4.7 .Thử nghiệm ứng dụng bitumen/CNTs hấp thụ năng lượng mặt trời
4.7.1. Nghiên cứu lựa chọn động cơ hấp thụ năng lượng mặt trời
Một loại động cơ nhiệt phù hợp với nhiệm vụ chuyển hĩa nhiệt mặt trời thành cơ năng đĩ là động cơ Stirling. Động cơ Stirling là động cơ nhiệt cĩ thể biến đổi liên tục nhiệt năng thành cơ năng hoạt động theo chu kì Stirling, được sáng chế vào năm 1816 bởi Robert Stirling người Scotland, trước cả động cơ Diesel (1893), động cơ xăng (1860) và động cơ điện (1869) [129]. Nghiên cứu về cơng nghệ Stirling được bắt đầu từ năm 1816 tuy nhiên khi động cơ đốt trong ra đời, với ưu điểm về cơng suất riêng (cơng suất trên một đơn vị khối lượng hoặc đơn vị thể tích động cơ) lớn, các động cơ đốt trong dùng nhiên liệu hĩa thạch đã trở thành thiết bị chủ yếu và động cơ Stirling gần như bị lãng quên. Phải cho tới gần đây, khi nguồn nhiên liệu hĩa thạch bị cạn kiệt, con người cần tìm các nguồn năng lượng mới thay thế thì động cơ Stirling mới được chú ý trở lại. Đĩ là nhờ cĩ bộ phận thu nhiệt đơn giản nên động cơ Stirling phù hợp với mọi loại nguồn nhiệt, khơng chỉ nhiên liệu rắn, lỏng, khí truyền thống mà cịn cĩ thể thu nhiệt từ các hệ thống khác, ví dụ như nhiệt từ năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt hay nhiệt từ năng lượng mặt trời… Ngồi ra, nĩ cĩ những ưu điểm nổi bật như là hoạt động ổn định, chế độ hoạt động êm, ít tiếng ồn. Nĩ tạo ra ít rung động so với động cơ đốt trong do khơng cĩ các chu kì nổ xả. Do khơng cần các van đĩng mở và khơng cĩ khí thốt ra nên động cơ Stirling bảo trì dễ dàng và ít hư hỏng hơn so với động cơ đốt trong. Thêm nữa, nĩ cĩ thể hoạt động với sự chênh lệch nhiệt độ rất ít giữa nguồn nĩng và nguồn lạnh. Ở thời điểm hiện tại, nghiên cứu về
động cơ Stirling đĩng gĩp rất lớn cho việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Đặc biệt, hệ thống chuyển đổi năng lượng từ nhiệt mặt trời sử dụng loại động cơ này nằm trong số những nghiên cứu thú vị và hứa hẹn nhất hiện nay [130].
Hình 4.37. Phân loại động cơ Stirling theo đặc điểm cấu tạo: alpha (a); beta
(b); gamma (c) [129]
Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo, người ta phân loại thành động cơ Stirling dạng alpha, beta và gamma như Hình 4.37. Một số nghiên cứu cho thấy cấu hình gamma cĩ hiệu suất cao nhất [131] nên trong phần tiếp theo của luận án sẽ chủ yếu trình bày về động cơ Stirling câú hình gamma. Động cơ Striling kiểu gamma cĩ pittong phụ và pittong lực được đặt tại hai xy lanh riêng biệt, chức năng của pittong phụ là truyền chất cơng tác từ buồng nĩng của xy lanh sang buồng lạnh của xy lanh. Chức năng của pittong lực là chuyển hĩa sự dãn nở của chất cơng tác tại áp suất cao thành chuyển động của trục khuỷu và bánh đà.
Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling
Chu kì Stirling gồm hai quá trình đẳng nhiệt và hai q trình đẳng tích xen kẽ. Chu kì Stirling lý tưởng cĩ những ưu điểm sau: Thứ nhất, hiệu suất nhiệt của chu kì Stirling với bộ phận hồn nhiệt lý tưởng bằng với chu kỳ Carnot [132]. Trong suốt quá trình, bộ phận hồn nhiệt là một bộ lưu trữ năng lượng tạm thời, hấp thụ và giải phĩng nhiệt nhanh cho chất cơng tác trong động cơ. Do đĩ lượng nhiệt lấy từ nguồn nhiệt bên ngồi giảm đi, điều này giúp cải thiện hiệu suất nhiệt. Thứ hai, thay hai quá trình đoạn nhiệt trong chu trình Carnot bằng hai quá trình đẳng tích ta sẽ thu được chu trình Stirling như trên Hình 4.38 (hai chu trình cĩ cùng giới hạn về áp suất, thể tích và nhiệt độ), do đĩ ta cĩ diện tích chu trình Stirling trong đồ thị pV sẽ lớn hơn
diện tích chu trình Carnot. Kết quả là tổng cơng động cơ thực hiện trong chu trình Stirling sẽ lớn hơn trong chu trình Carnot (phần gạch chéo trong Hình 4.38). Các quá trình làm việc của động cơ Stirling được thể hiện như trên Hình 4.39.
Hình 4.38. Chu trình Carnot và Stiling biểu diễn trong đồ thị pV
- Xét quá trình nén đẳng nhiệt 1-2: Pit-tơng phụ ở vị trí biên trên sau khi đẩy chất cơng tác từ buồng nĩng sang buồng lạnh của xy lanh. Pittong lực được đẩy từ biên dưới lên biên bên trên bằng động năng quay của bánh đà và làm nén chất cơng tác, nhiệt được truyền từ chất cơng tác ra bên ngồi. Sau đĩ pittong lực ở tại vị trí biên trên, và chất cơng tác ở trong buồng lạnh biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 ở nhiệt độ khơng đổi. Cơng chất cơng tác nhận được là phần diện tích bên dưới q trình 1-2.
- Trong q 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 cơng tác từ buồng lạnh sang buồng nĩng, trong quá trình đĩ áp suất của chất cơng tác tăng lên và nhiệt lưu trữ từ bộ phận hồn nhiệt truyền cho chất cơng tác. Do đĩ áp suất và nhiệt độ của chất cơng tác sẽ tăng lên trong khi thể tích giữ khơng đổi, ứng với trạng thái 2 lên trạng thái 3.
- Tiếp theo là quá trình giãn nở và sinh cơng, ứng với quá trình đẳng nhiệt 3- 4: nhiệt được truyền cho chất cơng tác ở nhiệt độ cao bởi nguồn nhiệt bên ngồi. Khi pittong phụ đẩy hết chất cơng tác vào buồng nĩng, làm áp suất chất cơng tác tăng lên giá trị cực đại. Chất cơng tác trong buồng nĩng giãn nở tới áp suất p4, trong
khi nhiệt độ được giữ khơng đổi ở buồng nĩng. Khi áp suất tăng lên sẽ đẩy pittong lực từ vị trí
biên trên xuống vị trí biên dưới, đồng thời tạo lực đẩy làm quay bánh đà, tức là tạo ra cơ năng. Một phần cơ năng này sẽ được tái sử dụng trong chu trình. Cơng mà chất cơng tác tạo ra bằng diện tích nằm dưới q trình 3-4.
Hình 4.39. Các quá trình làm việc của động cơ Stirling
- Q trình làm mát đẳng tích 4-1: nhiệt từ chất cơng tác sẽ được truyền cho bộ phận hồn nhiệt. Sau khi pittong lực tới vị trí biên dưới và truyền cơ năng cho bánh đà, pititong phụ chuyển động từ biên dưới lên biên trên và đẩy chất cơng tác từ
buồng nĩng sang buồng lạnh, làm cho nhiệt độ và áp suất của chất cơng tác giảm xuống trong khi thể tích được giữ khơng đổi. Sau đĩ chất cơng tác lại chuyển từ trạng
thái 1 sang 2 nhờ bánh đà quay và lực hút từ phần chân khơng tạo bởi sự tụt áp suất làm pittong 1 trở về vị trí biên trên trên, cứ như vậy tạo thành chu trình Stirling của động cơ.
Hình 4.40. Giản đồ pha của cặp pittong phụ -pittong lực trong động cơ
Stirling cấu hình gamma
Pittong phụ và pittong lực khơng thể lên xuống đồng thời nên chuyển động của chúng phải cĩ sự lệch pha, độ lệch pha của hai chuyển động là 900. Hình 4.40 là giản đồ pha của cặp pittong phụ – pittong lực của động cơ Stirling với cấu hình gamma.
Hiệu suất của chu trình Stirling
Với một mol chất cơng tác lý tưởng, nhiệt lượng thu vào và tỏa ra là [132]:
Q xc (T T ) RT ln( v1 ) thu V H C H v2 (78) Q tỏa Q xc (T T ) RT ln(v2 ) toa V C H C v1 (79)
Với x là hệ số của bộ phận bồi hồn nhiệt lý tưởng (x=1 với trường hợp khơng cĩ bộ phận bồi hồn nhiệt), cV là nhiệt dung riêng đẳng tích, TH và TC lần lượt là nhiệt độ nguồn nĩng và nguồn lạnh tính theo Kenvin, R là hằng số khí (J/kgK), v1
và v2 (m3/kg) là thể tích riêng trong hai q trình đẳng tích. Hiệu suất của chu trình Stirling là:
(T T )RT ln( v1 ) A Q Q H C H v toa thu 2 S Qthu Qthu xc (T T ) RT ln(v2 ) V H C H v1 (80)
4.7.2. Hệ phát điện sử dụng động cơ nhiệt Stirling hấp thụ năng lượng mặt trời dạng đĩa hội tụ (dish- Stirling)
Hệ bao gồm hai phần chính: một là bộ thu hội tụ năng lượng mặt trời, hai là bộ thu hấp thụ nhiệt và chuyển hĩa thành cơ năng để phát điện. Mục đích bộ thu hội tụ năng lượng mặt trời là cung cấp nhiệt để chạy động cơ Stirling. Bộ thu hội tụ năng lượng mặt trời thường là một chảo parabol, cĩ tác dụng hội tụ ánh sáng vào tiêu điểm. Động cơ Stirling và máy phát điện sẽ đặt tại tiêu điểm của chảo parabol này, minh họa đơn giản như trên Hình 4.41.
Nhiều hệ hấp thụ năng lượng mặt trời sử dụng cơng nghệ dish-Stirling với cơng suất lớn đã được xây dựng tại nhiều nước, ví dụ hệ được xây dựng tại Arizona, Mỹ với cơng suất 1,5 MW [131].
Hình 4.41. Sơ đồ hệ thống phát điện sử dụng động cơ Stirling hấp thụ năng
lượng mặt trời
4.7.3. Sử dụng CNTs/bitumen trong hệ hấp thụ năng lượng mặt trời dish-Stirling
Để nâng cao hiệu suất của hệ hấp thụ năng lượng mặt trời dish-Stirling thì cần nâng cao khả năng hấp thụ nhiệt của bộ thu để chạy động cơ Stirling. Chính vì vậy
chúng tơi thiết kế thử nghiệm bộ thu sử dụng chất lỏng nano nhằm nâng cao khả năng hấp thụ nhiệt mặt trời, thiết bị như trên Hình 4.42.
Hình 4.42. Thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời sử dụng động cơ Stirling
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