Nghiên cứu thử nghiệm quá trình lưu trữ nhiệt của ắc qui nhiệt sử dụng vật liệu thay đổi pha

Bài báo trình bày nguyên lý làm việc, cơ sở tính toán, thiết kế mô hình thực nghiệm một ắc qui nhiệt sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM) để lưu trữ năng lượng và tiến hành thử nghiệm mô hình với các điều kiện hiện có tại phòng thí nghiệm.

TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM QUÁ TRÌNH LƯU TRỮ NHIỆT CỦA ẮC QUI NHIỆT SỬ DỤNG VẬT LIỆU THAY ĐỔI PHA EXPERIMENTAL STUDY ON THE HEAT STORAGE PROCESS OF THERMAL BATTERY USING THE PHASE CHANGE MATERIAL DƯƠNG XUÂN QUANG*, ĐẶNG VĂN TRƯỜNG Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: duongxuanquang@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày ngun lý làm việc, sở tính tốn, thiết kế mơ hình thực nghiệm ắc qui nhiệt sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM) để lưu trữ lượng tiến hành thử nghiệm mơ hình với điều kiện có phịng thí nghiệm Ắc qui nhiệt thiết kế với thể tích 36 lít lưu trữ 6865 (kJ) với cơng suất 0,2kW tương đương với tích nhiệt sử dụng nước tích lơn 2,1 lần điều kiện nhiệt độ Từ khóa: Ắc qui nhiệt, thay đổi pha, truyền nhiệt, lưu trữ nhiệt Abstract The article presents the working principle, calculation basis, experimental design of a thermal battery using phase change material (PCM) to store energy and test the model with the equipment available in the laboratory The thermal battery designed with a volume of 36 liters can store 6865 (kJ) with a capacity of 0.2kW which’s equivalent to a 2.1 times larger volume of heat storage tank using water as stored material under the same working conditions nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu giảm chi phí [1, 2] Mặt khác, điện mặt trời sử dụng rộng rãi độ bền hệ thống hiệu suất thấp pin không hoạt động giống theo thời gian Đồng thời, chi phí cho pin lưu trữ cịn lớn tuổi thọ không cao Một vấn đề khác công nghệ điện mặt trời thời gian cường độ chiếu sáng ngày Do đó, việc kết hợp hệ thống lưu trữ lượng hiệu với nguồn lượng tái tạo trở nên cần thiết theo thời gian [3, 4] Để lưu trữ lượng mặt trời, phương pháp truyền thống chuyển đổi lượng mặt trời thành lượng điện lưu trữ hệ thống ắc qui điện [5] Trong thời gian gần đây, giải pháp thay đề xuất nghiên cứu sử dụng “ắc qui nhiệt” để lưu trữ lượng mặt trời mà chất thay đổi pha (PCM) sử dụng [6, 7] Trong ắc qui nhiệt này, lượng mặt trời chuyển đổi thành nhiệt lưu trữ vào khoang chứa vật liệu thay đổi pha thơng qua nhiệt ẩn hóa lỏng nhiệt vật liệu Keywords: thermal battery, phase change, heat transfer, heat storage Mở đầu Năng lượng tái tạo đóng vai trị quan trọng việc tạo lượng giảm thiểu tác động tiêu cực tới mơi trường đốt nhiên liệu hóa thạch gây Hiện giới, quy mô dự án sử dụng nguồn lượng tái tạo khác lượng gió, lượng mặt trời, thủy triều,… tăng lên ngày Các dự án bổ sung hàng nghìn MW vào hệ thống lưới điện Cụ thể Việt Nam, theo số liệu Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), tỷ trọng lượng tái tạo (gió, mặt trời) cấp cho hệ thống chiếm gần 23,5% Công nghệ điện mặt trời (PV), chuyển đổi xạ mặt trời trực tiếp thành điện năng, đạt tiến vượt bậc với 44 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống ắc qui nhiệt Sơ đồ nguyên lý ắc qui nhiệt mơ tả Hình Q trình lưu trữ nhiệt (quá trình sạc) vào ắc qui thực có ánh sáng mặt trời Bức xạ SỐ 68 (11-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (a) (b) Hình Mơ hình thí nghiệm ắc qui nhiệt (a) trước (b) sau điền đầy PCM từ mặt trời truyền tới ống hấp thụ nhiệt thu lượng mặt trời làm tăng nhiệt độ chất tải nhiệt (HTF) Chất tải nhiệt bơm tuần hoàn qua ắc qui nhiệt, nhiệt chất tải nhiệt truyền cho PCM thể rắn Đầu tiên, PCM tăng nhiệt độ đạt nhiệt độ nóng chảy Phần nhiệt lượng mà PCM nhận giai đoạn phần nhiệt Sau đó, PCM bắt đầu nóng chảy, suốt q trình nóng chảy nhiệt độ PCM khơng thay đổi Lượng nhiệt làm nóng chảy PCM nhiệt ẩn Trong trường hợp nhiệt độ chất tải nhiệt cao nhiệt độ nóng chảy PCM, nhiệt độ PCM tiếp tục tăng lên phần nhiệt lưu trữ PCM giai đoạn Ở trạng thái này, ắc qui gọi “no nhiệt” Như vậy, PCM lưu trữ lượng nhiệt từ chất tải nhiệt thông qua nhiệt ẩn nhiệt Trong trình sử dụng (quá trình xả) chất tải nhiệt bơm qua ắc qui Do chênh lệch nhiệt độ nên PCM ắc qui nhả nhiệt cho chất tải nhiệt PCM giảm nhiệt độ nhiệt độ với nhiệt độ hóa rắn PCM, PCM bắt đầu chuyển từ thể lỏng sang thể rắn, suốt q trình nhiệt độ khơng đổi Sau PCM hóa rắn hồn tồn, PCM tiếp tục cung cấp phần nhiệt cho chất tải nhiệt nhiệt độ yêu cầu chất tải nhiệt nhỏ nhiệt độ hóa rắn PCM ắc qui Như vậy, PCM truyền cho chất tải nhiệt phần nhiệt ẩn nhiệt mà lưu trữ Nghiên cứu tập trung vào việc tính tốn, thiết kế mơ hình thực nghiệm ắc qui nhiệt, tiến hành thử nghiệm, kiểm tra mơ hình đó, từ kết thực nghiệm nhận đưa đánh giá ban đầu khả ứng dụng ắc qui nhiệt thực tế SỐ 68 (11-2021) Thiết kế mơ hình thí nghiệm ắc qui nhiệt 2.1 Mơ tả thí nghiệm Nhóm tác giả thiết kế xây dựng mơ hình thực nghiệm ắc qui nhiệt, mơ hình nguồn nhiệt từ thu lượng mặt trời thay nguồn cấp nước nóng có nhiệt độ ổn định thể Hình 2a Các kính thước ắc qui nêu Bảng Vật liệu thay đổi pha lựa chọn sử dụng cho thí nghiệm Sáp nến (Parafin Wax) Các đặc tính nhiệt động học xác định Bảng PCM điền đầy vào ắc qui với 85% thể tích bình chứa (Hình 2b) Ắc qui bọc cách nhiệt với môi trường lớp xốp cách nhiệt Expandable PolyStyrene (EPS) Bảng Kích thước ắc qui nhiệt Tham số Chiều dài (𝐿) Chiều rộng (𝐵) Chiều cao (𝐷) Đường kính ống (𝑑) Chiều dài ống (𝐿𝑡) Giá trị Đơn vị 400 300 300 10 5000 mm mm mm mm mm Bảng Tính chất vật lý Parafin Tham số Nhiệt độ nóng chảy (𝑇𝑚 ) Khối lượng riêng (𝜌) Nhiệt dung riêng (𝐶𝑝 ) Nhiệt nóng chảy (∆ℎ𝑚 ) Hệ số dẫn nhiệt (𝑘) Giá trị Đơn vị 43-56 ℃ 900-970 𝑘𝑔/𝑚3 2,0-2,9 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐶 190-210 𝑘𝐽/𝑘𝑔 0,22-0,24 𝑊/𝑚𝐶 Các đầu cảm biến nhiệt độ (ST1 - ST4) loại RTD100 đặt vị trí ắc qui để đo nhiệt độ PCM, cảm biến nhiệt độ (ST_I ST_O) đo nhiệt độ nước vào khỏi ắc qui Nhiệt độ nguồn nhiệt - nước nóng tuần hồn trì ổn định gia nhiệt điện trở, lưu lượng dòng chảy 45 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY điều khiển bơm cấp (AB-1) Cảm biến lưu lượng (SC1) đo lưu lượng nước tuần hoàn qua ắc qui Các thiết bị kết nối điều khiển máy tính Giao diện chương trình điểu khiển thiết kế NI Labview mơ tả Hình 2.2 Phân tích lượng Nhiệt lượng lưu trữ lý thuyết PCM tính theo cơng thức: ( ) ( ) Qmax = m C p,s Tm − Ti + hm + C p,l Tf − Tm    (1) Trong đó, 𝑚 khối lượng PCM, ∆ℎ𝑚 nhiệt ẩn hóa lỏng vật liệu, 𝐶𝑝,𝑠 𝐶𝑝,𝑠 nhiệt dung riêng trạng thái rắn lỏng PCM, 𝑇𝑚 nhiệt độ nóng chảy PCM, 𝑇𝑖 𝑇𝑓 nhiệt độ ban đầu nhiệt độ cuối PCM Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt từ ắc qui môi trường bên ngoài, lượng nhiệt lưu trữ ắc qui nhiệt lượng mà nguồn cấp nhiệt truyền cho PCM Ở điều kiện tốc độ cấp nhiệt xác định theo công thức: 𝑄̇ = 𝑚̇𝐶𝑝,𝐻𝑇𝐹 (𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑜𝑢𝑡 ) (2) Trong đó, 𝑚̇ lưu lượng khối lượng nước, 𝐶𝑝,𝐻𝑇𝐹 nhiệt dung riêng trung bình nước, 𝑇𝑖𝑛 𝑇𝑜𝑢𝑡 nhiệt độ nước vào khỏi ắc qui Tổng nhiệt lượng lưu trữ ắc qui xác định theo công thức: 𝑡 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 𝑄 = ∫0 𝑚̇𝐶𝑝,𝐻𝑇𝐹 (𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑜𝑢𝑡 ) 𝑑𝑡 (3) 2.3 Phân tích tính tin cậy kết thực nghiệm Độ sai lệch giá trị đo thơng số q trình thực nghiệm ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy kết thí nghiệm Do thiết bị đo đạc sử dụng mơ hình thực nghiệm cặp nhiệt điện lưu lượng kế có sai số thân thiết bị cần phải xem xét sai số mà bao hàm tất sai số thiết bị đo riêng biệt q trình tính tốn nhiệt lượng lưu trữ ắc qui Sai số gắn liền với tốc độ truyền nhiệt 𝛿𝑄 xác định công thức: 2 𝛿𝑄 = 𝑡𝐶𝑝,𝐻𝑇𝐹 √(𝛥𝑇𝛿𝑚̇ )2 + (𝑚̇𝛿𝑇𝑜𝑢𝑡 ) + (−𝑚̇𝛿𝑇𝑖𝑛 ) (4) Trong đó, 𝛿𝑚̇ sai số đồng hồ đo lưu lượng, 𝛿𝑇𝑜𝑢𝑡 𝛿𝑇𝑖𝑛 sai số kể đến nhiệt kế đo nhiệt độ nước vào nước Kết thảo luận Tiến hành thí nghiệm với nhiệt độ nước nóng cấp vào chọn 70℃ Nhiệt độ ban đầu ắc qui với nhiệt độ mơi trường (30℃) Nước nóng tuần hồn với lưu lượng lít/phút Tín hiệu đo từ cảm biến đo lưu lượng, cảm biến nhiệt độ đưa máy tính ghi lại sau khoảng thời gian 30s Nhiệt độ nước nóng cửa vào (màu đỏ) cửa ắc qui (màu xanh), tốc độ cấp nhiệt biểu diễn hình Hình Từ đồ thị cho thấy, thời Hình Sơ đồ thí nghiệm giao diện điều khiển máy tính 46 SỐ 68 (11-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY gian đầu độ chênh nhiệt độ nước vào khỏi ắc qui lớn, sau giảm dần theo thời gian Dẫn tới tốc độ cấp nhiệt cho ắc qui (tính theo cơng thức (2)) thay đổi theo thời gian Tốc độ cấp nhiệt trung bình trình đạt khoảng 0,2kW cửa vào nước cấp tương ứng cảm biến ST2 ST4 cho thấy nhiệt độ cao so với khu vực khác tương ứng với cảm biến ST1 ST3 Sự phân bố khơng nhiệt độ quan sát thấy qua nóng chảy khơng PCM vị trí khác ắc qui (Hình 6) Hình Nhiệt độ nguồn nhiệt tốc độ cấp nhiệt cho ắc qui thay đổi theo thời gian Hình Nhiệt lượng lưu trữ Hình biểu diễn nhiệt lượng lưu trữ theo lý thuyết nhiệt lượng lưu trữ thực tế ắc qui Kết cho thấy nhiệt lượng lưu trữ Q = 6.865 (kJ) sau 10 Với sai số lớn tính 𝛿𝑄 /𝑄 = ±14.3% ta xác định vùng tin cậy kết thực nghiệm đồ thị phù hợp với nhiệt lượng với nhiệt lượng lưu trữ lý thuyết Bảng So sánh ắc qui PCM nước Hình Nhiệt độ PCM thay đổi theo thời gian t = 3h Cơng Khối lượng Thể tích bình chất PCM (kg) chứa (lít) PCM 27,5 36,0 Nước 63,1 74,3 Bảng thể số liệu so sánh thể tích bình chứa mơ hình ắc qui nhiệt thực nghiệm với bình tích nhiệt sử dụng nước có chứa nước có nhiệt độ ban đầu nhiệt độ cuối Từ kết cho thấy ắc qui nhiệt thiết kế lưu trữ lượng nhiệt tương đương với bình tích nhiệt dùng nước có thích tích lớn 2,1 lần Điều khẳng định việc sử dụng ắc qui nhiệt với hệ thống nhiệt cụ thể giảm đáng kể kích thước khối lượng hệ thống Kết luận t = 6h Hình Trạng thái PCM thời điểm t = t = Các profile nhiệt độ PCM tương ứng với vị trí cảm biến ST1-ST4 biểu diễn Hình Từ đồ thị cho thấy nhiệt độ PCM phân bố không đồng trình cấp nhiệt Tại khu vực gần SỐ 68 (11-2021) Ở nghiên cứu này, tác giả tính tốn, thiết kế mơ hình thực nghiệm ắc qui nhiệt sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM) để lưu trữ lượng tiến hành thử nghiệm mô hình với điều kiện có phịng thí nghiệm Kết thí nghiệm cho thấy, ắc qui nhiệt với thể tích 36 lít lưu trữ Q = 6.865 (kJ) với công suất 0,2kW Ắc qui có khả lưu trữ tương 47 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ đương với bình nước nóng tích gấp 2,1 lần thể tích ắc qui điều kiện nhiệt độ lưu trữ Với kết thu khẳng định ắc qui nhiệt hồn tồn sử dụng để lưu trữ sử dụng lượng nhiệt giảm đáng kể kích thước khối lượng hệ thống Tuy nhiên số hạn chế thấy như: tốc độ cấp nhiệt cho ắc qui thấp sử dụng ống trơn nên diện tích trao đổi nhiệt, tốc độ trao đổi nhiệt chưa cao Chưa đánh giá mức độ sử dụng ắc qui xả nhiệt Những hạn chế nhóm tác giả nghiên cứu trình bày công bố sau Kết báo sử dụng để tham khảo thiết kế, đánh giá khai thác ắc qui nhiệt Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT20-21.36 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.J Li, W.Q Tao, Review of methodologies and polices for evaluation of energy efficiency in high energy-consuming industry, Applied Energy Vol.187, pp.203-215 , 2017 [2] F Ascione, Energy conservation and renewable technologies for buildings to face the impact of the climate change and minimize the use of cooling, Solar Energy Vol.154, pp.34-100 , 2017 48 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [3] N Kittner, F Lill, D.M Kammen, Energy storage deployment and innovation for the clean energy transition, Nature Energy Vol.2, 2017 [4] A.A Prasad, R.A Taylor, M Kay, Assessment of solar and wind resource synergy in Australia, Applied Energy Vol.190, pp.354-367, 2017 [5] Q Li, Y Liu, S Guo, H Zhou, Solar energy storage in the rechargeable batteries, Nano Today Vol.16, pp.46-60, 2017 [6] N Azimi Fereidani, E Rodrigues, A.R Gaspar, A review of the energy implications of passive building design and active measures under climate change in the Middle East, Journal of Cleaner Production Vol.305, 2021 [7] M.H Kim, X.Q Duong, J.D Chung, Performance enhancement of fin attached ice-on-coil type thermal storage tank for different fin orientations using constrained and unconstrained simulations, Heat and Mass Transfer Vol.53, pp.1005-1015, 2017 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 12/6/2021 21/6/2021 24/6/2021 SỐ 68 (11-2021) ... mơ hình thực nghiệm ắc qui nhiệt sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM) để lưu trữ lượng tiến hành thử nghiệm mơ hình với điều kiện có phịng thí nghiệm Kết thí nghiệm cho thấy, ắc qui nhiệt với thể... độ cấp nhiệt cho ắc qui thay đổi theo thời gian Hình Nhiệt lượng lưu trữ Hình biểu diễn nhiệt lượng lưu trữ theo lý thuyết nhiệt lượng lưu trữ thực tế ắc qui Kết cho thấy nhiệt lượng lưu trữ Q... thái này, ắc qui gọi “no nhiệt? ?? Như vậy, PCM lưu trữ lượng nhiệt từ chất tải nhiệt thông qua nhiệt ẩn nhiệt Trong q trình sử dụng (quá trình xả) chất tải nhiệt bơm qua ắc qui Do chênh lệch nhiệt