Hình 4.43. Sơ đồ chuyển hĩa năng lượng của hệ thống năng lượng mặt trời
dish-Stirling Các bộ phận của thiết bị:
(1): Chảo parabol, cĩ tác dụng hội tụ ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm
(3): Động cơ Stirling, chuyển hĩa nhiệt năng thành cơ năng
(4): Máy phát điện, trục quay liên kết với chuyển động bánh đà của động cơ Stirling
(5): Bĩng đèn
(6): Chân đế
Sơ đồ chuyển hĩa năng lượng trong hệ thống như Hình 4.43.
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.
Hình 4.44. Thử nghiệm hệ thống phát điện năng lượng mặt trời dish-Stirling sử
dụng chất lỏng nano ở điều kiện thực tế
Chúng tơi đã thử nghiệm ứng dụng vật liệu CNTs/bitumen chế tạo được trong thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển hĩa 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 cơng suất là 10W trong điều kiện chiếu sáng khoảng 460 W/m2. Điều này chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn của vấn đề nghiên cứu trong luận án.
Kết luận chương 4
Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về biến tính CNTs, chế tạo chất lỏng nano chứa CNTs với các nền khác nhau, đồng thời nghiên cứu tính chất của chất lỏng nano thu được trong hấp thụ năng lượng mặt trời.
- Vật liệu CNTs đã được biến tính thành cơng với các nhĩm chức -OH và -COOH. Kết quả biến tính thành cơng đã được chứng minh qua phổ FTIR và phổ tán xạ Raman. Thời gian biến tính CNTs trong hỗn hợp axit HNO3-H2SO4 ảnh hưởng tới cấu trúc của vật liệu. Thời gian biến tính càng lâu thì số lượng các các nhĩm chức và trên CNTs càng nhiều, làm tăng khả năng phân tán CNTs trong chất lỏng. Tuy nhiên khi thời gian biến tính quá lâu sẽ là tăng mức độ khuyết tật trên cấu trúc CNTs và làm giảm độ dẫn nhiệt của CNTs, dẫn đến giảm độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano.
- Chế tạo thành cơng chất lỏng nano chứa CNTs nền là nước cất với sự phân tán đồng đều, ổn định. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano với hàm lượng CNTs 0,8% thể tích cĩ giá trị lớn hơn 3 đến 4 lần độ dẫn nhiệt của nước cất và cĩ giá trị lớn nhất với thời gian biến tính CNTs là 5h.
- Chế tạo thành cơng chất lỏng nano chứa CNTs nền là EG. Với hàm lượng CNTs 0,64% thể tích, chất lỏng nano cĩ sự tăng độ dẫn nhiệt cao nhất, cỡ 24% tại 50oC. Khả năng chuyển hĩa quang nhiệt của chất lỏng nano tăng 4,2% so với chất lỏng nền.
- Chế tạo thành cơng chất lỏng nano chứa CNTs nền là hỗn hợp EG-DI. Chất lỏng nano thu được bền vững và ổn định theo thời gian. Kết quả dự đốn lý thuyết về sự gia tăng độ dẫn nhiệt của của chất lỏng nano phù hợp với thực nghiệm.
- Thời gian cần thiết để phân tán đồng đều CNTs-COOH trong dầu silicone bằng phương pháp rung siêu âm là 180 phút. Với hàm lượng CNTs 50 mg/l thì chất lỏng nano cĩ khả năng hấp thụ 99,7% ánh sáng mặt trời với độ sâu 10 cm. Khả năng chuyển hĩa quang nhiệt tăng 5,5% so với chất lỏng nền.
- Vật liệu bitumen khi được gia cường thêm CNTs đã cĩ những cải thiện đáng kể về tính chất cơ tính. Với hàm lượng CNTs 1,2% khối lượng, điểm hĩa mềm tăng 2,2oC, khả năng chuyển hĩa quang nhiệt tăng 4,5 % so với bitumen nguyên chất.
- Đã thử nghiệm ứng dụng vật liệu CNTs/bitumen chế tạo được trong thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển hĩa thành điện năng sử dụng động cơ Stirling, với hệ
số hấp thụ nhiệt mặt trời của CNTs/bitumen đạt 95%, điện áp đầu ra của hệ thử nghiệm thu được là 5V và cơng suất là 10W trong điều kiện chiếu sáng khoảng 460 W/m2.
KẾT LUẬN
Từ những kết quả nghiên cứu đã đạt được, cĩ thể kết luận một số nội dung chính của luận án như sau:
1. Luận án đã thành cơng trong việc xây dựng mơ hình tính tốn lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền là hỗn hợp EG/DI chứa thành phần CNTs, và xây dựng mơ hình tính tốn lý thuyết khả năng chuyển hĩa quang nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs. Kết quả nghiên cứu cho thấy mơ hình tính tốn là phù hợp với kết quả thực nghiệm đã được cơng bố trên một số tạp chí quốc tế cũng như với kết quả thực nghiệm đã đạt được của nghiên cứu sinh.
2. Luận án đã thành cơng trong việc chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs định hướng ứng dụng trong hấp thụ năng lượng nhiệt mặt trời, chất lỏng được nghiên cứu với nhiều chủng loại để phục vụ cho các mục tiêu ứng dụng ở nhiều dải nhiệt độ hoạt động khác nhau. Các loại chất lỏng đã được nghiên cứu chế tạo bao gồm: chất lỏng nền DI đáp ứng dải nhiệt độ hoạt động 0 oC ÷ 100 oC; chất lỏng nền EG đáp ứng dải nhiệt độ hoạt động -12 oC ÷ 197 oC; chất lỏng nền EG/DI đáp ứng dải nhiệt độ hoạt động -30 oC ÷ 107 oC; chất lỏng nền dầu silicone đáp ứng dải nhiệt độ hoạt động -22 oC ÷ 280 oC, và vật liệu nền là bitumen đáp ứng dải nhiệt độ hoạt động 75 oC ÷ 450 oC. Kết quả thực nghiệm cho thấy CNTs đã phân tán đồng đều, khơng cĩ sự tụ đám thành búi cĩ kích thước lớn, sự phân tán là ổn định và bền vững theo thời gian trong vật liệu nền. Độ dẫn nhiệt và khả năng chuyển hĩa quang nhiệt của các loại chất lỏng đều được nâng cao khi cĩ thêm thành phần CNTs.
3. Luận án đã thành cơng bước đầu trong việc thử nghiệm ứng dụng vật liệu CNTs/bitumen chế tạo được trong thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển hĩa thành điện năng sử dụng động cơ Stirling, với hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời của CNTs/bitumen đạt 95%.
Các kết quả đạt được cho thấy tiềm năng ứng dụng của chất lỏng chứa thành phần CNTs trong hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời, và đây cũng là xu hướng ứng dụng trong tương lai của chất lỏng nano nhằm nâng cao hiệu suất của các hệ hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời. Luận án đã đạt được một số kết quả khoa học cĩ ý nghĩa, cĩ tiềm năng ứng dụng.
Trong giai đoạn tiếp theo, nghiên cứu sinh dự kiến sẽ tiếp tục nghiên cứu sâu hơn chất lỏng nano chứa vật liệu lai CNTs với các hệ vật liệu khác và mở rộng thử nghiệm ứng dụng chất lỏng nano vào một số thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời như là thiết bị bình nĩng năng lượng mặt trời, máy chưng cất năng lượng mặt trời, v.v…
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T. B. Gorji and A. A. Ranjbar, “A review on optical properties and application of nanofluids in direct absorption solar collectors (DASCs),” Renew. Sustain.
Energy Rev., vol. 72, no. November 2016, pp. 10–32, 2017, doi:
10.1016/j.rser.2017.01.015.
[2] R. E. N. Members, Renewables 2019 Global Status Report. 2019.
[3] M. Ghalandari, A. Maleki, A. Haghighi, M. Safdari Shadloo, M. Alhuyi Nazari, and I. Tlili, “Applications of nanofluids containing carbon nanotubes in solar energy systems: A review,” J. Mol. Liq., vol. 313, p. 113476, 2020, doi: 10.1016/j.molliq.2020.113476.
[4] S. U. S. Choi and J. A. Eastman, “Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles,” ASME Int. Mech. Eng. Congr. Expo., 1995.
[5] R. Chein and G. Huang, “Analysis of microchannel heat sink performance using nanofluids,” Appl. Therm. Eng., vol. 25, pp. 3104–3114, 2005, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2005.03.008.
[6] C. I. Ossai, “Optimal renewable energy generation – Approaches for managing ageing assets mechanisms,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 72, no. November 2016, pp. 269–280, 2017, doi: 10.1016/j.rser.2017.01.041.
[7] A. Sharma, “A comprehensive study of solar power in India and World,”
Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 15, no. 4, pp. 1767–1776, 2011, doi:
10.1016/j.rser.2010.12.017.
[8] M. S. Bretado-de los Rios, C. I. Rivera-Solorio, and K. D. P. Nigam, “An overview of sustainability of heat exchangers and solar thermal applications with nanofluids: A review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 142, no. February, p. 110855, 2021, doi: 10.1016/j.rser.2021.110855.
[9] R. Saidur, K. Y. Leong, and H. A. Mohammad, “A review on applications and challenges of nanofluids,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 15, no. 3, pp. 1646–1668, 2011, doi: 10.1016/j.rser.2010.11.035.
[10] M. Eltaweel and A. A. Abdel-Rehim, “Energy and exergy analysis for stationary solar collectors using nanofluids: A review,” Int. J. Energy Res.,
45, no. 3, pp. 3643–3670, 2021, doi: 10.1002/er.6107.
[11] C. Kleinstreuer, J. Li, and J. Koo, “Microfluidics of nano-drug delivery,” Int.
J. Heat Mass Transf., vol. 51, no. 23–24, pp. 5590–5597, 2008, doi:
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.04.043.
[12] K. R. Aglawe, R. K. Yadav, and S. B. Thool, “Preparation, applications and challenges of nanofluids in electronic cooling: A systematic review,” Mater.
Today Proc., vol. 43, pp. 366–372, 2020, doi: 10.1016/j.matpr.2020.11.679. [13] S. Thomas and C. B. P. Sobhan, “A review of Experimental Investigations on
Seasonal reproduction in Birds,” Nanoscale Res. Lett., vol. 6, pp. 211–230, 2011.
[14] V. Selvaraj and H. Krishnan, “Graphene-silver alloyed quantum dots nanofluid: Synthesis and application in the cooling of a simulated electronic system,” Appl. Therm. Eng., vol. 187, no. June 2020, p. 116580, 2021, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116580.
[15] O. Abouali and G. Ahmadi, “Computer simulations of natural convection of single phase nanofluids in simple enclosures: A critical review,” Appl. Therm.
Eng., vol. 36, no. 1, pp. 1–13, 2012, doi:
10.1016/j.applthermaleng.2011.11.065.
[16] A. Kamyar, R. Saidur, and M. Hasanuzzaman, “Application of Computational Fluid Dynamics (CFD) for nanofluids,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 55, no. 15–16, pp. 4104–4115, 2012, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.03.052.
[17] H. Tyagi, P. Phelan, and R. Prasher, “Predicted Efficiency of a Nanofluid- Based Direct Absorption Solar Receiver,” ASME 2007 Energy Sustain. Conf., vol. 131, no. November 2009, pp. 729–736, 2007, doi: 10.1115/ES2007- 36139.
[18] T. P. Otanicar, P. E. Phelan, R. S. Prasher, G. Rosengarten, and R. A. Taylor, “Nanofluid-based direct absorption solar collector,” J. Renew. Sustain. Energy, vol. 2, no. 3, p. 033102, 2010, doi: 10.1063/1.3429737.
[19] R. A. Taylor et al., “Applicability of nanofluids in high flux solar collectors,”
J. Renew. Sustain. Energy, vol. 3, no. 2, p. 023104, 2011, doi:
[20] V. Khullar, H. Tyagi, T. P. Otanicar, P. E. Phelan, H. Singh, and R. A. Taylor, “Solar energy harvesting using nanofluids-based concentrating solar collector,” ASME 2012 3rd Int. Conf. Micro/Nanoscale Heat Mass Transf.
MNHMT 2012, vol. 3, no. August 2012, pp. 259–267, 2012, doi:
10.1115/MNHMT2012-75329.
[21] Y. Li, H. Xie, W. Yu, and J. Li, “Investigation on heat transfer performances of nanofluids in solar collector,” Mater. Sci. Forum, vol. 694, pp. 33–36,
2011, doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.694.33.
[22] R. A. Taylor, P. E. Phelan, T. P. Otanicar, R. Adrian, and R. Prasher, “Nanofluid optical property characterization: towards efficient direct absorption solar collectors,” Nanoscale Res. Lett., vol. 6, no. 1, p. 225, 2011, doi: 10.1186/1556-276X-6-225.
[23] T. Yousefi, F. Veysi, E. Shojaeizadeh, and S. Zinadini, “An experimental investigation on the effect of Al2O3-H2O nanofluid on the efficiency of flat- plate solar collectors,” Renew. Energy, vol. 39, no. 1, pp. 293–298, 2012, doi: 10.1016/j.renene.2011.08.056.
[24] T. Yousefi, F. Veisy, E. Shojaeizadeh, and S. Zinadini, “An experimental investigation on the effect of MWCNT-H2O nanofluid on the efficiency of flat- plate solar collectors,” Exp. Therm. Fluid Sci., vol. 39, pp. 207–212,
2012, doi: 10.1016/j.expthermflusci.2012.01.025.
[25] T. Yousefi, E. Shojaeizadeh, F. Veysi, and S. Zinadini, “An experimental investigation on the effect of pH variation of MWCNT-H2O nanofluid on the efficiency of a flat-plate solar collector,” Sol. Energy, vol. 86, no. 2, pp. 771– 779, 2012, doi: 10.1016/j.solener.2011.12.003.
[26] S. Link and M. A. El-Sayed, “Shape and size dependence of radiative, non- radiative and photothermal properties of gold nanocrystals,” Int. Rev. Phys.
Chem., vol. 19, no. 3, pp. 409–453, 2000, doi: 10.1080/01442350050034180. [27] N. G. Khlebtsov, L. A. Trachuk, and A. G. Mel’nikov, “The effect of the size,
shape, and structure of metal nanoparticles on the dependence of their optical properties on the refractive index of a disperse medium,” Opt. Spectrosc.
(English Transl. Opt. i Spektrosk., vol. 98, no. 1, pp. 77–83, 2005, doi:
10.1134/1.1858043.
[28] E. Sani et al., “Potential of carbon nanohorn-based suspensions for solar thermal collectors,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 95, no. 11, pp. 2994– 3000, 2011, doi: 10.1016/j.solmat.2011.06.011.
[29] L. Mercatelli, E. Sani, A. Giannini, P. Di Ninni, F. Martelli, and G. Zaccanti, “Carbon nanohorn-based nanofluids: Characterization of the spectral scattering albedo,” Nanoscale Res. Lett., vol. 7, pp. 1–12, 2012, doi:
10.1186/1556-276X- 7-96.
[30] R. Saidur, T. C. Meng, Z. Said, M. Hasanuzzaman, and A. Kamyar, “Evaluation of the effect of nanofluid-based absorbers on direct solar collector,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 55, no. 21–22, pp. 5899–5907, 2012, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.05.087.
[31] A. Lenert and E. N. Wang, “Optimization of nanofluid volumetric receivers for solar thermal energy conversion,” Sol. Energy, vol. 86, no. 1, pp. 253– 265, 2012, doi: 10.1016/j.solener.2011.09.029.
[32] G. Colangelo, E. Favale, A. de Risi, and D. Laforgia, “Results of experimental investigations on the heat conductivity of nanofluids based on diathermic oil for high temperature applications,” Appl. Energy, vol. 97, pp. 828–833, 2012, doi: 10.1016/j.apenergy.2011.11.026.
[33] Y. Kameya and K. Hanamura, “Enhancement of solar radiation absorption using nanoparticle suspension,” Sol. Energy, vol. 85, no. 2, pp. 299–307,
2011, doi: 10.1016/j.solener.2010.11.021.
[34] Y. Gan and L. Qiao, “Optical properties and radiation-enhanced evaporation of nanofluid fuels containing carbon-based nanostructures,” Energy and
Fuels, vol. 26, no. 7, pp. 4224–4230, 2012, doi: 10.1021/ef300493m.
[35] T. P. Otanicar and J. S. Golden, “Comparative environmental and economic analysis of conventional and nanofluid solar hot water technologies,”
Environ. Sci. Technol., vol. 43, no. 15, pp. 6082–6087, 2009, doi:
10.1021/es900031j.
concentrating solar water heating system,” Int. J. Environ. Stud., vol. 69, no.
2, pp. 220–232, 2012, doi: 10.1080/00207233.2012.663227.
[37] D. Shin and D. Banerjee, “Enhancement of specific heat capacity of high- temperature silica-nanofluids synthesized in alkali chloride salt eutectics for solar thermal-energy storage applications,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 54, no. 5–6, pp. 1064–1070, 2011, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.11.017.
[38] S. Wu, H. Wang, S. Xiao, and D. Zhu, “Numerical simulation on thermal energy storage behavior of Cu/paraffin nanofluids PCMs,” Procedia Eng.,
vol. 31, no. 2011, pp. 240–244, 2012, doi: 10.1016/j.proeng.2012.01.1018.
[39] M. A. Green, E. D. Dunlop, D. H. Levi, J. Hohl-Ebinger, M. Yoshita, and A. W. Y. Ho-Baillie, “Solar cell efficiency tables (version 54),” Prog. Photovoltaics Res. Appl., vol. 27, no. 7, pp. 565–575, 2019, doi:
10.1002/pip.3171.
[40] M. Elmir, R. Mehdaoui, and A. Mojtabi, “Numerical simulation of cooling a solar cell by forced convection in the presence of a nanofluid,” Energy
Procedia, vol. 18, pp. 594–603, 2012, doi: 10.1016/j.egypro.2012.05.072. [41] S. El Bécaye Mạga, S. J. Palm, C. T. Nguyen, G. Roy, and N. Galanis, “Heat
transfer enhancement by using nanofluids in forced convection flows,” Int. J.
Heat Fluid Flow, vol. 26, no. 4 SPEC. ISS., pp. 530–546, 2005, doi:
10.1016/j.ijheatfluidflow.2005.02.004.
[42] S. P. Jang and S. U. S. Choi, “Role of Brownian motion in the enhanced thermal conductivity of nanofluids,” Appl. Phys. Lett., vol. 84, no. 21, pp. 4316–4318, 2004, doi: 10.1063/1.1756684.
[43] O. Mahian and A. Kianifar, “Mathematical modelling and experimental study of a solar distillation system,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part C J. Mech. Eng. Sci., vol. 225, no. 5, pp. 1203–1212, 2011, doi: 10.1177/2041298310392648. [44] M. H. S. Y. M. Koilraj Gnanadason, P. Senthil Kumar, S.Rajakumar,
“EFFECT OF NANOFLUIDS IN A VACUUM SINGLE BASIN SOLAR STILL,” Int. J. Adv. Eng. Res. Stud., vol. 1, no. 1, pp. 171–177, 2011.
single-basin solar sill in Jordan,” Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 32,
no. 3–4, pp. 565–572, 2005, doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2004.06.006.
[46] T. C. Hung and W. M. Yan, “Enhancement of thermal performance in double- layered microchannel heat sink with nanofluids,” Int. J. Heat Mass Transf.,
vol. 55, no. 11–12, pp. 3225–3238, 2012, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.02.057.
[47] H. Fan, R. Singh, and A. Akbarzadeh, “Electric power generation from thermoelectric cells using a solar dish concentrator,” J. Electron. Mater., vol. 40, no. 5, pp. 1311–1320, 2011, doi: 10.1007/s11664-011-1625-x.
[48] T. M. Letcher, Storing Energy: With Special Reference to Renewable Energy
Sources. Elsevier, 2016.
[49] A. H. Sayer, H. Al-Hussaini, and A. N. Campbell, “Experimental analysis of the temperature and concentration profiles in a salinity gradient solar pond with, and without a liquid cover to suppress evaporation,” Sol. Energy, vol. 155, pp. 1354–1365, 2017, doi: 10.1016/j.solener.2017.08.002.