Chế tạo và đánh giá hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời của chất lưu chứa ống nano các bon

Phương pháp tính toán lý thuyết

Phương pháp chế tạo vật liệu 1. Quy trình biến tính CNTs

CNTs được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt pha hơi tại Viện Khoa học Vật liệu, đường kính trung bình của CNTs là 20 nm, chiều dài từ 1 đến 10 μm.m. Để có nhóm chức -OH lên CNTs thì vật liệu CNTs- COOH sẽ được phản ứng với dung dịch SOCl2 trong 6h ở 60 oC ở nhiệt độ phòng để thu được CNTs-COCl. Cuối cùng hợp chất thu được sẽ cho lọc rửa bằng H2O2 để thu được CNTs-OH, tức là có các nhóm chức -OH gắn lên CNTs, quy trình như trên Hình 2.3.

Các phép đo thực nghiệm

Để khẳng định sự hình thành các nhóm chức trên bề mặt CNTs, trong luận án sử dụng phép đo phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR) và phép đo Raman. Máy đo dựa trên phương pháp THB (Transient Hot Bridge), sơ đồ nguyên lý đo như trên Hình 2.7, bố cục cảm biến gồm bốn dải giống hệt nhau và được nối với nhau dạng cầu Wheastone. Nội dung chương đưa ra phương pháp chế tạo vật liệu, lựa chọn các chất lỏng nền là nước, EG, hỗn hợp EG/DI, dầu silicone và bitumen, các phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu thu được như là phép đo hình thái, phép đo quang, phép đo nhiệt.

Phát triển mô hình tính toán cải tiến cho hỗn hợp chất lỏng EG/DI 1. Mô hình lý thuyết

Giả sử rằng tỉ số tiết diện truyền nhiệt AE:AW:ACNT tỉ lệ với tổng diện tích bề mặt của phân tử ethylene glycol (SE), phân tử nước (SW) và ống nano cacbon (SCNT) trong một đơn vị thể tích của hỗn dịch. Trong tài liệu tham khảo [77], nhóm của Liu đo độ dẫn nhiệt bằng phương pháp phổ Raman của ống nano cacbon đơn tường (Single walled carbon nanotubes -. Điều này cho thấy khả năng dùng chất lỏng nano chứa CNTs trong các hệ thống làm mát cũng như trong các hệ thống hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời.

Nghiên cứu mô hình lý thuyết tính chất quang và hấp thụ nhiệt của chất lỏng nano

Một số nhóm đã nghiên cứu tính chất quang của chất lỏng nano bằng các mô hình trên, trong đó chỉ có một vài nhóm dự đoán tính chất quang và so sánh với kết quả thực nghiệm của chất lỏng nano chứa CNTs. Nhóm của Ladjevardi [82] sử dụng tính toán Rayleigh để tính toán hệ số dập tắt do chất lỏng nano chứa graphit và so sánh với kết quả lý thuyết với các kết quả thực nghiệm đã được công bố (Hình 3.8). Qua nghiên cứu các mô hình tính toán lý thuyết mô tả tính chất quang, chúng tôi sử dụng cách tiếp cận Lambert-Beer để xây dựng mô hình tính toán chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt của chất lỏng nano, sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm.

Chất lỏng nano chứa CNTs nền là nước cất

Kết quả cho thấy các mẫu biến tính với thời gian tăng dần sẽ cho phổ phân tán giảm xuống kích thước nhỏ hơn, điều này được giải thích do khi tăng thời gian biến tính thì số nhóm chức gắn trên bề mặt CNTs sẽ tăng lên, qua đó giúp giảm sự tụ đám và nâng cao khả năng phân tán vào chất lỏng. Như vậy ta có thể kết luận rằng khi tăng thời gian xử lý hóa học CNTs lên, sự phân tán, độ ổn định của chất lỏng và độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano tăng lên, tuy nhiên nếu thời gian xử lý hóa học quá dài sẽ làm giảm độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs xuống. Giá trị TBC chúng tôi thu được thấp hơn các giá trị báo cáo ở trên có thể có những nguyên nhân sau: (i) hầu hết các kết quả tính toán mô phỏng lý thuyết đều tính cho SWCNT có độ dẫn nhiệt cao và không có khuyết tật; (ii) các sai hỏng trong cấu trúc của CNTs do quá trình xử lý hóa học làm tán xạ các phonon theo mọi hướng của CNTs.

Chất lỏng nano chứa CNTs nền là ethylene glycol

Đối với chất lỏng nano CNTs/EG với tỉ lệ 0,0036% khối lượng, phổ truyền qua ở vùng bước sóng 500 nm giảm xuống còn khoảng 20%, chứng tỏ rằng chỉ cần thêm một lượng rất nhỏ cũng làm tăng đáng kể sự hấp thụ ánh sáng. Phổ truyền qua UV- Vis-NIR của chất lỏng nano CNTs cho thấy khả năng áp dụng rất lớn cho bộ hấp thụ năng lượng mặt trời, trong đó ánh sáng được hấp thụ trực tiếp bởi chất lỏng nano CNTs và chuyển thành nhiệt lưu trữ trong chất lỏng nano. Mặt khác, khi tăng nồng độ sẽ làm tăng sự hấp thụ năng lượng mặt trời của chất lỏng nano ở phần chiều cao nhỏ bên trên, dẫn đến phần lớn chất lỏng bên dưới sẽ có nhiệt độ thấp hơn cả khi chất lỏng nano có nồng độ thấp.

Chất lỏng nano chứa CNTs nền là hỗn hợp EG/DI

Khi hàm lượng CNTs tăng lên, khả năng chuyển hóa cũng tăng lên, nhưng khi hàm lượng là 0,4% thì khả năng chuyển hóa quang nhiệt lại thấp hơn nồng độ 0,2%. Chứng tỏ hàm lượng CNTs tối ưu để chuyển hóa quang nhiệt trong thí nghiệm này là 0,2% thể tích với khả năng chuyển hóa tăng 5,8%. Khả năng hấp thụ nhiệt mặt trời của chất lỏng nano CNTs/EG-DI Như vậy, chất lỏng CNTs/EG-DI được chế tạo có sự ổn định và bền vững theo.

Chất lỏng nano chứa CNTs nền là dầu Silicone

Từ kết quả phổ ánh sáng truyền qua của dầu silicone chứa CNTs, áp dụng định luật Lambert-Beer ta có thể tính được độ suy giảm ánh sáng theo quãng đường đi được trong chất lỏng nano. Dầu silicone gần như trong suốt đối với bức xạ mặt trời, còn CNTs có phổ hấp thụ rộng và khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến rất mạnh, với chú ý là gần 50% năng lượng mặt trời nằm trong vùng khả kiến. Năng lượng chứa trong chế độ phonon tần số cao của CNTs đầu tiên được chuyển đến chế độ phonon tần số thấp trong môi trường xung quanh và sau đó năng lượng nhiệt được khuếch tán trong dầu silicone.

Bitumen chứa CNTs

Do ở nhiệt độ thường, bitumen ở trạng thái rắn, khi nhiệt độ cao hơn thì vật liệu mềm dần và hóa lỏng, nên khi áp dụng vào hấp thụ năng lượng mặt trời vẫn cần khảo sát thêm sự ảnh hưởng các đặc tính cơ học của bitumen khi có thêm CNTs. Vì vậy, trong phần này chúng tôi trình bày các kết quả đạt được trong chế tạo và khảo sát một số tính chất như độ kim lún, độ bền kéo, điểm hóa mềm và đặc biệt là khả năng hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời của vật liệu tổ hợp bitumen/CNTs. Bên cạnh đó, ta thấy với hàm lượng 0,4% và 0,8% khối lượng CNTs cũng tạo ra sự khác biệt khá lớn so với bitumen thông thường, tuy nhiên do mật độ CNTs chưa đủ lớn nên kết quả độ kim lún không tốt bằng mẫu có hàm lượng 1,2% CNTs.

Thử nghiệm ứng dụng CNTs/bitumen hấp thụ năng lượng mặt trời 1. Nghiên cứu lựa chọn động cơ hấp thụ năng lượng mặt trời

- Trong quá trình cấp nhiệt đẳng tích 2-3: Trong khi pittong lực vẫn ở vị trí biên trên, pit-tong phụ chuyển động từ điểm biên trên tới điểm biên dưới và làm chất công tác từ buồng lạnh sang buồng nóng, trong quá trình đó áp suất của chất công tác tăng lên và nhiệt lưu trữ từ bộ phận hoàn nhiệt truyền cho chất công tác. Nguồn năng lượng bức xạ mặt trời khi chuyển thành năng lượng điện sẽ bị tổn thất khi qua nhiều bộ phận khác nhau, như tổn thất quang học ở chảo parabol, tổn thất nhiệt ở bộ thu nhiệt, hao phí nhiệt ở động cơ Stirling… Việc sử dụng chất lỏng nano chứa CNTs ở bộ thu nhiệt giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng này. Chúng tôi đã thử nghiệm ứng dụng vật liệu CNTs/bitumen chế tạo được trong thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng sử dụng động cơ Stirling, với hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời của CNTs/bitumen được đo tại Viện Đo lường Việt Nam đạt 95%, điện áp đầu ra của hệ thử nghiệm thu được là 5V và công suất là 10W trong điều kiện chiếu sáng khoảng 460 W/m2.