Hình 4.35 là kết quả khảo sát điểm hĩa mềm của vật liệu bitumen theo hàm lượng gia cường CNTs. Điểm hĩa mềm tăng đồng nghĩa với việc tăng thêm khả năng chịu nhiệt của vật liệu, điều này cĩ ý nghĩa quan trọng trong những trường hợp yêu cầu vật liệu đáp ứng khả năng làm việc trong mơi trường cĩ nhiệt độ cao [128]. Điểm hĩa mềm của các mẫu bitumen lần lượt là 66,3; 66,5; 67 và 68,5 oC tương ứng với hàm lượng 0%; 0,4%; 08% và 1,2% về khối lượng của CNTs. Với hàm lượng 1,2% CNTs thì điểm hĩa mềm tăng 2,2 oC, điều này đã gĩp phần nâng cao khả năng chịu nhiệt của vật liệu tổ hợp.
Hình 4.36 là kết quả khảo sát khả năng sự chuyển hĩa quang nhiệt của vật liệu bitumen gia cường CNTs khi so với bitumen nguyên chất. Kết quả cho thấy khi cĩ thêm CNTs thì sự tăng nhiệt độ diễn ra nhanh hơn, đồng thời nhiệt độ bão hịa cũng lớn hơn so với bitumen nguyên chất. Sau 3000 giây, sự gia tăng nhiệt độ của mẫu CNTs/bitumen lớn hơn bitumen khoảng 4,5%. Điều này được giải thích là do CNTs cĩ độ dẫn nhiệt cao cùng với hệ số hấp thụ ánh sáng lớn nên CNTs sẽ giúp gia tăng đáng kể khả năng chuyển hĩa quang thành nhiệt của vật liệu tổ hợp.
Như vậy nhĩm nghiên cứu đã chế tạo thành cơng vật liệu bitumen gia cường CNTs bằng phương pháp khuấy trộn cơ học kết hợp với biến tính và gắn thêm nhĩm
chức COOH để nâng cao hiệu quả phân tán trong nền bitumen. Vật liệu tổ hợp CNTs/bitumen đã cĩ những cải thiện đáng kể về tính chất cơ lý tính so với bitumen nguyên chất. Với hàm lượng 1,2 % khối lượng CNTs, vật liệu CNTs/bitumen cĩ độ cứng tăng lên hơn 3 lần thể hiện qua giá trị độ kim lún và độ bền kéo, đồng thời điểm hĩa mềm tăng 2,2 oC so với bitumen nguyên chất. Khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt hơn và độ tăng nhiệt độ của mẫu CNTs/bitumen với hàm lượng 0,8% khối lượng lớn hơn 4,5% so với bitumen nguyên chất. Qua những kết quả trên đây cĩ thể thấy tiềm năng áp dụng rất lớn của CNTs/bitumen trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đĩ cĩ lĩnh vực hấp thụ năng lượng mặt trời.
4.7. Thử nghiệm ứng dụng CNTs/bitumen 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 q 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 q 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.