CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 2023, TS. Nguyễn Tiến Giang [6] giảng viên của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã cùng với các cộng sự nghiên cứu sử dụng Glutaric acid (GA) và expanded graphite (EG) điều chế thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (SSPCM) GA/EG.
EG với độ xốp cao có thể giam giữ hàm lượng GA lên tới 85% mà không làm vật liệu bị rò rỉ, đồng thời duy trì độ kết tinh tuyệt vời của PCM do lực mao dẫn và sức căng bề mặt. Kết quả cho thấy SSPCM có khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn cao lên tới 167 J/g và độ kết tinh lên tới 96,8%. Ngoài ra, SSPCM còn giúp ngăn chặn hiện tượng siêu lạnh của GA xuống dưới 5 oC, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng thực tế do sự thay đổi về cả nhiệt độ nóng chảy và đông đặc. SSPCM cũng cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ dẫn nhiệt và tốc độ nạp/thải nhiệt so với GA tinh khiết.
Cuối cùng, độ bền vòng lặp của SSPCM 85% GA/EG đã được nghiên cứu lên tới 300 vòng, khiến vật liệu trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt lâu dài ở nhiệt độ tầm trung. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Năm 2013, Shuping Wang cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu phát triển vật liệu composite sebacic acid (SA)/expanded graphite (EG) cho lưu trữ năng lượng mặt trời ở nhiệt độ tầm trung. Kết quả cho thấy tỷ lệ phần trăm khối lượng SA trong CPCM SA/EG tối đa lên tới 85% mà tại đó không xảy ra hiện tượng rò rỉ. CPCM với 85wt% SA có nhiệt độ chuyển pha 128oC và nhiệt tiềm ẩn lên tới 187 J/g.
Bài nghiên cứu chỉ ra rằng việc thêm SA vào EG giúp làm giảm hiện tượng siêu lạnh, cũng như tăng độ bền nhiệt và độ dẫn nhiệt khi so sánh với SA tinh khiết. Với những tính chất nhiệt và khả năng ổn định của mình, CPCM SA/EG cho thấy sự tiềm năng cho việc ứng dụng vào hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn. Năm 2014, Chang-Bo Wu cùng cộng sự [8] đã nghiên cứu chế tạo vật liệu chuyển pha bằng cách đưa Tris(hydroxymethyl)methyl aminomethane (Tris) vào SiO2 bằng phương pháp sol-gel. Kết quả thu được vật liệu Tris@SiO2 với khả năng lưu trữ tốt, giúp ngăn chặn sự rò rỉ của Tris ra bên ngoài.
Việc sử dụng SiO2 làm vật liệu lưu trữ còn giúp tăng 1 gấp đôi độ dẫn nhiệt của CPCM lên 0,478 W/(m.K) so với Tris tinh khiết. Kết quả DSC cho thấy vật liệu Tris@SiO2 có khoảng chuyển pha thuận nghịch từ 110-155 oC với khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn khoảng 146 J/g và thể hiện độ bền vòng lặp sau 70 chu kỳ nóng chảy/kết tinh. Vật liệu cho thấy tiềm năng của chúng trong việc ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ trung bình. Năm 2018, Qi Zhang và cộng sự [9] đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu chuyển pha Sebacic acid (SA) bằng cách bao bọc bằng ống carbon (CNTs).
Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu tổng hợp được có nhiệt độ nóng chảy lên tới 121.1 oC và nhiệt tiềm ẩn khoảng 131. CPCM có thể duy trì độ ổn định sau 200 chu kỳ nóng chảy/kết tinh mà không xảy ra hiện tượng rò rỉ. Độ dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp được tăng gấp 27 lần so với SA tinh khiết. Thêm vào đó, CPCM cho thấy hiệu suất quang nhiệt tuyệt vời dưới bức xạ của ánh sáng mặt trời mô phỏng, cho thấy tiềm năng của CPCM cho các ứng dụng năng lượng mặt trời.
Năm 2021, Ha Soo Hwang cùng với các cộng sự [10] đã nghiên cứu và chế tạo vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng CPCM từ azelaic acid/expanded graphite (AA/EG) cho lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ tầm trung. Kết quả cho thấy vật liệu có nhiệt độ siêu lạnh thấp, khả năng lưu trữ nhiệt cao và khả năng giam giữ AA bên trong EG lên tới 85%wt mà không làm vật liệu bị rò rỉ. AA với nhiệt độ nóng chảy 108oC và mức độ siêu lạnh 5,8oC. Việc đưa AA vào EG làm cho nhiệt độ nóng chảy của vật liệu giảm xuống còn 105,8oC và độ siêu lạnh giảm xuống 1oC.
CPCM AA/EG có khả năng lưu trữ nhiệt cao với nhiệt tiềm ẩn 162,5 J/g. Độ bền vòng lặp của CPCM được thử nghiệm qua 200 chu kỳ nóng chảy/kết tinh cho thấy độ bền nhiệt cao và độ ổn định hóa học của vật liệu. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ dẫn nhiệt của vật liệu CPCM tăng lên gấp 15,7 lần so với AA tinh khiết, cũng như khả năng lưu trữ/giải phóng năng lượng của vật liệu nhanh hơn lần lượt là 5 và 7,4 lần so với AA tinh khiết do ảnh hưởng của EG trong vật liệu. Năm 2022, Yu Bai và các cộng sự [11] đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu chuyển pha eutectic từ D-mannitol làm vật liệu chuyển pha và Kbr làm chất điều chỉnh nhiệt độ nóng chảy.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng CPCM 10wt% EG có nhiệt độ chuyển pha khoảng 136.88 oC, enthalpy chuyển pha cao (215.7 J/g) cùng với khả năng chuyển đổi quang nhiệt lên tới 81. Ngoài ra, độ dẫn nhiệt của CPCM 10wt% 2 được ghi nhận lên tới 6.K), cao gấp 10 lần so với D-mannitol tinh khiết. Với những tính chất nhiệt tuyệt vời, CPCM là vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng và chuyển đổi quang nhiệt. Năm 2022, Feilong Shao và các công sự [12] đã nghiên cứu chế tạo CPCM bằng cách sử dụng vật liệu carbon xốp từ sinh khối (PC) và vật liệu chuyển pha acid adipic (AA).
Kết quả cho thấy hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt của hỗn hợp PCM AA + 7wt% PC lên tới 93,83%. Độ dẫn nhiệt của AA+7 wt% PC là 1,18 W/(m.K), cao hơn 149% so với AA nguyên chất (0,45 W/(m. CPCM có ưu điểm là không xảy ra hiện tượng siêu lạnh và nhiệt ẩn lên tới 195,05 J/g. Kết quả của bài nghiên cứu giúp ứng dụng chế tạo hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời từ các vật liệu giá thành rẻ, đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng nhiệt không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết và thời gian.
Năm 2022, Chao Ma cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu tăng cường khả năng dẫn nhiệt của vật liệu chuyển pha erythritol bằng cách phân tán vật liệu vào expanded graphite (EG). Kết quả cho thấy hỗn hợp PCM erythritol/EG với 2% EG có độ bền vòng lặp tốt nhất và cải thiện khả năng dẫn nhiệt một cách rõ rệt. Bài nghiên cứu cũng chỉ ra rằng bằng cách thêm vào 1% calcium pimelate (CaPi) giúp làm giảm quá trình siêu lạnh của CPCM. Hỗn hợp PCM 2%EG/1%CaPi/erythritol bắt đầu đông đặc ở 98,5°C và nhiệt độ cân bằng là khoảng 115°C trong suốt 100 chu kỳ.
Nhiệt ẩn của vật liệu là 352,66 J/g và độ dẫn nhiệt là 1,287 W/(m.K), cao hơn 52,5% so với erythritol tinh khiết. Từ những kết quả nghiên cứu trên, vật liệu tổng hợp được trở thành ứng cử viên mới ứng dụng trong lĩnh vực thu hồi nhiệt thải, hấp thụ năng lượng mặt trời ở nhiệt độ tầm trung và các lĩnh vực khác. Năm 2023, Huan Wang cùng với các cộng sự [14] nghiên cứu chế tạo vật liệu CPCM ứng dụng cho nhiệt độ tầm trung sử dụng d-mannitol (DM) làm vật liệu chuyển pha, polyethylene mật độ cao (HDPE) làm vật liệu hỗ trợ và expanded graphite (EG) làm vật liệu lưu trữ và cải thiện khả năng dẫn nhiệt. Kết quả cho thấy trong số các mẫu đã chuẩn bị, CPCM3 (26,4 % HDPE + 61,6 % DM + 12 % EG) có độ dẫn nhiệt cao nhất; lên tới 2,66 W/(m.K), cao hơn 6,04 lần so với hỗn hợp HDPE/DM.
CPCM3 còn có các đặc tính thuận lợi khác như nhiệt độ nóng chảy khoảng 163,2 °C, nhiệt ẩn cao 224,1 J/g, nhiệt độ siêu lạnh 37,4 °C và nhiệt độ phân hủy 411,3 °C. Nghiên cứu có ý nghĩa giúp cung 3 cấp ý tưởng thiết kế cho vật liệu lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ tầm trung ứng dụng cho các hệ thống lưu trữ nhiệt hiện đại trong tương lai. Vật liệu lưu trữ nhiệt năng Lưu trữ nhiệt năng (Thermal Energy Storage (TES)) là hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt được thực hiện bằng cách thay đổi nhiệt độ lưu trữ nhiệt khi làm nóng hoặc làm lạnh hệ thống. Điều này cho phép năng lượng được dự trữ nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau như sưởi ấm, làm mát, thu hồi nhiệt.
Việc sử dụng TES giúp bảo toàn năng lượng, khắc phục tình trạng mất cân bằng cung-cầu năng lượng, giảm chi phí đầu tư và vận hành, từ đó làm tăng hiệu quả sự dụng năng lượng cũng như giảm thiểu khí thải CO2 và các chất gây ô nhiễm môi trường.[15] Trong hệ thống TES, năng lượng trãi qua 3 bước để có thể lưu trữ và sử dụng sau này, 3 bước gồm: sạc, lưu trữ và thải nhiệt tạo thành một chu kì nhiệt được mô tả ở hình 1.1: Chu trình lưu trữ năng lượng của hệ thống TES [16]. Có thể phân loại hệ thống lưu trữ lượng nhiệt thành: lưu trữ nhiệt hiện, lưu trữ nhiệt ẩn và lưu trữ nhiệt hóa học. Lưu trữ nhiệt hiện Lưu trữ nhiệt hiện (Sensible Heat Storage – SHS) là quá trình lưu trữ nhiệt xảy ra khi thay đổi nhiệt độ của hệ nhưng không làm hệ chuyển pha. Lượng nhiệt lưu trữ phụ thuộc vào khối lượng, nhiệt dung riêng và sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu lưu trữ [17].
Các loại vật liệu thường được sử dụng trong hệ thống SHS có thể kể đến như: nước, dầu, ceramic, kim loại,.[18] Ưu điểm đáng chú ý của hệ thống SHS chính là giá thành rẻ và vật liệu sử dụng không độc hại.[19] Tuy nhiên, một vài nhược điểm có thể kể đến của 4 hệ thống này là mật độ năng lượng thấp, sự thất thoát năng lượng ở bất kỳ nhiệt độ nào. Lượng nhiệt lưu trữ phụ thuộc vào khối lượng và ẩn nhiệt quá trình chuyển pha của vật liệu [17]. Quá trình chuyển pha thường là quá trình chuyển pha rắn-lỏng hoặc rắn-rắn. Vật liệu được sử dụng cho hệ thống LHS là vật liệu chuyển pha (Phase Change Materials – PCM).
Một số vật liệu chuyển pha có thể kể đến như nước, acid béo, paraffin, ester, muối hydrate. Một số ưu điểm có thể nhắc đến của LHS sử dụng là khả năng lưu trữ năng lượng cao, chi phí rẻ. Nhưng một số nhược điểm mà LHS mắc phải như: độ dẫn nhiệt kém, độ ổn định, tính chống ăn mòn là những vấn đề cần giải quyết [18].