1.2 .Ứng dụng chất lỏng chứa hạt nano trong hấp thụ năng lượng 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 quá 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.
1.4. Những thách thức khi sử dụng chất lỏng nano
Như vậy, xu hướng tất yếu là chất lỏng nano sẽ được ứng dụng trong các thiết bị hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, hiện tại vẫn cịn nhiều rào cản, thách thức khi sử dụng chất lỏng nano.
Thứ nhất, đĩ là tính khơng bền vững và dễ bị kết tụ của chất lỏng nano. Vì hạt nano và chất lỏng nền thuộc hai pha khác nhau nên dễ xảy ra tình trạng lắng đọng các hạt nano. Do đĩ khơng thể khơng dùng bơm như sử dụng vịng tuần hồn thơng thường trong các ống xi-phơng nhiệt ở hệ hấp thụ năng lượng mặt trời. Cũng cần chú ý rằng với việc suy giảm nhiệt độ nhanh thì sự lắng đọng của các hạt nano sẽ trở nên nghiêm trọng. Nhiều nhà khoa học đã chế tạo được những chất lỏng nano bền vững theo thời gian, hạn chế sự lắng đọng, ví dụ như dùng chất hoạt động bề mặt, thay đổi cấu trúc bề mặt các vật liệu nano... Tuy nhiên, vẫn cần cĩ những nghiên cứu thích đáng về việc chế tạo chất lỏng nano ổn định và bền vững cho những ứng dụng địi hỏi nhiệt độ cao.
Thứ hai là vấn đề về cơng suất bơm và sự giảm áp suất. Sử dụng chất lỏng nano với độ nhớt cao so với chất lỏng thơng thường dẫn đến làm tăng độ tụt áp suất và do đĩ cần phải tăng cơng suất bơm. Ví dụ như nhĩm Duangthongsuk [50] trong quá trình tiến hành thực nghiệm thấy rằng sự tụt áp suất ở chế độ lưu động tăng lên khi tăng tỉ lệ thể tích hạt nano trong chất lỏng nano TiO2/nước. Trong nghiên cứu
thực nghiệm khác, nhĩm Razi [51] cũng thấy rằng khi sử dụng chất lỏng nano CuO/dầu thì sự tụt áp cũng tăng lên dưới chế độ chảy tầng. Tuy nhiên, đây cũng
khơng phải là vấn đề lớn khi áp dụng chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời.
Thứ ba là vấn đề về sự ăn mịn. Sự tồn tại các hạt nano trong chất lỏng nano là nguyên nhân chính dẫn đến sự ăn mịn trong các thiết bị nhiệt trong thời gian dài. Nhĩm của Celata [52] nghiên cứu sự ăn mịn của dịng chảy chất lỏng nano khi cho chảy trên các bề mặt kim loại. Họ tiến hành thí nghiệm với chất lỏng pha các hạt nano TiO2, Al2O3, SiC, ZrO2 với chất lỏng nền là nước, cho các chất lỏng này chạy
qua ống làm bằng các vật liệu khác nhau, ví dụ như nhơm, đồng, thép khơng gỉ. Họ thấy rằng chất lỏng nano khơng làm ảnh hưởng gì tới các ống bằng thép khơng gỉ, trong khi ống bằng nhơm bị ăn mịn rất mạnh. Họ cũng thu được kết quả là các hạt ZrO2 và TiO2 thì cĩ độ ăn mịn cao nhất, cịn các hạt nano SiC cĩ sự ăn mịn ít nhất. Do đĩ, cần cĩ những nghiên cứu về lựa chọn chất lỏng nano phù hợp với từng loại vật liệu trong thiết bị của hệ hấp thụ năng lượng mặt trời.
Thứ tư, đĩ là giá thành của chất lỏng nano. Do chất lỏng nano hiện nay vẫn cịn nhiều khĩ khăn trong chế tạo, chi phí để tạo ra được chất lỏng nano sẽ cao hơn chất lỏng thơng thường. Để tạo được chất lỏng nano cần thơng qua các bước như sau: đầu tiên là phải chế tạo được các hạt nano, sau đĩ là phải dùng các phương pháp khác nhau để cĩ thể hịa tan các hạt nano vào các chất lỏng nền. Vì vậy giá thành của chất lỏng nano cao hơn so với chất lỏng thơng thường. Chính vì giá thành cao nên việc nghiên cứu sử dụng chất lỏng nano trong các bộ trao đổi nhiệt cũng gặp nhiều khĩ khăn. Tuy nhiên, với sự phát triển của khoa học cơng nghệ trong chế tạo vật liệu nano cùng những hiệu quả chất lỏng nano mang lại thì thách thức này sẽ sớm được giải quyết một cách triệt để.
1.5. Giới thiệu về chất lỏng chứa ống nano cacbon
1.5.1. Tính chất của vật liệu CNTs
Trong các loại vật liệu cĩ thể chế tạo chất lỏng nano đĩ là CNTs. Mặc dù cacbon cĩ mặt khắp nơi trong tự nhiên nhưng CNTs là một sản phẩm nhân tạo. Phương pháp phĩng điện hồ quang, tổng hợp bằng chùm tia laser, phương pháp lắng đọng hĩa học pha hơi (CVD), nghiền bi và ủ nhiệt là những phương pháp chính để
chế tạo ống nano cacbon đơn tường (SWCNT) và đa tường (MWCNT) [53]. CNTs cĩ thể coi như tấm graphene cuộn lại thành ống hình trụ như Hình 1.26.
Hình 1.26. Sơ đồ ống nano cacbon được tạo từ các tấm graphene
Các nền vật liệu khác nhau khi được đưa thêm CNTs thì các tính chất điện, nhiệt, cơ của vật liệu đĩ sẽ được tăng cường nhờ những tính chất ưu việt của CNTs. Ví dụ như các vật liệu polymer, cao su, thép… khi được gia cường thêm một lượng nhỏ CNTs thì độ chịu hĩa, độ chống mài mịn, độ cứng, tính chất cơ học được tăng cường mạnh mẽ. Độ dẫn điện của CNTs phụ thuộc rất mạnh vào cấu trúc của vật liệu. Tùy vào cặp chỉ số Chiral (n,m) mà CNTs là kim loại hay bán dẫn. CNTs cĩ kích thước bé và cĩ khả năng phát xạ điện tử mạnh với điện thế nhỏ, do đĩ cĩ nhiều nghiên cứu ứng dụng CNTs để chế tạo nguồn phát xạ điện tử cĩ kích thước nhỏ, chế tạo màn hình phẳng cĩ cơng suất tiêu thụ thấp. Do ống nano cacbon cĩ lõi rỗng và diện tích mặt ngồi nhiều nên diện tích bề mặt riêng lớn. Nhờ tính chất này mà khả năng hấp thụ khí của CNTs rất lớn và khi hấp thụ khí thì tính chất điện của CNTs sẽ bị thay đổi. Do vậy CNTs cũng được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến khí. Cũng do cĩ diện tích bề mặt lớn, tính chất dẫn điện tốt, vật liệu ống nano cacbon cĩ khả năng ứng dụng trong việc chế tạo siêu tụ điện, chế tạo điện cực tích trữ Hydro cho pin nhiên liệu. Và đặc biệt, nhờ độ dẫn nhiệt cao bất thường của CNTs, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu tìm hiểu các đặc trưng cơ bản của CNTs và áp dụng chúng trong các hệ truyền nhiệt [54]. So sánh độ dẫn nhiệt của một số kim loại,
ơ xít kim loại và một số chất lỏng khác nhau như Hình 1.27. So sánh độ dẫn nhiệt của một số chất theo số thứ tự ở Bảng 1.4.
Hình 1.27. So sánh độ dẫn nhiệt của một số chất theo số thứ tự ở Bảng 1.4Bảng 1.4. Danh mục các chất so sánh độ dẫn nhiệt [54] Bảng 1.4. Danh mục các chất so sánh độ dẫn nhiệt [54]
STT Chất STT Chất STT Chất
1 R113 8 TiO2 15 Cu
2 Polyalphaolefin 9 ZnO 16 Ag
3 Dầu kĩ thuật 10 Al2O3 17 Kim cương 4 Ethylen glycol 11 MgO 18 Than chì
5 Nước 12 CuO 19 MWCNT (14 nm)
6 SiO2 13 Al 20 SWCNT (1,7 nm)
7 Fe3O4 14 Au 21 SWCNT (1,0 nm)
1.5.2. Tiềm năng ứng dụng của CNTs cho chất lỏng hấp thụ năng lượng mặt trời
Ngồi ưu điểm là cĩ độ dẫn nhiệt lớn, CNTs cịn cĩ vùng hấp thụ bước sĩng rộng hơn so với hạt nano kim loại [55] và CNTs cĩ thể được chức năng hĩa bề mặt để cải thiện sự phân tán và ổn định trong một số dung mơi [56]. Chính nhờ những tính chất này mà CNTs được xem như vật liệu lý tưởng cho việc chế tạo chất lỏng nano hấp thụ năng lượng mặt trời trực tiếp. Tuy nhiên, để cĩ được chất lỏng nano chứa CNTs sử dụng trong thực tế với sự ổn định cao và chi phí thấp thì q trình chế
tạo chất lỏng khơng đơn giản là mua CNTs và trộn chúng vào chất lỏng truyền nhiệt. Chính vì vậy, luận án hướng tới việc nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lỏng chứa thành phần ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời.
1.5.3. Vai trị của việc biến tính CNTs
Mẫu CNTs dùng cho thí nghiệm thường cĩ nhiều đường kính khác nhau, phân bố chiều dài và cấu trúc khác nhau trong cùng một mẫu. Các phương pháp sản xuất CNTs tạo ra các tạp chất như các loại cacbonat phụ và dư lượng từ các chất xúc tác kim loại chuyển tiếp được sử dụng trong quá trình chế tạo CNTs. Hơn nữa, CNTs khơng hịa tan trong tất cả dung mơi do lực tương tác Van der Waals mạnh mẽ giữ chúng lại với nhau, tạo thành bĩ và tụ đám. Tất cả những điều trên làm giảm đi