CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHÊN CỨU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 2022, TS. Nguyễn Tiến Giang của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã cùng với các cộng sự nghiên cứu và chế tạo thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng 1-octadecanol (C18OH )/fumed silica (FS) bằng phương pháp ngâm tẩm bay hơi hướng tới mục đích lưu trữ năng lượng nhiệt.
FS có độ xốp cao (88 wt%), cung cấp đủ không gian để chứa C18OH với độ ổn định nhiệt và khả năng chống rò rỉ tốt trong khi vẫn đạt được độ kết tinh cao [13]. Sự kết tinh của C18OH PCM đã được cải thiện nhiều với hàm lượng C18OH ngày càng tăng. 75 wt% C18OH/FS là tỷ lệ thích hợp để điều chế C18OH/FS SSPCM này với độ kết tinh là 92.7 wt%, thể hiện khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn cao (160.3 J/g) và độ ổn định nhiệt tốt với chu kỳ 500 lần nóng chảy và đông đặc [13]. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Năm 2017, Yazhou Wang cùng các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp ra một vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng mới dựa trên polyethylene glycol và hydroxyapatite (HAP) bằng phương pháp ngâm tẩm ứng dụng vào việc lưu trữ năng lượng.
Theo kết quả đo nhiệt lượng quét vi sai, mẫu đạt yêu cầu nóng chảy ở nhiệt độ 58.2 ℃ với enthalpy nóng chảy là 128.9 kJ/kg và đông đặc ở nhiệt độ 46.9 ℃ với enthalpy đông đặc là 109.2 kJ/kg khi phần khối lượng lớn nhất của PEG trong hỗn hợp là 70 wt%. Sau 200 chu kỳ nóng chảy và đông đặc thì vật liệu không có sự thay đổi đáng kể nào xảy ra [11]. Năm 2020, nhóm tác giả gồm Fankai Lin cùng các cộng sự đã nghiên cứu chế tạo ra vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng dựa trên polyethylene glycol và bọt cacbon (CF) có mật độ lưu trữ năng lượng cao với enthalpy nóng chảy là 135.7 J/g và độ dẫn nhiệt được tăng cường 109.8 wt% so với PEG nguyên chất. Ngoài ra, vật liệu tổng hợp cho thấy khả năng ổn định nhiệt tuyệt vời và hiệu suất chống rò rỉ sau 100 chu kỳ nóng chảy/đông đặc và độ bền nén tốt [14].
Lưu trữ nhiệt năng (TES) 4 Năng lượng là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong thế kỷ 21. Với sự cạn kiệt nhanh chóng của nhiên liệu hóa thạch và tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng hơn do tiêu thụ nhiều nhiên liệu hóa thạch, nhu cầu sử dụng năng lượng hiệu quả, tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch và tái tạo có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch ngày càng cao để thúc đẩy sự phát triển bền vững của kinh tế và xã hội [15]. Ở nhiều nơi trên thế giới, năng lượng mặt trời được xem là một trong những triển vọng nhất của nguồn năng lượng. Tuy nhiên, giống như hầu hết các nguồn tài nguyên tái tạo khác, năng lượng mặt trời có những nhược điểm riêng là tính gián đoạn và không thể đoán trước, dẫn đến sự lệch pha giữa các đặc điểm cung và cầu [4].
Ví dụ, vào ban ngày khi cường độ mặt trời cao, nhu cầu về nước nóng và sưởi ấm lại thấp. Ngược lại, vào ban đêm khi mà nhu cầu về nhiệt tăng cao, cường độ mặt trời lại thấp. Vì vậy, lưu trữ năng lượng nhiệt là rất hữu ích cho việc cân bằng cung và cầu năng lượng, ngoài ra, nó còn cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống năng lượng và đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo tồn năng lượng [16]. Lưu trữ nhiệt năng (TES) được định nghĩa là việc lưu giữ tạm thời nhiệt năng ở dạng chất nóng hoặc lạnh để sử dụng sau này.
TES là một công nghệ quan trọng trong hệ thống liên quan đến năng lượng tái tạo cũng như các nguồn năng lượng khác vì nó có thể làm cho hoạt động của chúng hiệu quả hơn, đặc biệt là bằng cách thu hẹp khoảng thời gian giữa các giai đoạn khi thu hoạch và các giai đoạn khi cần thiết. Vì vậy, TES đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng cường đóng góp của các loại năng lượng tái tạo trong cơ cấu năng lượng của các vùng và quốc gia [17]. Trong hệ thống TES, năng lượng được cung cấp cho hệ thống lưu trữ để sử dụng sau này, bao gồm ba bước: sạc, lưu trữ và xả, tạo ra một chu kỳ lưu trữ hoàn chỉnh (Hình 1. Chu trình lưu trữ hoàn chỉnh của TES Các yêu cầu chính đối với việc thiết kế một hệ thống TES là mật độ năng lượng cao trong vật liệu lưu trữ (khả năng lưu trữ), độ ổn định cơ học và hóa học của vật liệu lưu trữ, khả năng tương thích giữa vật liệu lưu trữ và vật liệu chứa, khả năng đảo ngược hoàn toàn của một số chu kỳ, tổn thất nhiệt thấp trong thời gian bảo quản và dễ dàng kiểm soát.
Hơn nữa, các tiêu chí thiết kế quan trọng nhất là chiến lược vận hành, tải trọng tối đa cần thiết, nhiệt độ danh nghĩa và mức giảm enthalpy, và sự tích hợp vào toàn bộ hệ thống ứng dụng [18]. Phân loại Có ba loại hệ thống lưu trữ nhiệt năng: lưu trữ nhiệt hiện, lưu trữ nhiệt tiềm ẩn và lưu trữ nhiệt hóa [18]. Lưu trữ nhiệt hiện (SHS) Lưu trữ nhiệt hiện được thực hiện bằng cách tăng hoặc giảm nhiệt độ của vật liệu lưu trữ. Vật liệu lưu trữ có thể là nước, không khí, dầu, đá gốc, gạch, bê tông.
Mỗi vật liệu đều có ưu, nhược điểm riêng, nhưng thông thường vật liệu được lựa chọn theo nhiệt dung và không gian có sẵn để lưu trữ [18]. Nguyên tắc của SHS là khi nhiệt độ của vật liệu lưu trữu tăng, nhiệt năng được lưu trữ; khi nhiệt độ của vật liệu lưu trữ giảm, năng lượng dự trữ được giải phóng. Mật độ lưu trữ nhiệt năng chủ yếu được xác định bởi nhiệt dung riêng của vật liệu lưu trữ và dải nhiệt độ làm việc của hệ thống. Khả năng lưu trữ nhiệt hiện của một số chất rắn-lỏng được thể hiện trong Bảng 1.
Nước dường như là chất lỏng SHS tốt nhất hiện có vì sự dồi dào, giá thành rẻ, 6 và có nhiệt dung riêng cao. Tuy nhiên, trên 100 ℃, dầu, muối nóng chảy và các kim loại lỏng được sử dụng [19]. Một số vật liệu phổ biến được sử dụng trong hệ thống TES nhiệt hiện Vật liệu Mật độ Nhiệt dung Công suất nhiệt thể (kg/m3) riêng tích (106 J/m3.17 Lượng năng lượng được lưu trữ được tính như sau: T Q= ∫T f m.(Tf - Ti ) , [20] (1) i Trong đó: Q là nhiệt lượng lưu trữ trong vật liệu (J), m là khối lượng của vật liệu lưu trữ (kg), Cp là nhiệt dung riêng của vật liệu lưu trữ (J/kg.K), 7 Ti và Tf lần lượt là nhiệt độ bắt đầu và kết thúc của vật liệu (℃). Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (LHS) Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (LHS) là dựa trên sự hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt khi vật liệu lưu trữ trải qua một sự chuyển pha từ rắn sang lỏng hoặc lỏng sang khí hoặc ngược lại.
Vật liệu lưu trữ nhiệt tiềm ẩn được gọi là vật liệu chuyển pha. Lượng nhiệt được lưu trữ trong LHS phụ thuộc vào khối lượng và nhiệt tiềm ẩn PCM. Phương trình lưu trữ năng lượng cho PCM bao gồm cả phương trình nhiệt hiện và nhiệt tiềm ẩn khi sự tăng nhiệt độ của vật liệu dẫn đến sự chuyển pha đối với quá trình chuyển đổi [21]. Quá trình chuyển pha của PCM từ rắn sang lỏng và ngược lại theo sơ đồ hình 1.
Dung lượng lưu trữ của hệ thống LHS với PCM được thể hiện như sau T T Q= ∫T pc Cs .dT +∆Hs + ∫T 2 Cl dT [20] (2) 1 pc Trong đó: Q là nhiệt lượng tích trữ trong vật liệu (J) Tpc là nhiệt độ chuyển pha (℃) ∆Hs là nhiệt của phản ứng tổng hợp (J/g) T1 ; T2 lần lượt là nhiệt độ ban đầu và cuối cùng của vật liệu (℃) Cs ; Cl lần lượt là nhiệt dung riêng của vật liệu chuyển pha ở thể rắn và lỏng (J/kg. Qúa trình chuyển pha từ rắn sang lỏng và ngược lại 8 Enthalpy nóng chảy và nhiệt độ nóng chảy của các vật liệu phổ biến được sử dụng làm PCM được thể hiện trong bảng 1. Nhiều vật liệu đã được nghiên cứu làm PCM, nhưng chỉ một số ít trong số chúng đã được thương mại hóa, chủ yếu do các vấn đề như tách pha, hiện tượng siêu lạnh, ăn mòn, ổn định lâu dài và độ dẫn nhiệt thấp vẫn chưa được giải quyết triệt để. Thông thường, PCM được lựa chọn dựa trên enthalpy nóng chảy thích hợp và nhiệt độ, tính sẵn có và chi phí [18].
Một số vật liệu điển hình được sử dụng trong lưu trữ nhiệt tiềm ẩn Vật liệu Nhiệt độ Enthalpy nóng chảy nóng chảy (℃) ( MJ/m3) Dung dịch nước muối -100 – 0 200 – 300 Nước 0 330 Clathrates -50 – 0 200 – 300 Parafin -20 – 100 150 – 250 Muối hydrat -20 – 80 200 – 600 Nitrates 120 – 300 200 – 700 Hydroxides 150 – 400 500 – 700 Chlorides 350 – 750 550 – 800 Carbonates 400 – 800 600 – 1000 Fluorides 700 – 900 >1000 1. Lưu trữ năng lượng nhiệt hóa (TCES) Loại TES hóa học bao gồm các phản ứng hấp phụ và nhiệt hóa. Trong quá trình lưu trữ năng lượng nhiệt hóa, năng lượng được lưu trữ sau phản ứng phân ly và sau đó được thu hồi trong một phản ứng ngược về mặt hóa học. Bộ lưu trữ nhiệt 9 hóa có mật độ lưu trữ cao hơn so với các loại TES khác, cho phép lưu trữ một lượng lớn năng lượng bằng cách sử dụng một lượng nhỏ chất lưu trữ.
Lưu trữ năng lượng dựa trên các phản ứng hóa học đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng lưu trữ dài hạn, ví dụ: lưu trữ nhiệt mặt trời theo mùa, vì quá trình này hầu như không mất năng lượng trong thời kì lưu trữ. Lưu trữ thường được thực hiện ở nhiệt độ môi trường xung quanh [17]. So sánh các loại TES Tổng quan về phạm vi nhiệt độ hoạt động, mật độ lưu trữ, tình trạng thương mại, khả năng tồn tại và độ bền của TES bao gồm lưu trữ năng lượng nhiệt hiện, tiềm ẩn và hóa học được thể hiện trong hình 1. Thông thường, mật độ lưu trữ của LHS cao hơn so với môi trường SHS do sự thay đổi enthalpy cao trong quá trình chuyển pha nhưng việc lưu trữ năng lượng nhiệt hóa lại có mật độ lưu trữ cao nhất so với LHS và SHS.
Tuy nhiên, các vật liệu lưu trữ năng lượng nhiệt hóa đang trong giai đoạn phát triển, có cơ chế phức tạp và phần lớn đang trong giai đoạn nghiên cứu.