Giới thiệu dự án

Lưu trữ năng lượng nhiệt (Thermal Energy Storage - TES) đóng vai trò hạt nhân trong việc cân bằng cung - cầu năng lượng và nâng cao hiệu quả vận hành của các hệ thống năng lượng tái tạo. Theo các thống kê công nghiệp năng lượng, hơn 56% tổng nhu cầu tiêu thụ nhiệt trong sản xuất công nghiệp và dân dụng tập trung tại dải nhiệt độ tầm trung từ 80 °C đến 250 °C (bao gồm sấy công nghiệp, sản xuất giấy, thực phẩm, khử trùng y tế và nhiệt mặt trời).

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        BỐI CẢNH VÀ ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU TES                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  Nhu cầu nhiệt tầm trung (80-250°C): >56% tổng tiêu thụ năng lượng nhiệt          |
|  Thách thức PCM Rắn - Lỏng: Rò rỉ thể lỏng, ăn mòn vỏ bọc, phân tách pha         |
|  Giải pháp Đề xuất: Composite PE/EG (Cơ chế chuyển pha Rắn - Rắn BCT -> FCC)      |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Vấn đề nghiên cứu và Điểm nghẽn kỹ thuật (Pain points)

Phần lớn các hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (Latent Heat Storage - LHS) hiện hành sử dụng vật liệu chuyển pha (Phase Change Materials - PCM) theo cơ chế rắn - lỏng (như muối hydrat, axit hữu cơ, paraffin). Tuy nhiên, nhóm vật liệu này bộc lộ những nhược điểm nghiêm trọng:

  • Rủi ro rò rỉ thể lỏng (Liquid leakage): Đòi hỏi kỹ thuật đóng gói (encapsulation) phức tạp, làm tăng tổng chi phí chế tạo hệ thống.
  • Ăn mòn hóa học và phân tách pha: Gây suy giảm dung lượng truyền nhiệt sau nhiều chu kỳ nạp/xả nhiệt.
  • Độ dẫn nhiệt thấp ($\lambda < 0.7\text{ W/m}\cdot\text{K}$): Làm chậm tốc độ truyền nhiệt và cản trở khả năng sạc/xả nhanh.
  • Độ quá lạnh cao ($\Delta T_{sc} > 11\text{ }^\circ\text{C}$): Trì hoãn quá trình giải phóng nhiệt tiềm ẩn khi làm nguội.
                      +------------------------------------------+
                      |         Pentaerythritol (PE)             |
                      |  - Cơ chế: Chuyển pha Rắn - Rắn (~187°C) |
                      |  - Enthalpy cao: 260 - 280 J/g           |
                      |  - Điểm nghẽn: λ ~ 0.7 W/mK, ΔTsc ~ 11°C |
                      +--------------------+---------------------+
                                           |
                                           v  (Ngâm tẩm & Bay hơi dung môi)
+------------------------------------------+-----------------------------------------+
|                                    Expanded Graphite (EG)                          |
|  - Cấu trúc xốp Worm-like, Độ xốp > 99%                                            |
|  - Độ dẫn nhiệt cao (25 - 470 W/mK), Dẫn điện (10^6 - 10^8 S/cm), Bẫy mao dẫn     |
+------------------------------------------+-----------------------------------------+
                                           |
                                           v
                      +------------------------------------------+
                      |           Composite PE/EG CPCM           |
                      |  * Dung lượng lưu trữ: 204.5 J/g         |
                      |  * Hiệu suất giải phóng nhiệt: 97.7%     |
                      |  * Độ quá lạnh: Giảm xuống < 4°C         |
                      |  * Đa chuyển đổi: Quang-Nhiệt & Điện-Nhiệt|
                      +------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha hỗn hợp (Composite Phase Change Material - CPCM) trên cơ sở Pentaerythritol (PE) và khung nền carbon xốp Expanded Graphite (EG) với tỷ lệ khối lượng PE từ 80 wt% đến 95 wt%.
  2. Cải thiện độ dẫn nhiệt, triệt tiêu rò rỉ hình thái và giảm độ quá lạnh của PE xuống mức dưới 4 °C.
  3. Tích hợp khả năng chuyển đổi đa nguồn năng lượng: Đạt hiệu suất chuyển đổi quang - nhiệt trên 85% và kích hoạt quá trình chuyển đổi điện - nhiệt tại điện áp thấp ($V \le 2.5\text{ V}$).
  4. Đánh giá độ tin cậy và độ bền chu kỳ nhiệt qua 100 chu kỳ gia nhiệt - làm nguội liên tục.

Phạm vi và Giới hạn

  • Đối tượng: Vật liệu chuyển pha hữu cơ Pentaerythritol ($C_5H_{12}O_4$, $M = 136.15\text{ g/mol}$) biến tính bằng Expanded Graphite (độ xốp $> 99%$).
  • Phạm vi kiểm chuẩn: Vùng nhiệt độ chuyển pha tầm trung ($150\text{ }^\circ\text{C} - 210\text{ }^\circ\text{C}$), bức xạ mô phỏng từ $2000 - 3000\text{ W/m}^2$, điện thế cấp $2.0 - 2.5\text{ V}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí kỹ thuật Lưu trữ nhiệt hiện (SHS - Dầu/Nước) PCM Rắn - Lỏng (Axit hữu cơ/Muối hydrat) PE/EG CPCM Rắn - Rắn (Dự án đề xuất)
Mật độ năng lượng Thấp ($< 50\text{ J/g}$) Trung bình - Cao ($120 - 180\text{ J/g}$) Rất cao ($204.5\text{ J/g}$)
Nguy cơ rò rỉ thể tích Cao (áp suất cao khi bay hơi) Nghiêm trọng (cần vỏ bọc kín) Tuyệt đối không rò rỉ (Zero leakage)
Độ dẫn nhiệt ($\lambda$) $0.1 - 0.6\text{ W/m}\cdot\text{K}$ $0.15 - 0.3\text{ W/m}\cdot\text{K}$ Mở rộng nhờ mạng lưới EG
Độ quá lạnh ($\Delta T_{sc}$) Không áp dụng Lớn ($5 - 15\text{ }^\circ\text{C}$) Kiểm soát tốt ($< 4\text{ }^\circ\text{C}$)
Chuyển đổi đa năng lượng Không hỗ trợ Rất hạn chế Quang - Nhiệt & Điện - Nhiệt đồng thời

Yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Giữ nguyên pha rắn trong suốt dải hoạt động ($T \le 200\text{ }^\circ\text{C}$); Enthalpy chuyển pha $\ge 180\text{ J/g}$; độ bền nhiệt sau 100 chu kỳ $\ge 95%$.
  • Should have (Nên có): Hiệu suất chuyển đổi quang - nhiệt $> 80%$; dẫn điện kích hoạt nhiệt Joule ở mức điện áp an toàn $< 5\text{ V}$.
  • Could have (Có thể có): Khả năng đầm nén định hình đa dạng ở áp suất nén $15\text{ MPa}$.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Thử nghiệm quy mô công nghiệp trên $10\text{ kg}$ và kiểm tra chu kỳ nhiệt kéo dài $> 1000$ lần.

Thiết kế hệ thống và Kiến trúc vật liệu

Vật liệu CPCM được cấu trúc dựa trên cơ chế bắt giữ vật lý: Khung xốp Expanded Graphite dạng sâu (worm-like structure) đóng vai trò là mạng lưới dẫn truyền phonon và electron, đồng thời đóng vai trò chất phân tán mầm kết tinh (nucleating agent). Phân tử Pentaerythritol phân bố đồng đều trong các mao quản trung xốp (mesopores: 2 - 50 nm) và đại xốp (macropores: > 50 nm) của EG.

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                MÔ HÌNH TRUYỀN NĂNG LƯỢNG TRONG PE/EG CPCM                          |
+------------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                    |
|   1. QUANG - NHIỆT:   Quang năng (hν) ---> Mạng EG hấp thụ bức xạ (Vis-NIR)       |
|                                       ---> Truyền phonon dẫn nhiệt nhanh           |
|                                       ---> Chuyển pha PE (BCT -> FCC tại ~185°C)   |
|                                                                                    |
|   2. ĐIỆN - NHIỆT:    Điện áp (2.5V)  ---> Mạng dẫn điện EG sinh nhiệt Joule (P)   |
|                                       ---> Năng lượng nhiệt lưu trữ dạng Latent Heat|
|                                                                                    |
+------------------------------------------------------------------------------------+

Thiết bị và Hóa chất nghiên cứu

  • Hóa chất: Pentaerythritol ($C_5H_{12}O_4$, độ tinh khiết phân tích), Expanded Graphite (cấu trúc giãn nở xử lý nhiệt $800 - 900\text{ }^\circ\text{C}$), Dung môi Methanol ($CH_3OH$).
  • Thiết bị phân tích:
    • Máy phân tích nhiệt lượng quét vi sai: NETZSCH DSC 214 Polyma (dải đo $150 - 210\text{ }^\circ\text{C}$, tốc độ gia nhiệt $5\text{ }^\circ\text{C/min}$, môi trường $N_2$ $20\text{ mL/min}$).
    • Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier: JASCO FT-IR-4600 ($4000 - 400\text{ cm}^{-1}$).
    • Nhiễu xạ tia X: PANalytical EMPYREAN XRD (Cực phát $CuK\alpha_1$, bước sóng $\lambda = 1.540598\text{ \AA}$, $45\text{ kV}$, $40\text{ mA}$, góc quét $2\theta: 5^\circ - 80^\circ$).
    • Kính hiển vi điện tử quét: HITACHI S-4800 FE-SEM.
    • Quang phổ hấp thụ UV-Vis-NIR: HITACHI UH-5300 ($400 - 1000\text{ nm}$).
    • Bộ nguồn DC lập trình: WANPTEK NPS3010W ($30\text{ V} - 10\text{ A}$).

Methodology

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                           QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU & R&D                               |
+------------------------------------------------------------------------------------+
|  [Giai đoạn 1] Tính toán Phối liệu & Hòa tan PE trong Methanol tại 70°C            |
|       │                                                                            |
|       ▼                                                                            |
|  [Giai đoạn 2] Ngâm tẩm EG vào dung dịch PE (Khuấy cơ học 1h, T phòng)             |
|       │                                                                            |
|       ▼                                                                            |
|  [Giai đoạn 3] Bay hơi dung môi tại 125°C & Sấy chân không 70°C trong 24h          |
|       │                                                                            |
|       ▼                                                                            |
|  [Giai đoạn 4] Ép viên định hình thủy lực 15 MPa (m = 1.09 g, d = 1.6 cm)          |
|       │                                                                            |
|       ▼                                                                            |
|  [Giai đoạn 5] Khảo sát Đa tính chất (DSC, XRD, SEM, FT-IR, TGA, UV-Vis, Joule)   |
+------------------------------------------------------------------------------------+

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình chế tạo composite diễn ra theo quy trình 5 bước nghiêm ngặt:

  1. Hòa tan đơn pha: Cân định lượng PE, hòa tan hoàn toàn vào dung môi Methanol ở nhiệt độ kiểm soát $70\text{ }^\circ\text{C}$ trên máy khuấy từ gia nhiệt IKA C-MAG HS7.
  2. Ngâm tẩm mao dẫn: Phối trộn hạt EG với tỷ lệ khối lượng xác định (ứng với các mẫu 80, 85, 90, và 95 wt% PE). Khuấy không gia nhiệt trong 60 phút để dung dịch PE len lỏi hoàn toàn vào các khoang xốp của EG.
  3. Thu hồi dung môi: Tăng nhiệt độ lên $125\text{ }^\circ\text{C}$ trong 60 phút để làm bay hơi phần lớn Methanol.
  4. Sấy hoàn thiện: Loại bỏ triệt để dung môi dư bên trong tủ sấy đối lưu MEMMERT UF110 ở $70\text{ }^\circ\text{C}$ trong vòng 24 giờ.
  5. Tạo hình: Nén mẫu dạng bột thành dạng khối rắn hình trụ bằng khuôn nén cơ học ở áp suất $15\text{ MPa}$ ($m = 1.09\text{ g}$, đường kính $1.6\text{ cm}$).
# Thuật toán mô phỏng cân bằng nhiệt và tính toán hiệu suất lưu trữ nhiệt
class ThermalStorageEvaluator:
    def __init__(self, mass_g: float, latent_heat_j_g: float, cp_solid: float):
        self.mass = mass_g  # Khối lượng mẫu (g)
        self.latent_heat = latent_heat_j_g  # Nhiệt ẩn chuyển pha (J/g)
        self.cp = cp_solid  # Nhiệt dung riêng (J/g.K)

    def calculate_stored_energy(self, t_initial: float, t_final: float) -> float:
        """Tính toán tổng năng lượng nhiệt tích lũy (Joule) gồm nhiệt hiện và nhiệt ẩn"""
        sensible_heat = self.mass * self.cp * (t_final - t_initial)
        total_energy = sensible_heat + (self.mass * self.latent_heat)
        return total_energy

    def electro_thermal_efficiency(self, v_volt: float, i_amp: float, time_sec: float, t_start: float, t_end: float) -> float:
        """Đánh giá hiệu suất chuyển đổi điện - nhiệt Joule"""
        energy_input_joule = v_volt * i_amp * time_sec
        energy_stored_joule = self.calculate_stored_energy(t_start, t_end)
        efficiency = (energy_stored_joule / energy_input_joule) * 100.0
        return min(efficiency, 100.0)

# Khởi tạo thông số thực nghiệm mẫu 90 wt% PE/EG CPCM
pe_eg_90 = ThermalStorageEvaluator(mass_g=1.09, latent_heat_j_g=204.5, cp_solid=1.85)
total_stored = pe_eg_90.calculate_stored_energy(t_initial=33.0, t_final=197.0)
print(f"Tong nang luong tich luy: {total_stored:.2f} J")

Testing và validation

Phân tích hình thái và tương thích hóa học

  • Ảnh quét FE-SEM: Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét cho thấy EG sở hữu cấu trúc dạng sâu nhiều lớp phân tầng xốp. Khi phối trộn, PE phủ kín và phân bố đồng đều vào các hốc xốp của EG. Ở nồng độ 90 wt% PE, cấu trúc composite đạt độ đồng nhất tối ưu, không có hiện tượng vón cục bề mặt.
  • Phổ FT-IR: Phổ hồng ngoại của mẫu composite xuất hiện đầy đủ các đỉnh dao động đặc trưng của PE tinh khiết: liên kết $-OH$ tự do tại vùng $3300 - 3400\text{ cm}^{-1}$, dao động kéo giãn $-CH_2-$ tại $2950\text{ cm}^{-1}$, dao động liên kết $C-O$ tại $1010\text{ cm}^{-1}$. Không xuất hiện đỉnh dao động mới, chứng minh tương tác giữa PE và EG hoàn toàn là tương tác vật lý mao dẫn, không xảy ra phản ứng hóa học tiêu cực làm biến tính vật liệu.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Cả PE tinh khiết và PE/EG CPCM đều hiển thị các đỉnh nhiễu xạ sắc nhọn đặc trưng cho cấu trúc tứ diện tâm khối (BCT) ở nhiệt độ phòng. Sự hiện diện của đỉnh $(002)$ từ mạng EG tại góc $2\theta \approx 26.5^\circ$ khẳng định cấu trúc tinh thể của PE không bị phá hủy trong quá trình dung môi hóa và ngâm tẩm.
                    +---------------------------------------------+
                    |        PHÂN TÍCH NHIỆT DSC MẪU 90 WT%       |
                    +---------------------------------------------+
                    |  Gia nhiệt: Đỉnh chuyển pha BCT -> FCC      |
                    |             T_peak = 185.4 °C               |
                    |             ΔH_m   = 204.5 J/g              |
                    |                                             |
                    |  Làm nguội: Đỉnh kết tinh FCC -> BCT        |
                    |             T_crys = 181.8 °C               |
                    |             ΔT_sc  = 3.6 °C (< 4 °C)        |
                    +---------------------------------------------+

Kết quả đạt được

Mẫu vật liệu Hàm lượng PE (wt%) Nhiệt độ chuyển pha gia nhiệt $T_m\text{ }(^\circ\text{C})$ Nhiệt độ kết tinh làm nguội $T_c\text{ }(^\circ\text{C})$ Nhiệt ẩn lưu trữ $\Delta H_m\text{ (J/g)}$ Độ quá lạnh $\Delta T_{sc}\text{ }(^\circ\text{C})$ Hiệu suất giải phóng năng lượng ($%$)
PE tinh khiết 100 187.2 176.1 264.0 11.1 89.2
80 wt% PE/EG 80 184.8 181.5 171.3 3.3 96.8
85 wt% PE/EG 85 185.1 181.4 184.9 3.7 97.1
90 wt% PE/EG 90 185.4 181.8 204.5 3.6 97.7
95 wt% PE/EG 95 186.0 181.2 221.8 4.8 95.4

Đánh giá độ bền chu kỳ nhiệt (Thermal Reliability)

Sau 100 chu kỳ nạp/xả nhiệt liên tục (sốc nhiệt từ $200\text{ }^\circ\text{C}$ gia nhiệt 3 phút xuống $0\text{ }^\circ\text{C}$ trong chậu nước đá 1 phút):

  • Enthalpy chuyển pha của mẫu 90 wt% PE/EG chỉ suy giảm nhẹ $1.8%$ (từ $204.5\text{ J/g}$ xuống $200.8\text{ J/g}$).
  • Nhiệt độ chuyển pha $T_m$ duy trì ổn định tại $185.2\text{ }^\circ\text{C}$.
  • Phổ FTIR và XRD sau 100 chu kỳ khẳng định khung liên kết phân tử và pha tinh thể không bị suy thoái nhiệt.

Đổi mới và đóng góp

Các cải tiến kỹ thuật đột phá

  1. Khắc phục triệt để hiện tượng siêu lạnh: Nhờ diện tích bề mặt riêng lớn và các điểm gồ ghề của EG đóng vai trò trung tâm tạo mầm dị thể, độ quá lạnh $\Delta T_{sc}$ của PE giảm ngoạn mục từ $11.1\text{ }^\circ\text{C}$ xuống $3.6\text{ }^\circ\text{C}$ (cải thiện hơn $67.5%$).
  2. Hiệu suất chuyển đổi quang - nhiệt vượt bậc: Đạt 87.1% dưới cường độ bức xạ $3000\text{ W/m}^2$. Độ đen quang học của carbon giúp composite hấp thụ phổ rộng toàn dải Vis-NIR ($400 - 1000\text{ nm}$).
  3. Kích hoạt nhiệt Joule ở điện áp cực thấp: Mẫu 90 wt% PE/EG đạt nhiệt độ chuyển pha từ $33\text{ }^\circ\text{C}$ lên $197\text{ }^\circ\text{C}$ chỉ trong 600 giây dưới điện áp một chiều chỉ $2.5\text{ V}$.
+------------------------------------------------------------------------------------+
|               SO SÁNH CÔNG NGHỆ VỚI CÁC CÔNG BỐ QUỐC TẾ TIÊN TIẾN                  |
+------------------------------------------------------------------------------------+
|  1. Nghiên cứu này (2024): PE / Expanded Graphite (90 wt% PE)                      |
|     --> Tm = 185.4 °C | Enthalpy = 204.5 J/g | ΔTsc = 3.6 °C | Chuyển đổi Quang/Điện|
|                                                                                    |
|  2. Zhaofeng Dai et al. (2023): TRIS / Expanded Graphite (80 wt% TRIS)             |
|     --> Tm = 132.0 °C | Enthalpy = 213.5 J/g | Cần 20 wt% EG | Không có dữ liệu Joule|
|                                                                                    |
|  3. Rongrong Luo et al. (2022): PE / Graphene Nanoplatelets (GNPs) (85 wt% PE)     |
|     --> Tm = 186.2 °C | Enthalpy = 190.9 J/g | Chi phí GNP đắt | ΔTsc còn cao      |
+------------------------------------------------------------------------------------+

Ứng dụng thực tế và triển khai

                     +---------------------------------------+
                     |       CÁC KỊCH BẢN ỨNG DỤNG THỰC TẾ   |
                     +---------------------------------------+
                                         |
     +-----------------------------------+-----------------------------------+
     |                                   |                                   |
     v                                   v                                   v
+------------------------+  +------------------------+  +------------------------+
| 1. Bếp năng lượng mặt  |  | 2. Thu hồi nhiệt thải  |  | 3. Quản lý nhiệt pin & |
|    trời nhiệt độ cao   |  |    công nghiệp         |  |    thiết bị điện tử    |
| - Hấp thụ quang nhiệt  |  | - Lắp đặt tại ống xả   |  | - Kích hoạt nhiệt Joule|
|   đạt 190°C            |  |   khí nhiệt 150-200°C  |   sưởi ấm pin mùa đông |
| - Nấu ăn ban đêm nhờ   |  | - Cắt giảm 25-30% tiêu |  | - Hấp thụ nhiệt đỉnh   |
|   nhiệt ẩn 204.5 J/g   |    thụ nhiên liệu lò sấy  |    chống cháy nổ pin EV   |
+------------------------+  +------------------------+  +------------------------+

Kịch bản triển khai công nghiệp

  • Hệ thống nhiệt mặt trời thu nhiệt hội tụ (CSP/Solar Cookers): Tấm hấp thụ nhiệt phủ lớp nén PE/EG CPCM cho phép tích trữ trực tiếp nhiệt lượng ban ngày ở mức $185\text{ }^\circ\text{C}$ và cung cấp nhiệt ổn định để nấu nướng hoặc gia nhiệt nước nóng vào ban đêm.
  • Thu hồi nhiệt thải công nghiệp (Industrial Waste Heat Recovery): Tích hợp vào hệ thống trao đổi nhiệt của các xưởng sản xuất gốm sứ, dệt nhuộm và sản xuất giấy nhằm hấp thụ nhiệt khí thải ($150 - 220\text{ }^\circ\text{C}$), giúp tái cấp nhiệt cho chu trình sấy, giảm thiểu phát thải $CO_2$.
  • Quản trị nhiệt điện tử và xe điện (EV Battery Thermal Management): Khả năng dẫn điện sinh nhiệt Joule giúp sấy ấm khối pin xe điện trong môi trường băng tuyết tại điện áp kích hoạt an toàn ($2.0 - 2.5\text{ V}$), sau đó hoạt động như bộ đệm hấp thụ nhiệt đỉnh chống quá nhiệt pin.

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí nguyên liệu: PE và EG là các hóa chất thương mại quy mô lớn với giá thành thấp (PE khoảng $1.5 - 2.0\text{ USD/kg}$, EG khoảng $3.0 - 4.5\text{ USD/kg}$), rẻ hơn từ $10 - 20$ lần so với việc sử dụng hạt nano kim loại (Cu, Ag) hoặc Graphene đa lớp (GNPs).
  • Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Ước tính từ 1.8 đến 2.4 năm khi ứng dụng vào hệ thống thu hồi nhiệt thải cục bộ công suất $50\text{ kWth}$.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Độ bền cơ học suy giảm khi chịu lực cắt uốn mạnh do tính chất xốp mềm tự nhiên của Expanded Graphite.
  • Thử nghiệm chu kỳ nhiệt mới đạt mốc $100$ chu kỳ ở quy mô phòng thí nghiệm ($1\text{ g} - 10\text{ g}$), cần kiểm chứng quy mô pilot ($1\text{ kg} - 5\text{ kg}$) qua $> 500$ chu kỳ.

Hướng phát triển tiếp theo

  1. Bổ sung mạng lưới liên kết polymer dạng lưới chéo (cross-linked network) để gia cường độ bền uốn của khối CPCM nén.
  2. Tích hợp thử nghiệm trực tiếp trên dàn ống thu nhiệt năng lượng mặt trời dạng máng parabol (Parabolic Trough Collector).
  3. Phát triển mô hình dự đoán truyền nhiệt 3D đa vật lý (Multiphysics Heat Transfer Simulation) trên phần mềm ANSYS/COMSOL.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên cao học: Cung cấp quy trình thực nghiệm chuẩn mực về tổng hợp composite chuyển pha rắn - rắn và phương pháp phân tích nhiệt hiện đại (DSC, XRD, SEM, FT-IR).
  • Kỹ sư R&D Năng lượng: Nắm bắt công thức phối trộn tối ưu (90 wt% PE / 10 wt% EG) để ứng dụng trực tiếp vào các mô-đun trao đổi nhiệt.
  • Doanh nghiệp sản xuất thiết bị nhiệt: Sở hữu giải pháp vật liệu lưu trữ nhiệt không rò rỉ, chi phí rẻ, giảm $100%$ chi phí bảo trì đóng gói so với vật liệu lỏng.
  • Nhà nghiên cứu khoa học vật liệu: Nền tảng dữ liệu thực nghiệm về cơ chế giảm độ quá lạnh nhờ vật liệu carbon mao quản xốp.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để gia công định hình vật liệu PE/EG CPCM là gì?

Vật liệu sau khi sấy khô hoàn toàn dung môi Methanol cần được nén định hình nguội ở áp suất đẳng tĩnh tối thiểu $15\text{ MPa}$. Mức nén này đảm bảo mạng lưới carbon EG đan xen chặt chẽ tạo đường dẫn truyền nhiệt và dẫn điện liên tục mà không làm biến dạng mạng tinh thể của PE.

2. Tại sao vật liệu chuyển pha rắn - rắn PE/EG không gặp hiện tượng rò rỉ như sáp Paraffin?

Pentaerythritol trải qua quá trình chuyển pha thù hình giữa hai trạng thái rắn: từ cấu trúc tứ diện tâm khối (BCT) sang cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) ở $\sim 185\text{ }^\circ\text{C}$. Trong suốt quá trình hấp thụ và lưu trữ nhiệt, vật liệu không bao giờ chuyển sang thể lỏng tự do, triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ rò rỉ.

3. Làm thế nào để tích hợp khối vật liệu này vào hệ thống trao đổi nhiệt sẵn có?

Các viên nén PE/EG CPCM có thể được xếp chèn trực tiếp vào các khoang chứa dạng ống chùm hoặc dạng tấm phẳng của bộ trao đổi nhiệt mà không cần bổ sung lớp màng ngăn chất lỏng phức tạp, chỉ cần lớp đệm dẫn nhiệt graphite tiếp xúc với thành kim loại.

4. Chi phí bảo trì hệ thống sử dụng PE/EG CPCM trong 5 năm là bao nhiêu?

Nhờ tính trơ hóa học, không bị ăn mòn kim loại và độ suy giảm nhiệt dưới $2%$ sau chu kỳ nhiệt lặp lại, chi phí bảo dưỡng định kỳ gần như bằng không ($0\text{ VND}$ chi phí thay thế môi chất trong vòng đời thiết kế 5 năm).

5. Khả năng chuyển đổi điện - nhiệt ở điện áp $2.5\text{ V}$ có nguy cơ gây chập cháy không?

Mức điện áp $2.0 - 2.5\text{ V}$ là ngưỡng điện áp cực thấp an toàn tuyệt đối (Safety Extra-Low Voltage - SELV), không gây nguy cơ phóng điện hồ quang hay giật điện, hoàn toàn phù hợp để cấp nguồn từ pin mặt trời hoặc bộ biến dòng hạ áp.

Kết luận

Đồ án đã nghiên cứu và phát triển thành công vật liệu chuyển pha rắn - rắn hỗn hợp Pentaerythritol/Expanded Graphite (PE/EG CPCM) tại dải nhiệt độ tầm trung $\sim 185\text{ }^\circ\text{C}$. Với tỷ lệ tối ưu 90 wt% PE, vật liệu đạt dung lượng lưu trữ nhiệt ẩn ấn tượng $204.5\text{ J/g}$, hiệu suất giải phóng nhiệt đạt $97.7%$, độ quá lạnh được khống chế dưới $4\text{ }^\circ\text{C}$, cùng khả năng chuyển đổi quang - nhiệt đạt $87.1%$ và chuyển đổi điện - nhiệt nhanh chóng tại điện áp thấp $2.5\text{ V}$. Đây là bước tiến quan trọng mở ra tiềm năng thương mại hóa các hệ thống tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời và thu hồi nhiệt công nghiệp hiệu suất cao, an toàn và bền vững.