1.2. Ứng dụng chất lỏng chứa hạt nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời
1.2.2. Hệ lưu trữ năng lượng nhiệt
Trong rất nhiều lĩnh vực khoa học cơng nghệ địi hỏi phải cĩ hệ lưu trữ năng lượng nhiệt. Đĩ là các hệ cất giữ các năng lượng nhiệt thừa để sử dụng sau, cĩ thể là sau vài giờ, vài ngày hoặc vài tháng tại các tịa nhà, quận, thành phố hay thậm chí cả một vùng tùy vào khả năng cơng nghệ. Ví dụ, yêu cầu năng lượng là như nhau giữa ngày và đêm, năng lượng nhiệt do các bộ thu năng lượng mặt trời thu được vào mùa hè cĩ thể lưu trữ lại để sử dụng trong mùa đơng, và năng lượng từ khơng khí lạnh vào mùa đơng cĩ thể cung cấp cho thiết bị điều hịa khơng khí vào mùa hè. Phương tiện lưu trữ bao gồm: các bể chứa nước hoặc băng cĩ khối lượng từ nhỏ tới lớn; các lớp đất đá trong lịng đất với sự trao đổi nhiệt thơng qua các lỗ khoan; tầng nước ngầm giữa các lớp khơng thấm nước; vật liệu chuyển pha…
Các hệ lưu trữ năng lượng nhiệt từ mặt trời yêu cầu chất trung gian lưu trữ nhiệt phải cĩ nhiệt dung cao và độ dẫn nhiệt cao. Tuy nhiên, rất ít vật liệu cĩ thể đáp ứng được những yêu cầu này ở nhiệt độ cao. Nhĩm nghiên cứu Shin và Banerjee [37] báo cáo rằng cĩ sự tăng cao bất thường của nhiệt dung riêng khi ở nhiệt độ cao của chất lỏng nano. Họ thấy rằng các muối kim loại kiềm khi pha tạp các hạt nano silic đi ơ xít với tỉ lệ 1% khối lượng làm tăng nhiệt dung riêng của chất lỏng nano lên 14,5%, vì vậy đây là một trong những vật liệu thích hợp cho bộ lưu nhiệt năng lượng mặt trời. Một trong những kĩ thuật lưu nhiệt năng lượng mặt trời là áp dụng vật liệu chuyển pha (PCMs) (phase change material). Trong các vật liệu chuyển pha thì parafin là thích hợp nhất do cĩ nhiều đặc tính đặc biệt, giá thành rẻ, nhiệt dung riêng của parafin trong khoảng 2,14~2,90 J/g.K và nhiệt nĩng chảy là 200~220 J/g; Parafin nĩng chảy ở khoảng nhiệt độ 47~64 oC và tỷ trọng là 0,9. Do các đặc tính nhiệt vật lý nêu trên, parafin cĩ khả năng trữ nhiệt khá tốt, đặc biệt do nĩ cĩ nhiệt nĩng chảy cĩ giá trị lớn và phạm vi nhiệt độ nĩng chảy khá gần với nhiều phạm vi ứng dụng. Để tích nhiệt, người ta làm nĩng chảy parafin và để thu nhiệt thì làm nĩ đơng đặc lại. Nếu ứng dụng nguyên lý này, người ta cho parafin vào trong một vỏ kim loại hoặc
chất dẻo cĩ nhiệt độ nĩng chảy cao hơn, rồi gia nhiệt cho khối parafin đến nĩng chảy hồn tồn. Sau đĩ, cho khối nĩng chảy đĩ tiếp xúc với nơi cần nhận nhiệt để nĩ giải phĩng nhiệt năng và đơng đặc lại. Theo cách đĩ, phương thức truyền nhiệt từ parafin ra vỏ là dẫn nhiệt, cịn từ vỏ đến vật nhận nhiệt cĩ thể là dẫn nhiệt, hoặc đối lưu, hoặc cả hai. Tuy nhiên, vì parafin cĩ độ dẫn nhiệt thấp (0,21 – 0,24 W/mK) nên hạn chế mạnh khả năng ứng dụng của nĩ. Nhĩm của Wu [38] nghiên cứu quá trình nĩng chảy của chất lỏng nano áp dụng cho vật liệu chuyển pha Cu/parafin. Họ thu được kết quả là nếu pha với tỉ lệ 1% khối lượng hạt nano đồng Cu/parafin, thời gian làm nĩng chảy cĩ thể giảm 13,1%. Do đĩ, họ kết luận rằng việc thiêm các hạt nano là một kĩ thuật hiệu quả để làm tăng khả năng truyền nhiệt trong các hệ lưu trữ nhiệt trong hấp thụ năng lượng mặt trời.