Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lưu chứa ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời

Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất chất lưu chứa ống nano cacbon ứng dụng hấp thụ năng lượng mặt trời.

Chuyên ngành

Vật liệu điện tử

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án tiến sĩ

2022

151
2
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

NỘI DUNG

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

1. MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG NANO TRONG HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1. Giới thiệu chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời

1.2. Ứng dụng chất lỏng chứa hạt nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời

1.3. Cơ chế nâng cao hệ số dẫn nhiệt và hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời

1.4. Bộ thu nhiệt và máy nước nóng năng lượng mặt trời

1.5. Hệ lưu trữ năng lượng nhiệt

1.6. Pin mặt trời

1.7. Hệ chưng cất năng lượng mặt trời

1.8. Những khả năng ứng dụng chất lỏng chứa hạt nano trong lĩnh vực năng lượng mặt trời trong tương lai

1.8.1. Hệ thống quang nhiệt điện

1.8.2. Pin nhiệt điện

1.8.3. Ao mặt trời

1.8.4. Các khả năng khác

1.9. Những thách thức khi sử dụng chất lỏng nano

1.10. Giới thiệu về chất lỏng chứa ống nano cacbon

1.11. Tính chất của vật liệu CNTs

1.12. Tiềm năng ứng dụng của CNTs cho chất lỏng hấp thụ năng lượng mặt trời

1.13. Vai trò của việc biến tính CNTs

1.14. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp biến tính CNTs

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết

2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu

2.3. Quy trình biến tính CNTs

2.4. Quy trình chế tạo chất lỏng nano

2.5. Các phép đo thực nghiệm

2.6. Các phép đo hình thái

3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT

3.1. Mô hình tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs

3.2. Mô hình độ dẫn nhiệt của Hemanth và Patel

3.3. Mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của nhóm B

3.4. Phát triển mô hình tính toán cải tiến cho hỗn hợp chất lỏng EG/DI

3.5. Mô hình lý thuyết

3.6. So sánh mô hình với kết quả thực nghiệm đã công bố

3.7. Nghiên cứu mô hình lý thuyết tính chất quang và hấp thụ nhiệt của chất lỏng nano

3.7.1. Định luật Lambert-Beer

3.7.2. Lý thuyết Maxwell-Garnett

3.7.3. Lý thuyết Mie và Gans

3.7.4. Một số kết quả thu được từ các mô hình trên

3.8. Mô hình tính toán chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt của chất lỏng nano

4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1. Biến tính CNTs

4.2. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là nước cất

4.3. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là ethylene glycol

4.4. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là hỗn hợp EG/DI

4.5. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là dầu Silicone

4.6. Bitumen chứa CNTs

4.7. Thử nghiệm ứng dụng bitumen/CNTs hấp thụ năng lượng mặt trời

4.8. Nghiên cứu lựa chọn động cơ hấp thụ năng lượng mặt trời

4.9. Hệ phát điện sử dụng động cơ nhiệt Stirling hấp thụ năng lượng mặt trời dạng đĩa hội tụ (dish-Stirling)

4.10. Sử dụng bitumen/CNTs trong hệ hấp thụ năng lượng mặt trời dish-Stirling

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời

Chất lỏng nano là một hỗn dịch chứa các hạt nano trong chất lỏng nền, đã chứng tỏ được tiềm năng rất lớn trong nhiều ứng dụng kỹ thuật nhờ sự tăng cường độ dẫn nhiệt và sự đối lưu so với chất lỏng nền. Việc sử dụng ống nano cacbon (CNTs) trong chất lỏng nano đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc nâng cao hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời. Theo nghiên cứu của Choi, hiệu suất nhiệt của các vi kênh sử dụng chất lỏng nano đã tăng đáng kể so với nước. Điều này cho thấy rằng chất lỏng nano có thể cải thiện đáng kể khả năng truyền nhiệt trong các hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời. Sự phát triển của công nghệ nano đã tạo ra những vật liệu mới với tính chất vượt trội, giúp tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị thu nhiệt. Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn mang lại giá trị thực tiễn trong việc phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo.

II. Tính chất của vật liệu CNTs

Vật liệu ống nano cacbon (CNTs) nổi bật với độ dẫn nhiệt siêu cao, tính chất quang và điện tuyệt vời. Những đặc tính này đã khiến CNTs trở thành một trong những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Việc ứng dụng CNTs trong chất lỏng nano không chỉ giúp nâng cao độ dẫn nhiệt mà còn cải thiện khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời. Nghiên cứu cho thấy rằng việc biến tính CNTs có thể làm tăng khả năng tương tác giữa CNTs và chất lỏng nền, từ đó nâng cao hiệu quả hấp thụ nhiệt. Các phương pháp biến tính như gắn nhóm chức -COOH hay -OH lên bề mặt CNTs đã được áp dụng để cải thiện tính chất của chúng. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các chất lỏng nano có hiệu suất cao trong hấp thụ năng lượng mặt trời.

III. Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Phương pháp tính toán lý thuyết được áp dụng để xây dựng mô hình tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs. Các mô hình này giúp dự đoán khả năng hấp thụ nhiệt của chất lỏng trong các điều kiện khác nhau. Bên cạnh đó, phương pháp thực nghiệm bao gồm việc chế tạo chất lỏng nano từ các chất nền như nước cất, ethylene glycol, và dầu silicone. Các phép đo thực nghiệm được thực hiện để khảo sát tính chất quang và nhiệt của vật liệu. Kết quả từ các phép đo này sẽ cung cấp thông tin quan trọng về hiệu suất của chất lỏng nano trong việc hấp thụ năng lượng mặt trời, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn của chúng.

IV. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chất lỏng nano chứa CNTs có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời tốt hơn so với các chất lỏng truyền thống. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng CNTs trong chất lỏng nền như ethylene glycol đã làm tăng đáng kể hiệu suất hấp thụ nhiệt. Đặc biệt, sự biến tính của CNTs đã cải thiện khả năng tương tác giữa CNTs và chất lỏng, từ đó nâng cao hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các yếu tố như nồng độ CNTs, kích thước hạt và loại chất lỏng nền có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hấp thụ nhiệt. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu lý thuyết mà còn có thể áp dụng trong thực tiễn để phát triển các hệ thống thu nhiệt hiệu quả hơn.

V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu về chất lỏng nano chứa CNTs trong hấp thụ năng lượng mặt trời có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo chất lỏng chứa CNTs không chỉ giúp nâng cao tính chất nhiệt mà còn góp phần vào việc giải quyết bài toán năng lượng hiện nay. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, và việc phát triển các hệ thống thu nhiệt hiệu quả sẽ giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực năng lượng, đồng thời khẳng định vai trò của CNTs trong việc nâng cao hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời.

01/03/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG NANO TRONG HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1. Giới thiệu chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời Mọi hoạt động của con người trong cuộc sống hiện đại đều phụ thuộc vào các nguồn năng lượng, do đó việc sử dụng và khai thác năng lượng được quan tâm đặc biệt. Nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch, năng lượng hạt nhân, và thủy điện để đáp ứng nhu cầu của các quốc gia đang bộc lộ rõ những hạn chế.

Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và không thể tái tạo, trong lịch sử đã từng xảy ra các cuộc chiến tranh liên quan đến việc tranh giành dầu mỏ, ví dụ như cuộc chiến vùng vịnh. Lượng nhiên liệu hoá thạch có hạn cũng như sự ô nhiễm môi trường sẽ buộc con người ngừng sử dụng nhiên liệu hoá thạch trong tương lai. Thủy điện cũng đã được khai thác một cách quá mức, các nơi thuận lợi đều đã được xây đập thủy điện. Tuy nhiên việc xây dựng các nhà máy thủy điện cũng đã gây ra sự ảnh hưởng tới môi trường xung quanh, ví dụ như phá rừng phòng hộ, chặn các dòng nước ở đầu nguồn làm ảnh hưởng tới lưu lượng nước và chu kì lũ lụt hạn hán ở vùng hạ lưu.

Nhà máy điện hạt nhân trên thế giới hiện nay đều dùng các phản ứng phân hạch từ các chất phóng xạ, do đó dễ xảy ra các sự cố rò rỉ chất phóng xạ gây mất an toàn. Ví dụ năm 2011 sóng thần tại Fukishima ở Nhật đã phá hủy nhà máy điện hạt nhân gây ra thảm họa rò rỉ chất phóng xạ. Chính những điều này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng thay thế. Do vậy, rất nhiều quốc gia đã quan tâm tới việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối… để thay thế các nguồn năng lượng trên.

Ví dụ năm 2015 năng lượng tái tạo chiếm khoảng 19,4% tại các nước như Thụy Điển, Đan Mạch, Áo, Pháp trên tổng năng lượng tiêu thụ [6]. Trong những nguồn năng lượng tái tạo thì việc sử dụng năng lượng mặt trời được nhiều sự quan tâm. Giá của các nguồn năng lượng thay thế này sẽ ngày càng rẻ hơn trong khi giá của nhiên liệu hoá thạch ngày càng tăng. Năng lượng mà Trái đất nhận được từ mặt trời trong 1h nhiều hơn tổng năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới trong một năm [7].

Phần lớn các ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay đều là các hệ thống nhỏ dùng cho cá nhân, công suất chỉ vài kilowat. Điều quan trọng là phải 6 dùng được năng lượng mặt trời trong phạm vi rộng hơn và phải cung cấp các giải pháp nhằm điều chỉnh tỉ trọng các loại hình năng lượng, cải thiện năng lượng bền vững, tăng năng lượng tái tạo và nâng cao hiệu suất sử dụng [8]. Mặt khác, các chất lỏng làm chất lưu thông thường như nước, ethylen glycol, và dầu truyền nhiệt đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghệp như máy phát công suất, quá trình làm nóng hay làm lạnh, quá trình hoá học, vi điện tử. Tuy nhiên những chất lỏng này có tính dẫn nhiệt tương đối thấp và do đó không thể đạt hiệu suất cao trong các thiết bị cơ khí trao đổi nhiệt.

Một cách để vượt qua các ngưỡng này là sử dụng các hạt nhỏ pha lẫn với chất lỏng để cải thiện đặc tính nhiệt. Các hỗn dịch chứa các hạt kích thước nano (1-100 nm) trong nền chất lỏng được gọi là chất lỏng nano. Choi sử dụng cụm từ chất lỏng nano (nanofluid) lần đầu tiên năm 1995 [9]. Chất lỏng nano so với hỗn dịch chất lỏng pha với các hạt kích thước micro thì có độ ổn định tốt hơn, độ dẫn lưu tốt hơn và có khả năng dẫn nhiệt cao hơn [10].

Các hạt nano pha vào trong các chất lỏng thông thường là các hạt oxit kim loại, kim loại hoặc ống nano cacbon (Carbon nanotubes – CNTs), làm tăng độ dẫn và sự đối lưu. So sánh với chất lỏng truyền thống, chất lỏng nano có những ưu điểm: Có diện tích bề mặt hiệu dụng lớn và do đó tăng khả năng truyền nhiệt giữa chất lỏng nền và các hạt nano; Khả năng phân tán cao nhờ chuyển động Brown; Khả năng thêm bớt các tính chất nhiệt một cách đơn giản bằng cách thay đổi tỉ lệ pha khác nhau. Các nghiên cứu cho thấy đặc tính truyền nhiệt của chất làm mát bằng chất lỏng nano có ưu thế vượt trội so với làm mát truyền thống. Áp dụng của chất lỏng nano trong lĩnh vực công nghiệp, ví dụ như trong các thiết bị trao đổi nhiệt hứa hẹn sẽ có nhiều đặc tính mới.

Tuy nhiên, sự phát triển và ứng dụng của chất lỏng nano đang gặp phải những hạn chế như là sự bền vững, sự tăng công suất bơm và sự giảm áp suất, nhiệt độ nóng chảy thấp hơn và giá thành sản xuất cao hơn. Rất nhiều nhà nghiên cứu tìm hiểu đặc tính của chất lỏng nano để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt trong các thiết bị nhiệt, cả trên lĩnh vực lý thuyết và thực nghiệm. Các nhà nghiên cứu cũng áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, mô hình khác nhau để tính toán đặc tính nhiệt của chất lỏng nano (Ví dụ như độ dẫn nhiệt, độ 7 nhớt, mật độ, nhiệt dung riêng…). Nhiều nghiên cứu cũng rút ra các đặc tính của chất lỏng nano ở dòng chảy và khả năng truyền nhiệt trong trạng thái tự nhiên và trạng thái đối lưu trong các hệ khác nhau.

Sự tăng cường đặc tính nhiệt của chất lỏng nano có thể tạo nền tảng cho lượng phát minh khổng lồ trong lĩnh vực truyền nhiệt, là lĩnh vực đóng vai trò quan trọng trong nền công nghiệp hiện đại như trong hệ thống giao thông, máy phát điện, vi chế tạo, liệu pháp nhiệt trong điều trị ung thư, hoá học, luyện kim… cũng như trong các thiết bị làm nóng, làm mát, hệ thống thông gió, điều hoà. Chất lỏng nano cũng đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phầm có chứa vật liệu nano, ví dụ như chế tạo các hợp chất làm sạch nhờ đặc tính dính ướt siêu việt và khả năng trải rộng của chất lỏng nano. Các ứng dụng khác của chất lỏng nano như trong vận chuyển thuốc nano như đề xuất của Kleinstreuer [11]. Nhóm Aglwe [12] cũng tổng kết lại tiềm năng ứng dụng chất lỏng nano trong việc cải thiện sự truyền nhiệt trong các hệ thống làm mát.

Các tác giả này cũng kết luận rằng cần phải nghiên cứu thêm để tìm ra các nguyên nhân làm tăng hệ số truyền nhiệt cũng như sự tăng áp suất không cần thiết khi sử dụng chất lỏng nano. Thomas và Sobhan [13] giới thiệu hệ thống thực nghiệm nghiên cứu chất lỏng nano, đặc biệt là kĩ thuật đo độ dẫn nhiệt hiệu dụng. Nhóm Selvaraj [14] nghiên cứu về ứng dụng chất lỏng nano vào các hệ thống làm mát vi điện tử. Ahmadi và Kamyar tổng kết lại các mô hình mô phỏng bằng máy tính dùng cho chất lỏng nano ([15],[16]).

Nhóm Saidur [9] tổng kết những ứng dụng chung của chất lỏng nano trong các lĩnh vực như làm mát vi điện tử, trao đổi nhiệt, áp dụng y học, tế bào nhiên liệu, phản ứng hạt nhân và nhiều lĩnh vực khác. Họ cũng nói ngắn gọn về áp dụng chất lỏng nano vào hệ thống làm nóng nước bằng năng lượng mặt trời. Họ đưa ra các thách thức khi sử dụng chất lỏng nano như việc gia tăng sự tụt áp suất và tăng công suất bơm, sự ổn định và phân tán hạt nano trong chất lỏng, cũng như giá thành cao của chất lỏng nano. Như vậy, chất lỏng nano có khả năng dẫn nhiệt cao và có nhiều đặc tính nhiệt ưu việt có thể áp dụng trong nhiều thiết bị để tăng hiệu suất và chất lỏng nano có thể được ứng dụng trong: Làm mát động cơ; Máy bơm dầu; Máy phát điện diesel; Thu hồi khí nóng; Làm nóng và làm mát các toà nhà; Làm mát thiết bị điện; Làm lạnh mối hàn; Vận chuyển dầu khí; Làm mát hệ thống hạt nhân; Làm nước nóng mặt trời; 8 Trong các mũi khoan; Tủ lạnh; Quốc phòng; Không gian; Laser công suất cao; Bôi trơn; Trữ nhiệt; Thuốc… Nội dung chương này của luận án là tìm hiểu các ứng dụng của chất lỏng nano trong các hệ thống năng lượng mặt trời.

Các ứng dụng của chất lỏng nano trong sử dụng năng lượng mặt trời chủ yếu liên quan đến các bộ thu năng lượng mặt trời. Do đó, trong chương này chủ yếu tập trung vào các hiệu ứng của nano lỏng trong việc nâng cao hiệu suất của các bộ thu năng lượng mặt trời cũng như hiệu quả kinh tế và xem xét đến vấn đề môi trường khi sử dụng các hệ thống trên. Các ứng dụng chất lỏng nano trong việc tích trữ năng lượng mặt trời, pin mặt trời sẽ được đề cập tới. Phần này cũng đưa ra một số đề xuất các hướng đi tiếp theo trong lĩnh vực trên.

Các thách thức khi sử dụng chất lỏng nano trong việc sử dụng năng lượng mặt trời cũng được được đưa ra thảo luận. Chương này nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về ứng dụng chất lỏng nano trong ứng dụng hấp thụ năng lượng mặt trời, từ đó có các định hướng trong việc phát triển công nghệ trong tương lai. Ứng dụng chất lỏng chứa hạt nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời 1. Cơ chế nâng cao hệ số dẫn nhiệt và hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời Để chế tạo chất lỏng nano ta dùng các vật liệu có kích thước rất nhỏ cỡ nano met (như là tấm nano, thanh nano, ống nano, sợi nano, hạt nano …) phân tán vào chất lỏng nền.

Như vậy trong chất lỏng nano sẽ có hai pha vật liệu, một là pha rắn của vật liệu nano, hai là pha lỏng của chất lỏng cơ sở. Do các đặc tính ưu việt của các vật liệu nano được thêm vào chất lỏng nền giúp cho chất lỏng nano có những tính chất nổi trội hơn so với chất lỏng cơ sở, như là độ dẫn nhiệt, hệ số truyền đối lưu và độ nhớt. Do các hạt nano có độ dẫn nhiệt cao sẽ nên khả năng truyền nhiệt của chất lỏng nano sẽ được tăng thêm. Thêm nữa khi trong chất lỏng hình thành các bong bóng hơi thì sẽ bị các hạt nano bắn phá, giảm bớt sự cản trở truyền nhiệt.

So với chất lỏng nền thì chất lỏng có vật liệu nano có nhiệt độ sôi cao hơn, do đó chất lỏng nano đáp ứng được vùng nhiệt độ hoạt động cao hơn, đồng thời hiệu suất của các hệ thống làm mát sử dụng chất lỏng nano sẽ được cải thiện.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu chế tạo và tính chất chất lưu ống nano cacbon hấp thụ năng lượng mặt trời" tập trung vào việc phát triển và tối ưu hóa các ống nano cacbon với khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về công nghệ nano mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng. Độc giả sẽ tìm thấy những thông tin quý giá về quy trình chế tạo, tính chất vật lý và ứng dụng thực tiễn của chất liệu này.

Để mở rộng thêm kiến thức về các công nghệ liên quan, bạn có thể tham khảo Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học nghiên cứu chế tạo vật liệu nano gamma nhôm oxit yal2o3, nơi khám phá các vật liệu nano khác và ứng dụng của chúng trong công nghệ. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ hóa vô cơ tổng hợp composite bi2s3biocl dùng làm chất xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến cũng sẽ cung cấp thêm thông tin về các chất xúc tác quang, một lĩnh vực liên quan mật thiết đến nghiên cứu năng lượng mặt trời. Cuối cùng, bạn có thể tìm hiểu thêm về Luận văn thạc sĩ vật lý chất rắn khảo sát ảnh hưởng của sự đồng pha tạp các nguyên tố fe và sn đến tính chất quang điện hóa của vật liệu thanh nano tio2, giúp bạn hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất quang điện của vật liệu nano. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và khám phá sâu hơn về các ứng dụng của công nghệ nano trong lĩnh vực năng lượng.