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

• Tác giả: Nguyễn Trọng Tâm
• Người hướng dẫn: GS. TS Phan Ngọc Minh
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
• 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
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• 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

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.