Vật liệu chuyển pha (PCM) là vật liệu lƣu trữ nhiệt tiềm ẩn. Chúng sử dụng các liên kết hóa học để lƣu trữ và giải phóng nhiệt. Việc chuyển giao năng lƣợng 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 đƣợc gọi là một sự thay đổi trong trạng thái hoặc "pha".
Ban đầu, các vật liệu lƣu trữ nhiệt cảm nhận đƣợc sử dụng nhƣ vật liệu lƣu trữ nhiệt thông thƣờng, nhiệt độ của chúng tăng lên khi chúng hấp thụ nhiệt năng lƣợng mặt trời. Không giống nhƣ các vật liệu lƣu 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 lƣợng nhiệt lớn mà không trở nên nóng hơn. Khi nhiệt độ môi trƣờng không gian xung quanh vật liệu PCM giảm, nó chuyển sang trạng thái rắn, và giải phóng nhiệt tiềm ẩn đã đƣợc lƣu trữ trƣớc đó. Vật liệu PCM hấp thụ và tỏa nhiệt trong khi lại duy trì một nhiệt độ xung quanh gần nhƣ không đổi. Trong việc duy trì điều kiện hoạt động môi trƣờng của con ngƣời và các thiết bị điện tử trong phạm vi từ 25 OC đến 30 OC,vật liệu lƣu 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 lƣu trữ nhiệt to lớn, trong các hệ thống năng lƣợng mặt trời trực tiếp hoặc thụ động. PCM có thể đƣợc sử dụng trong các phòng kín chứa thiết bị điện tử nhƣ trạm viễn thông hoặc máy sƣởi ấm nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời hoặc hệ thống sƣởi ấm / làm mát trong vũ trụ .
Các ứng dụng lƣu trữ năng lƣợng dùng vật liệu chuyển pha PCM không giới hạn chỉ ở các hệ thống làm nóng lạnh dùng năng lƣợng mặt trời, mà còn đƣợc xem xét trong các ứng dụng khác nhƣ đƣợc giới thiệu dƣới đây.
2.2.1.Trạm viễn thông:
Trạm viễn thông đƣợc 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 trƣờng xung quanh chúng phải luôn luôn đƣợc duy trì dƣới 25 OC indoor và 35 OC outdoor. Ở các nƣớc kém phát triển, bị cắt điện thƣờng 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 lƣới. Vật liệu PCM đƣợc lắp đặt trong phòng máy sẽ hấp thụ nhiệt của thiết bị trong trƣờng hợp mất điện lƣới, giảm thiểu hoặc loại bỏ sử dụng máy phát điện, do đó tiết kiệm chi phí dầu chạy máy Diesel. Vật liệu PCM sẽ đƣợc nạp lạnh trở lại bằng máy lạnh khi có lại điện lƣới.
2.2.2.Vận chuyển:
Việc vận chuyển các loại thực phẩm dễ hƣ hỏng, dƣợc phẩm nhạy cảm với nhiệt độ, thiết bị điện tử các loại (nhƣ máy biến áp đánh lửa) và hóa chất phải yêu cầu xe tải lạnh. Xe tải lạnh sử dụng động cơ diesel nhƣ một nguồn năng lƣợng để làm lạnh nhƣ vậy là rất tốn kém. Chi phí năng lƣợng động cơ diesel tạo ra là cao hơn 6 lần so với chi phí điện thông thƣờng. Sử dụng vật liệu PCM để giữ lạnh thay cho động cơ diesel xe tải lạnh là hết sức tiết kiệm.
33
Một ứng dụng đầy hứa hẹn của các PCM là cung cấp vaccine cho các nƣớc đang phát triển. Vaccine cần đƣợc 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 thƣờng đƣợc đóng gói trong nƣớc đá, nhƣng 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 thƣớc nhỏ nhƣ hình ảnh dƣới. Nó gồm bốn tấm PCM lắp vào một thùng cách nhiệt chất lƣợng cao. Thùng giữ đƣợc nhiệt độ bên trong ở 18O
C trong 30 ngày. Thùng chứa có bất kỳ kích thƣớc và hình dạng nào có thể đƣợc chế tạo theo thiết kế riêng.
2.2.3.Xe ô tô
Hiện nay PCM đã đƣợc sử dụng trong bình điện accu nhiệt tiềm ẩn do hãng BMW cung cấp nhƣ thiết bị tùy chọn trong series 5 của hãng. Nguyên tắc là khá đơn giản, vật liệu lƣu trữ đƣợc kết nối với bộ tản nhiệt và lƣu trữ nhiệt dƣ thừa khi động cơ chạy ở nhiệt độ vận hành. Nhiệt lƣợng 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 lƣợng nhiệt này trong 2 ngày ở nhiệt độ bên ngoài âm 20O
C .
Nhƣ một phần mở rộng ứng dụng này, PCM cũng có thể đƣợc 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 lƣợng khí thải Hydro-carbon quá mức mỗi khi xe khởi động. Bằng một bộ chuyển đổi nóng mỗi khi bắt đầu khởi động xe, lƣợng khí thải tự động, chẳng hạn nhƣ hydrocarbon và carbon monoxide có thể đƣợc giảm đáng kể lên đến 80%. Bộ chuyển đổi xúc tác đƣợc 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 đƣợc phát triển bằng cách sử dụng PCM để hấp thụ, lƣu trữ và tản nhiệt khi cần thiết.
34
Năng lƣợng mặt trời không có sẵn cả ngày.Việc lắp đặt hệ thống năng lƣợng mặt trời đòi hỏi một hệ thống trung gian lƣu trữ năng lƣợng để làm nóng hoặc làm ấm nƣớc. Hệ thống sƣởi ấm năng lƣợng mặt trời ứng dụng PCM có đƣợc lợi ích so với một hệ thống thông thƣờng : khối lƣợng vật liệu lƣu trữ cần thiết giảm khoảng 2/3 so với hệ thống lƣu trữ bằng nƣớc và hiệu quả cao hơn, do sự khác biệt nhiệt độ thấp hơn giữa nạp (loading) và xả năng lƣợng nhiệt. Lƣu trữ nhiệt tiềm ẩn cũng có thể đƣợc thực hiện trong hệ thống sƣởi ấm thông thƣờng. Máy nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời dùng vật liệu PCM cũng sẽ cung cấp một nhiệt độ nƣớc 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 tƣờng rất dày là đặc biệt thoải mái: mát mẻ vào mùa hè và ấm áp trong mùa đông. Để đạt đƣợc điều này trong công trình xây dựng ít đồ sộ hơn do dùng vật liệu xây dựng nhẹ, ngƣời ta có thể trang bị các vật liệu xây dựng có chứa PCM và đạt đƣợc các tính chất tƣơng đƣơng nhƣ xây dựng những bức tƣờng dày. Bằng cách hấp thụ nhiệt đạt đỉnh (ví dụ nhƣ trong suốt ban ngày có ánh nắng mặt trời) và nhả nhiệt lƣợng từ từ vào ban đêm (trời lạnh về đêm), trong hầu hết các trƣờng hợp, ngƣời 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 tƣờng thạch cao đƣợc ngâm tẩm bằng axit béo và sáp parafin, nhƣ là vật liệu PCM, làm đối tƣợng thí nghiệm cho sự biến đổi cả ngày đêm của nhiệt độ trong phòng. Ông thấy rằng việc lƣu trữ nhiệt đƣợc cung cấp bởi tấm ốp tƣờng PCM sẽ là đủ để cho phép thu giữ phần lớn sức nóng
năng lƣợng mặt trời. Stetiu và Feustel đã trình bày một chƣơng trình mô phỏng về nhiệt tòa nhà, dựa trên một phƣơng pháp tiếp cận khác biệt hữu hạn để đánh giá hiệu
suất lƣu trữ nhiệt tiềm ẩn của PCM-tấm ốp tƣờng. Khối lƣợng nhiệt thu đƣợc có thể đƣợc sử dụng làm giảm đỉnh năng lƣợng yêu cầu và giảm bớt kích thƣớc hệ thống làm mát hoặc sƣởi 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 nhƣ lớp gỗ che tƣờng. Thạch cao PCM chứa tỷ lệ khoảng 25% trọng lƣợng 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 sƣởi 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 đƣợc các tiêu chuẩn chất lƣợng của ngƣời tiêu dùng. Một nguồn điện cấp nhiệt không phải lúc nào cũng dễ dàng thực hiện. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy vật liệu PCM cung cấp một ý tƣởng tuyệt hảo, một yếu tố hâm nóng lý tƣởng ổn định. Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu PCM sử dụng trong trƣờng hợp giữ nóng thức ăn này tƣơng
35
ứng với nhiệt độ mà tại đó thức ăn cần đƣợc hâm giữ nóng. Nhiệt độ từ 60OC - 70OC là tối ƣu để các thực phẩm thức ăn không cần tiếp tục đun nấu, nhƣng 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 hƣởng 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 đƣợc 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 phƣơng 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 nƣớc 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 lƣợng nhiệt từ các máy chủ so với các hệ thống làm mát đƣợc 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 sƣởi ấm. Vật liệu PCM đƣợc lắp đặt trên sàn nhà của các nhà kính nhƣ vậy sẽ loại bỏ hoặc giảm bớt sự phụ thuộc vào hệ thống điều hòa không khí.
2.2.9. Lƣu 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, thƣơng mại và dân cƣ. 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 ( thƣờng 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 lƣu trữ năng lƣợng 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 lƣu trữ năng lƣợng bằng PCM sẽ cho phép năng lƣợng dƣ thừa đƣợc lƣu trữ cho đến khi nó đƣợc phát hành khi cần thiết.
2.2.10. Lò sƣởi ấm mùa đông
Lò sƣởi ấm mùa đông là một ứng dụng trực tiếp và đơn giản của hệ thống lƣu trữ năng lƣợng và đã đƣợc sử dụng trong nhiều quốc gia. Các lò sƣởi gia đình phổ biến nhất sử dụng gạch gốm và cấu trúc xi măng, đƣợc đun nóng với dây điện trở hoặc chất lỏng
36
truyền nhiệt (nhƣ nƣớc nóng). Nhiệt năng đƣợc trích xuất từ lò sƣởi nhờ sự đối lƣu tự nhiên và bức xạ hoặc bằng đối lƣu cƣỡng bức sử dụng quạt điện. Farid và Husian đã giới thiệu một khái niệm mới cho thiết kế các lò sƣởi 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 lƣu trữ một lƣợng lớn nhiệt là nhiệt tiềm ẩn tan chảy, sau đó liên tục thải nhiệt ra trong thời gian khác. Bốn hệ thống lƣu trữ đƣợc 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 lƣợng nhiệt thấp nhƣng đủ làm tan chảy tất cả các sáp trong vòng 8 giờ. Sử dụng phƣơng pháp lƣu trữ chuyển pha PCM làm giảm trọng lƣợng đáng kể cho các lò sƣởi gia đình.
2.2.11.Ổn định nhiệt độ đỉnh:
Trong công nghiệp hóa chất, có những ứng dụng mà cần làm lạnh và sƣởi ấm trong cùng một đợt. Trong trƣờng hợp này, sử dụng PCM sẽ giảm đƣợc chi phí tiện ích, vì PCM sẽ lƣu trữ năng lƣợng từ phản ứng hóa học, để sử dụng ở giai đoạn sau trong cùng một đợt.
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) nhƣ 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 lƣợng 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 ngƣời 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.
37
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 nhƣ một máy sƣởi ấm vào ban đêm và làm mát ban ngày.
Vật liệu, PCM TM
22T nhãn hiệu mới nhất của cùng công ty trên, với điểm tan chảy 22O
C và nhiệt năng tiềm ẩn > 175KJoule/Kg hoặc 255 KJoule / lít. Thích hợp nhất cho điều hòa không khí rẻ tiền trong một khu vực ngày và đêm có chênh lệch nhiệt độ không nhiều. Vật liệu có thể đƣợc đặt trong một bộ trao đổi nhiệt bên ngoài hoặc trong trần giả và / hoặc trong các bức vách ngăn tƣờng. Dƣới đây là các ví dụ thực nghiệm bằng sản phẩm PCM do Công ty này sản xuất và thực hiện.
2.2.13.Điểm thực nghiệm tại một trạm BTS dùng vật liệu PCM có điểm tan chảy 29OCtại Ấn Độ.
Hầu hết các trạm BTS hoặc các Shelter viễn thông đƣợc trang bị các thiết bị điện tử và nguồn accu, cho nên máy lạnh đƣợc trang bị để làm mát thiết bị và accu. Khi mất điện lƣới, nhiệt độ bên trong trạm BTS vọt lên cao rất nhanh từ 7-10OC trong vòng 30-60 phút, do nhiệt lƣợng tạo ra bởi các thiết bị và cũng bởi cả môi trƣờng chung quanh. Máy phát điện đƣợc sử dụng để cấp điện AC dự phòng. Dù sao thì chúng đƣợc sử dụng kịp thời hay không còn do nhân viên phụ trách nhà trạm BTS; việc chậm trễ trong vận