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.
1.2.3. Pin mặt trời
Pin mặt trời là thiết bị chuyển hĩa trực tiếp quang năng thành điện năng, hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện. Pin mặt trời được dùng phổ biến hiện nay chủ yếu dùng vật liệu bán dẫn Silic, gồm nhiều tế bào quang điện. Chất bán dẫn cĩ đặc điểm là điện trở suất của nĩ phụ thuộc mạnh vào nồng độ của tạp chất. Chất bán dẫn loại n cĩ hạt tải điện cơ bản là electron. Bán dẫn loại n cĩ thể được chế tạo bằng cách pha tạp silic với những nguyên tố cĩ năm electron hĩa trị như P, As, … Bốn electron hĩa trị của các nguyên tố này sẽ liên kết với bốn nguyên tử silic, như vậy sẽ thừa ra một electron và electron này cĩ thể thành hạt tải điện tự do. Tương tự, để chế tạo chất bán dẫn cĩ hạt tải điện cơ bản là lỗ trống (loại p), tinh thể silic được pha tạp các nguyên tố cĩ ba electron hĩa trị như B, Al, … Để cĩ đủ bốn mối liên kết, các nguyên tố này nhận một electron liên kết và sinh ra một lỗ trống. Tế bào quang điện gồm hai lớp chuyển tiếp p-n, khi chiếu ánh sáng tới thích hợp là các chùm photon mang năng lượng thì xảy ra hiện tượng quang điện, tạo ra sự phân bố điện tích giữa hai lớp điện cực và cĩ một hiệu điện thế. Các thiết bị pin quang điện chuyển ánh sáng mặt trời thành điện năng hiện nay vẫn chưa thật sự hiệu quả. Hiệu suất chuyển hĩa năng lượng mặt trời thành điện lớn nhất của tế bào quang điện hiên nay là khoảng 47,1% [39], cịn các tế bào năng lượng mặt trời thương phẩm thì thấp hơn nhiều. Đĩ là bởi vì, quang phổ của ánh sáng mặt trời bao gồm các bước sĩng khác nhau, cường độ của
mỗi bước sĩng cũng khác nhau. Để giải phĩng electron liên kết thành các electron tự do thì bước sĩng của ánh sáng phải nhỏ hơn một giá trị xác định, do đĩ những bước sĩng lớn khơng gây ra được hiện tượng quang điện trong, cịn nhiều sĩng ánh sáng cĩ bước sĩng nhỏ lại quá mạnh so với chất bán dẫn. Do vậy phần lớn năng lượng mặt trời tới tế bào quang điện sẽ gây ra tác dụng nhiệt nhiều hơn là chuyển thành năng lượng điện.
Do đĩ, nếu pin mặt trời cĩ hệ thống làm mát hiệu quả thì sẽ giúp tăng hiệu suất của thiết bị. Chất lỏng nano cĩ thể được sử dụng và là giải pháp để làm mát cho các pin mặt trời. Nhĩm Elmir [40] mơ phỏng hệ làm mát của các pin mặt trời silic bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Họ xét các tấm pin mặt trời như những máng nghiêng với độ dốc 30o và giải phương trình trong hệ tọa độ Đề các. Họ sử dụng chất lỏng nano Al2O3/nước để phân tích, với độ dẫn nhiệt và độ nhớt của chất lỏng
nano được đánh giá theo mơ hình của Wasp và Brinkman. Kết quả như trong Hình 1.18, họ kết luận rằng sử dụng chất lỏng nano làm tăng giá trị trung bình của số Nusselt (tỉ số nhiệt lượng đối lưu với nhiệt lượng dẫn), và do đĩ, hệ số làm mát tăng lên khi tăng tỉ lệ thể tích.
Hình 1.18. Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích hạt nano trong chất lỏng nano lên hệ
Tất nhiên cần chú ý rằng các thơng số nhiệt vật lý sử dụng trong nghiên cứu này khá cũ và nĩ khơng dự đốn chính xác độ dẫn nhiệt và độ nhớt của chất lỏng nano. Vì vậy, hi vọng trong các nghiên cứu sau này, các mơ hình phụ thuộc nhiệt độ chính xác được áp dụng hoặc ít nhất là các mơ hình nhiệt độ mới hơn được sử dụng để tính tốn các đặc tính nhiệt của chất lỏng nano. Ví dụ, để tính tốn độ nhớt của chất lỏng nano, các mơ hình của nhĩm Maiga, Buogiorno, Nguyen, Koo và Kleinstreuer [41] cĩ thể sử dụng được. Để đánh giá độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano, cĩ thể áp dụng các mối liên hệ được nhĩm Maiga, Xuan, Jang và Choi [42] đưa ra.
1.2.4. Hệ chưng cất năng lượng mặt trời
Nhu cầu nước sạch tăng mạnh do sự gia tăng dân số và sự ơ nhiễm nguồn nước. Theo tổ chức Sức khỏe thế giới WHO, gần 2,8 tỉ người (khoảng 40% dân số thế giới) đang khơng được tiếp cận với nước sạch để uống và các nguồn bệnh lây truyền từ nước chiếm tới 90% các loại bệnh lây truyền ở các nước đang phát triển [43]. Ở các vùng khơ hạn trên thế giới, việc cung cấp nước sạch càng trở lên khĩ khăn hơn. Trong những vùng này, cĩ thể sử dụng các hệ chưng cất năng lượng mặt trời để giải quyết một phần bài tốn nước sạch.
Nước bẩn hay nước mặn từ thùng chứa được đưa vào khay phía dưới và được đun nĩng bởi sự hấp thụ bức xạ mặt trời của mặt đáy và nhờ hiệu ứng nhà kính nên nhiệt độ dưới tấm kính tăng cao. Bề mặt đáy được sơn đen để tăng hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời. Khi nhiệt độ tăng, các phân tử nước chuyển động mạnh hơn (chuyển động nhiệt) và chúng cĩ thể tách ra khỏi mặt thống với số lượng tăng dần theo nhiệt độ. Chuyển động đối lưu của lớp khơng khí phía trên mặt thống mang theo các phân tử nước này và ta cĩ quá trình bay hơi. Dịng khơng khí bốc lên chứa đầy hơi ẩm gặp tấm kính phía trên cĩ nhiệt độ thấp hơn (do kính tiếp xúc khơng khí bên ngồi) nên hơi nước ngưng tụ lại và chảy xuống máng ở gĩc dưới rồi theo ống dẫn chảy xuống bình chứa nước sạch. Lượng nước chưng cất được trong ngày trên một đơn vị diện tích phụ thuộc vào các yếu tố như: cấu tạo của thiết bị, cường độ bức xạ tổng trong ngày cũng như hướng của tia nắng chiếu tới mặt đáy, tốc độ giĩ, nhiệt độ nước cấp vào, nhiệt độ mơi trường.
Hình 1.19. Sơ đồ thí nghiệm thiết bị chưng cất năng lượng mặt trời sử dụng
chất lỏng nano
Máy chưng cất năng lượng mặt trời cĩ ưu điểm là khơng phát ra khí nhà kính trong q trình sản xuất nước sạch. Nhiều nhà nghiên cứu vẫn đang cố gắng dùng các phương pháp khác nhau để cải thiện sản phẩm máy chưng cất năng lượng mặt trời này. Nhĩm Gnanadason [44] nghiên cứu cho thấy sử dụng chất lỏng nano sẽ tăng năng suất của máy chưng cất năng lượng mặt trời. Sơ đồ thí nghiệm như Hình 1.19.
Họ nghiên cứu sự thay đổi hiệu suất khi cho thêm ống nano các bon (CNTs) vào nước trong các chậu của máy chưng cất năng lượng mặt trời. Kết quả của họ cho thấy khi pha thêm các hạt nano các bon sẽ làm tăng hiệu suất thêm 50%. Tuy nhiên họ khơng nĩi rõ lượng nano cacbon được pha thêm trong hệ máy chưng cất năng lượng mặt trời là bao nhiêu. Vấn đề kinh tế cũng cần được xem xét khi sử dụng chất lỏng nano trong các máy chưng cất năng lượng mặt trời. Nhĩm của Nijmeh [45] thấy rằng việc thêm các thuốc nhộm tím vào nước trong các máy chưng cất năng lượng mặt trời cũng giúp làm tăng hiệu suất lên 29%. Trong khi chất lỏng nano (nhất là CNTs) đắt hơn so với thuốc nhuộm, vì vậy đây là một rào cản khi sử dụng chất lỏng nano vào các máy chưng cất năng lượng mặt trời. Với cách sử dụng chất lỏng nano trong các máy chưng cất năng lượng mặt trời thì chất lỏng nano khơng chảy trong các ống kín nên chúng khơng thể thu hồi lại được
1.3. Những khả năng ứng dụng chất lỏng chứa hạt nano trong lĩnh vực năng 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