Vật liệu biến đổi pha (Phase Change Materials)

Nguyên lý hoạt động

PCMs hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ nhiệt ẩn. Khi PCM hấp thụ nhiệt, nó chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng (nóng chảy) ở một nhiệt độ nhất định, gọi là nhiệt độ nóng chảy. Năng lượng được hấp thụ trong quá trình này được gọi là nhiệt nóng chảy. Ngược lại, khi PCM giải phóng nhiệt, nó chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn (đông đặc) ở nhiệt độ đông đặc (thường gần bằng nhiệt độ nóng chảy) và giải phóng lượng nhiệt nóng chảy đã tích trữ. Sự chuyển pha này cho phép PCMs lưu trữ và giải phóng một lượng năng lượng đáng kể mà không có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể, điều này khác biệt so với việc lưu trữ nhiệt hiện, nơi nhiệt độ của vật liệu tăng lên khi nó hấp thụ nhiệt. Công thức tính lượng nhiệt được hấp thụ hoặc giải phóng trong quá trình chuyển pha là:

$Q = mL$

Trong đó:

• $Q$ là lượng nhiệt được hấp thụ hoặc giải phóng (J)
• $m$ là khối lượng của PCM (kg)
• $L$ là nhiệt nóng chảy riêng của PCM (J/kg)

Phân loại PCMs

PCMs được phân loại dựa trên thành phần hóa học:

• Vô cơ: Bao gồm muối hydrate (ví dụ: CaCl₂·6H₂O), kim loại và hợp kim (ví dụ: Ga, hợp kim Ga-In). Chúng thường có nhiệt nóng chảy cao và chi phí thấp hơn so với PCMs hữu cơ. Tuy nhiên, một số muối hydrate có thể gặp phải các vấn đề như quá nguội và ăn mòn.
• Hữu cơ: Bao gồm parafin, axit béo, este, glycol. Chúng có tính ổn định hóa học tốt và chu kỳ nóng chảy/đông đặc lặp lại được nhiều lần. Nhược điểm của chúng bao gồm mật độ năng lượng thấp hơn so với PCMs vô cơ và tính dẫn nhiệt kém.
• Eutectic: Là hỗn hợp của hai hoặc nhiều chất có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của từng thành phần riêng lẻ. Ví dụ: hỗn hợp muối hydrate. Ưu điểm của hỗn hợp eutectic là có nhiệt độ nóng chảy xác định, tránh hiện tượng phân tách pha.

Tính chất quan trọng của PCMs

Việc lựa chọn PCM phù hợp cho một ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào một số tính chất quan trọng:

• Nhiệt nóng chảy cao: Cho phép lưu trữ một lượng lớn năng lượng trong một khoảng nhiệt độ hẹp. Giá trị nhiệt nóng chảy riêng cao hơn đồng nghĩa với việc có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn với cùng một khối lượng PCM.
• Nhiệt độ nóng chảy/đông đặc phù hợp: Nhiệt độ này cần phải phù hợp với ứng dụng cụ thể. Ví dụ, PCM được sử dụng để điều hòa nhiệt độ trong tòa nhà sẽ cần có nhiệt độ nóng chảy/đông đặc gần với nhiệt độ phòng thoải mái.
• Ổn định hóa học và nhiệt: PCM không nên bị phân hủy hoặc thay đổi tính chất sau nhiều chu kỳ nóng chảy/đông đặc. Điều này đảm bảo hiệu suất lâu dài và độ tin cậy.
• Độ dẫn nhiệt cao: Giúp quá trình hấp thụ và giải phóng nhiệt diễn ra nhanh chóng. Độ dẫn nhiệt kém có thể hạn chế tốc độ sạc và xả năng lượng.
• Chi phí thấp và sản xuất: Đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng thương mại quy mô lớn. Tính khả thi kinh tế là một yếu tố quan trọng trong việc áp dụng rộng rãi PCMs.
• Không độc hại và thân thiện với môi trường: Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và môi trường. Điều này ngày càng trở nên quan trọng khi có sự quan tâm ngày càng tăng đối với tính bền vững.

Ứng dụng của PCMs

PCMs được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

• Xây dựng: Tích hợp vào tường, mái nhà và sàn nhà để điều hòa nhiệt độ bên trong công trình, giảm tiêu thụ năng lượng cho hệ thống sưởi ấm và làm lạnh. Việc sử dụng PCMs trong xây dựng có thể cải thiện đáng kể hiệu quả năng lượng và giảm lượng khí thải nhà kính.
• Lưu trữ năng lượng mặt trời: Hấp thụ năng lượng mặt trời ban ngày và giải phóng vào ban đêm. Điều này cho phép sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả hơn và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống.
• Làm mát thụ động: Sử dụng trong quần áo, thiết bị điện tử và các ứng dụng khác để kiểm soát nhiệt độ. PCMs có thể giúp duy trì nhiệt độ thoải mái và ngăn ngừa quá nhiệt.
• Vận chuyển hàng hóa nhạy cảm với nhiệt độ: Duy trì nhiệt độ ổn định cho thực phẩm, dược phẩm và các sản phẩm dễ hỏng khác. Điều này giúp đảm bảo chất lượng và an toàn của các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ trong quá trình vận chuyển.
• Y sinh: Điều chỉnh nhiệt độ trong các thiết bị y tế. Ví dụ, PCMs có thể được sử dụng trong băng vết thương để điều chỉnh nhiệt độ và thúc đẩy quá trình lành vết thương.
• Dệt may: Sử dụng trong quần áo để điều hòa nhiệt độ cơ thể, giúp người mặc cảm thấy thoải mái hơn trong điều kiện thời tiết nóng hoặc lạnh.

Hạn chế của PCMs

Mặc dù có nhiều ưu điểm, PCMs cũng gặp phải một số hạn chế:

• Độ dẫn nhiệt thấp: Một số PCMs có độ dẫn nhiệt thấp, làm chậm quá trình hấp thụ và giải phóng nhiệt. Có thể khắc phục bằng cách sử dụng các vật liệu dẫn nhiệt như graphen hoặc kim loại. Việc phân tán các hạt nano dẫn nhiệt trong PCM cũng là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để tăng cường độ dẫn nhiệt.
• Hiện tượng quá lạnh: Một số PCMs có thể bị quá lạnh, nghĩa là chúng vẫn ở trạng thái lỏng ngay cả khi nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt độ đông đặc. Hiện tượng này có thể làm giảm hiệu suất của PCM và gây khó khăn cho việc kiểm soát quá trình giải phóng nhiệt. Việc thêm các chất tạo mầm kết tinh có thể giúp giảm thiểu quá lạnh.
• Tuổi thọ hạn chế: Một số PCMs có thể bị phân hủy hoặc thay đổi tính chất sau một số chu kỳ nóng chảy/đông đặc. Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất lâu dài của chúng. Nghiên cứu đang được tiến hành để cải thiện độ bền và tuổi thọ của PCMs.
• Thể tích thay đổi: Một số PCMs thay đổi thể tích đáng kể khi chuyển pha, đòi hỏi thiết kế bao bì phù hợp để chứa sự thay đổi thể tích này.
• Chi phí: Một số PCMs, đặc biệt là các loại PCM hiệu suất cao, có thể khá đắt, điều này có thể hạn chế việc áp dụng rộng rãi của chúng.

Các kỹ thuật cải thiện hiệu suất của PCMs

Nhằm khắc phục những hạn chế về độ dẫn nhiệt thấp và hiện tượng quá lạnh, một số kỹ thuật đã được phát triển để cải thiện hiệu suất của PCMs:

• Nạp thêm vật liệu dẫn nhiệt: Việc thêm các vật liệu có độ dẫn nhiệt cao như graphen, ống nano carbon, kim loại (ví dụ: đồng, nhôm) vào PCMs có thể tăng đáng kể khả năng truyền nhiệt của chúng. Các vật liệu này hoạt động như một mạng lưới dẫn nhiệt, tạo điều kiện cho việc truyền nhiệt nhanh hơn trong PCM.
• Bao bọc vi nang (Microencapsulation): PCM được bao bọc trong một lớp vỏ màng, tạo thành các hạt vi nang. Kỹ thuật này giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, cải thiện khả năng truyền nhiệt, đồng thời ngăn chặn rò rỉ PCM và bảo vệ chúng khỏi tác động của môi trường. Vật liệu vỏ bọc thường là polymer, silica, hoặc ceramic.
• Sử dụng cấu trúc tổ ong (Honeycomb): Tạo cấu trúc tổ ong từ vật liệu dẫn nhiệt và lấp đầy PCM vào các lỗ tổ ong. Cấu trúc này giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và cải thiện khả năng truyền nhiệt.
• Thêm chất tạo mầm (Nucleating agent): Chất tạo mầm là những hạt nhỏ có cấu trúc tinh thể tương tự với PCM, giúp khởi tạo quá trình kết tinh và giảm hiện tượng quá lạnh. Các chất tạo mầm cung cấp các vị trí cho sự kết tinh bắt đầu, do đó thúc đẩy quá trình đông đặc.

Phân tích nhiệt của PCMs

Các phương pháp phân tích nhiệt được sử dụng để đánh giá tính chất của PCMs, bao gồm:

• Phân tích nhiệt vi sai quét (Differential Scanning Calorimetry – DSC): DSC đo lượng nhiệt cần thiết để duy trì sự chênh lệch nhiệt độ giữa mẫu PCM và mẫu tham chiếu. Từ đó xác định nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ đông đặc và nhiệt nóng chảy của PCM. DSC là một kỹ thuật quan trọng để đặc trưng cho hành vi nhiệt của PCMs.
• Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric Analysis – TGA): TGA đo sự thay đổi khối lượng của mẫu PCM theo nhiệt độ. Phương pháp này giúp xác định tính ổn định nhiệt và phạm vi nhiệt độ hoạt động của PCM. TGA cung cấp thông tin về sự phân hủy nhiệt và các thay đổi thành phần của PCM.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển PCMs

Nghiên cứu và phát triển PCMs đang tập trung vào một số lĩnh vực chính:

• PCMs dạng composite: Kết hợp PCMs với các vật liệu khác để cải thiện tính chất cơ học, độ dẫn nhiệt và khả năng tích hợp vào các ứng dụng cụ thể. PCMs composite có thể cung cấp các đặc tính được cải thiện như độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt và khả năng tạo hình.
• PCMs từ nguồn sinh khối: Nghiên cứu và phát triển PCMs từ các nguồn sinh khối tái tạo, thân thiện với môi trường. Điều này góp phần vào tính bền vững và giảm tác động đến môi trường.
• PCMs cho ứng dụng nhiệt độ cao: Phát triển PCMs có nhiệt độ nóng chảy/đông đặc cao cho các ứng dụng công nghiệp và lưu trữ năng lượng nhiệt mặt trời tập trung. Nhu cầu về PCMs nhiệt độ cao đang gia tăng do nhu cầu về các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn.
• Mô hình hóa và mô phỏng: Sử dụng các mô hình toán học và phần mềm mô phỏng để dự đoán hiệu suất của PCMs trong các ứng dụng khác nhau. Mô hình hóa và mô phỏng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế và hiệu suất của các hệ thống sử dụng PCM.

• Zalba, B., Marín, J. M., Cañellas, L. F., & Mehling, H. (2003). Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications. Applied Thermal Engineering, 23(3), 251-283.
• Sharma, A., Tyagi, V. V., Chen, C. R., & Buddhi, D. (2009). Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(2), 318-345.
• Agyenim, F., Hewitt, N., Eames, P., & Smyth, M. (2010). A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS). Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(2), 615-628.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để lựa chọn PCM phù hợp cho một ứng dụng cụ thể, ví dụ như điều hòa nhiệt độ trong nhà ở?

Trả lời: Việc lựa chọn PCM phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ hoạt động mong muốn, nhiệt nóng chảy, độ ổn định hóa học và nhiệt, độ dẫn nhiệt, chi phí, và tính an toàn. Đối với điều hòa nhiệt độ trong nhà ở, nhiệt độ nóng chảy/đông đặc của PCM lý tưởng nên nằm trong khoảng nhiệt độ thoải mái (khoảng 20-25°C). Parafin là một lựa chọn phổ biến do nhiệt độ nóng chảy nằm trong khoảng này và có tính ổn định tốt. Ngoài ra, cần xem xét tính an toàn và không độc hại của PCM.

Làm thế nào để khắc phục nhược điểm độ dẫn nhiệt thấp của một số PCMs, ví dụ như parafin?

Trả lời: Có nhiều phương pháp để tăng cường độ dẫn nhiệt của PCMs, bao gồm:

• Nạp thêm vật liệu dẫn nhiệt: Thêm các vật liệu như graphen, ống nano carbon, hoặc kim loại (đồng, nhôm) vào PCM.
• Bao bọc vi nang: Tạo các hạt vi nang PCM với vỏ bọc có độ dẫn nhiệt cao.
• Sử dụng cấu trúc tổ ong: Tạo cấu trúc tổ ong từ vật liệu dẫn nhiệt và lấp đầy PCM vào các lỗ tổ ong.

Hiện tượng quá lạnh là gì và nó ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của PCMs? Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng này?

Trả lời: Quá lạnh là hiện tượng PCM vẫn ở trạng thái lỏng ngay cả khi nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt độ đông đặc. Điều này làm giảm hiệu suất của PCMs do nhiệt không được giải phóng ở nhiệt độ mong muốn. Để giảm thiểu hiện tượng quá lạnh, có thể thêm chất tạo mầm (nucleating agent) vào PCM. Chất tạo mầm cung cấp các điểm tạo mầm cho quá trình kết tinh, giúp PCM đông đặc ở nhiệt độ gần với nhiệt độ đông đặc lý thuyết.

Ngoài parafin và muối hydrate, còn những loại PCMs nào khác đang được nghiên cứu và phát triển?

Trả lời: Một số loại PCMs khác đang được nghiên cứu bao gồm:

• PCMs hữu cơ: Axit béo, este, glycol.
• PCMs eutectic: Hỗn hợp của hai hoặc nhiều chất có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của từng thành phần riêng lẻ.
• PCMs dạng composite: Kết hợp PCMs với các vật liệu khác để cải thiện tính chất.
• PCMs từ nguồn sinh khối: PCMs được chiết xuất hoặc tổng hợp từ các nguồn sinh khối tái tạo.

PCMs có thể được ứng dụng như thế nào trong lĩnh vực năng lượng tái tạo?

Trả lời: PCMs có tiềm năng lớn trong việc lưu trữ năng lượng từ các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Chúng có thể được tích hợp vào các hệ thống năng lượng mặt trời để lưu trữ nhiệt vào ban ngày và giải phóng nhiệt vào ban đêm, hoặc được sử dụng để lưu trữ năng lượng gió dư thừa. Việc này giúp cân bằng cung và cầu năng lượng, đảm bảo nguồn năng lượng ổn định và giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch.