CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 2022, Ts. Nguyễn Tiến Giang [6] tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu và tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng sử dụng polyethylene glycol (PEG) làm vật liệu chuyển pha PCM được chứa trong silica FS làm chất hỗ trợ xốp.
Kết quả cho thấy vật liệu SSPCM với 80 wt% PEG/FS thể hiện độ kết tinh cao 93,1%, khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt tuyệt vời 130,6 J/g. Cùng với đó là độ bền, độ tin cậy nhiệt tuyệt vời sau khi trải qua 500 chu kỳ nóng chảy/kết tinh. Các PEG/FS SSPCM có thể kết hợp với thạch cao giúp làm chậm quá trình truyền nhiệt hiệu quả so với thạch cao nguyên chất thích hợp cho ứng dụng quản lí nhiệt tòa nhà. Nguyễn Tiến Giang cùng các cộng sự [7] dựa trên azelaic acid (AA) và expanded graphite (EG) tổng hợp nên vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng AA/EG SSPCM bằng phương pháp ngâm tẩm.
Vật liệu thu được chứa lượng lớn PCM với 85 % wt AA, sở hữu khả năng lưu trữ nhiệt ẩn cao với 162,5 J/g và 162,2 J/g đối với quá trình nóng chảy/kết tinh và đặc tính ổn định nhiệt cao sau 200 chu kỳ nóng chảy/kết tinh. Hơn nữa AA/EG SSPCM có độ dẫn nhiệt cao 3,25 W/m.k tăng 15,7 lần so với AA tinh khiết, với 85 wt% AA vật liệu có độ bền nhiệt và ổn định hình dạng tuyệt vời. Hiệu suất lưu trữ và giải phóng nhiệt cao, cao hơn 5 – 7,4 lần so với AA tinh khiết. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Năm 2013 Li và các cộng sự [8] sử dụng phương pháp sol-gel để áp dụng vào việc điều chế vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng polyethylene glycol/silicon dioxide (PEG/SiO2 SSPCM).
Vật liệu sau khi tổng hợp có đặc tính lưu trữ nhiệt tuyệt vời với enthalpy từ 63,4 J/g – 128,4 J/g tương ứng với khối lượng PEG từ 50 wt% - 80 wt%. Độ dẫn nhiệt của SSPCM với 80 wt% PEG ban đầu 0,279 W/m.k, khi 2,7% than chì được phủ lên vật liệu 1 cho thấy độ dẫn nhiệt tăng gấp đôi 0,558 w/m. Bên cạnh đó, vật liệu tạo ra có độ tương thích hóa học tốt, khả năng chống rò rỉ lên đến 80 wt% PEG. Năm 2018, Keyan Sun cùng với các cộng sự [9] đã tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng polyethylene glycol/silica-hydroxyl (PEG/SHC SSPCM) bằng phương pháp sol- gel.
Kết quả cho thấy thành phần của PEG chiếm đến 80 wt% mà không có sự rò rỉ đáng kể nào xảy ra. Đặc tính quan trọng khác của PEG/SHC SSPCM là khả năng dẫn nhiệt cao 0,4 W/m.k lớn hơn 30% so với PEG tinh khiết 0,31 W/m. Vật liệu tạo ra có dung lượng lưu trữ nhiệt cao 132,4 J/g và 133,4 J/g đối với cả quá trình nóng chảy và kết tinh, các SSPCM có đặc tính nhiệt ổn định và khả năng tương tương thích hóa học tốt sau 30 chu kỳ nóng chảy/kết tinh. Năm 2019 Zhang và cộng sự [10] dựa trên polyethylene glycol và Ag-GNS để tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng Ag-GNS/PEG SSPCM.
Vật liệu thu được có dung lượng lưu trữ và giải phóng năng lượng nhiệt cao trên 166,1 J/g cụ thể là 177,2 J/g ở quá trình nóng chảy và 179,2 đối với quá trình kết tinh. Độ dẫn nhiệt tăng 49,5 – 95,3% so với PEG tinh khiết, đặc biệt vật liệu có đặc tính hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển đổi quang – nhiệt tuyệt vời với hiệu suất đạt 88,7% - 92% và khả năng ổn định hình dạng được tăng cường. Năm 2020 Sheng và cộng sự [11] đã chế tạo thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng với paraffin PW và CB bằng phương pháp ngâm tẩm. Kết quả thu được vật liệu với tỉ lệ 83,5 wt% PW có hệ số dẫn nhiệt tăng và tăng lên từ 0,99 W/m.k theo hướng dọc của tấm carbon và 0,68 W/m.k từ hướng ngang, cao hơn rất nhiều so với PW 0,25 W/m.
Khả năng hấp thụ và tản nhiệt của vật liệu được xác định theo hướng các sợi xếp theo chiều dọc và chiều ngang thông qua ảnh nhiệt hồng ngoại. Kết quả cho thấy hướng dọc có tốc độ hấp thụ nhiệt độ cao hơn và hạ nhiệt cũng nhanh hơn so với hướng ngang ở cùng thời gian. Vật liệu SSPCM có hiệu suất lưu trữ nhiệt cao 182,8 J/g đối với quá trình nóng chảy và 179,6 J/g ở quá trình kết tinh. Đặc biệt sau 100 chu kỳ nóng chảy/kết tinh thì vật liệu không có sự thay đổi đáng kể nào xảy ra.
2 Năm 2022 Wang cùng các cộng sự [12] đã tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng polyethylene glycol/Mxene-cellulose (PMC SSPCM). Vật liệu tạo ra với 90 wt% PEG có đặc tính lưu trữ cao và cao tới khoảng 183 J/g ở cả quá trình nóng chảy và kết tinh, bên cạnh đó PEG/MC SSPCM có độ dẫn nhiệt cao 0,35 – 0,4 W/m.k cao hơn so với PEG tinh khiết (0,29 W/m.k) do sự hình thành đường dẫn nhiệt kết hợp với giảm điện trở nhiệt tiếp xúc trong cấu trúc của PEG/MC SSPCM. Vật liệu còn có độ tương thích hóa học và độ ổn định nhiệt tuyệt vời. Ngoài ra, với sự kết hợp của Mxene giúp vật liệu sở hữu đặc tính chuyển đổi quang thành nhiệt và lưu trữ dưới dạng nhiệt ẩn với hiệu suất chuyển đổi cao 81,9 - 91,6% trong quá trình nóng chảy và 80,8 – 90,2% ở quá trình kết tinh.
Trong nghiên cứu năm 2023 của Chengzhi Zhao cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu tổng hợp ra SSPCM dựa trên graphene, paraffin và CB bằng phương pháp ngâm tẩm. Điểm mới của quy trình này là đưa graphene vào bọc quanh các sợi cotton giúp cải thiện được độ xốp và tăng hiệu suất dẫn nhiệt của SSPCM. Kết quả cho thấy SSPCM được tạo ra có khả năng lưu trữ nhiệt cao 187 J/g với 86,28 wt% PW trong hỗn hợp. Hơn nữa SSPCM có độ dẫn nhiệt cao 2,13 W/m.k đối với hướng dọc của tấm vật liệu, gấp đôi so với phương bên và hơn 8,5 lần so với PW tinh khiết.
Khả năng chuyển đổi quang nhiệt của PW thấp hơn SSPCM, nhiệt độ có thể hấp thụ cao nhất ở 50 oC, tuy nhiên SSPCM có nhiệt độ duy trì trong khoảng 68 oC và 78 oC cao hơn PW trong cùng một khoảng thời gian. Vật liệu tổng hợp được còn có khả năng ổn định nhiệt tốt, hiệu suất chống rò rỉ cao, có độ bền cao thay đổi không đáng kể sau 200 chu kỳ nóng chảy/kết tinh. Lưu trữ nhiệt năng (TES) Lưu trữ năng lượng nhiệt Thermal energy storage (TES) là một công nghệ dự trữ năng lượng nhiệt bằng cách làm nóng hoặc làm mát có thể được ứng dụng sau này cho các ứng dụng sưởi ấm, làm mát và làm mát. Hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt có thể lưu trữ nhiệt hoặc lạnh để sử dụng trong các điều kiện khác nhau như nhiệt độ, địa điểm hoặc nguồn điện.
Công dụng chính của TES là giúp khắc phục sự không phù hợp giữa sản xuất và sử dụng năng lượng. Ưu điểm của việc sử dụng TES trong hệ thống năng lượng bao gồm tăng hiệu quả tổng thể và độ tin cậy cao hơn, đồng thời mang lại hiệu quả kinh tế tốt hơn, giảm chi phí đầu tư vận hành và ít gây ô nhiễm môi trường [14]. Phân loại Có ba loại hệ thống lưu trữ nhiệt năng: lưu trữ nhiệt hiện (Sensible Heat Storage, SHS), lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (Latent Heat Storage, LHS) và lưu trữ nhiệt hóa (Thermochemical Energy Storage, TCES) [15]. Lữu trữ nhiệt hiện (SHS) Trong lưu trữ nhiệt hiện (SHS), năng lượng nhiệt được lưu trữ bằng cách tăng nhiệt độ của chất rắn hoặc chất lỏng, hệ thống này tận dụng nhiệt dung và sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu trong quá trình nạp và xả [16].
Vật liệu lưu trữ có thể là nước, không khí, dầu, gạch, bê tông,… Môi trường lưu trữ có thể ở các pha khác nhau như dạng lỏng (nước, muối nóng chảy hoặc dầu), rắn (đá, bê tông) hoặc lỏng với vật liệu độn rắn (muối nóng chảy/đá) [17]. Chất lỏng SHS được sử dụng tốt nhất dường như là nước vì nước có nhiệt dung riêng cao, chi phí thấp, tuy nhiên trong trường hợp trên 100oC thì dầu, muối nóng chảy được sử dụng [15]. Lượng năng lượng lưu trữ được tính như sau: 𝑇 Q = ∫𝑇 𝑓 𝑚.𝐶𝑝 (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) [18] 𝑖 Trong đó: Q là lượng nhiệt được lưu trữ trong vật liệu (J) m: khối lượng vật liệu lưu trữ (kg) 𝐶𝑝 : nhiệt dung riêng của vật liệu lưu trữ (J/kg.K) 𝑑𝑇: sự thay đổi nhiệt độ (K). Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (LHS) Hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (LHS) dựa trên nhiệt hấp thụ hoặc giải phóng khi vật liệu lưu trữ trải qua sự thay đổi pha từ rắn sang lỏng hoặc từ lỏng sang khí và ngược lại.
Đa phần sự thay đổi pha rắn sang lỏng được thực hiện, cụ thể là làm nóng chảy và hóa rắn vật 4 liệu. Trong LHS năng lượng nhiệt được lưu trữ dưới dạng nhiệt ẩn điển hình là nhiệt của phản ứng trong tổng hợp trong quá trình chuyển đổi chất lỏng-rắn [19]. Ban đầu nhiệt được nóng chảy sẽ truyền đến vật liệu và sẽ lưu trữ lượng nhiệt đó ở nhiệt độ không đổi, tiếp tục khi vật liệu rắn lại nhiệt sẽ được giải phóng. PCM được biết đến và sử dụng nhiều nhất là nước, vật liệu được sử dụng lưu trữ nhiệt ẩn gọi là vật liệu chuyển pha (PCM) [15].
Thông thường mật độ lưu trữ của môi trường LHS cao hơn và có sự thay đổi nhiệt độ nhỏ hơn khi lưu trữ và giải phóng nhiệt so với SHS do sự thay đổi enthalpy cao trong quá trình chuyển pha [20]. Dung lượng lưu trữ của hệ thống LHS được tính như sau: 𝑇 𝑇 Q = ∫𝑇 𝑝𝑐 𝐶𝑠 𝑑𝑇 + ∆𝐻𝑠 + ∫𝑇 2 𝐶𝑙 𝑑𝑇 [18] 1 𝑝𝑐 Trong đó: Q là lượng nhiệt được lưu trữ trong vật liệu (J) T1, T2 lần lượt là nhiệt độ ban đầu và lúc sau của vật liệu (oC) 𝑇𝑝𝑐 là nhiệt chuyển pha (oC) ∆𝐻𝑠 là nhiệt nóng chảy (J/g) 𝐶𝑠 , 𝐶𝑙 là nhiệt dung riêng của vật liệu chuyển pha ở thể rắn và lỏng (J/kg. Lưu trữ năng lượng nhiệt hóa (TCES) Lưu trữ năng lượng nhiệt hóa được tạo ra khi một phản ứng hóa học có năng lượng cao tham gia vào phản ứng được sử dụng để lưu trữ năng lượng, quá trình lưu trữ này chỉ được sử dụng cho các phản ứng thuận nghịch. Các phản ứng chính được sử dụng trong phản ứng hydrat hóa môi trường lưu trữ là phản ứng phân hủy amoniac, phản ứng oxy hóa kim loại và phản ứng cacbonate hóa.