lượng mặt trời trong tương lai
Những cơng bố khoa học hiện nay cho thấy việc áp dụng chất lỏng nano vào các ứng dụng hấp thụ năng lượng mặt trời vẫn cịn ở dạng sơ khai. Chất lỏng nano cĩ thể được sử dụng ở nhiều lĩnh vực trong năng lượng mặt trời, bên cạnh những hướng đã và đang được nghiên cứu, chất lỏng nano cịn cĩ những xu hướng và tiềm năng ứng dụng trong tương lai như là trong hệ thống quang nhiệt điện, pin nhiệt điện, ao mặt trời...
1.3.1. Hệ thống quang nhiệt điện
Một hệ quang nhiệt điện là một hệ thống lai, chuyển hĩa một phần bức xạ mặt trời thành điện và một phần thành nhiệt năng. Nĩ bao gồm tế bào quang điện để chuyển hĩa ánh sáng thành điện năng và bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời để hấp thụ phần năng lượng nhiệt cịn lại, sơ đồ như Hình 1.20. Do đĩ nĩ cĩ hiệu suất cao
hơn thiết bị pin mặt trời hay hệ hấp thụ nhiệt đơn lẻ.
Hình 1.20. Sơ đồ của hệ quang nhiệt điện
Khi nhiệt độ tăng, hiệu suất của pin quang điện sẽ giảm do sự tăng trở kháng. Do đĩ nếu cĩ một hệ thống như bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời để lấy nhiệt ra khỏi pin quang điện sẽ làm tăng hiệu suất của pin quang điện do trở kháng giảm xuống.
Cần nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của các chất lỏng nano khác nhau lên tốc độ làm mát và do đĩ làm tăng hiệu suất của hệ quang nhiệt điện.
Trong lĩnh vực này, cần nghiên cứu sự ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích hạt nano so với chất lỏng nền, kích thước hạt nano khi pha vào chất lỏng nền lên hiệu suất của hệ thống. Cĩ nhiều nghiên cứu cho thấy tiềm năng ứng dụng chất lỏng nano vào các hệ thống làm mát của hệ nhiệt khác nhau như các thiết bị điện tử, bộ tản nhiệt động cơ, và các vi lưới tản nhiệt [46]. Do đĩ, việc sử dụng chất lỏng nano để làm mát trong các hệ thống quang nhiệt điện sẽ là xu hướng tất yếu để tăng hiệu suất trong các hệ thống quang nhiệt điện.
1.3.2. Pin nhiệt điện
Pin nhiệt điện là thiết bị chuyển hĩa trực tiếp nhiệt thành điện thơng qua hiệu ứng nhiệt điện, sơ đồ như Hình 1.21. Hiệu ứng nhiệt điện là hiệu ứng chuyển trực tiếp sự chênh lệch nhiệt độ sang hiệu điện thế và ngược lại. Một thiết bị nhiệt điện khi nhiệt độ hai mặt khác nhau sẽ tạo ra một suất điện động. Ngược lại, khi cĩ hiệu điện thế đặt vào chúng thì sẽ tạo sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt. Đĩ là do khi cĩ sự thay đổi nhiệt độ sẽ làm thay đổi sự khuếch tán các hạt tải điện ở chỗ nĩng và chỗ lạnh. Vật liệu để làm pin nhiệt điện thường phải cĩ tính dẫn điện tốt nhưng tính dẫn nhiệt kém. Khi một mặt được làm nĩng, thì do độ dẫn nhiệt kém nên mặt bên kia vẫn bị lạnh, nhờ đĩ sự chênh lệch nhiệt độ sẽ cao hơn và tạo được hiệu điện thế cao hơn. Một pin nhiệt điện thường gồm hai vật liệu nhiệt điện khác nhau, ví dụ: bán dẫn loại n và bán dẫn loại p.
Trong những năm gần đây, việc phát triển các hệ nhiệt điện mặt trời tăng đáng kể. Các tế bào pin nhiệt điện mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý dùng năng lượng mặt trời tạo nên sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai tấm nĩng và tấm lạnh. Sự chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì điện năng sản xuất được càng nhiều. Cần cĩ nhiều thí nghiệm nghiên cứu ứng dụng của chất lỏng nano để nâng cao hiệu suất của những hệ như vậy. Hình 1.22 vẽ sơ đồ thí nghiệm của nhĩm Fan [47] để tiến hành nghiên cứu hệ pin nhiệt điện.
Hình 1.22. Sơ đồ thí nghiệm pin nhiệt điện sử dụng chất lỏng nano
Trong thí nghiệm, một cái đĩa hội tụ năng lượng mặt trời lên pin nhiệt điện được đặt tại tâm của đĩa. Bằng cách này sẽ nghiên cứu được sự ảnh hưởng của các chất lỏng nano khác nhau cũng như với các lưu lượng dịng chảy chất lỏng nano khác nhau lên hiệu suất pin nhiệt điện.
1.3.3. Ao mặt trời
Ao mặt trời là một hiện tượng tự nhiên được biết đến từ rất lâu và được ghi nhận lần đầu tiên bởi Von Kalecsinky (1902) tại hồ Medve ở Transylvania (Hungary) [48]. Vào cuối mùa hè, nhiệt độ ở độ sâu 1,32 m lên tới 70 oC. Những hiện tượng tương tự được nhiều tác giả khác báo cáo như Anderson (1958), Wilson và Wellman (1962) [48].
Ao mặt trời là ao nước hấp thụ bức xạ mặt trời và lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt. Ao mặt trời phù hợp với những nơi cĩ tỉ lệ thời gian nắng cao. Năng
lượng nhiệt từ ao mặt trời cĩ thể được dùng để sấy khơ, khử độ mặn, và dùng làm nguồn dự trữ nhiệt. Thơng thường độ mặn của nước trong ao mặt trời khá cao. Trong quá trình hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời thì cĩ thể xảy ra đối lưu của các lớp nước trong ao mặt trời nhưng cũng cĩ thể khơng xảy ra đối lưu. Với trường hợp xảy ra đối lưu thì ở mặt trên của ao cĩ một lớp màng trong suốt để ngăn cản sự mất nhiệt do bay hơi. Với trường hợp ao mặt trời khơng đối lưu thì được phân thành hai loại. Loại thứ nhất khơng cĩ đối lưu là do nồng độ muối càng về phía đáy ao thì càng tăng dần. Loại thứ hai là loại chống đối lưu nhờ cĩ các màng ngăn trong suốt.
Ta xét loại ao mặt trời khơng đối lưu cĩ nồng độ muối tăng dần. Thơng thường, nước muối cĩ độ mặn thay đổi, nước cĩ độ mặn ít thì nổi lên trên, nước độ mặn cao thì xuống dưới, tức là càng ở sâu thì nồng độ muối càng lớn. Ở độ sâu nhất định thì nồng độ muối là khơng đổi.
Hình 1.23. Sơ đồ ao mặt trời
Khi các tia sáng mặt trời chiếu tới đáy ao, chúng sẽ làm nĩng nước ở dưới đáy. Khi nước ở dưới đáy ao bị đun nĩng, chúng trở lên nhẹ hơn lớp nước lạnh ở phía trên và bắt đầu q trình đối lưu. Ao mặt trời giữ nhiệt bằng cách hạn chế sự đối lưu này. Muối được thêm vào nước cho tới khi nồng độ muối ở lớp dưới cùng bão hịa. Nước muối cĩ độ mặt cao ở dưới ao sẽ khơng bị trộn lẫn với nước độ mặn thấp ở bên trên, vì vậy khi lớp nước ở dưới đáy được làm nĩng, hiện tượng đối lưu diễn ra cách biệt ở lớp dưới cùng và lớp trên cùng với chỉ một lớp mỏng trộn giữa hai lớp. Điều này
giảm mất mát nhiệt đáng kể, cho phép nước muối độ mặn cao ở dưới đáy cĩ nhiệt độ lên tới 90oC trong khi ở lớp nước muối độ mặn thấp ở trên chỉ cĩ nhiệt độ 30oC [48].
Hình 1.24. Mật độ muối trong ao mặt trời [49]
Hình 1.25. Sơ đồ thí nghiệm sử dụng chất lỏng nano trong ao mặt trời
Ao mặt trời với độ mặn tăng dần với độ sâu khoảng 2-5m cĩ thể thu các bức xạ mặt trời và chuyển thành nhiệt. Nhiệt lấy từ ao mặt trời cĩ thể được sử dụng trong các ngành cơng nghiệp làm nĩng, làm nĩng khơng gian và máy phát điện. Trong các ứng dụng thì nhiệt độ ở đáy ao mặt trời cĩ thể cao hơn ở bề mặt 50-60o. Sơ đồ thực nghiệm để nghiên cứu áp dụng chất lỏng nano vào ao mặt trời cĩ thể như Hình 1.25. Trong sơ đồ này, chất lỏng nano chảy qua đáy của ao mặt trời, trao đổi nhiệt và hấp thụ nhiệt ở đây. Kết quả mong muốn ở đây là chất lỏng nano cĩ thể làm tăng cường tốc độ trao đổi nhiệt và tốc độ lấy nhiệt từ đáy của ao mặt trời.
1.3.4. Các khả năng khác
Những định hướng ở trên là một số ít khả năng ứng dụng của chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời. Bên cạnh những khả năng trên, chất lỏng nano cũng cĩ thể được sử dụng trong các lĩnh vực sau:
- Hệ thống làm mát trong thiết bị năng lượng mặt trời. - Hệ thống điều hịa dùng năng lượng mặt trời.
- Trong các thiết bị kết hợp dùng trong năng lượng mặt trời khác.
- Hệ lưu trữ năng lượng nhiệt hĩa học (thermochemical) trong bộ thu năng lượng mặt trời.