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.