Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lưu chứa ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:151

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu "Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lưu chứa ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời" trình bày tổng quan về chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời; Đánh giá được khả năng ứng dụng chất lỏng nano chứa CNTs trong hấp thụ năng lượng mặt trời.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lưu chứa ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Trọng Tâm NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LƯU CHỨA ỐNG NANO CACBON TRONG HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Trọng Tâm NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LƯU CHỨA ỐNG NANO CACBON TRONG HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã sỗ: 9 44 01 23 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. Phan Ngọc Minh 2. TS. Bùi Hùng Thắng Hà Nội – 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lưu chứa ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời” là công trình của tôi. Tất cả các xuất bản được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất cứ luận án nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Trọng Tâm
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bảy tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới hai người thầy hướng dẫn là GS. TS Phan Ngọc Minh và TS. Bùi Hùng Thắng, những người thầy đã tận tâm hướng dẫn, định hướng cách tư duy, cách làm việc khoa học, hết lòng giúp đỡ, động viên trong suốt thời gian tác giả làm nghiên cứu, hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Chúc, TS. Phạm Văn Trình, ThS. Nguyễn Ngọc Anh, TS. Trần Văn Hậu, ThS. Mai Thị Phượng, KS. Lê Đình Quang, TS. Cao Thị Thanh, TS. Nguyễn Văn Tú, TS. Phan Ngọc Hồng, TS. Nguyễn Tuấn Hồng – những người đã luôn giúp đỡ, ủng hộ cũng như có những đóng góp kiến thức về chuyên môn giúp tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cùng các cán bộ trong Học viện, Viện Khoa học vật liệu đã quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Đại học Hàng hải Việt Nam, tập thể cán bộ Bộ môn Vật lý Khoa Cơ sở - Cơ bản đã tạo điều kiện giúp đỡ cho tôi làm luận án nghiên cứu sinh. Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm chân thành nhất tới những người thân trong gia đình: Cha, mẹ, anh, chị, em và những người bạn của tôi là: Trần Thị Hà, Nguyễn Việt Tuyên, Trần Mạnh Đạt, Lê Quý, … đã động viên, hỗ trợ tôi vượt qua những khó khăn. Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm sâu sắc và biết ơn tới vợ và con, bằng tình yêu thương, sự quan tâm và chia sẻ, đã cho tôi nghị lực thực hiện thành công luận án. Tác giả Nguyễn Trọng Tâm
i NỘI DUNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................ iv DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................v DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... vi MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG NANO TRONG HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..................................................................................................5 1.1. Giới thiệu chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời .......................5 1.2. Ứng dụng chất lỏng chứa hạt nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời ........8 1.2.1. Cơ chế nâng cao hệ số dẫn nhiệt và hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời ................................................................................................................8 1.2.1. Bộ thu nhiệt và máy nước nóng năng lượng mặt trời .............................9 1.2.2. Hệ lưu trữ năng lượng nhiệt .................................................................25 1.2.3. Pin mặt trời ...........................................................................................26 1.2.4. Hệ chưng cất năng lượng mặt trời .......................................................28 1.3. Những khả năng ứng dụng chất lỏng chứa hạt nano trong lĩnh vực năng lượng mặt trời trong tương lai ..........................................................................................30 1.3.1. Hệ thống quang nhiệt điện ....................................................................30 1.3.2. Pin nhiệt điện ........................................................................................31 1.3.3. Ao mặt trời ............................................................................................32 1.3.4. Các khả năng khác ................................................................................35 1.4. Những thách thức khi sử dụng chất lỏng nano ............................................35 1.5. Giới thiệu về chất lỏng chứa ống nano cacbon ...........................................36 1.5.1. Tính chất của vật liệu CNTs .................................................................36
ii 1.5.2. Tiềm năng ứng dụng của CNTs cho chất lỏng hấp thụ năng lượng mặt trời ..............................................................................................................38 1.5.3. Vai trò của việc biến tính CNTs ............................................................39 1.5.4. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp biến tính CNTs .............................40 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ...................................................................................................................................47 2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết..................................................................47 2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu ......................................................................47 2.2.1. Quy trình biến tính CNTs ......................................................................47 2.2.2. Quy trình chế tạo chất lỏng nano .........................................................49 2.3. Các phép đo thực nghiệm ............................................................................50 2.3.1. Các phép đo hình thái ...........................................................................50 2.3.2. Các phép đo quang ...............................................................................52 2.3.3. Các phép đo nhiệt .................................................................................52 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT .............................................54 3.1. Mô hình tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs .................54 3.1.1. Mô hình độ dẫn nhiệt của Hemanth và Patel ..............................................54 3.1.2. Mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của nhóm B.H. Thang ................55 3.2. Phát triển mô hình tính toán cải tiến cho hỗn hợp chất lỏng EG/DI ...........56 3.2.1. Mô hình lý thuyết ..................................................................................56 3.2.2. So sánh mô hình với kết quả thực nghiệm đã công bố .........................61 3.3. Nghiên cứu mô hình lý thuyết tính chất quang và hấp thụ nhiệt của chất lỏng nano .....................................................................................................................62 3.3.1. Định luật Lambert-Beer ..............................................................................63 3.3.2. Tán xạ Rayleigh ...........................................................................................63
iii 3.3.3. Lý thuyết Maxwell- Garnett .........................................................................64 3.3.4. Lý thuyết Mie và Gans .................................................................................65 3.3.5. Một số kết quả thu được từ các mô hình trên ..............................................65 3.3.6. Mô hình tính toán chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt của chất lỏng nano .....................................................................................................................69 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ....................................73 4.1. Biến tính CNTs ............................................................................................73 4.2. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là nước cất ................................................79 4.3. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là ethylene glycol .....................................87 4.4. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là hỗn hợp EG/DI .....................................92 4.5. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là dầu Silicone ..........................................95 4.6. Bitumen chứa CNTs ..................................................................................102 4.7. Thử nghiệm ứng dụng bitumen/CNTs hấp thụ năng lượng mặt trời .........108 4.7.1. Nghiên cứu lựa chọn động cơ hấp thụ năng lượng mặt trời ..............108 4.7.2. Hệ phát điện sử dụng động cơ nhiệt Stirling hấp thụ năng lượng mặt trời dạng đĩa hội tụ (dish- Stirling) .........................................................................113 4.7.3. Sử dụng bitumen/CNTs trong hệ hấp thụ năng lượng mặt trời dish- Stirling ............................................................................................................113 KẾT LUẬN .............................................................................................................118 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................120
iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CNTs Ống nano cacbon (Carbon nanotubes) CVD Lắng đọng hóa học từ pha hơi (Chemical vapor deposition) DI Nước cất (Deionized Water) EG Ethylen glycol EG/DI Hỗn hợp ethylen glycol với nước cất Phổ hồng ngoại biến đổi fourier (Fourier-transform infrared FTIR spectroscopy) MWCNTs Ống nano cacbon đa tường (Multiwalled carbon nanotubes) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscope) Ống nano cacbon đơn tường (Single-walled carbon SWCNTs nanotubes) Kính hiển vi điện từ truyền qua (Transmission electron TEM microscopy) TBC Độ dẫn nhiệt tiếp xúc (Thermal boundary conductance) TBR Trở kháng nhiệt tiếp xúc (Thermal boundary resistance)
v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. So sánh hiệu quả kinh tế của bộ thu năng lượng mặt trời truyền thống và bộ thu năng lượng mặt trời sử dụng chất lỏng nano ................................................21 Bảng 1.2. So sánh giữa năng lượng biểu hiện của bộ thu năng lượng mặt trời truyền thống và bộ thu năng lượng mặt trời sử dụng chất lỏng nano .................................22 Bảng 1.3. Lượng khí phát thải của bộ thu truyền thống và bộ thu năng lượng mặt trời dùng chất lỏng nano .................................................................................................24 Bảng 1.4. Danh mục các chất so sánh độ dẫn nhiệt .................................................38 Bảng 4.1. Tính chất của bitumen ............................................................................103
vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình chương 1 Hình 1.1. Sơ đồ bộ thu nhiệt tấm phẳng .....................................................................9 Hình 1.2. Bộ thu nhiệt ống chân không ....................................................................10 Hình 1.3. Bộ thu máng parabol .................................................................................10 Hình 1.4. Bộ thu chảo parabol ..................................................................................11 Hình 1.5. Sơ đồ bộ thu hấp thụ trực tiếp năng lượng mặt trời dùng chất lỏng nano 12 Hình 1.6. Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích hạt nano lên hiệu suất bộ thu ......................12 Hình 1.7. Ảnh hưởng của kích thước hạt lên hiệu suất của bộ thu ..........................13 Hình 1.8. Sơ đồ thí nghiệm của bộ thu nhiệt mặt trời của nhóm Otanicar .............13 Hình 1.9. Ảnh hưởng của các loại chất lỏng nano lên hiệu suất .............................14 Hình 1.10. Ảnh hưởng của kích thước, tỉ lệ thể tích tới hiệu suất ...........................15 Hình 1.11. a) Sơ đồ thiết kế bộ thu năng lượng mặt trời với chất lỏng nano tại tâm và có lắp kính. b) Chất lỏng nano ở trung tâm và không có lớp kính. c) Tháp năng lượng truyền thống với chất rắn hấp thụ năng lượng mặt trời .................................15 Hình 1.12. Sơ đồ bộ thu nhiệt mặt trời chảo parabol sử dụng chất lỏng nano ........16 Hình 1.13. So sánh hiệu suất hấp thụ nhiệt của bộ thu chảo parabol dùng chất lỏng nano so với bộ thu truyền thống ...............................................................................16 Hình 1.14. Bộ thu năng lượng mặt trời bản phẳng ..................................................17 Hình 1.15. Sơ đồ bộ thí nghiệm tấm thu năng lượng mặt trời .................................18 Hình 1.16. Hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời sử dụng chất lỏng nano Al2O3 và không có chất hoạt hóa bề mặt ...........................................................................19 Hình 1.17. Hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng với chất lỏng nano cacbon đa tường với các nồng độ pH khác nhau so với nước ở tốc độ dòng chảy 0,0333 kg/s ...............................................................................................................19
vii Hình 1.18. Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích hạt nano trong chất lỏng nano lên hệ số Nusselt trong hệ thống làm mát pin năng lượng mặt trời .....................................................27 Hình 1.19. Sơ đồ thí nghiệm thiết bị chưng cất năng lượng mặt trời sử dụng chất lỏng nano ...........................................................................................................................29 Hình 1.20. Sơ đồ của hệ quang nhiệt điện ................................................................30 Hình 1.21. Pin nhiệt điện...........................................................................................31 Hình 1.22. Sơ đồ thí nghiệm pin nhiệt điện sử dụng chất lỏng nano ........................32 Hình 1.23. Sơ đồ ao mặt trời .....................................................................................33 Hình 1.24. Mật độ muối trong ao mặt trời ...............................................................34 Hình 1.25. Sơ đồ thí nghiệm sử dụng chất lỏng nano trong ao mặt trời ...................34 Hình 1.26. Sơ đồ ống nano cacbon được tạo từ các tấm graphene ...........................37 Hình 1.27. So sánh độ dẫn nhiệt của một số chất theo số thứ tự ở Bảng 1.4............38 Hình 1.28. Hai cách sắp xếp khác nhau để chức năng hóa CNTs ...........................43 Hình 1.29. Gắn thêm hạt nano Ag vào các nhóm chức của CNTs ..........................44 Hình 1.30. Sơ đồ chức năng hóa CNTs bằng chất nhạy sáng pyrylium ..................45 Hình chương 2 Hình 2.1. Ảnh SEM của CNTs chế tạo bằng phương pháp CVD .............................48 Hình 2.2. Quy trình gắn nhóm chức -COOH lên CNTs ...........................................49 Hình 2.3. Quy trình gắn nhóm OH lên CNTs ...........................................................49 Hình 2.4. Quy trình chế tạo chất lỏng nano ..............................................................49 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý máy đo Zetasizer Nano ZS ............................................51 Hình 2.6. Sơ đồ máy đo quang phổ ...........................................................................52 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý đo độ dẫn nhiệt ...............................................................52 Hình 2.8. Thiết bị mô phỏng bức xạ năng lượng mặt trời ........................................53 Hình chương 3
viii Hình 3.1. So sánh kết quả tính toán lý thuyết của H E Patel với kết quả thực nghiệm của nhóm nghiên cứu Hwang trong trường hợp phân tán CNTs vào nước cất ........54 Hình 3.2. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang .......................................................................................................................56 Hình 3.3. Mô hình tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs .......................................60 Hình 3.4. So sánh mô hình lý thuyết với mô hình thực nghiệm của Kumaresan trong trường hợp phân tán MWCNT trong hỗn hợp EG/DI...............................................62 Hình 3.5. Sự suy giảm ánh sáng theo khoảng cách trong chất lỏng nano chứa MWCNT ...................................................................................................................66 Hình 3.6. Hệ số dập tắt tính toán theo lý thuyết theo mô hình Rayleigh ..................66 Hình 3.7. Hệ số dập tắt đo được ................................................................................67 Hình 3.8. So sánh hệ số dập tắt tính toán lý thuyết theo mô hình Rayleigh và thực nghiệm ......................................................................................................................67 Hình 3.9. Hệ số dập tắt tính theo mô hình Maxwell-Garnett (MG) của các chất lỏng nano so sánh với thực nghiệm (EXP) ......................................................................68 Hình 3.10. So sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả hai mô hình lý thuyết ....68 Hình 3.11. Mô hình tính toán khả năng chuyển hóa quang thành nhiệt của chất lỏng nano ...........................................................................................................................69 Hình 3.12. Đồ thị tăng nhiệt độ của chất lỏng nano CNTs/EG ................................71 Hình 3.13. Đồ thị tăng nhiệt độ của chất lỏng nano CNTs/DI..................................72 Hình chương 4 Hình 4.1. Phổ FTIR của CNTs–COOH với thời gian khuấy trong axit khác nhau ..73 Hình 4.2. Ảnh HRTEM của CNTs (a,b), mẫu biến tính C3 (c,d), mẫu C5 (e,f), và mẫu C7 (g,h) .....................................................................................................................75 Hình 4.3. Phổ Raman (a) và tỉ số cường độ ID/IG (b) của CNTs và CNTs-COOH...76 Hình 4.4. Phổ FTIR truyền qua của CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH ..............77
ix Hình 4.5. Phổ Raman của CNTs chưa biến tính (bên dưới), CNTs biến tính gắn nhóm chức OH (bên trên) ....................................................................................................77 Hình 4.6. Ảnh HRTEM của CNTs và CNTs-OH .....................................................78 Hình 4.7. Phổ phân bố kích thước và thế zeta của chất lỏng nano C3, C5, C7 với cùng hàm lượng CNTs 0,8% thể tích .................................................................................80 Hình 4.8. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano theo hàm lượng CNTs ở 30oC ..............81 Hình 4.9. Khớp hàm theo lý thuyết EMT dựa trên kết quả thực nghiệm .................83 Hình 4.10. So sánh kết quả thực nghiệm với mô hình lý thuyết cho mẫu C5 ..........85 Hình 4.11. Sơ đồ thiết bị khảo sát khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời ...............85 Hình 4.12. Khả năng chuyển hóa quang nhiệt của chất lỏng nano CNTs/DI ...........86 Hình 4.13. Phổ phân bố kích thước của chất lỏng nano CNTs/EG với các hàm lượng khác nhau ..................................................................................................................88 Hình 4.14. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano CNTs/EG. ...........................................88 Hình 4.15. Phổ truyền qua của chất lỏng nano CNTs/EG ........................................90 Hình 4.16. Khả năng hấp thụ nhiệt ánh sáng mặt trời của chất lỏng nano ethylen glycol chứa CNTs .....................................................................................................90 Hình 4.17. Khả năng chuyển hóa quang nhiệt của chất lỏng nano CNTs/EG ..........91 Hình 4.18. Phổ phân bố kích thước của chất lỏng nano CNTs/EG-DI .....................92 Hình 4.19. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano CNTs/EG-DI theo hàm lượng CNTs .93 Hình 4.20. So sánh kết quả lý thuyết với kết quả thực nghiệm ................................94 Hình 4.21. Khả năng hấp thụ nhiệt mặt trời của chất lỏng nano CNTs/EG-DI ........94 Hình 4.22. Cấu trúc của dầu silicone ........................................................................95 Hình 4.23. Phổ phân bố kích thước của CNTs-COOH trong dầu silicone với thời gian rung siêu âm là 60 phút (a) và 100 phút (b). .............................................................96
x Hình 4.24. Sự phân bố kích thước của CNTs-COOH trong dầu silicone sau thời gian rung siêu âm 150 phút (a) và 180 phút (b). ...............................................................97 Hình 4.25. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano CNTs/silicone .....................................98 Hình 4.26. Khả năng hấp thụ nhiệt ánh sáng mặt trời của chất lỏng nano CNTs/dầu silicone ......................................................................................................................98 Hình 4.27. Phổ truyền qua của chất lỏng nano CNTs/dầu silicone. .........................99 Hình 4.28. Sự hấp thụ bước sóng 550 nm của CNTs/dầu silicone theo nồng độ. Ở nồng độ 50 mg/l, khả năng hấp thụ tăng 55% so với dầu silicone nguyên chất. ......99 Hình 4.29. Sự hấp thụ năng lượng mặt trời theo chiều sâu của chất lỏng ..............101 Hình 4.30. Sơ đồ hấp thụ năng lượng mặt trời của dầu silicone chứa CNTs .........101 Hình 4.31. Sơ đồ chế tạo hỗn hợp CNTs/bitumen ..................................................104 Hình 4.32. Hệ chế tạo vật liệu CNTs/bitumen ........................................................104 Hình 4.33. Độ kim lún tại 25oC của các mẫu bitumen theo hàm lượng CNTs .......105 Hình 4.34. Độ bền kéo tại 25oC của các mẫu bitumen theo hàm lượng CNTs ......106 Hình 4.35. Điểm hóa mềm của vật liệu theo nồng độ CNTs ..................................107 Hình 4.36. Sự chuyển hóa quang nhiệt của CNTs/bitumen. ...................................107 Hình 4.37. Phân loại động cơ Stirling theo đặc điểm cấu tạo: alpha (a); beta (b); gamma (c) ...............................................................................................................109 Hình 4.38. Chu trình Carnot và Stiling biểu diễn trong đồ thị pV ..........................110 Hình 4.39. Các quá trình làm việc của động cơ Stirling ........................................111 Hình 4.40. Giản đồ pha của cặp pittong phụ -pittong lực trong động cơ Stirling cấu hình gamma .............................................................................................................112 Hình 4.41. Sơ đồ hệ thống phát điện sử dụng động cơ Stirling hấp thụ năng lượng mặt trời ....................................................................................................................113 Hình 4.42. Thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời sử dụng động cơ Stirling............114
xi Hình 4.43. Sơ đồ chuyển hóa năng lượng của hệ thống năng lượng mặt trời dish- Stirling .....................................................................................................................114 Hình 4.44. Thử nghiệm hệ thống phát điện năng lượng mặt trời dish-Stirling sử dụng chất lỏng nano ở điều kiện thực tế ..........................................................................115
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự tăng nhanh nhu cầu năng lượng trong vài thập kỉ qua để đáp ứng sự phát triển kinh tế toàn cầu và sự tăng trưởng dân số đã dẫn tới nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Việc sử dụng nhiều nguồn nhiên liệu hóa thạch gây ra những vấn đề nghiêm trọng về môi trường như sự ô nhiễm không khí, mưa axit, phá hủy tầng ô zôn và sự biến đổi khí hậu toàn cầu. Ngày càng nhiều những bằng chứng thực tế cho thấy sự gia tăng những điều kiện thời tiết cực đoan (như lũ lụt, hạn hán, siêu bão, …) liên quan tới sự ấm lên toàn cầu. Do vậy, việc cấp thiết hiện nay đó là phát triển nguồn năng lượng tái tạo để thay thế nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch. Một trong những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng phát triển rất lớn đó là năng lượng mặt trời. Bức xạ năng lượng mặt trời tới bề mặt trái đất trong một năm khoảng 3.400.000 EJ (1 EJ=1018 J), lớn hơn 7.500 lần tổng năng lượng tiêu thụ hàng năm trên toàn thế giới (khoảng 450 EJ) [1]. Năng lượng mặt trời có nhiều ưu điểm, có thể coi như vô tận, thân thiện và an toàn với môi trường, và đến năm 2018, năng lượng mặt trời chiếm 55% nguồn năng lượng tái tạo được sản xuất [2]. Nhờ sự tiến bộ của khoa học và công nghệ trong những thập kỉ qua và những nghiên cứu trong tương lai, người ta dự đoán rằng năm 2100 năng lượng mặt trời sẽ chiếm khoảng 70% tổng năng lượng tiêu thụ của toàn thế giới [2]. Một phần của hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời đó là bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời, đặc biệt là thiết bị trao đổi nhiệt để chuyển hóa năng lượng của bức xạ chiếu tới thành nhiệt. Có thể phân loại bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời theo nhiệt độ hoạt động thành ba loại. Loại bộ thu nhiệt nhiệt độ thấp như là các tấm phẳng và bộ thu là các ống chân không, nhiệt độ hoạt động vào cỡ 85oC và 120oC. Bộ thu có nhiệt độ hoạt động trung bình bao gồm các thiết bị hội tụ dùng gương parabol có thể đạt tới nhiệt độ 400oC, và bộ thu nhiệt độ cao bao gồm các đĩa hội tụ và tháp năng lượng có thể đạt tới nhiệt độ cao hơn cỡ 1000oC [3]. Bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời truyền thống có nhiệt độ thấp, thường được sử dụng để thu nhiệt và làm nóng không gian hay làm nóng nước, thường dùng hấp thụ bề mặt. Bộ thu có bề mặt là các vật liệu rắn chịu nhiệt độ như là polyme, nhôm, thép hoặc đồng và được phủ bởi bề mặt đen hoặc lớp hấp thụ bước sóng chọn lọc.
2 Dưới các bề mặt phẳng này là các ống đựng chất lỏng và hệ thống được che bởi một lớp kính trong suốt. Chất lỏng hoạt động (chất lưu) sẽ hấp thụ nhiệt trực tiếp từ các bề mặt và các bề mặt này là bộ phận nóng nhất trong hệ thống. Do đó, phần lớn lượng nhiệt bị mất mát ra môi trường xung quanh do bức xạ và do truyền nhiệt ra các bộ phận khác. Do có sự cản trở khả năng chuyển hóa năng lượng của bức xạ chiếu tới sang nội năng của môi trường truyền dẫn nhiệt trung gian đối với các bộ hấp thụ nhiệt truyền thống nên có một ý tưởng thiết kế khác được đưa ra. Đó là sử dụng chất lỏng làm việc hấp thụ bức xạ chiếu tới, lúc này hệ thống có thể tích hấp thụ nhiệt thay vì bề mặt hấp thụ nhiệt. Như vậy, để nâng cao hiệu suất của hệ thống hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời thì phải nâng cao độ dẫn nhiệt của chất lưu. Trong thời gian gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung tìm hiểu cách nâng cao khả năng truyền nhiệt của các chất lỏng được dùng làm chất lưu trong các bộ phận tản nhiệt bằng cách thay đổi đặc tính vật lý của nó. Chất lỏng nano là một hỗn dịch chứa các hạt nano trong chất lỏng nền, đã chứng tỏ được tiềm năng rất lớn trong nhiều ứng dụng kĩ thuật nhờ sự tăng cường độ dẫn nhiệt và sự đối lưu so với chất lỏng nền. Trong các nghiên cứu đầu tiên về chất lỏng nano, nhóm của Choi [4] đã so sánh hiệu quả trao đổi nhiệt của các vi kênh sử dụng chất lỏng nano và sử dụng nước. Kết quả chứng tỏ khi vi kênh sử dụng chất lỏng nano đã tăng hiệu suất nhiệt rất đáng kể. Hiệu quả cao của chất lỏng nano cũng được nhóm của Chein [5] khẳng định khi nghiên cứu các ống vi kênh sử dụng nước chứa hạt nano đồng làm chất làm mát. Họ thấy rằng khi so sánh với nước làm mát, nước chứa hạt nano cho hiệu suất tăng đáng kể nhờ tăng độ dẫn nhiệt của chất làm mát và sự phân tán nhiệt của các hạt nano trong chất lỏng nền. Một trong những vật liệu có kích thước nano để chế tạo chất lỏng nano đó là vật liệu ống nano cacbon (Carbon nanotubes – CNTs). Có thể nói, việc khám phá ra vật liệu CNTs đã đóng góp một phần rất lớn vào sự phát triển của công nghệ nano nhờ những đặc tính ưu việt của nó như độ dẫn nhiệt siêu cao, tính chất vật lý, tính chất quang, tính chất điện tuyệt vời và đây là một trong những loại vật liệu nano được quan tâm nhất trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Nhờ độ dẫn nhiệt cao bất thường của CNTs, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu tìm hiểu các đặc trưng cơ bản của CNTs và áp dụng chúng trong các hệ truyền nhiệt và hấp thụ năng lượng mặt trời.
3 Trên thế giới tuy đã có nhiều nhóm nghiên cứu về chất lưu chứa ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời nhưng các chủng loại chất lỏng trong nghiên cứu chưa đủ rộng, đặc biệt là với những chất lỏng hoạt động ở nhiệt độ cao chưa được nghiên cứu khảo sát một cách tương xứng. Ở trong nước hướng nghiên cứu về chất lưu chứa ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời hiện nay vẫn là hướng nghiên cứu mới mẻ và chưa có nhiều nhóm thực hiện, điều này cho thấy đây là một hướng mới, có tầm quan trọng, có tính thời sự và cần được quan tâm nghiên cứu tại Việt Nam. Từ những lý do trên, tập thể thầy hướng dẫn và nghiên cứu sinh đã lựa chọn thực hiện luận án: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lưu chứa ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời”. 2. Đối tượng, phạm vi và mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là chất lỏng dùng làm chất lưu khác nhau chứa vật liệu CNTs. Phạm vi nghiên cứu của luận án là chế tạo chất lỏng nano chứa CNTs, khảo sát các tính chất của chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời. Mục đích luận án là chế tạo chất lỏng nano chứa CNTs bền vững và ổn định, đánh giá được khả năng ứng dụng chất lỏng nano chứa CNTs trong hấp thụ năng lượng mặt trời. 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu tính toán lý thuyết và phương pháp thực nghiệm, trong đó: - Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên sự phát triển mô hình tính toán lý thuyết đã có trên thế giới để xây dựng mô hình tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs, mô hình tính toán hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời. - Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp biến tính CNTs để chế tạo chất lỏng nano nền nước cất, ethylene glycol, hỗn hợp EG/DI, dầu silicone, bitument kết hợp với các phương pháp đo đạc khảo sát tính chất quang, nhiệt của vật liệu. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đề tài nghiên cứu ứng dụng chất lỏng chứa thành phần nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời có ý nghĩa thực tiễn và có ứng dụng tiềm năng. Xuất phát từ
4 tính chất dẫn nhiệt tốt, kích thước nhỏ, hiệu ứng bề mặt lớn của vật liệu ống nano cacbon, nghiên cứu này hướng tới mục tiêu nghiên cứu tính chất nhiệt và hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời của của chất lỏng chứa thành phần CNTs. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc giải quyết bài toán cụ thể sau: - Tối ưu hóa qui trình chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs để nâng cao tính chất nhiệt, hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời. - Nghiên cứu tính chất của chất lỏng chứa thành phần CNTs dùng trong hấp thụ năng lượng mặt trời. - Nghiên cứu cơ chế nâng cao hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời của chất lỏng chứa thành phần CNTs. 5. Những đóng góp mới của luận án - Luận án đã thành công trong việc xây dựng mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền là hỗn hợp EG/DI chứa thành phần CNTs, và xây dựng mô hình tính toán lý thuyết khả năng chuyển hóa quang nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs. Kết quả mô hình tính toán phù hợp với kết quả thực nghiệm. - Luận án đã thành công trong việc chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs định hướng ứng dụng trong hấp thụ năng lượng nhiệt mặt trời, với nhiều dải nhiệt độ hoạt động khác nhau bao gồm: 0 oC ÷ 100 oC (nền DI), -12 oC ÷ 197 oC (nền EG), -30 oC ÷ 107 oC (nền EG/DI), -22 oC ÷ 280 oC (nền dầu silicone), 75 oC ÷ 450 oC (nền bitumen). - Đã thử nghiệm ứng dụng vật liệu Bitumen/CNTs chế tạo được trong thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng sử dụng động cơ Stirling, với hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời của CNTs/bitumen đạt 95%. Điều này khẳng định khả năng ứng dụng vào thực tiễn của luận án. 6. Cấu trúc luận án Nội dung chính của luận án được trình bày như sau: Chương 1: Tổng quan về chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời Chương 2. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Chương 3: Kết quả tính toán lý thuyết Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG NANO TRONG HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. Giới thiệu chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời Mọi hoạt động của con người trong cuộc sống hiện đại đều phụ thuộc vào các nguồn năng lượng, do đó việc sử dụng và khai thác năng lượng được quan tâm đặc biệt. Nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch, năng lượng hạt nhân, và thủy điện để đáp ứng nhu cầu của các quốc gia đang bộc lộ rõ những hạn chế. Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và không thể tái tạo, trong lịch sử đã từng xảy ra các cuộc chiến tranh liên quan đến việc tranh giành dầu mỏ, ví dụ như cuộc chiến vùng vịnh. Lượng nhiên liệu hoá thạch có hạn cũng như sự ô nhiễm môi trường sẽ buộc con người ngừng sử dụng nhiên liệu hoá thạch trong tương lai. Thủy điện cũng đã được khai thác một cách quá mức, các nơi thuận lợi đều đã được xây đập thủy điện. Tuy nhiên việc xây dựng các nhà máy thủy điện cũng đã gây ra sự ảnh hưởng tới môi trường xung quanh, ví dụ như phá rừng phòng hộ, chặn các dòng nước ở đầu nguồn làm ảnh hưởng tới lưu lượng nước và chu kì lũ lụt hạn hán ở vùng hạ lưu. Nhà máy điện hạt nhân trên thế giới hiện nay đều dùng các phản ứng phân hạch từ các chất phóng xạ, do đó dễ xảy ra các sự cố rò rỉ chất phóng xạ gây mất an toàn. Ví dụ năm 2011 sóng thần tại Fukishima ở Nhật đã phá hủy nhà máy điện hạt nhân gây ra thảm họa rò rỉ chất phóng xạ. Chính những điều này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng thay thế. Do vậy, rất nhiều quốc gia đã quan tâm tới việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối… để thay thế các nguồn năng lượng trên. Ví dụ năm 2015 năng lượng tái tạo chiếm khoảng 19,4% tại các nước như Thụy Điển, Đan Mạch, Áo, Pháp trên tổng năng lượng tiêu thụ [6]. Trong những nguồn năng lượng tái tạo thì việc sử dụng năng lượng mặt trời được nhiều sự quan tâm. Giá của các nguồn năng lượng thay thế này sẽ ngày càng rẻ hơn trong khi giá của nhiên liệu hoá thạch ngày càng tăng. Năng lượng mà Trái đất nhận được từ mặt trời trong 1h nhiều hơn tổng năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới trong một năm [7]. Phần lớn các ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay đều là các hệ thống nhỏ dùng cho cá nhân, công suất chỉ vài kilowat. Điều quan trọng là phải