấp của muối ngậm nước trong khoảng 100 chu kỳ chuyển pha (từ thể rắnthể lỏngthể rắn là một chu kỳ).Tuy nhiên, các nhà sản xuất này không giải quyết được nguyên nhân cơ bản là cần làm lạnh phụ thêm cho PCM (bù lạnh giúp PCM chuyển sang thể rắn) và sự suy giảm theo chu kỳ hoạt động lớn hơn

Các nhà nghiên cứu trước kia nhấn mạnh lợi ích khi sử dụng PCM không tinh khiết nhằm thúc đẩy sự phát triển trong cấu trúc hạt nhân và ngăn ngừa làm lạnh phụ thêm Tuy nhiên, tạp chất cũng thúc đẩy hoạt động mạnh trong cấu trúc phân tử của chất hydrat không mong muốn, dẫn đến sự phân tầng (tách biệt thành các lớp không hòa lẫn vào nhau khi PCM nóng chảy) trong hợp chất PCM Các chuyên gia về tinh thể học đã xác định được phương pháp "cấu trúc hạt nhân kết tinh phù hợp (nucleate) " Nó bao gồm một "Cold Finger" mà các cấu trúc hạt nhân được thúc đẩy mạnh sự phát triển của kết tinh (hóa rắn) mong muốn, theo đó bất kỳ tạp chất nào mà thúc đẩy sự phát triển của kết tinh không mong muốn đều được loại bỏ

*Nucleate là một tiến trình xử lý vật lý mà qua đó sự chuyển đổi trạng thái vật chất xảy ra, ví dụ từ lỏng sang rắn, xảy ra trong một chất xung quang tiêu điểm nhất định, được gọi là hạt nhân Ví dụ phổ biến là sự ngưng tụ hơi nước thành những giọt nước nhỏ trong không khí, sự hình thành các tinh thể nước đá khi nước đóng băng v.v…

Những nỗ lực ban đầu trong sự phát triển của vật liệu lưu trữ nhiệt tiềm ẩn là sử dụng PCM vô cơ là muối hydrat Những lợi thế của các vật liệu này là: giá trị nhiệt tiềm

ẩn cao, không cháy, chi phí thấp và có sẵn Tuy nhiên, nhược điểm của PCM vô cơ là dễ

ăn mòn, không ổn định, hóa rắn không chính xác, và phải bù lạnh Do vậy, PCM hữu cơ đang được nghiên cứu thêm

Mật độ lưu trữ nhiệt tiềm ẩn cao của vật liệu muối hydrat là khó duy trì ổn định

và thường giảm theo chu kỳ hoạt động của vật liệu khi chuyển pha Bởi vì hầu hết các muối hydrat tan chảy một cách tương thích, ứng với sự hình thành của muối thấp hơn, làm cho tiến trình không thể đảo ngược và dẫn đến sụt giảm liên tục trong hiệu quả lưu trữ nhiệt tiềm ẩn

Sự tách biệt pha (phân tầng) có thể được ngăn chặn do thay đổi các thuộc tính của muối hydrat bằng cách bổ sung thêm một vật liệu khác có thể cản các pha nặng hơn chìm xuống đáy Điều này có thể đạt được với chất liệu gel hoặc với các vật liệu làm đặc Gel được thêm vào để tạo một liên kết ngang (ví dụ như polymer) với muối để tạo ra một mảng ba chiều giữ các muối hydrat liên kết với nhau Đặc có nghĩa là bổ sung một vật chất khác cho muối hydrat để làm tăng tính dính và giữ muối hydrat liên kết với nhau

Bù lạnh cho vật liệu PCM là một vấn đề nghiêm trọng liên quan đến tất cả các muối hydrat Nó xuất hiện khi một muối hydrat bắt đầu chuyển sang thể rắn ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hóa rắn của PCM Một vài nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề này Một giải pháp là sử dụng muối hydrat truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp giữa một dòng chất lỏng truyền nhiệt tách biệt với dung dịch muối hydrat Một giải pháp khác là sử dụng các kết tinh hạt nhân

Bảng 1.1 cung cấp có lựa chọn danh sách các muối ngậm nước – hợp chất eutectic PCM được sản xuất cho các ứng dụng lưu trữ nhiệt khác nhau trên thị trường, xác định theo tiêu chí quan trọng -điểm tan chảy-melting point

Bảng 1.1: Danh sách các muối ngậm nước – eutectic PCM xác định theo điểm tan chảy

Tiềm ẩn nhiệt (LH)

KJ / Kg

LH trong phạm vi hữu ích KJ / Kg

Tỷ trọng Ghi chú

-50oC Tủ đông -60 -40oC 325 395 1.3

-23oC Tủ đông -30 -15oC 330 380 1.2

-16oC Tủ đông -25 -05oC 330 380 1,02

04oC Bảo quản 00 - 10oC 105 135 1.4

07oC Bảo quản 02 - 12oC 135 170 1.4

10oC Bảo quản 05 - 15oC 170 200 1.4

15oC Bảo quản 10 -20o C 175 210 1.4

18oC NLMT 15 đến

Làm mát và sưởi ấm ngày-đêm Điều hòa không khí (ĐHKK) Làm mát nội thất, áo khoác, v.v

Shelter Viễn thông 32oC Dự phòng

ĐHKK 22 đến 36oC 210 250 1.4

Điện tử gia dụng 40oC Điện tử 30 đến

45oC Nung 40 đến 55

Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời (NLMT)

Một sự so sánh giữa các vật liệu PCM hữu cơ và vô cơ để lưu trữ nhiệt được thể hiện trong bảng 1.2

Bảng 1.2 : So sánh giữa các vật liệu hữu cơ và vô cơ để lưu trữ nhiệt Nguồn: IEA,2005

Bảng 1.3 Những đặc điểm quan trọng của PCM

Nhiệt độ biến đổi pha phù hợp

Biến thiên nhiệt lượng của vật

liệu gần với nhiệt độ sử dụng Không tách biệt pha Tỷ trọng cao

Tính dẫn nhiệt cao cả ở trạng

thái rắn và lỏng

Phù hợp với các chất liệu làm bao bì cho nó

Không cần làm lạnh

Không độc, không cháy, không

ô nhiễm

Trong khi những đặc điểm này phác thảo các khía cạnh quan trọng cần được xem xét để xác định PCM thích hợp, nguyên tắc của bản thân công nghệ có thể được áp dụng trong mọi cấu hình sử dụng Khí hậu đặt ra yêu cầu cao về làm mát và sưởi ấm hoàn toàn phù hợp với PCM Sự khác biệt lớn về nhiệt độ giữa ngày và đêm đặc biệt thích hợp cho

sử dụng PCM, do PCM hấp thụ nhiệt lượng ban ngày và tỏa nhiệt vào ban đêm và do đó làm giảm đáng kể năng lượng sử dụng cho làm mát và sưởi ấm trong nhà

1.2.TÌNH TRẠNG CÔNG NGHỆ VÀ TIỀM NĂNG THỊ TRƯỜNG TƯƠNG LAI PCM:

Hình 1.4 cho thấy rằng các ứng dụng lưu trữ nói chung sẽ trở nên có giá trị hơn và quan trọng khi sự thâm nhập năng lượng tái tạo lên cao Như có thể thấy trong hình, Viện phân tích năng lượng chiến lược và Trung tâm ứng dụng thuộc Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia của Mỹ, hiện đánh giá cao cho lưu trữ năng lượng, một công nghệ

có giá trị nhưng không được coi là cần thiết với mạng lưới điện hiện nay của Mỹ Tuy nhiên, tình hình tương lai của nền kinh tế không các-bon sẽ yêu cầu mức độ cao cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng này

Hình 1.4: Công nghệ lưu trữ năng lượng quan trọng trong tình hình chung

Nguồn: SEAAC of NREL, 2008

Trong khi một phần khá lớn các ứng dụng lưu trữ năng lượng đã đạt được đến giai đoạn chín muồi, PCM vẫn đang trong giai đoạn phát triển Xem xét bảng 1.4, trong đó cho thấy một số công nghệ lưu trữ năng lượng nhiệt và giai đoạn chín muồi của chúng về việc sử dụng trong nhà máy điện năng lượng mặt trời tập trung (CST) PCM được đặt trong giai đoạn phát triển hoặc thể hiện Viện nghiên cứu năng lượng điện Mỹ (EPRI) kết luận rằng "các hệ thống lưu trữ liên quan đến PCM vẫn còn trong giai đoạn trứng nước,

và đòi hỏi phải nghiên cứu thêm để xác định sự phù hợp của các hệ thống này với các nhà máy CST sử dụng chất lỏng truyền nhiệt" (theo EPRI, 2009)

Bảng 1.4 Tình trạng thương mại hóa các hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt

Nguồn: EPRI, 2009

Một báo cáo gần đây của công ty Lux Research dự đoán việc sử dụng các vật liệu chuyển pha PCM trong các tòa nhà sẽ tăng từ gần bằng không hiện nay lên đến 130 triệu USD trong doanh thu hàng năm vào năm 2020

Trong khi đó, một số ứng dụng khác đang nổi lên UK-based Star Refrigeration đang sử dụng carbon dioxide, vốn chuyển từ pha lỏng sang khí ờ nhiệt độ rất thấp, nhằm giữ các trung tâm dữ liệu luôn mát Nhiệt phát ra từ các khu vực đặt máy chủ hiệu suất cao hiện nay có thể áp đảo ngay cả những hệ thống nước làm mát tiên tiến nhất Bằng cách bơm CO2 qua hệ trao đổi nhiệt, gần đây công ty đã chứng minh khả năng lấy gần gấp đôi lượng nhiệt từ các máy tính so với các hệ thống được sử dụng hiện nay

Ở miền tây Trung Quốc, các PCM có nguồn gốc từ bơ bò và dầu thực vật địa phương giúp những người chăn nuôi bò giữ ấm Vật liệu này được bọc trong nhựa và sau

đó dệt thành quần áo truyền thống Nó tan ra khi những người này làm việc, hoặc do mồ hôi khi đi bộ lên đồng cỏ trên núi, sau đó, khi họ ngừng di chuyển, sức nóng bị dồn nén

từ từ thoát ra, giữ ấm cho họ khi trông coi các đàn gia súc Hơn 100 gia đình đang sử dụng các vật liệu này như là một phần của một dự án thí điểm, ngoài ra còn gồm các cuộn gối đặt trên giường được sưởi ấm bởi bếp lò trong ngày và giữ ấm áp vào ban đêm

Một ứng dụng đầy hứa hẹn của các PCM là cung cấp vaccine cho các nước đang phát triển Vaccine cần được giữ lạnh trong quá trình vận chuyển, đây là thách thức đối với các quốc gia với khả năng giữ lạnh có giới hạn Chúng thường được đóng gói trong nước đá, nhưng hiệu quả của chúng có thể bị giảm nghiêm trọng nếu chúng bị đóng băng

Sử dụng vật liệu chuyển pha từ 4 OC đến 8 OC, nhà sản xuất bao bì Mỹ Sonoco cho biết

họ đã phát triển một giải pháp mà có thể giữ mát vaccine tới sáu ngày Sonoco đang thử nghiệm Greenbox với một nhà phát triển công nghệ sinh học phi lợi nhuận PATH, để đáp ứng các tiêu chuẩn của Tổ chức y tế thế giới WHO

Khai thác các PCM cho việc lưu trữ năng lượng cũng có thể cải tiến hệ thống năng lượng mặt trời Các hệ thống hiện nay tập trung nhiệt mặt trời dựa vào dung dịch muối để lưu trữ nhiệt Điều này cho phép các nhà máy điện có thể sản xuất năng lượng kể cả khi mặt trời không còn chiếu sáng, nhưng đòi hỏi một lượng lớn chất lỏng và kích thước lớn, cùng với đó là các cơ sở lưu giữ cách nhiệt tốt Bằng cách sử dụng các hóa chất có thể chuyển pha PCM, nhà sản xuất của nước Đức SGL Carbon cho biết nó có thể làm giảm khối lượng của vật liệu lưu trữ cần thiết khoảng hai phần ba

Việc sử dụng PCM dẫn đến giảm nhu cầu công suất phát điện cao điểm Lưu trữ đưa ra một phương thức thay thế cho việc xây dựng và vận hành một công suất hệ thống phát điện mới và dự trữ Ví dụ, các ghi chú của Ủy Ban Tiện Ích Công Cộng California CPUC (Mỹ) cho rằng nhu cầu điện giờ cao điểm California là một mối quan tâm lớn Đặc biệt là do dân số tăng mạnh ở miền Trung và miền Nam của California CPUC kết luận

rằng chi phí cho công suất phát điện cao điểm sẽ tiếp tục tăng do nhu cầu cao điểm tăng

và như vậy chi phí phát thải carbon trở nên đắt hơn (CPUC, 2010) Trong trường hợp này, sự bổ sung PCM sẽ dẫn đến nhu cầu điện cao điểm giảm cho điều hòa không khí và

sẽ làm giảm bớt căng thẳng cho công suất phát điện cao điểm

Sử dụng PCM trong một hệ thống vận hành tích cực, nơi nhiệt hoặc lạnh nhân tạo được lưu giữ, cũng có thể đảm bảo sử dụng hiệu quả hơn năng lượng giờ thấp điểm và năng lượng tái tạo khác Một nguồn cung cấp năng lượng, khi nhu cầu thấp có thể được lưu trữ, để sử dụng lại sau đó vào lúc nhu cầu cao Ví dụ, các ghi chú của CPUC rằng gió

ở California có xu hướng thổi mạnh nhất vào ban đêm, gây mất cân đối giữa cung và cầu năng lượng Ứng dụng lưu trữ, chẳng hạn như PCM, có thể cho phép gió dư thừa và năng lượng giờ thấp điểm được lưu trữ và sử dụng trong thời gian nhu cầu cao (CPUC, 2010) Đặc biệt là trong trường hợp quá nhiệt, mà sẽ được sử dụng để sản xuất điện, cần phải được lưu trữ, PCM sẽ là một ứng dụng lưu trữ hiệu quả hơn so với một số công nghệ lưu trữ khác

Ủy Ban Tiện Ích Công Cộng California (CPUC) xác định một lợi thế liên quan đến khí hậu với việc sử dụng các ứng dụng lưu trữ CPUC cho rằng do thay đổi khi sử dụng năng lượng giờ cao điểm vào giờ thấp điểm bằng cách lưu trữ, có thể làm giảm khí nhà kính và các khí thải Ứng dụng PCM dẫn đến một nhu cầu nhỏ hơn về năng lượng vào lúc nóng nhất trong ngày, do sụt giảm nhu cầu năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí Ngoài ra, PCM làm giảm năng lượng cần thiết để sưởi ấm, bởi vì năng lượng lưu trữ được đem ra sử dụng

Kết luận

Hợp chất hữu cơ và vô cơ là hai nhóm phổ biến nhất của PCM Hầu hết hợp chất PCM hữu cơ là không ăn mòn và có tính hóa học ổn định, cần ít hoặc không cần bù lạnh, tương thích với hầu hết các vật liệu xây dựng và có năng lượng nhiệt tiềm ẩn cao cho mỗi đơn vị trọng lượng và mức áp suất bay hơi thấp Nhược điểm là độ dẫn nhiệt thấp, thể tích thay đổi nhiều khi chuyển pha và dễ cháy

Các hợp chất PCM vô cơ có năng lượng nhiệt tiềm ẩn cao cho mỗi đơn vị thể tích

và độ dẫn nhiệt cao, không cháy, chi phí thấp so với các hợp chất hữu cơ Tuy nhiên, chúng có tính ăn mòn đối với hầu hết các kim loại, bị phân hủy và bù lạnh, mà có thể ảnh hưởng đến tính chất chuyển pha của chúng Các ứng dụng của PCM vô cơ yêu cầu sử dụng nucleate và các chất phụ gia làm đặc, để giảm thiểu bù lạnh và phân lớp Các công

ty thương mại đang có những nỗ lực đáng kể nhằm tiếp tục khám phá những phụ gia đó Các ứng dụng dùng PCM là rất lớn, từ lưu trữ nhiệt và lạnh trong các tòa nhà đến lưu trữ nhiệt trong các vệ tinh và quần áo bảo hộ nhiệt Một PCM với điểm nóng chảy dễ dàng điều chỉnh, sẽ là một điều cần thiết khi mà nhiệt độ nóng chảy là tiêu chí quan trọng nhất

để lựa chọn một PCM cho những ứng dụng năng lượng mặt trời thụ động Nhiều ứng dụng đến nay vẫn chưa được phát hiện

CHƯƠNG 2 TÍNH NĂNG LƯU TRỮ NHIỆT

VÀ CÁC ỨNG DỤNG VỚI VẬT LIỆU PCM

2.1 TÍNH NĂNG LƯU TRỮ NHIỆT

2.1.1 Phân tích tính chất hóa học của PCM

Vật liệu PCM được sử dụng cho lưu trữ năng lượng nhiệt chuyển pha phải có nhiệt năng tiềm ẩn lớn và tính dẫn nhiệt cao Chúng cần phải có một nhiệt độ nóng chảy (điểm tan chảy-Melting Point) nằm trong phạm vi hoạt động thực tiễn, nóng chảy đồng nhất với mức bù lạnh tối thiểu và có tính ổn định hóa học, chi phí rẻ, không độc hại và không ăn mòn Các vật liệu đã được nghiên cứu trong hàng chục năm qua là muối hydrat, sáp parafin, các axit béo và các hợp chất eutectic hữu cơ và vô cơ

Tùy thuộc vào các ứng dụng mà vật liệu PCM được lựa chọn trên hết là dựa trên nhiệt độ nóng chảy của chúng Vật liệu nóng chảy dưới 15oC được sử dụng để lưu trữ lạnh trong các ứng dụng điều hòa không khí, trong khi vật liệu tan chảy trên 90 OC được

sử dụng cho sự hấp thụ lạnh Các vật liệu khác có nhiệt độ tan chảy nằm giữa hai nhiệt độ này có thể được áp dụng trong hệ thống sưởi năng lượng mặt trời và các ứng dụng san tải nhiệt (cân bằng điều hòa nhiệt) Các vật liệu này đại diện cho các chủng loại vật liệu PCM được nghiên cứu nhiều nhất

Danh sách tổng hợp của hầu hết các vật liệu có thể được sử dụng để lưu trữ nhiệt tiềm ẩn như ở hình 2.1, theo báo cáo công bố của Abhat[1] Các thông tin như vậy có thể liên hệ các tài liệu của Lorsch et al [2], Lane et al [3] và Humphries và Griggs [4] tổng hợp một số lượng lớn các vật liệu là ứng viên cho lưu trữ nhiệt tiềm ẩn, bao trùm trên một giải rộng thang đo nhiệt độ

Sáp parafin thương mại có giá rẻ với mật độ lưu trữ nhiệt vừa phải ( xấp xỉ 200 kJ/

kg hoặc 150 MJ/m3) và một giải nhiệt độ nóng chảy (Hình 2.1a) Chúng bù lạnh không đáng kể, có đặc tính hóa học trơ và ổn định, không có sự phân tầng Tuy nhiên, chúng lại

có hệ số dẫn nhiệt thấp (xấp xỉ 0,2 W/m OC), làm hạn chế các ứng dụng của chúng Để cải thiện tính dẫn nhiệt của chúng [5], người ta dùng các lá kim loại gắn vào ống đựng PCM, chế tạo cấu trúc dạng tổ ong làm ống đựng PCM, nhồi phôi kim loại vào ống đựng PCM, đựng PCM vào các tấm phẳng v.v…Trong đó, phương pháp làm cánh xẻ rãnh và nhồi phôi kim loại vào ống đựng PCM là có hiệu quả hơn tất thảy nếu xét về phương diện kinh tế và hiệu quả dẫn nhiệt Một phương pháp hữu ích nữa là đựng PCM vào các tấm panel mỏng bằng nhựa HDPE Sáp parafin tinh khiết rất tốn kém, do đó, chỉ parafin cấp

kỹ thuật mới được sử dụng Sáp parafin thương mại, nóng chảy trong khoảng 55OC, được nghiên cứu nhiều nhất

Hình 2.1(a) Nhiệt tiềm ẩn tan chảy của các hợp chất parafin [1]

Hình 2.1(b) Nhiệt tiềm ẩn tan chảy của các hợp chất hữu cơ phi parafin [1] Hình 2.1(c) Nhiệt tiềm ẩn tan chảy / khối lƣợng các hợp chất vô cơ [1] Hình 2.1(d) Nhiệt tiềm ẩn nhiệt nóng chảy / thể tích các hợp chất vô cơ [1] Hình 2.1(e) Nhiệt tiềm ẩn nhiệt nóng chảy các hợp chất eutectic [1]

Nhóm nghiên cứu Farid et al [6] đã sử dụng ba loại sáp parafin thương mại có nhiệt độ nóng chảy tuần tự là 44, 53 và 64OC với nhiệt năng tiềm ẩn là 167, 200 và 210

kJ / kg tương ứng, đặt vào cùng trong một thiết bị lưu trữ để cải thiện hiệu suất của thiết

bị Nhiều nhà nghiên cứu lại sử dụng P-116 như là một sáp parafin thương mại Nó có nhiệt độ nóng chảy khoảng 47oC và nhiệt năng tiềm ẩn 210 kJ / kg

Feldman và Shapiro [7] đã phân tích các tính chất nhiệt của axít béo (capric, lauric, axit palmitic và axit stearic) và hỗn hợp nhị phân của chúng Kết quả cho thấy rằng chúng là những ứng viên hấp dẫn cho lưu trữ năng lượng nhiệt tiềm ẩn trong các ứng dụng sưởi ấm không khí Dải nhiệt độ nóng chảy của các axit béo được tìm thấy thay đổi trong khoảng 30OC -65OC, trong khi sự chuyển đổi nhiệt năng tiềm ẩn của chúng được quan sát thấy thay đổi trong khoảng 153-182 kJ/kg Các thuộc tính này là quan trọng hàng đầu trong việc thiết kế một hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt tiềm ẩn

Hasan [8] đã tiến hành một cuộc điều tra thử nghiệm acid palmitic như một PCM cho lưu trữ năng lượng Nghiên cứu tham số của quá trình chuyển pha bao gồm thời gian chuyển tiếp, khoảng nhiệt độ và sự lan truyền của bề mặt rắn-lỏng, cũng như đặc điểm tốc độ dòng chảy nhiệt của hệ thống lưu trữ bằng ống vòng tròn Dimaano và Escoto [9] đánh giá một hỗn hợp của axit béo capric và lauric để lưu trữ ở nhiệt độ thấp Nhiệt tan chảy của hỗn hợp vào khoảng 14oC và nhiệt tiềm ẩn dao động trong khoảng 113 và 133

kJ / kg, tùy thuộc vào thành phần hỗn hợp Một vài vật liệu chỉ được sử dụng để nghiên cứu hiệu suất các hệ thống lưu trữ và không có khả năng được áp dụng trong thực tế Ví

dụ đó là dimethyl sulfoxide, có nhiệt độ nóng chảy 16,5OC và nhiệt năng tiềm ẩn chỉ 86kJ/kg, và anhydride maleic, nhiệt độ nóng chảy 52OC và 145kJ/kg

Muối hydrat (Hình 2.1c, d) là vật liệu hấp dẫn để sử dụng trong lưu trữ năng lượng nhiệt do mật độ thể tích lưu trữ cao ( 350 MJ/m3), độ dẫn nhiệt tương đối cao (0,5 W/m

oC) và có chi phí vừa phải so với các loại sáp parafin, với vài ngoại lệ Muối Glauber (Na2SO4.H2O), trong đó có 44% Na2SO4 và 56% H2O tính theo trọng lượng, đã được nghiên cứu sớm từ 1952 Nó có nhiệt độ nóng chảy khoảng 32,4 oC , nhiệt năng tiềm ẩn cao 254 kJ / kg (377 MJ/m3) và là một trong những vật liệu với giá rẻ nhất có thể được

sử dụng cho lưu trữ năng lượng nhiệt

Tuy nhiên, các vấn đề về phân tầng và bù lạnh đã hạn chế ứng dụng của PCM Biswas [10] đã đề nghị việc sử dụng các nguyên lý nước phụ thêm để ngăn chặn sự hình thành của muối khan nặng Mặc dù điều này làm cho hệ thống ổn định theo chu kỳ sử dụng, nó lại làm giảm mật độ lưu trữ và yêu cầu hệ thống được vận hành với khoảng nhiệt độ dao động lớn Sử dụng một số tác nhân làm đặc, như đất sét bentonit, với muối Glauber đã được đề xuất để giải quyết vấn đề phân tầng Thật không may, điều này làm giảm tỷ lệ đông đặc và truyền nhiệt tới muối do tính dẫn nhiệt thấp hơn của hỗn hợp Từ lâu, hàn the đã được được đề xuất như một tác nhân nucleate để giảm thiểu bù lạnh Tuy

nhiên, điều này lại phải dùng một số tác nhân làm đặc để ngăn chặn chất lắng của hàn the mật độ cao Hầu hết các muối hydrat khác cũng có cùng các vấn đề tương tự

Bảng 2.1 cho thấy sự so sánh giữa hệ thống lưu trữ nhiệt cảm nhận (sensible heat)

sử dụng lớp nền đá và bể nước với hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn sử dụng các hợp chất hữu cơ và vô cơ Lợi thế của nhiệt tiềm ẩn đối với nhiệt cảm nhận là rõ ràng từ sự so sánh

về khối lượng và thể tích của hệ thống lưu trữ cần thiết cho lưu trữ cùng một số lượng nhiệt nhất định Từ bảng 2.1 và hình 2.1(d) ta thấy rằng các hợp chất vô cơ, như muối ngậm nước, có mật độ lưu trữ nhiệt lượng về thể tích cao hơn so với hầu hết các hợp chất hữu cơ, do nhiệt tiềm ẩn và mật độ của các hợp chất vô cơ cao hơn

Bảng 2.1: So sánh giữa các phương tiện lưu trữ nhiệt khác nhau

Bù lạnh cho vật liệu PCM là một vấn đề nghiêm trọng liên quan đến tất cả các muối hydrat Nó xuất hiện khi một muối hydrat chỉ bắt đầu chuyển sang thể rắn ở nhiệt

độ thấp hơn nhiệt độ hóa rắn của PCM Một vài nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề này Một giải pháp là sử dụng muối hydrat truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp giữa một dòng chất lỏng truyền nhiệt tách biệt với dung dịch muối hydrat Một giải pháp khác là sử dụng các kết tinh hạt nhân nucleate

Mật độ lưu trữ cao của muối hydrat thường khó duy trì và thường giảm theo chu

kỳ hoạt động Điều này là do hầu hết muối hydrat tan chảy một cách tương ứng với sự tạo thành của muối hydrat mức thấp, làm cho tiến trình không thể đảo ngược và dẫn đến sự suy giảm liên tục hiệu quả lưu trữ của chúng Bù lạnh là một vấn đề nghiêm trọng liên quan đến tất cả các muối hydrat Nhằm khắc phục những vấn đề này, một số nhà nghiên cứu đã sử dụng muối hydrat trong truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp giữa một dòng chất lỏng

truyền nhiệt tách biệt và dung dịch muối hydrat, như sẽ được mô tả sau Sự xáo động gây

ra bởi chất lỏng truyền nhiệt đã giảm thiểu sự bù lạnh và ngăn chặn sự phân tầng Các muối hydrat được nghiên cứu là CaCl2.6H2O, Na2SO4.10H2O, Na2HPO4.12 H2O, NaCO3.10 H2O, và Na2S2O4.5 H2O

Nguyên lý nước phụ thêm (extra water) được sử dụng để ngăn ngừa tắc nghẽn của tầng sôi và sự hình thành muối khan, tác nhân sẽ làm giảm mật độ lưu trữ của muối hydrat ngậm nước Nhiệt độ kết tinh của các muối ngậm nước là từ 30 đến 50 oC, rất thích hợp cho các ứng dụng sưởi ấm năng lượng mặt trời Dựa trên biểu đồ chuyển pha của các muối này, rõ ràng là quá trình thải nhiệt có sử dụng các loại muối này xảy ra với sự giảm liên tục nhiệt độ kết tinh, do sự pha loãng ở trạng thái lỏng (pha lỏng) Đây không phải là mong muốn trong hầu hết các ứng dụng, mà cùng với những khó khăn liên quan đến hoạt động của hệ thống lưu trữ, có thể hạn chế ứng dụng của các muối này

Bất chấp những vấn đề liên quan đến ứng dụng của muối ngậm nước trong hệ thống lưu trữ nhiệt, không sử dụng dòng chất lỏng truyền nhiệt, một số công ty đã đạt những nỗ lực đáng kể trong việc phát triển tác nhân nucleate và chất ổn định cho một số các muối ngậm nước Các công ty nổi tiếng đã phát triển được vật liệu PCM thương mại đóng gói trong hình cầu bằng nhựa Các sản phẩm đã được thử nghiệm qua một số lớn chu kỳ hoạt động và nhận thấy ổn định Các báo cáo nhiệt năng tiềm ẩn cho CaCl2.6H2O

là 267MJ/m3, thấp hơn so với muối tinh khiết, do sử dụng nguyên lý nước phụ thêm cùng các tác nhân nucleate và làm đặc Muối CaCl2 được lựa chọn, mặc dù nhiệt năng tiềm ẩn của nó thấp hơn muối ngậm nước khác, có lẽ vì nó dễ dàng ổn định hơn, giảm thiểu sự phân tầng

Ryu et al đã thực hiện nghiên cứu sâu rộng trên các tác nhân làm đặc và nucleate phù hợp, có thể được sử dụng cho một số muối ngậm nước Bảng 2.2 tóm tắt cho phát hiện quan trọng của họ, nó cho thấy sự giảm thiểu đáng kể mức độ bù lạnh bằng cách áp dụng tác nhân nucleate và làm đặc phù hợp

Bảng 2.2: Giải bù lạnh của PCM làm đặc với xúc tác nucleate khác nhau

PCM Làm đặc Điểm tan chảy Nucleate (cỡ, µm) Bù lạnh ( o C)

Trong số các vật liệu PCM đã được chứng minh là hữu ích trong các ứng dụng lưu trữ nhiệt là CaCl2.6H2O, MgCl2.6H2O và Mg (NO3)2.6H2O Như chúng ta đã lưu ý, hầu hết các muối hydrat có những bất lợi trong trích nhiệt được lưu trữ, vật liệu phải bù lạnh trước khi đông đặc Điều này làm giảm tiện ích của vật liệu, và nếu quá nghiêm trọng, hoàn toàn có thể ngăn chặn sự thu hồi nhiệt Nhiều yếu tố xác định liệu một phụ gia đặc biệt sẽ thúc đẩy tiến trình nucleate, như cấu trúc kết tinh, sự hòa tan và tính ổn định của muối hydrat Dựa trên kết quả kiểm tra trong phòng thí nghiệm, các vật liệu tiềm năng đã được phát triển thành công thức Sau đó, các thử nghiệm đã được tiến hành trong mối tương quan giữa cấu trúc kết tinh và tính ổn định hydrat với hiệu quả nucleate, để đề xuất các cấu trúc nucleating thiết thực

Các hợp chất Glauber, Soda, Sodium Acetic và sáp Parafin là các PCM thường được sử dụng nhất trong hệ thống sưởi ấm năng lượng mặt trời Mặc dù những hợp chất này là khá rẻ tiền, thì việc đóng gói và chế biến cần thiết để có được hiệu suất chấp nhận được lại là phức tạp và tốn kém Chúng không có được sự tin cậy trong giải phóng nhiệt khi ở trạng thái lỏng, các thành phần hóa học trong PCM này bị tách và phân tầng theo trạng thái rắn hoặc lỏng không đồng nhất Các vật liệu PCM này cũng không luôn luôn hóa rắn thích hợp Khi nhiệt độ giảm, chúng không hoàn toàn hóa rắn, làm giảm khả năng lưu trữ nhiệt ẩn Những vấn đề này đã được giải quyết bằng đóng gói vật liệu PCM trong các vỏ bao che mỏng hoặc nông, và thêm vào các tác nhân phụ gia tạo sự kết tinh (đông đặc) tốt hơn

Nhiều PCM là muối hydrat có những bất lợi mà trong khi giải phóng sức nóng đã thu được trước đó thì các vật liệu này lại cần được làm lạnh dưới nhiệt độ đông đặc của chúng trước khi hóa rắn Điều này làm giảm công dụng của vật liệu PCM và nếu nghiêm trọng, nó hoàn toàn có thể ngăn chặn thu giữ nhiệt Chúng đánh mất tính năng lưu trữ nhiệt sau một số chu kỳ hoạt động So sánh với thế hệ vật liệu PCM mới hơn về chi phí thấp, hiệu quả cao, các nhà nghiên cứu đặt tên các hợp chất cũ này vào loại PCM hạn chế

Panel PCM Ống nhôm PCM Hình cầu vỏ HDPE Hình cầu vỏ nhôm

2.1.3.Sự ổn định của đặc tính nhiệt theo chu kỳ

Các tiêu chí quan trọng nhất làm giới hạn sử dụng rộng rãi của các hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn là vòng đời hữu ích của vật liệu PCM-bao bì đóng gói và số chu kỳ hoạt động bao lâu mà PCM không bị suy giảm đặc tính của chúng Không đủ độ ổn định lâu dài của vật liệu lưu trữ là do hai yếu tố: độ ổn định thấp các đặc tính vật liệu và / hoặc sự

ăn mòn giữa PCM và bao bì đóng gói

Sự tiến triển cho bao bì đóng gói PCM phải hướng tới biểu hiện vật lý và ổn định nhiệt, nghĩa các PCM phải có khả năng hoạt động qua nhiều chu kỳ lặp đi lặp lại cho đặc tính hấp thụ lạnh và tản nhiệt Mục đích của các kiểm tra chu kỳ hoạt động nhiệt là để xác định xem những tiếp xúc nhiệt có đạt được kết quả trong việc định hướng PCM hoặc có ảnh hưởng đến đặc tính nhiệt của PCM không

Kimura và Kai [11] đã sử dụng NaCl để cải thiện sự ổn định của CaCl2.6H2O, chứa nước nhiều hơn các thành phần cân bằng hóa học, và được thấy là rất ổn định sau hơn 1.000 chu kỳ nóng-lạnh Gibbs và Hasnain [12] khẳng định parafin có sự ổn định nhiệt tuyệt vời, cả chu kỳ và cả sự tiếp xúc với kim loại cũng không làm giảm đặc tính nhiệt của chúng Hầu hết các cuộc thực nghiệm kiểm tra ăn mòn khi sử dụng PCM được thực hiện với muối hydrat Trong một nỗ lực để phát triển tấm thạch cao PCM ốp tường

và trong cố gắng đạt được hiệu quả năng lượng tốt nhất, các kiểm tra về chu kỳ nhiệt đã được thực hiện cho khoảng 24% khối lượng PCM thấm đẫm vào ván ốp tường Các mẫu này cho thấy PCM (paraffin) không có khuynh hướng di chuyển bên trong tấm ốp tường,

và không quan sát thấy sự suy giảm trong khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt

Mật độ của PCM rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến hiệu quả lưu trữ trên mỗi đơn vị thể tích Muối hydrat thường đậm đặc hơn parafin, do đó, đạt hiệu quả cao hơn tính trên mỗi đơn vị thể tích Sự thay đổi về thể tích cùng với quá trình chuyển pha vật

liệu, sai biệt 10%, có thể là một vấn đề nhỏ phải giải quyết Bảng 2.3 trình bày các đặc tính nhiệt thực nghiệm của Lane [13]cho cả chất lỏng và chất rắn của một số PCM

Bảng 2.3 : Dữ liệu lý nhiệt đo được của một số chất PCM

Hợp chất Điểm tan chảy o C Nhiệt năng(kJ/kg) Hệ số dẫn nhiệt(W/mK) Mật độ(kg/m3)

Vô cơ

MgCl2.6H2O 117 168.6 0.570 (lỏng, 120 oC) 1450 (lỏng, 120 oC)

0.694 (rắn, 90 oC) 1569 (rắn, 20 oC) Mg(NO3)2 6H2O 89 162.8 0.490 (lỏng, 95 oC) 1550 (lỏng, 94 oC)

0.611 (rắn, 37 oC) 1636 (rắn, 25 oC) Ba(OH)2 8H2O 48 265.7 0.653 (lỏng, 85.7 oC) 1937 (lỏng, 84 oC)

1.225 (rắn, 23 oC) 2070 (rắn, 24 oC) CaCl2 6H2O 29 190.8 0.540 (lỏng, 38.7 oC) 1562 (lỏng, 32 oC)

0.1.088 (rắn, 23 oC) 1802(rắn, 24 oC)

Hữu cơ

Sáp Paraffin 64 173.6 0.167 (lỏng, 63.5 oC) 790 (lỏng, 65 oC)

0.346 (rắn, 33.6 oC) 916 (rắn, 24 oC) Polyglycol E600 22 127.2 0.189 (lỏng, 38.6 oC) 1126 (lỏng, 25 oC)

- 1232 (rắn, 4 oC)

Axít béo

Palmitic acid 64 185.4 0.162 (lỏng, 68.4 oC) 850 (lỏng, 65 oC)

- 989 (rắn, 24 oC) Capric acid 32 152.7 0.153 (lỏng, 38.5 oC) 878 (lỏng, 45 oC)

- 1004 (rắn, 24 oC) Caprylic acid 16 148.5 0.149 (lỏng, 38.6 oC) 901 (lỏng, 30 oC)

sự phân lớp cũng được quan sát Tuy nhiên, bằng cách thêm 5% chất attapulgite đất sét vào hỗn hợp eutectic này, sự phân lớp được ngăn chặn Hợp chất Eutectic này được đóng gói trong quả bóng rỗng bằng HDPE, đường kính 2,54 cm và trải qua được khoảng 1.100 chu kỳ nóng / lạnh trong phạm vi nhiệt độ từ 25OC đến 65OC Vào những chu kỳ cuối, mức giảm Enthalpy được tìm thấy là 5%

*Trong nhiệt động học và hóa học phân tử, Enthalpy là nhiệt lượng mà hệ trao đổi

trong quá trình đẳng áp Enthalpy là sự biến thiên nhiệt lượng khi một mol của một chất phản ứng hoàn toàn với ôxy ở 298 độ Kelvin và 1 atm

Enthalpy được giới thiệu trong công thức đưa ra bởi nhà vật lí Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes những năm đầu thế kỉ 20 : H = E + pV

Ở đây E là năng lượng của hệ Nếu không có tác động của môi trường ngoài, enthalpy có thể được viết dưới dạng: H = U + pV, với H là Enthalpy của hệ, U là nội năng của hệ, p là áp suất của hệ, V là thể tích của hệ

2.1.4.Các phương pháp nâng cao sự truyền nhiệt

Một vấn đề lớn cần được giải quyết là hầu hết PCM có sự truyền dẫn nhiệt thấp,

do đó, kỹ thuật nâng cao sự truyền nhiệt là cần thiết cho bất kỳ ứng dụng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn nào

2.1.4.a.Đóng gói : PCM phải được đóng gói theo một cách nào đó, để ngăn chặn

sự sụt giảm lớn nhiệt truyền trong quá trình tan chảy và hóa rắn của nó PCM thường được chứa trong một vỏ bao che phẳng mỏng, tương tự như các tấm trao đổi nhiệt, như thể hiện trong hình 2.2, với dòng chất lỏng truyền nhiệt chảy qua (heat transfer fluid)

Hình 2.2: Một hệ lưu trữ nhiệt dùng vỏ bao che phẳng đóng gói PCM

Hầu hết các PCM đều bị những thay đổi lớn về thể tích (xấp xỉ 10%) khi tan chảy Điều này có thể gây ra ứng suất cao cho các bộ trao đổi nhiệt Sự thu nhỏ thể tích trong quá trình hóa rắn có thể không chỉ làm giảm diện tích truyền nhiệt mà còn tách PCM ra khỏi bề mặt truyền nhiệt, tăng đề kháng truyền nhiệt đáng kể Vấn đề này thường được giảm thiểu bằng cách lựa chọn đúng đắn vỏ bao che đóng gói, một phần được lấp đầy PCM Đóng gói hình cầu có thể là giải pháp tốt cho vấn đề này

Trong một nỗ lực để cải thiện tốc độ truyền nhiệt, một cấu trúc tổ ong, một phần

đổ đầy PCM, đã được sử dụng [14] Sự sắp xếp này cũng đã loại bỏ những ứng suất lớn

có thể gây ra bởi việc nở rộng thể tích của PCM

2.1.4.b.Làm ống xẻ rãnh và nhồi phôi kim loại

Velraj et al [15] đã thử nghiệm các phương pháp tăng cường truyền nhiệt khác nhau, trong đó bao gồm việc sử dụng các ống xẻ rãnh theo chiều dọc nằm bên trong một

hệ lưu trữ nhiệt vỏ ống, tản nhiệt PCM bằng các hạt có tính dẫn nhiệt cao và nhồi thêm phôi kim loại, đặt bên trong các ống chứa PCM Trong khi Ismail et al [16] cũng đã nghiên cứu tăng cường truyền nhiệt bằng cách sử dụng vây rãnh trục bên ngoài các ống được nhận chìm trong chất PCM Cả hai nghiên cứu cho thấy sự cải thiện đáng kể tốc độ

truyền tải nhiệt do những cải tiến tăng cường này Các phép đo thực nghiệm, thu được từ phân tích số liệu của họ trên chiều cao và độ dày vây rãnh khác nhau, cho thấy sử dụng vây rãnh nâng cao tốc độ truyền nhiệt đáng kể

Mặc dù cải thiện đáng kể tỷ lệ truyền nhiệt, nhưng chi phí cao của các ống xẻ rãnh

có thể làm cho việc sử dụng không kinh tế Sự cải thiện tốc độ truyền nhiệt chỉ đáng kể khi một chất lỏng được sử dụng như một dòng chảy truyền nhiệt tách biệt Trong các hệ thống dựa trên không khí làm dòng chảy truyền nhiệt, thì hệ số truyền nhiệt của cả không khí và PCM đều thấp

2.1.4.c.Cấu trúc ma trận kim loại

Một phương pháp được sử dụng là nhúng các PCM trong một cấu trúc ma trận kim loại Mehling et al., Fukai et al và Py et al [17] đề xuất rằng PCM được nhúng vào bên trong một ma trận than chì để tăng dẫn nhiệt trong PCM, mà không có sự suy giảm đáng kể trong lưu trữ năng lượng

2.1.4.d Truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp giữa muối ngậm nước và một chất lỏng tách biệt (không bị trộn lẫn vào dung dịch muối)

Tiếp xúc trực tiếp giữa các vật liệu PCM và dòng chất lỏng truyền nhiệt : điều này cần vật liệu PCM có đặc tính hóa học ổn định trong thời gian dài tiếp xúc trực tiếp và sự hóa rắn PCM xảy ra trong các hạt nhỏ, đảm bảo truyền nhiệt đủ trong quá trình tan chảy tiếp theo Truyền nhiệt giữa PCM và dòng chất lỏng là cần thiết để nạp lạnh và xả nhiệt cho PCM Ý tưởng sử dụng truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp giữa muối ngậm nước và một chất lỏng tách biệt lần đầu tiên được giới thiệu bởi Etherington [18], sử dụng muối disodium phosphate dodecahydrate Na2HPO4.12H2O như một PCM và một loại dầu khoáng nhẹ như một chất lỏng truyền nhiệt, sục bọt tăm qua dung dịch muối Kích động gây ra bởi các bọt tăm làm giảm cả bù lạnh và phân lớp bên trong hợp chất PCM, hai vấn

đề nghiêm trọng trong quá trình kết tinh của hầu hết các muối ngậm nước

Hai hệ lưu trữ nối tiếp được sử dụng, có sự kết hợp của Na2CO3.10H2O và

Na2S2O3.5H2O là các muối kết tinh ở nhiệt độ thấp và cao tương ứng Sử dụng sắp xếp này trong cả hai giai đoạn thu nhiệt và xả nhiệt đều thấy gia tăng sự truyền nhiệt Dầu hỏa

nóng sục qua cột chứa các Na2S2O3.5H2O đầu tiên, sau đó đến cột thứ hai chứa Na2CO3.10H2O Điều này đã được thực hiện để cung cấp sự chênh lệch nhiệt độ cao giữa dầu hỏa

và vật liệu PCM, cần thiết cho tốc độ truyền nhiệt cao Dòng chảy của dầu hỏa (kerosene) được đảo ngược trong chu kỳ xả nhiệt, như thể hiện trong hình 2.3

Hình 2.3.Sơ đồ lưu trữ nhiệt bằng dòng chất lỏng truyền nhiệt Truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp chuyển pha sử dụng muối ngậm nước cung cấp tỷ suất truyền nhiệt rất cao Hệ số truyền nhiệt cao theo thể tích, có thể đạt được trong một

hệ thống như vậy, chủ yếu là do diện tích bề mặt lớn của những giọt chất lỏng truyền nhiệt để chuyển nhiệt từ hoặc đến hệ lưu trữ nhiệt Nhiệt tiềm ẩn cao của sự kết tinh các muối ngậm nước bù cho nguyên lý nước phụ thêm tránh sự kết tủa của muối khan Tuy nhiên, điều quan trọng trong tương lai là để kiểm tra hoạt động của các hệ thống lớn có kích thước thực tế và có thời gian đủ dài

2.1.4.e.Đóng gói PCM dạng hạt nang micro (3-100 µm) và / hoặc macro (1-3 mm)

-Macro-encapsulation: đây là phương pháp đóng gói thường được sử dụng nhất Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng một mô-đun nhựa (plastic), nhựa trung lập hóa học đối với cả hai vật liệu PCM và dòng chất lỏng truyền nhiệt Các mô-đun nhựa thường có đường kính vài centi-mét

-Micro-encapsulation: đây là một kỹ thuật tương đối mới, trong đó PCM được đóng gói trong một vỏ nhỏ bằng vật liệu polymer với đường kính của micromet, hình 2.4 Với bề mặt trao đổi nhiệt lớn và có hình cầu dạng bột có thể được tích hợp vào nhiều vật liệu xây dựng hoặc được sử dụng trong hệ thống bơm trộn hồ xi-măng Thạch cao kết hợp với đóng gói nang-vi mô PCM được đưa ra thị trường từ năm 2004 Vật liệu PCM kết hợp trộn hồ xi-măng vẫn còn được nghiên cứu phát triển

Các hạt PCM đóng gói dạng micro (3-100 µm) và / hoặc macro (1-3 mm) có thể được tích hợp vào trong các loại sợi dệt, vật liệu composite tổng hợp, quần áo nhằm giúp cho sự bảo vệ nhiệt tuyệt hảo hơn nữa trong cả hai môi trường nóng và lạnh

Hình 2.4 : Đóng gói vi nang (Micro-encapsulation) Sản xuất vật liệu PCM theo dạng micro có rất nhiều lợi thế, như tăng diện tích truyền nhiệt, giảm phản ứng của PCM đối với môi trường bên ngoài và kiểm soát những thay đổi trong thể tích vật liệu lưu trữ khi sự chuyển pha xảy ra Lane [19,20] đã xác định được hơn 200 vật liệu lưu trữ nhiệt chuyển pha tiềm năng có nhiệt độ tan chảy từ 10-90oC được sử dụng để đóng gói Micro-encapsulation PCM muối CaCl2.6H2O chứa trong nhựa polyester đặc biệt thành công, và việc phát triển sang làm các tấm tường và tấm sàn cũng được nghiên cứu Ông đã đánh giá tính khả thi kỹ thuật và kinh tế của việc sử dụng đóng gói PCM cho lưu trữ năng lượng nhiệt trong các ứng dụng sưởi ấm nhà ở bằng năng lượng mặt trời và đã phát triển phương tiện đóng gói một nhóm các vật liệu lưu trữ nhiệt chuyển pha đầy hứa hẹn chứa trong vỏ kim loại hoặc nhựa Sau khi xem xét một số phương án sưởi ấm và làm mát sử dụng vật liệu lưu trữ nhiệt, một thiết kế lưu trữ trung tâm, dùng không khí nóng cưỡng bức, sử dụng muối CaCl2.6H2O bọc bằng ống nhựa dẻo

đã được ông lắp đặt

2.2 CÁC ỨNG DỤNG CHÍNH CỦA VẬT LIỆU PCM

Vật liệu chuyển pha (PCM) là vật liệu lưu trữ nhiệt tiềm ẩn Chúng sử dụng các liên kết hóa học để lưu trữ và giải phóng nhiệt Việc chuyển giao năng lượng nhiệt xảy ra khi có một thay đổi vật liệu từ trạng thái rắn sang lỏng hoặc từ một chất lỏng thành chất rắn Điều này được gọi là một sự thay đổi trong trạng thái hoặc "pha"

Ban đầu, các vật liệu lưu trữ nhiệt cảm nhận được sử dụng như vật liệu lưu trữ nhiệt thông thường, nhiệt độ của chúng tăng lên khi chúng hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời Không giống như các vật liệu lưu trữ nhiệt cảm nhận, khi PCM đạt đến nhiệt độ mà tại đó nó thay đổi pha (điểm nóng chảy của nó), nó hấp thụ một lượng nhiệt lớn mà không trở nên nóng hơn Khi nhiệt độ môi trường không gian xung quanh vật liệu PCM giảm, nó chuyển sang trạng thái rắn, và giải phóng nhiệt tiềm ẩn đã được lưu trữ trước

đó Vật liệu PCM hấp thụ và tỏa nhiệt trong khi lại duy trì một nhiệt độ xung quanh gần như không đổi Trong việc duy trì điều kiện hoạt động môi trường của con người và các thiết bị điện tử trong phạm vi từ 25 OC đến 30 OC,vật liệu lưu trữ nhiệt tiềm ẩn trở nên có hiệu quả Các ứng dụng chính của PCM là dùng trong các vùng không gian hạn chế, mà không cần đến các thiết bị lưu trữ nhiệt to lớn, trong các hệ thống năng lượng mặt trời trực tiếp hoặc thụ động PCM có thể được sử dụng trong các phòng kín chứa thiết bị điện

tử như trạm viễn thông hoặc máy sưởi ấm nước nóng năng lượng mặt trời hoặc hệ thống sưởi ấm / làm mát trong vũ trụ

Các ứng dụng lưu trữ năng lượng dùng vật liệu chuyển pha PCM không giới hạn chỉ ở các hệ thống làm nóng lạnh dùng năng lượng mặt trời, mà còn được xem xét trong các ứng dụng khác như được giới thiệu dưới đây

2.2.1 Trạm viễn thông:

Trạm viễn thông được cách nhiệt, dùng máy lạnh làm mát thiết bị viễn thông Thiết bị viễn thông và cả dàn bình accu, rất nhạy cảm và nhiệt độ môi trường xung quanh chúng phải luôn luôn được duy trì dưới 25 OC indoor và 35 OC outdoor Ở các nước kém phát triển, bị cắt điện thường xuyên, buộc các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lắp đặt máy phát điện, để cấp điện chạy máy lạnh mỗi khi bị cắt điện lưới Vật liệu PCM được lắp đặt trong phòng máy sẽ hấp thụ nhiệt của thiết bị trong trường hợp mất điện lưới, giảm thiểu hoặc loại bỏ sử dụng máy phát điện, do đó tiết kiệm chi phí dầu chạy máy Diesel Vật liệu PCM sẽ được nạp lạnh trở lại bằng máy lạnh khi có lại điện lưới

2.2.2 Vận chuyển:

Việc vận chuyển các loại thực phẩm dễ hư hỏng, dược phẩm nhạy cảm với nhiệt

độ, thiết bị điện tử các loại (như máy biến áp đánh lửa) và hóa chất phải yêu cầu xe tải lạnh Xe tải lạnh sử dụng động cơ diesel như một nguồn năng lượng để làm lạnh như vậy

là rất tốn kém Chi phí năng lượng động cơ diesel tạo ra là cao hơn 6 lần so với chi phí điện thông thường Sử dụng vật liệu PCM để giữ lạnh thay cho động cơ diesel xe tải lạnh

là hết sức tiết kiệm

Một ứng dụng đầy hứa hẹn của các PCM là cung cấp vaccine cho các nước đang phát triển Vaccine cần được giữ lạnh trong quá trình vận chuyển, đây là thách thức đối với các quốc gia với khả năng giữ lạnh có giới hạn Chúng thường được đóng gói trong nước đá, nhưng hiệu quả của chúng có thể bị giảm nghiêm trọng nếu chúng bị đóng băng

Sử dụng vật liệu chuyển pha từ 4 OC đến 8 OC, nhà sản xuất bao bì Mỹ Sonoco cho biết

họ đã phát triển một giải pháp mà có thể giữ mát vaccine tới sáu ngày Sonoco đang thử nghiệm Greenbox với một nhà phát triển công nghệ sinh học phi lợi nhuận PATH, để đáp ứng các tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới

Một số đồ vật đóng gói cho giữ lạnh và vận chuyển Một "thùng cách nhiệt dùng PCM" kích thước nhỏ như hình ảnh dưới Nó gồm bốn tấm PCM lắp vào một thùng cách nhiệt chất lượng cao Thùng giữ được nhiệt độ bên trong ở 18O

C trong 30 ngày Thùng chứa có bất kỳ kích thước và hình dạng nào có thể được chế tạo theo thiết kế riêng

2.2.3 Xe ô tô

Hiện nay PCM đã được sử dụng trong bình điện accu nhiệt tiềm ẩn do hãng BMW cung cấp như thiết bị tùy chọn trong series 5 của hãng Nguyên tắc là khá đơn giản, vật liệu lưu trữ được kết nối với bộ tản nhiệt và lưu trữ nhiệt dư thừa khi động cơ chạy ở nhiệt độ vận hành Nhiệt lượng này là sẵn sàng cho lần sau, khi xe khởi động nguội nhằm làm nóng động cơ một cách nhanh chóng (tiết kiệm nhiên liệu hơn) và làm ấm khoang trong xe Do cách nhiệt tuyệt vời của bình điện accu nhiệt tiềm ẩn, nó có thể duy trì năng lượng nhiệt này trong 2 ngày ở nhiệt độ bên ngoài âm 20O

C Như một phần mở rộng ứng dụng này, PCM cũng có thể được sử dụng trong chụp ống xả khí thải của xe Điều này sẽ duy trì bộ chuyển đổi xúc tác ở nhiệt độ thiết kế của

xe, giảm lượng khí thải Hydro-carbon quá mức mỗi khi xe khởi động Bằng một bộ chuyển đổi nóng mỗi khi bắt đầu khởi động xe, lượng khí thải tự động, chẳng hạn như hydrocarbon và carbon monoxide có thể được giảm đáng kể lên đến 80% Bộ chuyển đổi xúc tác được gói trong một bộ phận cách điện chân không nhỏ gọn, để giữ nó ở một nhiệt

độ hoạt động hiệu quả lên đến 24 giờ sau khi động cơ xe đã tắt Một bộ chuyển đổi xúc tác được phát triển bằng cách sử dụng PCM để hấp thụ, lưu trữ và tản nhiệt khi cần thiết

2.2.4 Nước nóng cho gia đình:

Năng lượng mặt trời không có sẵn cả ngày.Việc lắp đặt hệ thống năng lượng mặt

trời đòi hỏi một hệ thống trung gian lưu trữ năng lượng để làm nóng hoặc làm ấm

nước Hệ thống sưởi ấm năng lượng mặt trời ứng dụng PCM có được lợi ích so với một

hệ thống thông thường : khối lượng vật liệu lưu trữ cần thiết giảm khoảng 2/3 so với hệ

thống lưu trữ bằng nước và hiệu quả cao hơn, do sự khác biệt nhiệt độ thấp hơn giữa nạp

(loading) và xả năng lượng nhiệt Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn cũng có thể được thực hiện trong

hệ thống sưởi ấm thông thường Máy nước nóng năng lượng mặt trời dùng vật liệu PCM

cũng sẽ cung cấp một nhiệt độ nước kiểm soát tốt hơn

2.2.5 Vật liệu xây dựng nhà cửa:

Bầu không khí trong phòng chỉ cảm thấy thoải mái nếu nó chỉ có thay đổi nhỏ cả

ngày Vì lý do này, những ngôi nhà với những bức tường rất dày là đặc biệt thoải mái:

mát mẻ vào mùa hè và ấm áp trong mùa đông Để đạt được điều này trong công trình xây

dựng ít đồ sộ hơn do dùng vật liệu xây dựng nhẹ, người ta có thể trang bị các vật liệu xây

dựng có chứa PCM và đạt được các tính chất tương đương như xây dựng những bức

tường dày Bằng cách hấp thụ nhiệt đạt đỉnh (ví dụ như trong suốt ban ngày có ánh nắng

mặt trời) và nhả nhiệt lượng từ từ vào ban đêm (trời lạnh về đêm), trong hầu hết các

trường hợp, người ta thậm chí có thể không cần dùng máy điều hòa không khí

Neeper đã khảo sát các chức năng nhiệt động của ván ốp tường thạch cao được

ngâm tẩm bằng axit béo và sáp parafin, như là vật liệu PCM, làm đối tượng thí nghiệm

cho sự biến đổi cả ngày đêm của nhiệt độ trong phòng Ông thấy rằng việc lưu trữ nhiệt

được cung cấp bởi tấm ốp tường PCM sẽ là đủ để cho phép thu giữ phần lớn sức nóng

năng lượng mặt trời Stetiu và Feustel đã trình bày một chương trình mô phỏng

về nhiệt tòa nhà, dựa trên một phương pháp tiếp cận khác biệt hữu hạn để đánh giá hiệu

suất lưu trữ nhiệt tiềm ẩn của PCM-tấm ốp tường Khối lượng nhiệt thu được có thể được

sử dụng làm giảm đỉnh năng lượng yêu cầu và giảm bớt kích thước hệ thống làm mát

hoặc sưởi ấm

Athienitis et al đã tiến hành một nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm và mở rộng đầy

đủ cho một căn phòng ngoài trời với tấm thạch cao PCM như lớp gỗ che tường Thạch

cao PCM chứa tỷ lệ khoảng 25% trọng lượng chất Butyl Stearate (BS) Nó là chỉ ra rằng

sử dụng các tấm thạch cao PCM có thể làm giảm nhiệt độ phòng tối đa bằng khoảng 4OC

vào ban ngày và có thể giảm tải sưởi ấm vào ban đêm một cách đáng kể

2.2.6 Dịch vụ ăn uống:

Việc vận chuyển các bữa ăn còn ấm đòi hỏi phải có nguồn nhiệt hâm nóng, nếu

không sẽ không đáp ứng được các tiêu chuẩn chất lượng của người tiêu dùng Một nguồn

điện cấp nhiệt không phải lúc nào cũng dễ dàng thực hiện Trong trường hợp như vậy vật

liệu PCM cung cấp một ý tưởng tuyệt hảo, một yếu tố hâm nóng lý tưởng ổn định Nhiệt

độ nóng chảy của vật liệu PCM sử dụng trong trường hợp giữ nóng thức ăn này tương

ứng với nhiệt độ mà tại đó thức ăn cần được hâm giữ nóng Nhiệt độ từ 60OC - 70OC là tối ưu để các thực phẩm thức ăn không cần tiếp tục đun nấu, nhưng lại đủ nóng để ăn

2.2.7 Thiết bị điện tử:

Mạch điện tử là cực kỳ nhạy cảm với nhiệt độ quá nóng, ảnh hưởng tiêu cực đến

cả vòng đời và độ tin cậy của các bộ phận linh kiện Cho đến nay, tản nhiệt dạng vây rãnh kim loại được sử dụng cho hấp thụ nhiệt, nâng cao năng lực làm mát thêm với quạt gió Hấp thụ nhiệt tại các mức đỉnh sử dụng PCM là hoàn toàn đáng tin cậy vì không dùng động cơ (quạt gió) hoặc các phương thức đo nhiệt độ PCM tái tạo (nạp lạnh) vào giữa các đỉnh nhiệt của thiết bị điện tử bằng cách phát tỏa nhiệt qua bộ phận làm mát dạng vây Lợi thế của nó là một hệ thống làm mát nhỏ hơn với độ tin cậy rất cao

UK-based Star Refrigeration đang sử dụng carbon dioxide CO2, vốn chuyển từ pha lỏng sang khí ờ nhiệt độ rất thấp, nhằm giữ các trung tâm dữ liệu luôn mát, có thể áp đảo ngay cả những hệ thống nước làm mát tiên tiến nhất Bằng cách bơm CO2 qua hệ trao đổi nhiệt, gần đây Công ty đã chứng minh khả năng lấy gần gấp đôi lượng nhiệt từ các máy chủ so với các hệ thống làm mát được sử dụng hiện nay

2.2.8 Nhà kính trồng cây :

Điều quan trọng là duy trì nhiệt độ dao động trong một phạm vi nhỏ, để cây cối trong nhà kính phát triển Tuy nhiên, thực tế do nhiệt độ dao động trong phạm vi lớn giữa ban ngày và ban đêm, hầu hết các nhà kính đều cần máy điều hòa không khí và / hoặc máy sưởi ấm Vật liệu PCM được lắp đặt trên sàn nhà của các nhà kính như vậy sẽ loại

bỏ hoặc giảm bớt sự phụ thuộc vào hệ thống điều hòa không khí

2.2.9 Lưu trữ nhiệt cho chuyển dịch tải nhiệt giờ cao điểm điện lực

Tiêu thụ điện thay đổi khác nhau trong ban ngày và ban đêm theo nhu cầu tiêu thụ của hoạt động công nghiệp, thương mại và dân cư Sự thay đổi trong nhu cầu điện dẫn đến một hệ thống giá bán điện khác biệt trong giờ cao điểm và giờ thấp điểm ( thường là sau nửa đêm cho đến đầu giờ buổi sáng) Sự chuyển dịch sử dụng điện giờ cao điểm sang giờ thấp điểm sẽ cung cấp lợi ích kinh tế đáng kể Sự phát triển của một hệ thống lưu trữ năng lượng bằng PCM có thể là một trong những các giải pháp cho vấn đề nguồn cung và cầu điện không cân bằng Các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng PCM sẽ cho phép năng lượng dư thừa được lưu trữ cho đến khi nó được phát hành khi cần thiết

2.2.10 Lò sưởi ấm mùa đông

Lò sưởi ấm mùa đông là một ứng dụng trực tiếp và đơn giản của hệ thống lưu trữ năng lượng và đã được sử dụng trong nhiều quốc gia Các lò sưởi gia đình phổ biến nhất

sử dụng gạch gốm và cấu trúc xi măng, được đun nóng với dây điện trở hoặc chất lỏng

truyền nhiệt (như nước nóng) Nhiệt năng được trích xuất từ lò sưởi nhờ sự đối lưu tự nhiên và bức xạ hoặc bằng đối lưu cưỡng bức sử dụng quạt điện Farid và Husian đã giới thiệu một khái niệm mới cho thiết kế các lò sưởi này theo cách thay thế những viên gạch gốm bằng sáp paraffin đóng gói trong vỏ bao che kim loại mỏng Trong thời gian thu nhiệt, sáp paraffin lưu trữ một lượng lớn nhiệt là nhiệt tiềm ẩn tan chảy, sau đó liên tục thải nhiệt ra trong thời gian khác Bốn hệ thống lưu trữ được lấp đầy với sáp parafin có nhiệt độ nóng chảy xung quanh 55OC Một thanh điện trở làm nóng đặt trên trục của mỗi

hệ thống, để cung cấp thông lượng nhiệt thấp nhưng đủ làm tan chảy tất cả các sáp trong vòng 8 giờ Sử dụng phương pháp lưu trữ chuyển pha PCM làm giảm trọng lượng đáng

kể cho các lò sưởi gia đình

2.2.12 Điều hòa không khí:

John et al.(*) đã thiết kế một hệ thống thông gió làm mát vào ban đêm mới lạ (một

sự kết hợp giữa PCM và ống dẫn nhiệt) như một sự thay thế cho điều hòa nhiệt độ Hệ thống cung cấp lợi ích lớn lao trong việc giảm hoặc loại bỏ máy điều hòa không khí, do

đó giảm đáng kể khí thải CO2 và tiết kiệm năng lượng trong các tòa nhà

*John T, David E, David R A novel ventilation system for reducing air conditioning in buildings: Testing and theoretical modeling Appl Therm Eng 2000;20:1019–37

Autarkis người Hà Lan đã thực hiện một công trình điều hòa không khí bằng vật liệu chuyển pha PCM Nhà quả bóng nổi của Rotterdam là một nơi công cộng có tính chất ví dụ điển hình

Vật liệu PCM mới nhất TM 29T của Công ty Ấn Độ PCM Energy P Ltd với điểm tan chảy 29O

C và nhiệt năng tiềm ẩn 175 KJoule / kg, thích hợp cho dự phòng điều hòa không khí trạm BTS hoặc shelter viễn thông Nó cũng là một lựa chọn tốt để sử dụng điều hòa không khí khi thay đổi nhiệt độ từ 15O

C vào ban đêm và tăng lên đến 40OC vào ban ngày Nó sẽ hoạt động như một máy sưởi ấm vào ban đêm và làm mát ban ngày

2.2.13.Điểm thực nghiệm tại một trạm BTS dùng vật liệu PCM có điểm tan chảy

29 O C tại Ấn Độ

Hầu hết các trạm BTS hoặc các Shelter viễn thông được trang bị các thiết bị điện

tử và nguồn accu, cho nên máy lạnh được trang bị để làm mát thiết bị và accu Khi mất điện lưới, nhiệt độ bên trong trạm BTS vọt lên cao rất nhanh từ 7-10OC trong vòng 30-60 phút, do nhiệt lượng tạo ra bởi các thiết bị và cũng bởi cả môi trường chung quanh Máy phát điện được sử dụng để cấp điện AC dự phòng Dù sao thì chúng được sử dụng kịp thời hay không còn do nhân viên phụ trách nhà trạm BTS; việc chậm trễ trong vận chuyển máy phát điện đến ứng cứu làm trầm trọng thêm tình hình hoạt động trạm BTS

Để giảm thiểu sự phụ thuộc vào máy phát điện, hệ thống dự phòng làm mát bằng

PCM có thể được trang bị cho nhà trạm BTS Vật liệu PCM Latest TM 29T được sử dụng

tại Ấn Độ nhằm mục đích dự phòng làm mát cho một trạm BTS yêu cầu nhiệt độ phòng máy dưới 35O

C

Khối lượng 210kg vật liệu PCM*180 KJ/kg = 37.800 KJ cho dự phòng làm mát (back-up) Tương đương 37.800/3.600 = 10,5 KWH điện năng ( Giá trị lý thuyết là 188KJ/Kg vật liệu PCM cho được điện năng dự phòng xấp xỉ 11 KWH)

Với 210 Kg vật liệu PCM được nhồi trong những tấm panel vỏ nhựa và lắp đặt bên trong phòng máy một trạm BTS, kích thước 2m (sâu) x 2.5m (rộng)x 2.7m(cao) Năm đầu dò nhiệt gắn tại các điểm khác nhau trong phòng máy Máy lạnh được tắt vào lúc nhiệt độ phòng là 17,3OC Nhiệt độ môi trường chung quanh cũng được đo đạc nhằm

so sánh đối chiếu Điện áp bình accu được quan trắc liên tục Nhiệt độ cao nhất trong phòng máy cho phép là 35OC Hình ảnh dưới đây minh họa cho một trạm viễn thông BTS làm mát bằng giá kẹp các tấm PCM dạng panel

Số liệu thống kê của thực nghiệm cho thấy trạm BTS trải qua thời gian ngắt máy lạnh, và được làm mát bằng giá kẹp PCM giữ nhiệt độ phòng máy cao nhất xấp xỉ 34OC trong 6 tiếng đồng hồ

Bảng 2.4 : Bảng dữ liệu đo đạc trong suốt quá trình thực nghiệm làm mát trạm BTS

Dữ liệu đo đạc

Thời gian sau

Bảng 2.5 : Bảng so sánh chi phí vận hành của shelter viễn thông có dùng vật liệu PCM và không dùng vật liệu PCM do Công ty PCM Energy P Ltd Ấn Độ thực hiện

Có điện lưới 18 tiếng/ngày

6 tiếng mất điện lưới AC

Có điện lưới 20 tiếng/ngày

4 tiếng mất điện lưới AC

Chi phí cho SHELTER không

PCM

SHELTER có PCM

SHELTER không PCM

SHELTER có PCM

Giá tiền điện 410.625 Rs 547.500 Rs 456.250 Rs 547.500 Rs

Giá tiền chạy

Chỉ 25-35% của số tiền tiết kiệm trên dùng nạp lại vật liệu PCM

Phương pháp tính: (54Rs=1USD) Tải (Load) =

2,5KW

Tiền tệ Ấn Độ = Ringit (Rs)

1 Giá tiền điện (Power Cost) = Giờ có điện (18h và 20h) x Load (KW) x Giá điện 1Kwh (5Rs/KWH) x 365 (ngày/năm) x 5 năm = 410,625Rs và 456,250Rs

2 Giá tiền chạy máy phát điện (DG Cost) = Giờ chạy máy (6h và 4h) x Giá tiền 1 lít dầu ( 35 Rs/lít) x Mức tiêu thụ (2,5 lít/h) x 365 (ngày/năm) x 5 năm

3 Giá tiền điện có PCM cao hơn, do PCM nạp năng lượng từ máy lạnh (AC)

Giá tiền điện có PCM (PCM charging cost) = Load (KW) x Giờ nạp lạnh (6h và 4h) x

365 (ngày/năm) x 5 năm x Giá điện 1Kwh (5Rs/ KWH) = 136,875Rs và 91,250Rs

4 Những chi phí khác chưa tính vào như bảo dưỡng sửa chữa-vận hành máy phát điện, sửa chữa-bảo dưỡng máy lạnh.v.v…

*Mục 3 Tác giả tính nhầm tải máy lạnh nạp lạnh vật liệu PCM cùng là Load, là tải nhà

trạm ( tải lạnh + tải thiết bị) Trong thời gian nạp lạnh thì đã có điện rồi, máy lạnh sẽ chạy lâu hơn để nạp lạnh cho vật liệu PCM trong 6 tiếng và 4 tiếng, tương đương tăng công suất máy lạnh lên thêm 20%

Nếu tính tải lạnh 1Kw thì công suất biểu kiến tăng lên là 1,2Kw, cho nên tính lại giá tiền điện có PCM sẽ là : 0,2Kw tải lạnh x (6h và 4h)x 365 x 5 x 5Rs =10.950Rs và 7.300 Rs Giá tiền điện trong 5 năm lần lượt là 421.575 Rs và 463.550 Rs, không phải 547.500 Rs

Tỷ lệ % tiết kiệm dầu chạy máy trong 5 năm lần lượt là 69% và 57%