Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lưu chứa ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Trọng Tâm, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. TS Phan Ngọc Minh và TS. Bùi Hùng Thắng. Công trình được bảo vệ năm 2022 tại Học viện Khoa học và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, thuộc chuyên ngành Vật liệu điện tử, mã số 9 44 01 23.

Nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng cao trong những thập kỷ qua dẫn tới sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng như ô nhiễm không khí, mưa axit, phá hủy tầng ôzôn và biến đổi khí hậu toàn cầu. Việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, trở thành yêu cầu cấp thiết. Bức xạ mặt trời chiếu tới bề mặt Trái Đất hàng năm gấp khoảng 3.500 lần tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu (khoảng 450 EJ). Đến năm 2018, năng lượng mặt trời chiếm 55% sản lượng năng lượng tái tạo và được dự báo sẽ chiếm 70% tổng tiêu thụ năng lượng thế giới vào năm 2100.

Trong các hệ thống nhiệt mặt trời, bộ thu nhiệt truyền thống (tấm phẳng, ống chân không) hoạt động ở nhiệt độ thấp thường dùng cơ chế hấp thụ gián tiếp: bề mặt kim loại hoặc polyme phủ lớp hấp thụ bức xạ, sau đó truyền nhiệt sang môi trường chất lỏng chảy trong ống dẫn. Do bề mặt hấp thụ là bộ phận nóng nhất trong hệ thống, lượng nhiệt thất thoát ra môi trường qua bức xạ và đối lưu là rất lớn. Để khắc phục sự cản trở truyền nhiệt này, giải pháp hấp thụ trực tiếp theo thể tích bằng chất lưu đã được đề xuất. Tuy nhiên, các chất lưu thông thường (nước, ethylen glycol, dầu truyền nhiệt) có hệ số dẫn nhiệt thấp, hạn chế hiệu suất truyền nhiệt. Việc đưa vật liệu có độ dẫn nhiệt cao như ống nano cacbon (Carbon nanotubes - CNTs) vào chất lỏng nền tạo thành chất lỏng nano (nanofluid) cho phép tăng cường diện tích bề mặt tiếp xúc, cải thiện độ dẫn nhiệt và nâng cao hiệu quả hấp thụ quang nhiệt trực tiếp.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định bao gồm:

  1. Các nghiên cứu trên thế giới về chất lưu chứa CNTs trong hấp thụ năng lượng mặt trời chủ yếu tập trung vào các chất lỏng nền hoạt động ở nhiệt độ thấp hoặc trung bình, các chủng loại chất lỏng hoạt động ở nhiệt độ cao chưa được khảo sát tương xứng.
  2. Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lưu chứa ống nano cacbon ứng dụng trong hấp thụ năng lượng mặt trời là hướng đi mới mẻ, chưa có nhiều nhóm thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là chế tạo chất lỏng nano chứa CNTs có tính bền vững và ổn định, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của hệ chất lỏng này trong việc hấp thụ năng lượng mặt trời.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs nhằm nâng cao tính chất nhiệt và hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời.
  2. Nghiên cứu tính chất nhiệt, tính chất quang của chất lỏng chứa thành phần CNTs.
  3. Nghiên cứu cơ chế nâng cao hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời của chất lỏng chứa thành phần CNTs.
  4. Chế tạo chất lỏng nano trên nhiều dải nhiệt độ hoạt động khác nhau.
  5. Thử nghiệm ứng dụng thực tế vật liệu chế tạo được trong hệ thống phát điện sử dụng động cơ nhiệt Stirling dạng đĩa hội tụ (dish-Stirling).

Đối tượng nghiên cứu là các chất lỏng dùng làm chất lưu khác nhau chứa vật liệu CNTs. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc chế tạo và khảo sát tính chất quang nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs trên năm hệ chất nền: nước cất (DI) trong dải 0 °C ÷ 100 °C; ethylen glycol (EG) trong dải -12 °C ÷ 197 °C; hỗn hợp ethylen glycol/nước cất (EG/DI) trong dải -30 °C ÷ 107 °C; dầu silicone trong dải -22 °C ÷ 280 °C; và bitumen trong dải 75 °C ÷ 450 °C.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Thuật ngữ chất lỏng nano (nanofluid) được Choi đưa ra lần đầu tiên vào năm 1995. Nghiên cứu ban đầu của nhóm Choi đã chứng minh hiệu quả trao đổi nhiệt trong các vi kênh tăng đáng kể khi sử dụng chất lỏng nano thay vì nước nguyên chất. Chein cùng các cộng sự sau đó khẳng định hạt nano đồng phân tán trong nước giúp nâng cao độ dẫn nhiệt và cải thiện hiệu suất tản nhiệt của vi kênh. Saidur và cộng sự đã tổng kết các ứng dụng của chất lỏng nano trong làm mát vi điện tử, pin nhiên liệu, trao đổi nhiệt và bộ thu nhiệt mặt trời, đồng thời chỉ ra các thách thức kỹ thuật liên quan đến hiện tượng tụt áp, tăng công suất bơm và độ ổn định phân tán.

Về ứng dụng trong bộ thu năng lượng mặt trời:

  • Tyagi và cộng sự nghiên cứu mô hình bộ thu nhiệt hấp thụ trực tiếp sử dụng chất lỏng nano Al/nước, thiết lập công thức xác định hiệu suất dựa trên lưu lượng dòng chảy, nhiệt dung riêng và mật độ năng thông mặt trời. Kết quả cho thấy hiệu suất tăng khi nồng độ hạt tăng từ 0,1% đến 2% thể tích, nhưng bão hòa khi nồng độ vượt quá 2%; kích thước hạt tăng nhẹ làm tăng hiệu suất.
  • Ngược lại, Otanicar và cộng sự khi nghiên cứu hạt nano bạc nhận thấy hiệu suất tăng ở nồng độ dưới 0,5% thể tích và giảm nhẹ khi nồng độ vượt quá ngưỡng này; khi giảm kích thước hạt từ 40 nm xuống 20 nm, hiệu suất bộ thu tăng thêm 6%.
  • Taylor và cộng sự khảo sát hệ chất lỏng nano graphite/Therminol VP-1 ở tỉ lệ thể tích 0,001%, ghi nhận hiệu suất tăng 10%, ước tính khả năng tiết kiệm chi phí cho các tháp nhiệt mặt trời tại Tucson, Arizona. Nhóm Taylor cũng xác định với chiều dày môi trường hấp thụ từ 10 cm trở lên, chất lỏng nano chứa hạt graphite, bạc, đồng, nhôm có thể hấp thụ tới 95% bức xạ tới.
  • Khullar và cộng sự khảo sát bộ thu chảo parabol dùng hạt nhôm phân tán trong Therminol VP1 (tỉ lệ 0,05% thể tích), cho thấy hiệu suất nhiệt cao hơn 5% ÷ 10% so với hệ truyền thống.
  • Yousefi và cộng sự tiến hành các thí nghiệm trên bộ thu tấm phẳng: hạt Al2O3/nước nồng độ 0,2% khối lượng giúp hiệu suất cao hơn 28,3% so với nước; việc bổ sung chất hoạt động bề mặt Triton X-100 làm tăng hiệu suất thêm 15,63%. Khi khảo sát MWCNT/nước, nồng độ 0,4% không có chất hoạt động bề mặt làm tăng hiệu suất, trong khi nồng độ 0,2% đòi hỏi chất hoạt động bề mặt để không bị suy giảm hiệu suất. Nhóm cũng công bố sự phụ thuộc của hiệu suất vào độ pH (3,5; 6,5 và 9,5) ở lưu lượng dòng 0,0333 kg/s.
  • Nghiên cứu so sánh giữa CNTs/H2O và TiO2/H2O trong ống thu chân không cho thấy ở nồng độ 0,5% khối lượng, CNTs/H2O đạt nhiệt độ cao hơn và thể hiện khả năng chuyển hóa quang nhiệt tốt hơn TiO2/H2O.
  • Về tính chất quang, các nhóm Link, Khlebtsov nghiên cứu sự phụ thuộc của đặc tính quang vào hình thái hạt nano vàng, bạc; Sani và Mercatelli nghiên cứu cacbon nanohorns (CNH và SWCNH) trong nền glycol và nước, ghi nhận tổn hao tán xạ chỉ chiếm khoảng 5%; Saidur chỉ ra hạt nhôm cần nhỏ hơn 20 nm để xảy ra tán xạ Rayleigh; Gan và Qiao chứng minh trong nền ethanol, MWCNTs hấp thụ bức xạ mặt trời tốt hơn các hạt nano nhôm và cacbon.

Về phân tích kinh tế và môi trường, Otanicar và Golden so sánh vòng đời của bộ thu truyền thống và bộ thu chất lỏng nano tại Phoenix, Arizona qua các số liệu cụ thể:

Thông số kinh tế Bộ thu truyền thống ($) Bộ thu dùng chất lỏng nano ($)
Đơn giá 200,00 200,00
Giá mặt bằng 397,80 327,80
Hạt nano - 188,79
Tổng vốn 597,80 716,59
Chi phí hàng năm (vòng đời 15 năm) 96,23 115,35
Tổng tiền 694,30 831,94
Điện năng tiết kiệm hàng năm 270,13 278,95
Thời gian hoàn vốn điện năng (năm) 2,57 2,98
Khí đốt tiết kiệm hàng năm 80,37 83,02
Thời gian hoàn vốn khí đốt (năm) 8,64 10,02

Tính toán năng lượng biểu hiện (tổng năng lượng chế tạo) cho thấy bộ thu dùng chất lỏng nano tiêu tốn 2431,14 MJ, thấp hơn mức 2669,34 MJ của bộ thu truyền thống (giảm khoảng 9%). Về môi trường, lượng phát thải CO2 của bộ thu chất lỏng nano thấp hơn 34 kg ở khâu sản xuất và giúp giảm phát thải thêm hơn 50 kg CO2/năm khi vận hành, tương đương giảm hơn 740 kg CO2 trong vòng đời 15 năm. Khullar và Tyagi cũng tính toán việc dùng hệ nước nóng chất lỏng nano giúp một hộ gia đình tiết kiệm 1.716 kWh điện/năm, 206 kg khí hóa lỏng/năm và giảm 2,2.10^3 kg CO2/năm.

Về các hệ thống năng lượng mặt trời khác:

  • Lưu trữ nhiệt: Shin và Banerjee ghi nhận muối kim loại kiềm pha 1% khối lượng nano SiO2 tăng nhiệt dung riêng thêm 14,5%. Wu và cộng sự pha 1% khối lượng Cu vào vật liệu chuyển pha (parafin: độ dẫn nhiệt 0,21 ÷ 0,24 W/mK, nóng chảy 47 ÷ 64 °C, nhiệt nóng chảy 200 ÷ 220 J/g) giúp giảm 13,1% thời gian nóng chảy.
  • Làm mát pin mặt trời: Elmir mô phỏng làm mát pin silic góc nghiêng 30° bằng chất lỏng nano Al2O3/nước, sử dụng mô hình Wasp và Brinkman, xác nhận số Nusselt tăng theo tỉ lệ thể tích.
  • Chưng cất nước: Gnanadason dùng CNTs phân tán trong nước làm tăng 50% hiệu suất máy chưng cất; Nijmeh sử dụng thuốc nhuộm tím tăng 29% hiệu suất.
  • Các hướng nghiên cứu khác gồm hệ quang nhiệt điện (PV/T), pin nhiệt điện (Fan), và ao mặt trời (Von Kalecsinky ghi nhận năm 1902 tại hồ Medve; Anderson, Wilson và Wellman).
  • Vấn đề suy giảm áp suất và công suất bơm được chỉ ra trong nghiên cứu của Duangthongsuk (hệ TiO2/nước) và Razi (hệ CuO/dầu).

Vị trí của luận án: Luận án giải quyết khoảng trống về sự thiếu hụt các nghiên cứu thực nghiệm trên các chất lưu hoạt động ở vùng nhiệt độ cao (dầu silicone và bitumen), xây dựng mô hình tính toán lý thuyết tương thích cho chất lưu hỗn hợp EG/DI và mô hình chuyển hóa quang nhiệt, đồng thời thử nghiệm vật liệu chế tạo được trong hệ đĩa hội tụ dish-Stirling tại điều kiện thực tế ở Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  1. Mô hình độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano:
    • Mô hình của Hemanth và Patel.
    • Mô hình độ dẫn nhiệt của nhóm B.
    • Mô hình cải tiến cho hỗn hợp EG/DI: phát triển dựa trên việc tính toán độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs, xét đến trở kháng nhiệt tiếp xúc (TBR - Thermal boundary resistance), độ dẫn nhiệt tiếp xúc (TBC - Thermal boundary conductance) và cấu trúc lớp chất lỏng bao quanh bề mặt ống nano.
    • Lý thuyết môi trường hiệu dụng (Effective Medium Theory - EMT).
  2. Mô hình quang học và suy giảm bức xạ:
    • Định luật Lambert-Beer về sự suy giảm cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụ.
    • Mô hình tán xạ Rayleigh cho các hạt có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng.
    • Lý thuyết Maxwell-Garnett (MG), lý thuyết Mie và lý thuyết Gans dùng để tính toán hệ số dập tắt quang học và độ hấp thụ của chất lỏng nano.
  3. Mô hình chuyển hóa quang năng thành nhiệt năng:
    • Thiết lập phương trình truyền nhiệt dựa trên định luật bảo toàn năng lượng để tính toán tốc độ tăng nhiệt độ của chất lỏng nano CNTs/DI và CNTs/EG dưới nguồn bức xạ chiếu tới.

Phương pháp thực nghiệm

  1. Quy trình chế tạo và biến tính vật liệu:
    • CNTs được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (Chemical Vapor Deposition - CVD).
    • Biến tính gắn nhóm chức carboxyl (-COOH): xử lý hóa học CNTs trong dung dịch axit với các thời gian khuấy khác nhau để tạo ra các mẫu ký hiệu C3, C5, C7.
    • Biến tính gắn nhóm chức hydroxyl (-OH): thực hiện quy trình hóa học gắn nhóm OH lên bề mặt CNTs.
    • Chức năng hóa CNTs bằng chất nhạy sáng pyrylium và gắn hạt nano Ag lên nhóm chức của CNTs.
    • Phân tán hạt nano vào năm chất lỏng nền: nước cất (DI), ethylen glycol (EG), hỗn hợp EG/DI, dầu silicone và bitumen thông qua phương pháp rung siêu âm với các khoảng thời gian khảo sát từ 60, 100, 150 đến 180 phút nhằm đạt trạng thái phân tán đồng đều.
  2. Phương pháp đo đạc và phân tích hình thái, cấu trúc:
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) để đánh giá hình thái bề mặt, đường kính và cấu trúc ống của CNTs nguyên bản và sau biến tính.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) xác định sự hiện diện của các nhóm chức hóa học (-COOH, -OH) gắn trên bề mặt CNTs.
    • Phổ tán xạ Raman đánh giá độ hoàn hảo cấu trúc mạng cacbon thông qua tỉ số cường độ giữa đỉnh khuyết tật D và đỉnh dao động mạng G ($I_D/I_G$).
    • Thiết bị Zetasizer Nano ZS đo phổ phân bố kích thước hạt thủy động và thế zeta để xác định độ ổn định huyền phù của chất lỏng nano.
  3. Phép đo tính chất nhiệt, quang và cơ lý:
    • Phép đo độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano ở các nồng độ và nhiệt độ khác nhau.
    • Đo phổ truyền qua và độ hấp thụ quang học (UV-Vis) ở các bước sóng từ tử ngoại đến hồng ngoại.
    • Thiết bị mô phỏng bức xạ năng lượng mặt trời khảo sát khả năng chuyển hóa quang nhiệt theo thời gian chiếu xạ.
    • Các phép thử nghiệm cơ lý trên bitumen chứa CNTs: đo độ kim lún ở 25 °C, độ bền kéo ở 25 °C và xác định điểm hóa mềm của vật liệu.
    • Hệ thống thử nghiệm động cơ nhiệt Stirling dạng đĩa hội tụ (dish-Stirling) cấu hình gamma đánh giá hiệu suất phát điện thực tế khi sử dụng vật liệu bitumen/CNTs.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về các hệ thống nhiệt mặt trời và cơ chế hoạt động của chất lỏng nano. Luận án phân tích chi tiết bốn loại bộ thu nhiệt mặt trời gồm bộ thu tấm phẳng, ống chân không, máng parabol và chảo parabol. Cơ chế hấp thụ năng lượng được so sánh giữa phương thức hấp thụ bề mặt gián tiếp truyền thống và hấp thụ thể tích trực tiếp bằng chất lỏng nano. Tác giả chứng minh rằng việc phân tán hạt nano giúp nâng cao diện tích bề mặt tiếp nhận bức xạ, tăng độ dẫn nhiệt, tăng hệ số truyền nhiệt đối lưu và cho phép điều chỉnh phổ hấp thụ từ tử ngoại đến hồng ngoại.

Văn bản cung cấp các số liệu thực nghiệm từ tài liệu quốc tế về tác động của nồng độ, kích thước hạt nano kim loại, oxit kim loại và CNTs đối với hiệu suất bộ thu nhiệt, cũng như ứng dụng trong vật liệu chuyển pha (parafin), làm mát pin mặt trời, máy chưng cất, hệ quang nhiệt điện, pin nhiệt điện và ao mặt trời. Phần đánh giá kinh tế và môi trường trích dẫn chi tiết các bảng tính toán của Otanicar và Golden (Bảng 1.1, Bảng 1.2, Bảng 1.3), phân tích năng lượng biểu hiện của các thành phần chế tạo:

Vật liệu thành phần Khối lượng bộ thu truyền thống (kg) Năng lượng biểu hiện truyền thống (MJ) Khối lượng bộ thu dùng chất lỏng nano (kg) Năng lượng biểu hiện dùng chất lỏng nano (MJ)
Cách điện Polyester 1,74 93,22 1,74 93,22
Ống thủy tinh 3,26 98,75 3,26 98,75
Thủy tinh 14,20 225,76 28,40 451,52
Ống đồng 4,97 350,72 0,00 0,00
Phụ gia 3,48 245,57 3,48 245,57
Nhôm định hình 0,56 111,58 0,56 111,58
Nhôm tấm 2,12 421,75 2,12 421,75
Thép 0,00 0,00 5,97 207,65
Keo dính 0,70 60,90 0,70 60,90
Sơn đen 0,30 27,12 0,30 27,12
Sơn phủ 0,90 81,36 0,90 81,36
Vít 0,00 0,04 0,00 0,04
Tấm đồng hấp thụ 4,05 285,80 0,00 0,00
Hạt nano 0,00 0,00 0,06 15,55
Chất lỏng dẫn nhiệt 5,84 99,28 5,84 99,28
Tỉ lệ biến đổi - 567,50 - 516,86
Tổng cộng 42,10 2669,34 53,32 2431,14

Phân tích phát thải khí ô nhiễm tính theo năng lượng biểu hiện và mức giảm thiểu hàng năm được thể hiện tại bảng sau:

Loại khí thải Phát thải bộ thu truyền thống (kg) Phát thải bộ thu chất lỏng nano (kg) Mức giảm phát thải truyền thống (kg/năm) Mức giảm phát thải dùng chất lỏng nano (kg/năm)
CO2 599,77 564,94 1500,89 1550,33
SOx 0,51 0,48 0,83 0,85
NOx 0,84 0,79 1,53 1,58

Cuối chương, tác giả tổng kết hai thách thức kỹ thuật cốt lõi của chất lỏng nano là tính kém bền vững (hiện tượng kết tụ, lắng đọng hạt nano do khác biệt pha khi nhiệt độ thay đổi) và tổn thất áp suất tăng cao (độ nhớt lớn đòi hỏi công suất bơm cao hơn, được minh chứng qua các nghiên cứu của Duangthongsuk và Razi).

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết các phương pháp tính toán lý thuyết và quy trình chế tạo, đo đạc thực nghiệm. Vật liệu CNTs ban đầu được tổng hợp bằng kỹ thuật CVD, sau đó thực hiện quy trình gắn nhóm chức hóa học:

  1. Gắn nhóm -COOH: xử lý trong dung dịch axit nitric/axit sunfuric với thời gian khuấy khác nhau.
  2. Gắn nhóm -OH: xử lý hóa học tạo liên kết hydroxyl.
  3. Kỹ thuật tạo chức năng hóa với pyrylium và gắn hạt Ag. Quy trình chế tạo chất lỏng nano được tiến hành bằng cách phối trộn CNTs biến tính vào nước cất, ethylen glycol, hỗn hợp EG/DI, dầu silicone và bitumen, sử dụng thiết bị rung siêu âm nhằm phân rã các bó ống nano thành các sợi phân tán đơn lẻ.

Chương này trình bày sơ đồ nguyên lý và thông số vận hành của các thiết bị phân tích: thiết bị Zetasizer Nano ZS dùng để đo kích thước phân bố hạt qua kỹ thuật tán xạ ánh sáng động (DLS) và đo thế zeta; hệ đo độ dẫn nhiệt chất lỏng; hệ thiết bị chiếu mô phỏng bức xạ năng lượng mặt trời phục vụ phép đo quang nhiệt.

Chương 3: Kết quả tính toán lý thuyết

Chương 3 trình bày các kết quả mô phỏng và tính toán lý thuyết:

  1. Mô hình độ dẫn nhiệt: Tác giả đối chiếu mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của H. E. Patel với kết quả thực nghiệm phân tán CNTs vào nước cất của nhóm Hwang, chỉ ra sự tương quan giữa lý thuyết và thực nghiệm. Tiếp đó, luận án thiết lập mô hình tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs cho hệ phân tán MWCNT trong hỗn hợp dung môi EG/DI và so sánh với mô hình thực nghiệm của Kumaresan, chứng minh mô hình phát triển phản ánh sát diễn biến thực tế.
  2. Mô hình tính chất quang: Sử dụng định luật Lambert-Beer tính toán sự suy giảm bức xạ theo khoảng cách trong chất lỏng nano chứa MWCNT. Tính toán hệ số dập tắt quang học theo mô hình tán xạ Rayleigh và mô hình Maxwell-Garnett (MG), sau đó so sánh đối chứng với hệ số dập tắt đo được từ thực nghiệm (EXP). Kết quả cho thấy các mô hình lý thuyết mô tả đúng xu hướng suy giảm truyền qua khi nồng độ hạt tăng.
  3. Mô hình chuyển hóa quang nhiệt: Thiết lập phương trình mô phỏng sự gia tăng nhiệt độ của chất lỏng nano CNTs/EG và CNTs/DI dưới tác động của bức xạ mặt trời, cung cấp cơ sở đối chiếu với các phép đo thực nghiệm ở Chương 4.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 cung cấp toàn bộ dữ liệu thực nghiệm về cấu trúc, tính chất nhiệt, tính chất quang và thử nghiệm ứng dụng:

  1. Đặc trưng biến tính CNTs:
    • Phổ FTIR của các mẫu biến tính axit (CNTs-COOH) ở các thời gian phản ứng khác nhau và mẫu gắn nhóm -OH xác nhận sự xuất hiện của các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho liên kết của nhóm carboxyl và hydroxyl.
    • Ảnh HRTEM của CNTs ban đầu và các mẫu biến tính C3, C5, C7 cho thấy hình thái ống nano được bảo toàn sau xử lý axit, các bó ống được tách mảnh.
    • Phổ Raman cho thấy sự thay đổi tỉ số cường độ $I_D/I_G$ giữa CNTs nguyên bản và CNTs biến tính, phản ánh mức độ chức năng hóa hóa học trên thành ống.
  2. Hệ chất lỏng nano CNTs/nước cất (DI):
    • Đo phổ phân bố kích thước hạt và thế zeta cho các mẫu C3, C5, C7 ở cùng nồng độ 0,8% thể tích, xác nhận mẫu C5 đạt độ ổn định phân tán cao.
    • Khảo sát độ dẫn nhiệt ở 30 °C theo hàm lượng CNTs, tiến hành khớp hàm theo lý thuyết EMT và so sánh kết quả thực nghiệm với mô hình lý thuyết cho mẫu C5.
    • Khảo sát khả năng chuyển hóa quang nhiệt trên thiết bị mô phỏng bức xạ mặt trời, ghi nhận tốc độ tăng nhiệt độ của huyền phù vượt trội so với nước cất nền.
  3. Hệ chất lỏng nano CNTs/ethylen glycol (EG):
    • Xác định phổ phân bố kích thước hạt theo các nồng độ CNTs khác nhau.
    • Khảo sát độ dẫn nhiệt và phổ truyền qua quang học; kết quả cho thấy độ truyền qua giảm mạnh khi tăng nồng độ hạt nano, khả năng chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt năng tăng tương ứng.
  4. Hệ chất lỏng nano CNTs/hỗn hợp EG-DI:
    • Khảo sát phổ kích thước hạt, đo độ dẫn nhiệt theo hàm lượng CNTs và đối chiếu với mô hình lý thuyết đã xây dựng ở Chương 3, khẳng định độ khớp cao giữa thực nghiệm và mô hình.
  5. Hệ chất lỏng nano CNTs/dầu silicone:
    • Khảo sát ảnh hưởng của thời gian rung siêu âm (60, 100, 150, 180 phút) đến phổ phân bố kích thước của CNTs-COOH trong dầu silicone; thời gian siêu âm thích hợp giúp kích thước cụm hạt giảm và phân bố đều.
    • Đo độ dẫn nhiệt, phổ truyền qua và sự hấp thụ theo chiều sâu lớp chất lỏng. Tại bước sóng 550 nm, ở nồng độ CNTs 50 mg/l, khả năng hấp thụ quang học của chất lỏng nano tăng 55% so với dầu silicone nguyên chất.
  6. Vật liệu CNTs/bitumen:
    • Thiết lập quy trình chế tạo hỗn hợp CNTs/bitumen. Khảo sát các chỉ tiêu cơ lý tại 25 °C theo hàm lượng CNTs: xác định độ kim lún, độ bền kéo và điểm hóa mềm. Khảo sát sự chuyển hóa quang nhiệt cho thấy vật liệu có khả năng hấp thụ và tích trữ nhiệt ở dải nhiệt độ cao.
  7. Thử nghiệm hệ phát điện dish-Stirling:
    • Phân tích nguyên lý động cơ nhiệt Stirling (so sánh chu trình Carnot và Stirling trên đồ thị pV; phân loại cấu hình alpha, beta, gamma; giản đồ pha của cặp piston phụ - piston lực trong động cơ gamma).
    • Thiết kế hệ thống phát điện sử dụng động cơ Stirling tích hợp bộ thu đĩa hội tụ năng lượng mặt trời. Thử nghiệm thực tế với vật liệu hấp thụ bitumen/CNTs ghi nhận hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời đạt 95%, cung cấp nhiệt năng ổn định làm giãn nở khí vận hành động cơ Stirling phát ra điện năng.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án công bố các đóng góp mới về mặt khoa học lý thuyết và thực tiễn ứng dụng như sau:

  1. Về mặt lý thuyết:

    • Xây dựng thành công mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền là hỗn hợp EG/DI chứa thành phần CNTs.
    • Xây dựng mô hình tính toán lý thuyết khả năng chuyển hóa quang nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs. Kết quả tính toán từ các mô hình lý thuyết phù hợp với kết quả thực nghiệm.

  2. Về mặt thực tiễn và chế tạo vật liệu:

    • Chế tạo thành công chất lỏng nano chứa thành phần CNTs định hướng ứng dụng trong hấp thụ năng lượng nhiệt mặt trời trên năm hệ chất nền khác nhau, mở rộng phạm vi nhiệt độ hoạt động từ âm sâu đến nhiệt độ cao:
Hệ vật liệu chất lỏng nano Dải nhiệt độ hoạt động (°C)
Nền nước cất (DI) 0 ÷ 100
Nền ethylen glycol (EG) -12 ÷ 197
Nền hỗn hợp ethylen glycol/nước cất (EG/DI) -30 ÷ 107
Nền dầu silicone -22 ÷ 280
Nền bitumen 75 ÷ 450
  1. Về mặt thử nghiệm ứng dụng:
    • Ứng dụng thành công vật liệu bitumen/CNTs chế tạo được vào thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng sử dụng động cơ Stirling dạng đĩa hội tụ (dish-Stirling).
    • Hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời của vật liệu CNTs/bitumen trong hệ thống đạt 95%, chứng minh tính khả thi trong ứng dụng thực tế.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ kết quả nghiên cứu:

  • Lựa chọn hệ chất lỏng nano có dải nhiệt độ phù hợp với từng cấu hình thiết bị nhiệt mặt trời: hệ nền DI và EG/DI thích hợp cho các bộ thu nhiệt độ thấp (tấm phẳng, làm nóng nước gia đình); hệ nền dầu silicone và bitumen thích hợp cho các hệ thống hội tụ nhiệt độ trung bình và cao (máng parabol, đĩa Stirling).
  • Áp dụng quy trình biến tính gắn nhóm chức hóa học (-COOH, -OH) kết hợp chế độ rung siêu âm tối ưu để giải quyết bài toán chống kết tụ, duy trì độ bền phân tán của ống nano cacbon trong chất lưu làm việc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập bao gồm:

  • Vấn đề độ bền phân tán dài hạn: chất lỏng nano là hệ dị thể hai pha (rắn - lỏng), các hạt nano dễ bị kết tụ và lắng đọng theo thời gian, đặc biệt là khi nhiệt độ của hệ thống suy giảm nhanh, đòi hỏi các giải pháp duy trì độ ổn định liên tục.
  • Hiện tượng tăng độ nhớt của chất lưu khi nồng độ hạt nano tăng làm tăng độ tụt áp suất (pressure drop) trong đường ống, dẫn đến yêu cầu phải tăng công suất bơm tuần hoàn của hệ thống.
  • Chi phí sản xuất hạt CNTs và chất lỏng nano vẫn còn cao so với các chất lưu truyền thống, tạo ra rào cản nhất định trong bài toán thu hồi vốn đầu tư thương mại.

Hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất:

  • Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện các phương pháp biến tính bề mặt và thăm dò các chất hoạt động bề mặt có khả năng chịu nhiệt độ cao nhằm duy trì độ bền vững nhiệt - động học của chất lưu.
  • Khảo sát sâu hơn về đặc tính dòng chảy thủy lực, tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ dẫn nhiệt và tổn thất áp suất khi vận hành tuần hoàn.
  • Mở rộng nghiên cứu ứng dụng chất lỏng nano chứa CNTs trong các lĩnh vực tiềm năng chưa được khảo sát đầy đủ như hệ thống quang nhiệt điện (PV/T), pin nhiệt điện mặt trời, ao mặt trời và hệ lưu trữ năng lượng nhiệt hóa học.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: thuộc các chuyên ngành Vật liệu điện tử, Khoa học vật liệu, Vật lý kỹ thuật, Kỹ thuật năng lượng và Công nghệ nhiệt. Công trình cung cấp hệ thống phương pháp luận chặt chẽ từ tổng hợp vật liệu bằng CVD, kỹ thuật biến tính hóa học bề mặt ống nano cacbon đến các phép đo quang phổ (FTIR, Raman), hiển vi điện tử (SEM, HRTEM) và phân tích tán xạ ánh sáng động (Zetasizer).
  • Kỹ sư và nhà phát triển công nghệ năng lượng: các nội dung về mô hình tính toán độ dẫn nhiệt hiệu dụng, mô hình hấp thụ quang học và số liệu thực nghiệm của hệ chất lưu nhiệt độ cao (dầu silicone, bitumen) cung cấp cơ sở dữ liệu để tính toán, thiết kế các bộ thu nhiệt thể tích trực tiếp và hệ đĩa hội tụ dish-Stirling.
  • Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng tái tạo: phần đánh giá vòng đời, phân tích kinh tế, năng lượng biểu hiện và định lượng mức giảm phát thải khí nhà kính (CO2, SOx, NOx) là nguồn tư liệu để xây dựng báo cáo khả thi cho các dự án chuyển đổi năng lượng xanh.

Các phần đáng tham khảo nhất trong luận án gồm: quy trình chức năng hóa bề mặt CNTs (Chương 2); mô hình tính độ dẫn nhiệt cho dung môi hỗn hợp EG/DI (Chương 3); và dữ liệu đo tính chất quang nhiệt của bitumen/CNTs ứng dụng trong động cơ Stirling (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

  1. Luận án đã chế tạo chất lưu nano chứa CNTs trên những hệ chất nền nào và giới hạn nhiệt độ hoạt động ra sao?
    Luận án đã chế tạo thành công chất lưu nano chứa CNTs trên năm hệ chất nền với các dải nhiệt độ làm việc cụ thể: nước cất (DI) hoạt động từ 0 °C đến 100 °C; ethylen glycol (EG) từ -12 °C đến 197 °C; hỗn hợp ethylen glycol/nước cất (EG/DI) từ -30 °C đến 107 °C; dầu silicone từ -22 °C đến 280 °C; và bitumen từ 75 °C đến 450 °C.

  2. Tác giả đã sử dụng các kỹ thuật nào để biến tính ống nano cacbon nhằm tăng tính bền vững của huyền phù?
    Tác giả sử dụng phương pháp hóa học để gắn các nhóm chức lên bề mặt CNTs tổng hợp bằng CVD, bao gồm quy trình gắn nhóm carboxyl (-COOH) bằng dung dịch axit với các thời gian khuấy khác nhau (tạo ra các mẫu C3, C5, C7), quy trình gắn nhóm hydroxyl (-OH), chức năng hóa bằng chất nhạy sáng pyrylium và gắn hạt nano Ag, kết hợp với kỹ thuật rung siêu âm ở các mốc thời gian 60, 100, 150, 180 phút.

  3. Mô hình lý thuyết độ dẫn nhiệt nào được luận án phát triển riêng và đối chứng với dữ liệu thực nghiệm?
    Luận án phát triển mô hình tính toán cải tiến độ dẫn nhiệt hiệu dụng cho hệ chất lỏng nền là hỗn hợp EG/DI chứa MWCNT, có xét đến trở kháng nhiệt tiếp xúc (TBR) và độ dẫn nhiệt tiếp xúc (TBC). Kết quả mô hình này được so sánh và cho thấy sự phù hợp với số liệu thực nghiệm đã công bố của Kumaresan cũng như dữ liệu thực nghiệm do chính tác giả đo đạc.

  4. Vật liệu bitumen/CNTs đạt được thông số gì khi thử nghiệm trong hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời đĩa hội tụ?
    Khi tích hợp vào thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời sử dụng động cơ nhiệt Stirling dạng đĩa hội tụ (dish-Stirling) tại điều kiện thực tế, vật liệu bitumen/CNTs đạt hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời 95%, hỗ trợ chuyển hóa hiệu quả nhiệt năng mặt trời thành cơ năng và điện năng.

  5. Theo phân tích vòng đời được dẫn trong luận án, bộ thu nhiệt dùng chất lỏng nano có ưu thế gì về năng lượng biểu hiện và môi trường so với bộ thu truyền thống?
    Bộ thu dùng chất lỏng nano có tổng năng lượng biểu hiện chế tạo là 2431,14 MJ, thấp hơn khoảng 9% so với bộ thu truyền thống (2669,34 MJ). Về môi trường, lượng phát thải CO2 trong khâu sản xuất giảm 34 kg, khi vận hành giảm thêm hơn 50 kg CO2/năm, và trong vòng đời 15 năm giúp giảm bớt hơn 740 kg CO2 phát thải ra môi trường.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Trọng Tâm đã giải quyết thành công bài toán chế tạo và ổn định hóa chất lưu chứa ống nano cacbon trên năm hệ chất nền khác nhau, mở rộng dải nhiệt độ làm việc từ -30 °C đến 450 °C. Công trình đã xây dựng được mô hình lý thuyết độ dẫn nhiệt và chuyển hóa quang nhiệt có độ tương thích cao với thực nghiệm, đồng thời làm rõ cơ chế nâng cao hiệu quả hấp thụ nhiệt trực tiếp theo thể tích. Kết quả thử nghiệm vật liệu bitumen/CNTs trong hệ thống đĩa hội tụ dish-Stirling đạt hệ số hấp thụ 95% đã khẳng định tính khả thi trong ứng dụng phát điện năng lượng mặt trời. Bản luận án là công trình nghiên cứu hoàn chỉnh, cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học vật liệu và giải pháp công nghệ có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.