Khóa Luận Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Vật Liệu Lưu Trữ Nhiệt Năng Pentaerythritol/Expanded Graphite

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật hóa học lưu trữ nhiệt năng theo cơ chế chuyển pha rắn rắn vật liệu, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Nguyễn Thanh Vy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tiến Giang
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Lưu Trữ Nhiệt Năng Theo Cơ Chế Chuyển Pha Rắn-Rắn: Vật Liệu Pentaerythritol/Expanded Graphite Mới Với Đa Khả Năng Chuyển Đổi Năng Lượng Tại Nhiệt Độ Tầm Trung
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2. Lưu trữ năng lượng nhiệt (TES)
• 1.2.1. So sánh các hệ thống TES
• 1.3. Vật liệu chuyển pha (Phase change material – PCM)
• 1.3.1. Định nghĩa PCM
• 1.3.2. Các tiêu chí để lựa chọn PCM
• 1.3.3. Phân loại PCM
• 1.4. Kỹ thuật chuyển đổi các nguồn năng lượng khác nhau thành nhiệt năng
• 1.5. Vật liệu xốp
• 1.6. Vật liệu chuyển pha hỗn hợp CPCM
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và thiết bị nghiên cứu
• 2.2. Quy trình thực nghiệm
• 2.2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu chuyển pha hỗn hợp PE/EG
• 2.2.2. Quy trình kiểm tra độ tin cậy nhiệt của mẫu 90 wt% PE/EG CPCM
• 2.2.3. Quy trình kiểm tra khả năng chuyển đổi năng lượng quang – nhiệt của vật liệu
• 2.2.4. Quy trình kiểm tra khả năng chuyển đổi năng lượng điện – nhiệt của vật liệu
• 2.3. Các phương pháp phân tích đánh giá
• 2.3.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.2. Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
• 2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.4. Phương pháp phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC)
• 2.3.5. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
• 2.3.6. Phương pháp đo quang phổ hấp thụ (UV-VIS)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Phân tích hình thái bề mặt của vật liệu PE/EG CPCM
• 3.2. Khả năng tương thích hóa học của vật liệu PE/EG CPCM
• 3.3. Đặc tính tinh thể của vật liệu PE/EG CPCM
• 3.4. Đặc tính nhiệt của vật liệu PE/EG CPCM
• 3.5. Độ bền nhiệt của vật liệu PE/EG CPCM
• 3.6. Độ bền vòng lặp của vật liệu PE/EG CPCM
• 3.7. Khả năng chuyển đổi năng lượng quang – nhiệt của vật liệu PE/EG CPCM
• 3.7.1. Khả năng hấp thụ Vis-NIR
• 3.7.2. Khả năng chuyển đổi quang – nhiệt của vật liệu
• 3.8. Khả năng chuyển đổi năng lượng điện – nhiệt của vật liệu PE/EG CPCM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Vật Liệu Lưu Trữ Nhiệt Năng Pentaerythritol Expanded Graphite

Nghiên cứu về vật liệu lưu trữ nhiệt năng đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Vật liệu Pentaerythritol (PE) kết hợp với Expanded Graphite (EG) đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất lưu trữ nhiệt. Việc sử dụng vật liệu chuyển pha rắn – rắn giúp khắc phục những nhược điểm của các vật liệu chuyển pha rắn – lỏng, như rò rỉ và độ ổn định thấp.

1.1. Tình hình nghiên cứu vật liệu lưu trữ nhiệt năng hiện nay

Nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc phát triển các vật liệu chuyển pha rắn – lỏng. Tuy nhiên, các vật liệu rắn – rắn như PE/EG đang nhận được sự quan tâm lớn do tính ổn định và hiệu suất cao hơn.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng Pentaerythritol và Expanded Graphite

Pentaerythritol có khả năng lưu trữ nhiệt cao, trong khi Expanded Graphite cung cấp độ dẫn nhiệt tốt. Sự kết hợp này tạo ra vật liệu có khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Vật Liệu Lưu Trữ Nhiệt Năng

Mặc dù vật liệu PE/EG có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phát triển và ứng dụng chúng. Độ dẫn nhiệt thấp của PE là một trong những vấn đề chính cần được giải quyết để nâng cao hiệu suất lưu trữ nhiệt.

2.1. Nhược điểm của vật liệu chuyển pha rắn lỏng

Vật liệu chuyển pha rắn – lỏng thường gặp phải vấn đề rò rỉ và mất ổn định hình dạng, điều này làm giảm hiệu suất lưu trữ nhiệt trong các ứng dụng thực tế.

2.2. Thách thức trong việc cải thiện độ dẫn nhiệt của PE

Để nâng cao hiệu suất, cần tìm ra các phương pháp hiệu quả để cải thiện độ dẫn nhiệt của PE, như việc kết hợp với các vật liệu xốp như EG.

III. Phương pháp Nghiên Cứu Vật Liệu PE EG CPCM Hiệu Quả

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp ngâm tẩm và bay hơi dung môi để tổng hợp vật liệu PE/EG CPCM. Các phương pháp phân tích hiện đại được áp dụng để đánh giá các thuộc tính của vật liệu.

3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu PE EG

Quy trình tổng hợp bao gồm việc ngâm tẩm PE vào EG để tạo ra vật liệu chuyển pha hỗn hợp với độ dẫn nhiệt cao hơn.

3.2. Phân tích các thuộc tính của vật liệu PE EG

Các thuộc tính như hình thái học, cấu trúc và khả năng lưu trữ nhiệt được đánh giá bằng các phương pháp như SEM, FTIR và DSC.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu Vật Liệu PE EG

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu PE/EG CPCM có khả năng lưu trữ nhiệt năng cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như năng lượng tái tạo và công nghiệp.

4.1. Khả năng lưu trữ nhiệt năng của vật liệu PE EG

Vật liệu PE/EG CPCM cho thấy dung lượng lưu trữ nhiệt năng lên tới 204.5 J/g, cao hơn nhiều so với các loại vật liệu khác.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo

Vật liệu này có thể được ứng dụng trong các hệ thống thu hồi nhiệt thải và nhà máy phát điện mặt trời, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu Vật Liệu Lưu Trữ Nhiệt Năng

Nghiên cứu về vật liệu PE/EG CPCM đã chỉ ra tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất lưu trữ nhiệt năng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn trong lĩnh vực năng lượng.

5.1. Tương lai của vật liệu PE EG trong lưu trữ năng lượng

Vật liệu PE/EG có thể trở thành giải pháp tối ưu cho các hệ thống lưu trữ năng lượng trong tương lai, nhờ vào tính ổn định và hiệu suất cao.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ dẫn nhiệt và khả năng chuyển đổi năng lượng của vật liệu, mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu không ngừng gia tăng do sự bùng nổ dân số và tiến trình công nghiệp hóa, đặt ra thách thức lớn trong việc cân bằng giữa cung và cầu năng lượng. Trong bối cảnh đó, công nghệ lưu trữ năng lượng nhiệt (Thermal Energy Storage – TES) được xem là giải pháp then chốt nhằm nâng cao hiệu quả thu hồi nhiệt thải và ổn định các nguồn năng lượng tái tạo gián đoạn như năng lượng mặt trời, gió và nước. Lưu trữ nhiệt thông qua vật liệu chuyển pha (Phase Change Material – PCM) theo cơ chế nhiệt tiềm ẩn (Latent Heat Storage – LHS) cho phép tích trữ và giải phóng mật độ nhiệt lượng lớn trong phạm vi biến thiên nhiệt độ hẹp.

Khoảng nhiệt độ chuyển pha tầm trung (80 – 250 °C) giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong cả dân dụng và công nghiệp, bao gồm các ứng dụng đun nước nóng, nấu ăn, tiệt trùng y tế bằng hơi nước, sấy nông sản và thu hồi nhiệt công nghiệp. Mặc dù các vật liệu chuyển pha rắn – lỏng ở dải nhiệt độ này đã được ứng dụng phổ biến, chúng tồn tại nhiều nhược điểm nghiêm trọng như nguy cơ rò rỉ khi nóng chảy, mất ổn định hình dạng, suy giảm độ bền do ăn mòn thiết bị và co ngót thể tích sau nhiều chu kỳ hoạt động. Ngược lại, vật liệu chuyển pha rắn – rắn có khả năng khắc phục triệt để sự cố rò rỉ, duy trì tính ổn định cấu trúc hình học và giảm thiểu hiện tượng phân tách pha. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của phần lớn PCM rắn – rắn, đặc biệt là Pentaerythritol (PE), là độ dẫn nhiệt nội tại rất thấp (khoảng 0,7 W/(m·K)), độ dẫn điện kém và độ siêu lạnh cao (~11 – 14 °C), làm chậm tốc độ sạc – xả nhiệt và hạn chế hiệu quả chuyển đổi năng lượng trực tiếp.

Để giải quyết các hạn chế trên, đề tài tập trung nghiên cứu kết hợp PCM rắn – rắn Pentaerythritol với chất nền dẫn truyền carbon xốp là Expanded Graphite (EG) nhằm tạo ra vật liệu chuyển pha hỗn hợp (Composite Phase Change Material – CPCM).

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể:

1. Tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha hỗn hợp PE/EG CPCM với các tỷ lệ khối lượng PE khác nhau (80 wt%, 85 wt%, 90 wt% và 95 wt%) bằng phương pháp ngâm tẩm và bay hơi dung môi.
2. Đánh giá toàn diện ảnh hưởng của chất nền xốp EG đến hình thái bề mặt, tương thích hóa học, cấu trúc tinh thể, hành vi chuyển pha, độ ổn định nhiệt và độ tin cậy sau chu kỳ nhiệt của vật liệu composite.
3. Khảo sát và đánh giá thực nghiệm đa khả năng chuyển đổi năng lượng của vật liệu PE/EG CPCM, bao gồm khả năng chuyển đổi quang – nhiệt dưới bức xạ mặt trời/đèn mô phỏng và khả năng chuyển đổi điện – nhiệt dưới tác động của điện trường thấp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Pentaerythritol (PE), Expanded Graphite (EG) và vật liệu chuyển pha hỗn hợp PE/EG CPCM.
• Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tập trung vào các đặc tính nhiệt học, độ ổn định chu kỳ nhiệt và hiệu năng chuyển đổi năng lượng quang – nhiệt, điện – nhiệt tại dải nhiệt độ tầm trung (quanh điểm chuyển pha ~185 °C).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết về hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (LHS) sử dụng vật liệu chuyển pha rắn – rắn kết hợp cấu trúc nền carbon dẫn nhiệt cao:

• Pentaerythritol (PE): Là một polyol hữu cơ có công thức phân tử $\text{C}5\text{H}{12}\text{O}_4$, nhiệt độ nóng chảy 255 – 259 °C. Ở nhiệt độ phòng, PE tồn tại ở cấu trúc tứ diện tâm khối (body-centered tetragonal – BCT) được liên kết chặt chẽ bởi mạng lưới liên kết hydro. Khi gia nhiệt đến nhiệt độ chuyển pha rắn – rắn (~187 °C), các liên kết hydro bị phá vỡ, các phân tử quay tự do chuyển sang cấu trúc lập phương tâm mặt (face-centered cubic – FCC) định hướng mất trật tự, hấp thụ lượng nhiệt ẩn lớn từ 260 – 280 kJ/kg mà không bị biến dạng chảy lỏng.
• Expanded Graphite (EG): Vật liệu carbon xốp cấu trúc lớp giãn nở thu được từ quá trình xử lý nhiệt sốc (800 – 900 °C trong 45 giây) graphite xen kẽ axit ($\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{HNO}_3$). EG sở hữu độ xốp vượt trội (> 99%), diện tích bề mặt riêng lớn, độ dẫn nhiệt cao (25 – 470 W/(m·K)), độ dẫn điện lớn ($10^6 - 10^8$ S/cm), trơ về mặt hóa học và có khả năng giam giữ, cố định các phân tử PCM thông qua lực mao dẫn và liên kết liên phân tử.
• Cơ chế chuyển đổi năng lượng: Khung carbon EG đóng vai trò chất hấp thụ quang phổ rộng (Vis-NIR) giúp chuyển bức xạ ánh sáng thành nhiệt năng truyền vào PE; đồng thời mạng lưới dẫn điện liên tục của EG cho phép sinh nhiệt Joule khi có dòng điện chạy qua, kích hoạt quá trình chuyển pha tích trữ nhiệt của PE.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và hệ thống thiết bị phân tích bao gồm:

• Phương pháp tổng hợp: Kỹ thuật ngâm tẩm và bay hơi dung môi (solvent impregnation and evaporation) sử dụng dung môi methanol.
• Hiển vi điện tử quét (SEM): Sử dụng thiết bị HITACHI S-4800 để kiểm tra hình thái bề mặt, cấu trúc lỗ xốp của EG và mức độ phân tán của PE trên nền EG.
• Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Thực hiện trên máy Jasco FT-IR-4600 trong dải số sóng 4000 – 400 $\text{cm}^{-1}$ nhằm xác định các nhóm chức đặc trưng và tương tác hóa học giữa PE và EG.
• Nhiễu xạ tia X (XRD): Đo trên thiết bị EMPYREAN sử dụng nguồn phát bức xạ $\text{CuK}\alpha_1$ ($\lambda = 1,540598 \text{ \AA}$), điện thế 45 kV, dòng điện 40 mA, quét góc $2\theta$ từ 5° đến 80° để đánh giá cấu trúc tinh thể.
• Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC): Sử dụng máy NETZSCH DSC 214 Polyma trong môi trường khí $\text{N}_2$ (20 mL/phút), tốc độ gia nhiệt 5 °C/phút trong khoảng nhiệt độ 150 – 210 °C nhằm xác định nhiệt độ chuyển pha, enthalpy lưu trữ và độ siêu lạnh.
• Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Khảo sát sự thay đổi khối lượng theo nhiệt độ để xác định độ bền nhiệt và ngưỡng phân hủy của vật liệu.
• Quang phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis): Đo trên máy HITACHI UH-5300 trong dải bước sóng 400 – 1000 nm để khảo sát khả năng hấp thụ quang học Vis-NIR.
• Thực nghiệm chuyển đổi quang – nhiệt và điện – nhiệt: Mẫu được ép viên ở áp lực 15 MPa (khối lượng 1,09 g, bề dày 1,6 cm). Quá trình quang – nhiệt được đo dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên và đèn halogen công suất cao (cường độ 2000 và 3000 $\text{W/m}^2$), ghi nhận nhiệt độ bằng nhiệt kế tiếp xúc Uni-T UT 320D. Quá trình điện – nhiệt được kích hoạt bởi bộ nguồn DC đa năng WANPTEK NPS3010W (30V–10A) ở các mức điện áp 2 V, 2,5 V và 4 V, ghi nhận nhiệt độ theo thời gian bằng camera nhiệt hồng ngoại UNI-T.
• Kiểm tra độ tin cậy nhiệt (Thermal reliability): Thực hiện chu kỳ nhiệt 100 lần đối với mẫu 90 wt% PE/EG CPCM bằng cách luân chuyển mẫu giữa bếp gia nhiệt 200 °C (3 phút) và cốc nước đá (1 phút).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về lưu trữ năng lượng nhiệt và tình hình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước:

• Phân loại và so sánh hệ thống TES: Phân tích ba cơ chế tích trữ nhiệt gồm nhiệt hiện (SHS), nhiệt tiềm ẩn (LHS) và nhiệt hóa học (TCES). LHS nổi bật nhờ mật độ lưu trữ năng lượng cao hơn SHS, thể tích lưu trữ nhỏ gọn và hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ hẹp, mặc dù độ dẫn nhiệt còn hạn chế so với kim loại.
• Vật liệu chuyển pha (PCM): Phân loại chi tiết PCM theo cơ chế chuyển pha (rắn – lỏng, rắn – rắn, rắn – khí) và theo khoảng nhiệt độ (thấp < 80 °C, trung bình 80 – 250 °C, cao > 250 °C). Phân tích chuyên sâu ưu thế vượt trội của PCM chuyển pha rắn – rắn trong việc triệt tiêu hiện tượng rò rỉ thể lỏng và ăn mòn thiết bị.
• Đặc tính của Pentaerythritol (PE): Cung cấp các thông số hóa lý cốt lõi của PE ($C_5H_{12}O_4$, nhiệt độ nóng chảy 255 – 259 °C, chuyển pha rắn – rắn tại ~187 °C, nhiệt ẩn 260 – 280 kJ/kg, độ dẫn nhiệt thấp ~0,7 W/(m·K), độ siêu lạnh cao ~11 – 14 °C).
• Vật liệu xốp và Expanded Graphite (EG): Tổng quan phân loại vật liệu xốp theo chuẩn IUPAC (micro, meso, macro) và cơ chế neo giữ PCM. Phân tích tính chất ưu việt của EG (độ xốp > 99%, độ dẫn nhiệt 25 – 470 W/(m·K), độ dẫn điện $10^6 - 10^8$ S/cm) trong việc cải thiện truyền nhiệt và hỗ trợ tạo mầm kết tinh.
• Tình hình nghiên cứu thực tế: Trích dẫn các công trình trong nước của Nguyễn Tiến Giang và cộng sự về vật liệu GA/EG (giữ 85 wt% GA, siêu lạnh < 5 °C, bền sau 300 chu kỳ) và AA/EG (độ dẫn nhiệt tăng 15,7 lần, bền sau 200 chu kỳ). Đồng thời điểm qua các nghiên cứu quốc tế như TRIS/EG của Dai và cộng sự (nhiệt độ chuyển pha 132 °C, độ dẫn nhiệt 21,34 W/(m·K)), PE/GNPs của Luo và cộng sự (tăng độ dẫn nhiệt 333,33%, bền sau 500 chu kỳ), Cu-PE của Mani và cộng sự, và PE/$\text{Al}_2\text{O}_3$ của Venkitaraj và cộng sự.

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc nguyên liệu, hệ thống thiết bị và các bước tiến hành thực nghiệm:

• Hóa chất và dụng cụ: Pentaerythritol (xuất xứ Trung Quốc), Expanded Graphite (Hàn Quốc), dung môi Methanol (Trung Quốc). Các thiết bị gồm cân phân tích Presisa LS 320A SCS, máy khuấy từ IKAC-MAG HS7, tủ sấy Memmert UF110, camera nhiệt UNI-T, nhiệt kế Uni-T UT 320D, đèn hồng ngoại TNE 250 W và nguồn DC Wanptek NPS3010W.
• Quy trình tổng hợp PE/EG CPCM:
  1. Hòa tan hoàn toàn lượng PE tính toán trước vào dung môi methanol trên máy khuấy từ gia nhiệt ở nhiệt độ ~70 °C.
  2. Bổ sung EG theo tỷ lệ xác định (tạo các mẫu 80 wt%, 85 wt%, 90 wt% và 95 wt% PE) và khuấy không gia nhiệt trong 1 giờ để EG ngấm đều dung dịch PE.
  3. Nâng nhiệt độ khuấy lên ~125 °C trong 1 giờ để làm bốc bay phần lớn dung môi methanol.
  4. Sấy mẫu trong tủ sấy chân không/đối lưu ở 70 °C liên tục trong 24 giờ nhằm loại bỏ hoàn toàn lượng dung môi dư thừa.
• Quy trình thử nghiệm chức năng:
  • Độ tin cậy chu kỳ nhiệt: Cân 1 g mẫu 90 wt% PE/EG CPCM, bọc kín trong giấy bạc, luân chuyển giữa bếp nhiệt 200 °C (3 phút) và cốc nước đá (1 phút), lặp lại đúng 100 chu kỳ.
  • Chuyển đổi quang – nhiệt: Ép viên mẫu ở áp lực 15 MPa ($m = 1,09 \text{ g}$), thử nghiệm dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên và nguồn đèn halogen công suất chiếu 2000 và 3000 $\text{W/m}^2$.
  • Chuyển đổi điện – nhiệt: Ép mẫu viên dày 1,6 cm ở lực 15 MPa, kẹp điện cực nguồn Wanptek ở điện thế 2 V và 2,5 V cho mẫu CPCM (so sánh với PE tinh khiết ở 4 V), theo dõi biến thiên nhiệt bằng camera hồng ngoại.
• Phương pháp phân tích công cụ: Thiết lập các thông số đo kiểm định lượng chuẩn mực cho SEM, FTIR, XRD, DSC, TGA và UV-Vis.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các phát hiện thực nghiệm và luận giải chi tiết:

• Hình thái học bề mặt (SEM): Ảnh SEM xác nhận EG nguyên bản có cấu trúc xốp dạng sâu ("worm-like") tạo bởi các phiến graphite xếp chồng lỏng lẻo. Đối với các mẫu PE/EG CPCM từ 80 wt% đến 95 wt%, các tinh thể PE bám dính và lấp đầy dần vào các khoảng rỗng của EG; khi hàm lượng PE tăng, mạng lỗ xốp của EG dần bị che phủ, chứng minh PE đã được ngâm tẩm phân tán đồng đều vào lòng cấu trúc xốp.
• Khả năng tương thích hóa học (FTIR): Phổ FTIR của các composite PE/EG thể hiện đầy đủ các pic dao động đặc trưng của PE tinh khiết và EG mà không làm xuất hiện bất kỳ pic hấp thụ lạ nào, khẳng định giữa PE và EG chỉ tồn tại tương tác vật lý liên phân tử, không xảy ra phản ứng hóa học phá hủy liên kết.
• Đặc tính tinh thể (XRD): Giản đồ XRD của PE/EG CPCM duy trì nguyên vẹn các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của tinh thể PE và mặt phẳng phản xạ của EG, cho thấy cấu trúc mạng tinh thể của PE không bị biến đổi tiêu cực khi phối trộn với EG.
• Hành vi chuyển pha nhiệt (DSC): Các mẫu composite PE/EG thể hiện nhiệt độ chuyển pha rắn – rắn ổn định tại khoảng ~185 °C. Khung xốp EG cung cấp diện tích bề mặt lớn đóng vai trò tâm mầm kết tinh dị thể hiệu quả, giúp giảm độ siêu lạnh của vật liệu xuống dưới 4 °C (so với mức 11 °C của PE tinh khiết). Dung lượng nhiệt lưu trữ đạt mức 204,5 J/g và hiệu suất giải phóng năng lượng đạt 97,7%.
• Độ bền nhiệt và độ tin cậy vòng lặp: Phân tích TGA khẳng định vật liệu duy trì độ bền nhiệt ổn định trong phạm vi nhiệt độ làm việc. Kết quả kiểm tra mẫu 90 wt% PE/EG CPCM sau 100 chu kỳ sạc – xả nhiệt liên tục cho thấy các đường cong DSC, phổ XRD và FTIR hầu như trùng khít với mẫu ban đầu, chứng minh độ ổn định nhiệt học và cấu trúc lâu dài.
• Hiệu năng chuyển đổi quang – nhiệt: Phổ hấp thụ Vis-NIR (400 – 1000 nm) ghi nhận độ hấp thụ ánh sáng của composite tăng vọt nhờ màu đen quang học đặc trưng của EG. Dưới cường độ chiếu sáng 3000 $\text{W/m}^2$, các mẫu 80 – 90 wt% PE/EG CPCM đạt hiệu suất chuyển đổi quang – nhiệt lên tới 87,1%.
• Hiệu năng chuyển đổi điện – nhiệt: Mẫu 90 wt% PE/EG CPCM thể hiện mạng dẫn điện liên tục vượt trội. Dưới điện thế thấp chỉ 2,5 V, mẫu tăng nhiệt độ nhanh chóng từ 33 °C lên 197 °C chỉ trong 600 giây (đạt ngưỡng chuyển pha tích trữ nhiệt), trong khi mẫu PE tinh khiết hoàn toàn không thể gia nhiệt ngay cả khi áp điện áp lên tới 4 V.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu chuyển pha rắn – rắn composite PE/EG sở hữu các thông số nhiệt học và khả năng chuyển đổi năng lượng vượt trội tại vùng nhiệt độ tầm trung. Dưới đây là bảng tổng hợp các chỉ số thực nghiệm tiêu biểu được trích xuất từ văn bản:

Đặc tính / Thông số đo	Pentaerythritol (PE) tinh khiết	Mẫu composite PE/EG (đại diện 90 wt%)
Trạng thái chuyển pha	Rắn – rắn	Rắn – rắn (ổn định hình thái)
Nguy cơ rò rỉ thể lỏng	Không rò rỉ	Hoàn toàn không rò rỉ
Nhiệt độ chuyển pha rắn – rắn	~187 °C	~185 °C
Mức độ siêu lạnh	~11 °C (đến ~14 °C)	Dưới 4 °C
Mật độ lưu trữ nhiệt ẩn	260 – 280 kJ/kg	~204,5 J/g
Hiệu suất giải phóng năng lượng	—	97,7 %
Hiệu suất chuyển đổi quang – nhiệt	Thấp (hấp thụ quang kém)	87,1 % (cường độ 3000 $\text{W/m}^2$)
Khả năng gia nhiệt điện – nhiệt	Không gia nhiệt ở 4 V	Tăng từ 33 lên 197 °C trong 600 s (ở 2,5 V)
Độ ổn định chu kỳ nhiệt	—	Bền vững sau 100 chu kỳ gia nhiệt 200 °C / làm lạnh

Đóng góp khoa học và thực tiễn của công trình:

• Khắc phục nhược điểm rò rỉ: Khai thác thành công cơ chế chuyển pha rắn – rắn của PE tại vùng nhiệt độ tầm trung (~185 °C), loại bỏ triệt để rủi ro rò rỉ chất lỏng, ăn mòn thiết bị và co ngót thể tích thường gặp ở các hệ PCM rắn – lỏng truyền thống.
• Ức chế hiện tượng siêu lạnh: Sử dụng cấu trúc xốp vi mô và diện tích bề mặt lớn của EG để thúc đẩy quá trình tạo mầm kết tinh, hạ mức độ siêu lạnh từ 11 °C xuống dưới 4 °C, giúp hệ thống giải phóng nhiệt kịp thời ở nhiệt độ mong muốn.
• Tích hợp đa khả năng chuyển đổi năng lượng: Tận dụng độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao của mạng lưới EG để tạo ra vật liệu composite vừa có hiệu suất chuyển đổi quang – nhiệt đạt 87,1%, vừa có khả năng chuyển đổi điện – nhiệt ở điện áp thấp (2,5 V), mở rộng phạm vi ứng dụng trong thu gom năng lượng mặt trời và quản lý nhiệt thiết bị.
• Giá thành thấp và quy trình chế tạo đơn giản: Sử dụng nguyên liệu thương mại sẵn có trên thị trường với chi phí hợp lý, quy trình ngâm tẩm và bay hơi dung môi dễ thực hiện, tạo tiền đề khả thi cho việc ứng dụng thực tế quy mô lớn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận đã thẳng thắn ghi nhận các hạn chế kỹ thuật trong quá trình thực hiện:

• Thử nghiệm độ bền chu kỳ nhiệt mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm với 100 chu kỳ sạc – xả thủ công bằng bếp gia nhiệt và cốc nước đá; chưa đánh giá độ bền dài hạn qua hàng trăm đến hàng nghìn chu kỳ tự động như các yêu cầu vận hành công nghiệp.
• Quá trình tổng hợp sử dụng dung môi hữu cơ methanol đòi hỏi thời gian sấy kéo dài (24 giờ ở 70 °C) và cần hệ thống kiểm soát bay hơi an toàn để tránh thất thoát ra môi trường.
• Các khảo sát chuyên sâu về chuyển đổi quang – nhiệt và điện – nhiệt chủ yếu tập trung vào các mẫu đại diện 80 – 90 wt% PE; các mức điện áp khảo sát còn giới hạn ở 2 V và 2,5 V.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất dựa trên văn bản:

• Thiết lập hệ thống đo chu kỳ nhiệt tự động hóa để kiểm tra độ tin cậy của vật liệu qua 500 – 1000 chu kỳ sạc – xả nhiệt.
• Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình bay hơi và thu hồi dung môi methanol nhằm rút ngắn thời gian sấy và nâng cao tính kinh tế của quy trình chế tạo.
• Tích hợp thử nghiệm vật liệu PE/EG CPCM vào các mô hình thiết bị thực tế như bộ thu nhiệt mặt trời hoặc hệ thống tản nhiệt/quản lý nhiệt điện tử.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo chuyên môn rõ nét cho các nhóm đối tượng sau:

• Sinh viên và học viên cao học: Chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Kỹ thuật Nhiệt và Năng lượng tái tạo có thể sử dụng đề tài làm tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp tổng hợp vật liệu chuyển pha composite, các kỹ thuật phân tích hóa lý hiện đại (SEM, FTIR, XRD, DSC, TGA, UV-Vis) và phương pháp đánh giá hiệu năng chuyển đổi năng lượng.
• Kỹ sư và nhà nghiên cứu công nghệ nhiệt: Các đơn vị nghiên cứu phát triển hệ thống lưu trữ nhiệt năng lượng mặt trời tầm trung, thiết bị thu hồi nhiệt thải công nghiệp hoặc hệ thống lưu trữ nhiệt bằng điện năng vào giờ thấp điểm có thể tham khảo trực tiếp tỷ lệ phối trộn (80 – 90 wt% PE/EG) và quy trình chế tạo vật liệu chuyển pha rắn – rắn không rò rỉ.
• Phần nội dung đáng tham khảo nhất: Quy trình thực nghiệm tại Chương 2 (các bước hòa tan, ngâm tẩm, thông số sấy và cách thức bố trí thí nghiệm đo điện – nhiệt, quang – nhiệt) cùng số liệu phân tích DSC và giản đồ chuyển đổi năng lượng tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn Pentaerythritol (PE) thay vì các vật liệu chuyển pha rắn – lỏng thông thường trong khoảng nhiệt độ tầm trung?
Phần lớn các PCM ở khoảng nhiệt độ tầm trung (80 – 250 °C) hoạt động theo cơ chế rắn – lỏng gặp phải nhược điểm nghiêm trọng là dễ rò rỉ khi nóng chảy, mất ổn định hình dạng và gây ăn mòn thiết bị. PE là một polyol hữu cơ có cơ chế chuyển pha rắn – rắn tại ~187 °C với enthalpy cao (260 – 280 kJ/kg), không bị rò rỉ hay phân tách pha sau nhiều chu kỳ chuyển đổi, thể tích thay đổi nhỏ và có giá thành hợp lý trên thị trường.

2. Việc bổ sung Expanded Graphite (EG) giải quyết được những nhược điểm cụ thể nào của PE tinh khiết?
PE tinh khiết có độ dẫn nhiệt thấp (~0,7 W/(m·K)), không dẫn điện và mức độ siêu lạnh cao (~11 – 14 °C). Khi phối trộn với EG (vật liệu xốp có độ dẫn nhiệt 25 – 470 W/(m·K) và dẫn điện cao), composite tạo thành được cải thiện truyền nhiệt, có khả năng dẫn điện để sinh nhiệt Joule, hấp thu mạnh bức xạ quang học Vis-NIR và giảm mức độ siêu lạnh xuống dưới 4 °C nhờ diện tích bề mặt lớn của EG hỗ trợ tạo mầm kết tinh.

3. Khả năng chuyển đổi điện – nhiệt của mẫu 90 wt% PE/EG CPCM đạt được kết quả cụ thể ra sao?
Dưới tác động của điện trường thấp với điện thế 2,5 V sinh ra dòng điện chạy qua mạng lưới EG, nhiệt Joule được tạo ra nhanh chóng làm tăng nhiệt độ của mẫu 90 wt% PE/EG CPCM từ 33 °C lên 197 °C chỉ trong vòng 600 giây, vượt qua nhiệt độ chuyển pha để tích trữ năng lượng. Ngược lại, mẫu PE tinh khiết không thể gia nhiệt ngay cả khi đặt dưới điện áp 4 V do tính cách điện hoàn toàn.

4. Quy trình tổng hợp vật liệu PE/EG CPCM gồm những bước cơ bản nào?
Quy trình tổng hợp gồm 5 bước: (1) Hòa tan PE vào dung môi methanol ở ~70 °C; (2) Cho EG vào khuấy không gia nhiệt trong 1 giờ để dung dịch ngấm vào các lỗ xốp; (3) Nâng nhiệt lên ~125 °C khuấy trong 1 giờ để bay hơi dung môi; (4) Chuyển mẫu vào tủ sấy ở 70 °C trong 24 giờ để loại bỏ hoàn toàn methanol; (5) Thu hồi vật liệu CPCM khô với các hàm lượng PE từ 80 – 95 wt%.

5. Độ tin cậy nhiệt của mẫu composite 90 wt% PE/EG được kiểm tra như thế nào và kết quả ra sao?
Mẫu được kiểm tra độ tin cậy qua 100 chu kỳ nhiệt luân chuyển giữa bếp nhiệt 200 °C (3 phút) và cốc nước đá (1 phút). Kết quả phân tích sau 100 chu kỳ cho thấy các đường cong quét nhiệt DSC, phổ nhiễu xạ XRD và phổ hồng ngoại FTIR của mẫu 90 wt% PE/EG CPCM hầu như không thay đổi so với mẫu ban đầu, khẳng định độ ổn định nhiệt học và cấu trúc tinh thể bền vững của vật liệu.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thanh Vy đã tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha hỗn hợp rắn – rắn PE/EG CPCM (80 – 95 wt% PE) bằng phương pháp ngâm tẩm và bay hơi dung môi đơn giản, hiệu quả. Việc kết hợp chất nền xốp dẫn nhiệt Expanded Graphite đã khắc phục triệt để nhược điểm dẫn nhiệt kém và hạ độ siêu lạnh của Pentaerythritol xuống dưới 4 °C, đồng thời duy trì mật độ lưu trữ nhiệt ấn tượng 204,5 J/g với hiệu suất giải phóng nhiệt đạt 97,7%. Đáng chú ý, vật liệu thể hiện đa khả năng chuyển đổi năng lượng vượt trội với hiệu suất quang – nhiệt đạt 87,1% và khả năng gia nhiệt điện – nhiệt nhanh chóng lên 197 °C ở điện áp thấp 2,5 V. Công trình cung cấp giải pháp vật liệu tích trữ nhiệt tầm trung ổn định, không rò rỉ và giàu tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống năng lượng mặt trời và thu hồi nhiệt công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện nay, trong nước vẫn chưa có bài báo nghiên cứu cụ thể nào về vật liệu chuyển pha rắn – rắn tại nhiệt độ tầm trung. Tuy nhiên, vẫn có những nghiên cứu về PCM rắn – lỏng tại nhiệt độ tầm trung này. Nguyễn Tiến Giang, giảng viên của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh cùng các cộng sự [8] đã nghiên cứu và tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (SSPCM) Glutaric acid (GA)/expanded graphite (EG) có hiệu năng lưu trữ năng lượng cao ở nhiệt độ chuyển pha tầm trung (GA thay đổi pha ~ 100 oC). Với độ xốp cao, EG có thể giữ ổn định tới 85 wt% GA mà không bị rò rỉ, đồng thời vẫn duy trì được độ kết tinh cao của PCM.

Các SSPCM thể hiện khả năng ức chế hiệu quả mức độ siêu lạnh của GA xuống dưới 5 oC, giúp vật liệu trở nên lý tưởng hơn cho các ứng dụng thực tế. Cuối cùng, 85 wt% GA/EG SSPCM còn thể hiện độ tin cậy và độ ổn định nhiệt sau 300 lần thử nghiệm chu kỳ nhiệt, cho thấy được tiềm năng của vật liệu SSPCM này cho các ứng dụng dài hạn trong lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ tầm trung. Nguyễn Tiến Giang cùng các cộng sự [12] đã phát triển thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng azelaic acid/expanded graphite (AA/EG). Kết quả cho thấy EG có khả năng giam giữ 85 wt% AA trong cấu trúc xốp mà không bị rò rỉ sau các quá trình chuyển pha.

AA tinh khiết có nhiệt độ chuyển pha nóng chảy ở 108 oC với mức độ siêu lạnh là 5. Trong khi 85 wt% AA/EG SSPCM có sự giảm nhẹ nhiệt độ nóng chảy (105.8 oC) nhưng lại thể hiện mức độ siêu lạnh tốt hơn (1.0 oC), cùng với khả năng lưu trữ nhiệt lượng cao (162.5 J/g) và độ bền nhiệt tốt sau 200 chu trình nhiệt. Việc bổ sung EG cũng đã giúp cho độ dẫn nhiệt của AA tăng lên 15.7 lần so với mẫu tinh khiết, điều này mang lại tiềm năng hơn cho vật liệu SSPCM trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt tại nhiệt độ tầm trung.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Năm 2023, Zhaofeng Dai cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu phát triển vật liệu chuyển pha rắn – rắn ứng dụng cho lưu trữ năng lượng mặt trời tại nhiệt độ tầm trung. Nghiên cứu đã sử dụng tris (hydroxymethyl) aminomethane (TRIS)/EG làm vật liệu CPCM.

Vật liệu tổng hợp được đã thể hiện nhiệt độ chuyển pha tầm trung (132 oC), khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt tuyệt vời (213.47 J/g) cùng với khả năng dẫn nhiệt lên tới 21.K) khi bổ sung thêm 20 wt% EG đã giúp cho tốc độ sạc và xả nhiệt lượng của vật liệu đạt hiệu quả cao hơn. Năm 2022, Rongrong Luo cùng các cộng sự [14] tập trung vào việc tổng hợp vật liệu chuyển pha rắn-rắn pentaerythritol với chất nền là graphene có khả năng chuyển đổi quang nhiệt và có độ dẫn nhiệt cao ứng dụng cho hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời. Kết quả cho thấy sự thêm nano – graphene vào PE đã làm tăng hệ số dẫn nhiệt của PE từ 1.K)) tương ứng với 5%, 10%, 15% và 20% GNPs. So với PE tinh khiết, độ dẫn nhiệt của 15 wt% GNPs-CPCMs đã tăng lên tới 333,33%.

Điều này cho thấy việc tăng cường độ dẫn nhiệt của PCMs bằng việc phân tán với các hạt nano có tính dẫn nhiệt cao là một cách hiệu quả để cải thiện khả năng dẫn nhiệt kém của PE. Ngoài ra, kết quả DSC chỉ ra rằng so với PE có enthalpy cao (264.02 J/g), 15 wt% GNPs-CPCMs vẫn duy trì được mật độ lưu trữ năng lượng là 73% (190.88 J/g) và vẫn thể hiện độ tin cậy nhiệt tốt sau 500 chu kỳ (156.72 J/g), điều này cho thấy tiềm năng lớn trong các ứng dụng về lưu trữ năng lượng nhiệt. Năm 2021, Mani và các cộng sự [15] đã nghiên cứu cải thiện khả năng dẫn nhiệt kém của PE bằng cách sử dụng hạt nano đồng như một chất phụ gia. Kết quả DSC cho thấy so với PE có enthalpy cao (290.3 kJ/kg), các vật liệu tổng hợp Cu-pentaerythritol vẫn duy trì được khả năng lưu trữ nhiệt lượng cao.

Hỗn hợp của 0.0625 wt% Cu-PE hầu như không có sự khác biệt enthalpy (290.0kJ/kg) so với PE. Ngoài ra, độ dẫn nhiệt của PE giảm 20% khi nhiệt độ được tăng 30 – 140 oC, trong khi 0.0625 wt% Cu-pentaerythritol giảm 15.4% trong khoảng nhiệt độ này. Kết quả này dẫn đến việc giảm 35,8% thời gian hoàn thành quá trình chuyển pha rắn-rắn và tăng tốc độ hấp thụ năng lượng nhiệt lên 35,6%. 2 Năm 2017, K P Venkitaraj cùng các cộng sự [16] nghiên cứu và tổng hợp CPCM PE/Al2O3 để kiểm tra ảnh hưởng của việc sử dụng hạt nano alumina như chất phụ gia lên độ ổn định nhiệt và hóa học của pentaerythritol.

Kết quả TGA cho thấy PE không còn giữ được độ ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao (>250 oC), tuy nhiên cùng thời điểm CPCM PE/Al2O3 đã thể hiện độ ổn định nhiệt với sự giảm trọng lượng rất ít trong cùng khoảng nhiệt độ. Bên cạnh đó, kết quả DSC cũng chỉ ra rằng việc bổ sung thêm nano Al2O3 đã làm giảm hiện tượng siêu lạnh ở PCM. Quan sát thấy quá trình làm lạnh giảm từ 24,3 oC đối với pentaerythritol tinh khiết xuống còn 18,8 oC đối với mẫu PCM ở 1% trọng lượng Al2O3.2 Lưu trữ năng lượng nhiệt (TES) Lưu trữ năng lượng nhiệt (Thermal energy storage – TES) mang lại cả lợi ích về môi trường và kinh tế bằng cách giảm nhu cầu đốt nhiên liệu dựa trên phương thức hoạt động của nó [17]. TES hoạt động bằng cách làm nóng phương tiện lưu trữ trong thời gian sạc và sau đó giải phóng lượng nhiệt hấp thụ được [18].

Hệ thống có thể lưu trữ năng lượng trong nhiều giờ, nhiều ngày và nhiều tháng, từ đó góp phần giải quyết được vấn đề xung đột giữa cung và cầu năng lượng [19]. Một số ứng dụng đã được phát triển rộng rãi của TES là hệ thống hấp thụ và lưu trữ năng lượng mặt trời, hệ thống làm mát bên trong các tòa nhà, hệ thống sưởi ấm không khí, …[17]. TES được phân thành ba loại chính (hình 1.1): lưu trữ nhiệt hiện, lưu trữ nhiệt tiềm ẩn và lưu trữ nhiệt hóa học [19].1: Phân loại TES [20] 1.1 Lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt hiện (Sensible heat storage – SHS) Hệ thống lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt hiện, năng lượng được lưu trữ thông qua sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu bằng cách gia nhiệt để làm nóng hay làm mát vật liệu [3]. Nhiệt lượng được lưu trữ bởi nhiệt cảm có thể được tính theo công thức sau [18]: T Q = ∫T 2 mCp dT 1 Trong đó: Q là mật độ nhiệt được lưu trữ (J) m là khối lượng của vật liệu (kg) Cp là nhiệt dung riêng (J/kg.

K) T1 và T2 là nhiệt độ bắt đầu và kết thúc của hệ thống SHS 4 Qua công thức trên có thể thấy trong quá trình sạc và xả, nhiệt dung riêng sẽ đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc lưu trữ nhiệt. Do sự đơn giản của phương pháp này nên SHS đã được sử dụng phổ biến trên toàn thế giới, đặc biệt là tại các vùng có khí hậu nóng hoặc lạnh. Vật liệu cho hệ thống lưu trữ nhiệt cảm này có thể hoạt động ở cả dạng rắn hoặc lỏng [21]. Trong các ứng dụng dưới 100°C, nước là chất lỏng SHS tốt nhất vì tính sẵn có rộng rãi, chi phí thấp và nhiệt dung riêng tương đối cao.

Trên 100°C, dầu tổng hợp, muối nóng chảy, kim loại lỏng có thể được sử dụng [18].2 Lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt tiềm ẩn (Latent heat storage – LHS) Trái ngược với lưu trữ nhiệt cảm, nhiệt tiềm ẩn không lưu trữ năng lượng bằng sự thay đổi nhiệt độ mà năng lượng sẽ được lưu trữ thông qua sự thay đổi pha của vật liệu tại ngưỡng nhiệt độ cụ thể hay nói cách khác lưu trữ nhiệt tiềm ẩn sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM) làm phương tiện lưu trữ [22]. Trong quá trình sạc và xả của hệ thống LHS, quá trình chuyển pha thuận nghịch có thể xảy ra ở pha rắn – rắn, rắn – khí, rắn – lỏng, lỏng – khí hoặc ngược lại [19]. Tại quá trình chuyển pha nóng chảy, PCM sẽ hấp thụ và lưu trữ nhiệt lượng, sau đó tại quá trình đóng rắn, PCM sẽ giải phóng ra lượng nhiệt này. Khi đó, độ dẫn nhiệt, enthalpy, nhiệt độ chuyển pha là những thông số quan trọng trong hệ thống lưu trữ nhiệt ẩn.

Bên cạnh đó, các vật liệu nhiệt tiềm ẩn thường có mật độ lưu trữ nhiệt cao hơn so với nhiệt hiện. Do đó, các vật liệu nhiệt tiềm ẩn thường cần ít không gian hơn để lưu trữ cùng một lượng năng lượng, đây là điều vô cùng quan trọng khi sử dụng TES với PCM cho các ngành công nghiệp đặc biệt là ở khu vực thành phố vì khi đó không gian sẽ là vấn đề được quan tâm hàng đầu [23].3 Lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt hóa (Thermochemical energy storage – TCES) Hình thức lưu trữ nhiệt này thông qua các phản ứng hóa học để lưu trữ và giải phóng lượng nhiệt. TCES sẽ trải qua ba quá trình để hoạt động: Trong quá trình sạc, năng lượng nhiệt được sử dụng để phân tách chất phản ứng hóa học thành sản phẩm. Các sản phẩm của phản ứng được lưu trữ.

Trong quá trình xả, các sản phẩm này được trộn lẫn với nhau và phản ứng tạo thành chất phản ứng ban đầu. Nhiệt lượng tỏa ra trong phản ứng sẽ được sử dụng làm nguồn năng lượng. Lưu trữ dựa trên các phản ứng hóa học có công suất nhiệt 5 cao hơn nhiều so với nhiệt cảm và nhiệt ẩn nhưng vẫn chưa có tính khả thi về mặt thương mại rộng rãi [1, 13].2 So sánh các hệ thống TES Thông quả bảng 1.1, cho thấy tổng quan về ba hệ thống này. Nhìn chung khả năng lưu trữ nhiệt của TCES cao hơn so với LHS và SHS, còn LHS cao hơn so với SHS vì LHS có quá trình chuyển pha với enthalpy cao của vật liệu.

Tuy vậy, so với SHS đã được thương mại hóa và có mặt khá phổ biến trên thị trường hay LHS cũng đã có sẵn trên thị trường với một số vật liệu và nhiệt độ thích hợp thì TCES vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và thử nghiệm các dự án. Bên cạnh đó, bởi vì có khoảng nhiệt độ hoạt động rộng nên LHS vẫn được ưu tiên phát triển hơn bởi tính ứng dụng cao của hệ thống có thể mang lại.