Ứng dụng vật liệu biến đổi pha PCM làm mát nhà trạm viễn thông

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.41 MB, 102 trang )

TẬP ĐOÀN BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM
VIỄN THÔNG ĐỒNG NAI

BÁO CÁO
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỀ TÀI
Ứng dụng vật liệu biến đổi pha PCM
làm mát nhà trạm viễn thông

Mã số đề tài : 004-2013-TĐ-AP-VT-81

Chủ trì đề tài : Hoàng Ngọc Minh - Tổ Nghiên cứu và Phát triển

Đồng Nai, tháng 4 năm 2014

1

Mục Lục
Mục Lục…………………………………………………………………………………1
Danh mục Bảng…………………………………………………………………………3
Danh mục Hình…………………………………………………………………………4
Danh mục các từ viết tắt và thuật ngữ tiếng Anh…………………………………….5
Tóm tắt nội dung đề tài……………………………………………………… ……….7
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………………… 9
CHƢƠNG 1/TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA PCM
1.1.HỢP CHẤT CHUYỂN PHA – PCM………………….……………………………10
1.1.1.Khái niệm về vật liệu biến đổi pha……………………………………10
1.1.2.Phân loại PCM……………………… ………………………………… 12
1.2.TÌNH TRẠNG CÔNG NGHỆ VÀ TIỀM NĂNG THỊ TRƢỜNG TƢƠNG LAI CỦA
VẬT LIỆU PCM….………………………………………………………………… …17

CHƢƠNG 2/TÍNH NĂNG LƢU TRỮ NHIỆT VÀ CÁC ỨNG DỤNG VỚI PCM
2.1. TÍNH NĂNG LƢU TRỮ NHIỆT………………………………………………… 20
2.1.1. Phân tích tính chất hóa học của PCM………………………….……….20
2.1.2.Các vấn đề về phân tầng và bù lạnh………………………………… …23
2.1.3.Sự ổn định của đặc tính nhiệt theo chu kỳ…………………………… 26
2.1.4.Các phƣơng pháp nâng cao sự truyền nhiệt………………………… 28
2.2. CÁC ỨNG DỤNG CHÍNH CỦA VẬT LIỆU PCM……………………………….32
CHƢƠNG 3/ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA PCM TRONG MÔI
TRƢỜNG VIỄN THÔNG
3.1.CÁC HỆ THỐNG LÀM MÁT CHÍNH VÀ DỰ PHÒNG CHO TRẠM VIỄN
THÔNG HIỆN NAY……………………………………………………………… … 43
3.1.1.Máy điều hòa không khí………………………………………………… 45
3.1.2.Quạt thông gió (free air cooling) ……………………… …………… …48
3.2.ƢU KHUYẾT ĐIỂM CỦA CÁC HỆ THỐNG LÀM MÁT HIỆN NAY ……… …49

3.3.CÁC GIẢI PHÁP, CÁC MẪU THIẾT KẾ LÀM MÁT BẰNG VẬT LIỆU PCM
CHO NHÀ TRẠM VIỄN THÔNG………………………………………………… …51
2

3.3.1.Hệ thống làm mát PCM không giao tiếp môi trƣờng bên ngoài …… 52
3.3.2.Hệ thống làm mát PCM giao tiếp môi trƣờng bên ngoài phòng máy…55

CHƢƠNG 4/ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM LÀM MÁT BẰNG PCM TẠI VNPT
ĐỒNG NAI
4.1.ĐỊA ĐIỂM, THỜI GIAN, MÔI TRƢỜNG, GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CỤ THỂ… 57
4.2.ĐÁNH GIÁ CHI TIẾT ƢU KHUYẾT ĐIỂM GIẢI PHÁP LÀM MÁT BẰNG PCM… 62
4.2.1.Trạm viễn thông cố định Hiệp Hòa …………………… … ………… 63
4.2.2.Trạm BTS Vinaphone Biên Hòa 33……………………… …………… 68
4.2.3.Đánh giá hiệu quả tiết kiệm khi áp dụng làm mát bằng PCM…………70
4.3. ƢU KHUYẾT ĐIỂM GIẢI PHÁP LÀM MÁT BẰNG PCM………….………… 72
CHƢƠNG 5/KẾT LUẬN, KHUYẾN NGHỊ VỀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PCM
TRÊN MẠNG LƢỚI VNPT……………………………………………………… …73
5.1.Đối với trạm di động BTS……………………………………………… …74
5.2. Đối với trạm viễn thông cố định… …………………………………….…77
Lời kết………………………………………………………………………………… 82
Tài liệu tham khảo……………….………………………………………… ……… 87
Phụ lục 1. Số liệu nhiệt kế điện tử đo đƣợc tại các trạm viễn thông ………………90
Phụ lục 2. Các mẫu và mô hình thiết kế dùng PCM trên thế giới…… ………… 98

3

Danh mục Bảng
Bảng 1.1. Danh sách các muối ngậm nƣớc – eutectic PCM xác định theo điểm tan
chảy………………………………………………………………………………… 15

Bảng 1.2. So sánh giữa các vật liệu hữu cơ và vô cơ để lƣu trữ nhiệt
…………… …………………………………………………………………….….…16

Bảng 1.3. Những đặc điểm quan trọng của PCM …………………………… 16
Bảng 1.4. Tình trạng thƣơng mại hóa các hệ thống lƣu trữ năng lƣợng nhiệt
…………………………………………………………………………………………17
Bảng 2.1. So sánh giữa các phƣơng tiện lƣu trữ nhiệt khác nhau ……… 23
Bảng 2.2. Giải bù lạnh của PCM làm đặc với xúc tác nucleate khác nhau 24
Bảng 2.3. Dữ liệu lý nhiệt đo đƣợc của một số chất PCM 27
Bảng 2.4. Bảng dữ liệu đo đạc trong suốt quá trình thực nghiệm làm mát trạm BTS
38
Bảng 2.5. Bảng so sánh chi phí vận hành của shelter viễn thông có dùng PCM và không
dùng PCM do Công ty PCM Energy P. Ltd Ấn Độ thực hiện 39
Bảng 2.6 : Bảng kỹ thuật thƣơng mại của sản phẩm LATEST™29T……… 40
Bảng 2.7 : Bảng số liệu tính toán cho làm mát Hội trƣờng Bangalore……… 41
Bảng 3.1 : ASHRAE, giới hạn môi trƣờng hoạt động thiết bị 43
Bảng 3.2 : Telcordia, giới hạn môi trƣờng hoạt động thiết bị 44
Bảng 4.1 : Bảng so sánh chi phí đầu tƣ máy phát điện với PCM………………… …57
Bảng 5.1 : Hƣớng dẫn năm 2008 cho nhiệt độ, độ ẩm, điểm sƣơng và độ cao 83
Bảng 5.2 : So sánh các phiên bản khuyến nghị nhiệt độ năm 2004 và 2008 83
Bảng 5.3 : So sánh các hƣớng dẫn nhiệt phiên bản năm 2011 và 2008 84
Bảng 5.4 : Hƣớng dẫn năm 2011 cho nhiệt độ, độ ẩm, điểm sƣơng và độ cao 85

4

Danh mục Hình
Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động của PCM 11
Hình 1.2. Dải nhiệt độ và điểm nóng chảy tƣơng ứng của vài vật liệu PCM 12
Hình 1.3. Phân loại PCM 12
Hình 1.4. Công nghệ lƣu trữ năng lƣợng quan trọng trong tình hình chung. 17
Hình 2.1(a)(b). Nhiệt tiềm ẩn tan chảy của các hợp chất parafin, phi parafin
Hình 2.1(c). Nhiệt tiềm ẩn tan chảy / khối lƣợng các hợp chất vô cơ
Hình 2.1(d). Nhiệt tiềm ẩn nhiệt nóng chảy / thể tích các hợp chất vô cơ
Hình 2.1(e). Nhiệt tiềm ẩn nhiệt nóng chảy các hợp chất eutectic 21
Hình 2.2. Một hệ lƣu trữ nhiệt dùng vỏ bao che phẳng đóng gói PCM 28
Hình 2.3. Sơ đồ lƣu trữ nhiệt bằng dòng chất lỏng truyền nhiệt 30
Hình 2.4. Đóng gói vi nang ( Micro-encapsulation) 31
Hình 3.1. Cấu tạo máy điều hòa 1 cục 46
Hình 3.2. Cấu tạo máy điều hòa 2 cục 46
Hình 3.3. Sơ đồ khối hệ thống điều hòa tổ hợp gọn 47
Hình 3.4. Hệ thống thông gió làm mát 48
Hình 3.5. Sử dụng PCM nhƣ hệ lƣu trữ nhiệt cho thiết bị viễn thông 52
Hình 3.6. Dùng các tấm PCM làm mát không giao tiếp bên ngoài………………… 53
Hình 3.7. Các tấm PCM lắp thành bức mành làm mát dự phòng trạm viễn thông 54
Hình 3.8. Dùng các tấm PCM làm mát có giao tiếp bên ngoài……………….………56
Hình 4.1. Khung giá PCM thực nghiệm 59
Hình 4.2. Đồ thị nhiệt độ phòng máy Vinaphone có dùng PCM 60
Hình 4.3. Đồ thị nhiệt độ phòng máy Vinaphone tắt máy lạnh, không dùng PCM 60
Hình 4.4. Đồ thị nhiệt độ phòng máy Mobifone có dùng PCM 61
Hình 4.5. Đồ thị nhiệt độ phòng máy Mobifone tắt máy lạnh, không dùng PCM 62

Hình 4.6. Trạm Hiệp Hòa đƣợc lắp đặt thử nghiệm làm mát bằng PCM 64
Hình 4.7. Nhiệt độ bên trong phòng máy Hiệp Hòa 65
Hình 4.8. Trạm BTS BH 33 đƣợc lắp đặt thử nghiệm làm mát bằng PCM 68
Hình 4.9. Nhiệt độ bên trong phòng máy BTS BH33 69
5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH

AC
Điện lƣới
AC
Air Conditioner-Máy điều hòa không khí
ASHRAE
Hiệp hội Kỹ sƣ điện lạnh Mỹ
CAV
Constant Air Volume-lƣu lƣợng gió không đổi
BTS
Trạm viễn thông di động
CPUC
Ủy Ban Tiện Ích Công Cộng California
CST
Nhà máy điện năng lƣợng mặt trời tập trung
DC
Điện 1 chiều
DG
Diesel Generator-Máy phát điện
ĐHKK
Điều hòa không khí
HP

Horse Power-công suất máy theo sức ngựa
HDPE
Hight Density Polyethylenne-nhựa HDPE
EPRI
Viện nghiên cứu năng lƣợng điện Mỹ
IP
Ingress Protection-bảo vệ hƣớng vào
LH
Latent Heat- nhiệt tiềm ẩn
NLMT
Năng lƣợng mặt trời
PCM
Phase Change Materials-Vật liệu chuyển pha
Sq.ft
Square Feet-diện tích theo đơn vị feet
Sq.m
Square Meter-diện tích theo đơn vị mét
TES
Thermal Energy Storage-lƣu trữ năng lƣợng nhiệt
VAV
Variable Air Volume-điều chỉnh lƣu lƣợng gió
VRV
Variable Refrigerant Volume-điều chỉnh lƣu lƣợng môi chất

Thuật ngữ tiếng Anh :
Alarm status : tình trạng cảnh báo
Back View : mặt sau
Ceiling : trần nhà
Charge Period : thời gian vật liệu PCM nạp lạnh

Chiller : máy làm lạnh
Daylight Hours : giờ ban ngày
Discharge Period : thời gian vật liệu PCM xả lạnh
Elapsed Time : thời gian trôi qua khi đo nhiệt độ phòng máy
6

Enthalpy of fusion : nhiệt năng hấp thụ đƣợc khi vật liệu chuyển pha tan chảy
Eutectic : hợp chất eutectic
Extra water: nƣớc phụ thêm
Fan Speed Control : điều chỉnh tốc độ quạt
First Reading : lần đọc đầu (đo nhiệt độ)
Free air cooling : thông gió làm mát rẻ tiền
Freezing point : điểm nhiệt độ kết tinh của vật liệu chuyển pha
Front View : mặt trƣớc
Gel : một trạng thái vật chất của một hệ keo
Generic Requirements : khuyến nghị tổng thể
Greenbox : hộp sinh thái thân thiện môi trƣờng
Hydrat salt : muối ngậm nƣớc, muối khan
Inorganic compounds : hợp chất vô cơ
Interval : quãng thời gian cố định lấy mẫu nhiệt độ
Last Reading : lần đọc cuối (đo nhiệt độ)
Latent heat : nhiệt tiềm ẩn
Load : tải
Melting point : điểm nhiệt độ tan chảy của vật liệu chuyển pha
Micro-encapsulation: đóng gói vi nang
Night Hours : giờ ban đêm
Nucleate : cấu trúc hạt nhân kết tinh
Optional bypass : thông qua có chọn lựa
Organic compounds : hợp chất hữu cơ
Panel : tấm, mảnh

Parafin : nhóm các hydrocacbon dạng ankan, có công thức tổng quát CnH2n+2
PCM cell : các tấm hoặc ống chứa vật liệu chuyển pha
Recorder Info : thông tin thu thập (đo nhiệt độ)
Shelter : phòng kín
Sensible heat : nhiệt cảm nhận
Solar gains : nhiệt năng bức xạ mặt trời
Sugar alcohol : đƣờng cồn
Temperature Statistics : thống kê nhiệt độ
Total Readings : tổng số lần đọc nhiệt độ
Tubes : ống đựng chất chuyển pha

7

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Đề tài đƣợc chia làm 5 chƣơng với nội dung chính nhƣ sau:
-Khái quát về vật liệu biến đổi pha PCM
-Tính chất hóa-lý của vật liệu và sự phân loại cho các ứng dụng cụ thể.
-Thực nghiệm vật liệu PCM làm mát nhà trạm viễn thông, dựa trên kết quả
đo đạc bằng nhiệt kế tự ghi nhằm phân tích và đă ra nhận định.
-Thống kê các mô hình thiết kế của các Hãng sản xuất trên thế giới và kiến
nghị áp dụng.
Qua thực nghiệm vật liệu PCM dạng tấm panel xếp đặt trên 01 khung giá bằng sắt,
với mục đích làm mát cho thiết bị viễn thông theo phƣơng thức PCM hấp thu nhiệt tỏa ra
từ thiết bị viễn thông, tại 04 nhà trạm thuộc VNPT Đồng Nai gồm:

-Trạm BSC và BTS Vinaphone-văn phòng viễn thông Tỉnh
-Trạm BTS Mobifone- văn phòng viễn thông Tỉnh

-Trạm viễn thông cố định Hiệp Hòa
-Trạm BTS Vinaphone BH33

Trong thời gian 2-4 giờ đồng hồ, các máy lạnh của 4 nhà trạm viễn thông trên
đƣợc tắt, nhằm xác định khả năng hấp thụ nhiệt của vật liệu PCM PH29 thử nghiệm, đã
cho thấy PCM có khả năng duy trì nhiệt độ phòng máy từ 30
O
C-32
O
C, không làm phát
sinh cảnh báo về thiết bị. Trong khi đó, nếu chỉ cần ngắt máy lạnh trong vòng 01 giờ thì
nhiệt độ phòng máy đã vƣợt mức báo động với chỉ số 34
O
C.
Điều này cho thấy ứng dụng khả thi của vật liệu PCM làm mát nhà trạm viễn
thông mỗi khi bị mất điện lƣới, mà có thể không cần chạy máy phát điện ngay trong thời
gian lên đến 4 giờ. Việc này đem lại sự tiết giảm chi phí nhiên liệu đáng kể, có thể không
cần mua sắm máy phát điện cho những vùng địa lý cụ thể có thời gian mất điện ngắn.
Ngoài ra, còn ngăn ngừa đƣợc những rủi ro về tai nạn giao thông, do ngƣời trực ứng cứu
mạng lƣới không phải vội vàng vận chuyển máy phát điện, nhất là vào những thời gian
ban đêm, lúc trời mƣa bão….
Thực nghiệm còn cho thấy khả năng tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lƣợng, đó
là ứng dụng vật liệu PCM để tích trữ năng lƣợng vào những giờ thấp điểm và sử dụng
năng lƣợng này vào những giờ cao điểm, gọi là chuyển dịch tải lạnh nhà trạm. Để làm
đƣợc điều này thì chúng ta phải dựa rất nhiều vào công nghệ hóa học và lý thuyết nhiệt
động lực học, thông qua vật liệu PCM chúng ta có thể trữ đƣợc năng lƣợng theo ý muốn
tại những nhiệt độ mong muốn, mà còn thân thiện môi trƣờng.
8

Do không là ngƣời chuyên môn am hiểu về nhiệt động học, nên Nhóm thực hiện

đề tài không thể thực hiện đƣợc các phép tính toán nhiệt hay bài toán năng lƣợng cho một
công trình cụ thể, để từ đó đánh giá đầy đủ thông tin sản phẩm PCM của nhà sản xuất
công bố. Tuy đã cố gắng thực hiện đề tài này, song do điều kiện thực tế về các thực
nghiệm, nên báo cáo còn những hạn chế về nội dung và tính toán. Nhƣng với kết quả
nghiên cứu sơ bộ, mong rằng sẽ mở rộng ra một con đƣờng nghiên cứu sâu hơn cho xu
hƣớng tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lƣợng cho mạng viễn thông hiện nay, mà các
nƣớc trên thế giới đang áp dụng.
Đề tài nếu đƣợc nghiên cứu và áp dụng thành công sẽ giảm chi phí điện năng, chi
phí nhiên liệu chạy máy nổ phát điện, chi phí mua sắm và bảo dƣỡng máy phát điện hàng
tỷ đồng mỗi năm cho Viễn thông các Tỉnh-Thành. Đảm bảo tiêu chí vận hành an toàn IP
cao ( Ingress Protection) cho thiết bị viễn thông, so với phƣơng pháp làm mát bằng gió
trời hiện nay.

9

LỜI MỞ ĐẦU

Chúng ta có nhiều giải pháp tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lƣợng cho mạng
lƣới viễn thông, một nền kỹ nghệ luôn đặt nặng quan ngại đến giá chi phí ngày càng tăng
cao cho tiêu thụ điện năng trong vận hành khai thác hạ tầng thiết bị viễn thông, khi mà
xấp xỉ một nửa lƣợng điện năng tiêu thụ cho các trạm viễn thông là tiêu tốn vào hệ thống
làm mát phòng máy.
Hơn nữa, nƣớc ta hiện là một nƣớc đang phát triển nên mất điện là chuyện thƣờng
ngày. Nhƣng với các trạm viễn thông lại là một thảm họa, do không còn duy trì đƣợc hệ
thống làm mát phòng máy bằng máy lạnh sử dụng điện lƣới. Trong những trƣờng hợp
mất điện thì máy phát điện là nguồn cấp điện dự phòng cho nhà trạm, để chạy máy lạnh
duy trì nhiệt độ thích hợp bên trong phòng máy đảm bảo sự vận hành của thiết bị viễn
thông. Vô hình chung lƣợng nhiên liệu cho máy phát điện thƣờng rất cao, tăng chi phí
vận hành của nhà cung cấp dịch vụ.
Trên thế giới đã có nhiều giải pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu chạy máy phát điện,
trong đó một giải pháp là dùng vật liệu biến đổi pha PCM ( Phase Change Materials) để
làm mát thiết bị viễn thông trong thời gian từ 2-4 giờ đồng hồ, nên không cần chạy máy
phát điện ngay mà vẫn có thể đảm bảo nhiệt độ phòng máy duy trì ở mức cho phép, tiết

kiệm đƣợc nhiên liệu chạy máy phát điện rất đáng kể.
Mục tiêu của đề tài là nhằm tiết giảm hoặc có thể bỏ hẳn chi phí nhiên liệu chạy
máy phát điện cho nhà trạm viễn thông, nhất là các trạm BTS, mỗi khi mất điện lƣới. Tại
các Shelter viễn thông outdoor, sử dụng các tấm vật liệu PCM làm mát hệ thống ắc-quy
mà không cần dùng đến máy lạnh, hoặc chỉ dùng máy lạnh vào giờ thấp điểm, nhằm tiết
kiệm chi phí điện năng.
Nội dung nghiên cứu của đề tài là tiến hành thực nghiệm khả năng ứng dụng các
tấm panel vật liệu biến đổi pha PCM để làm mát thiết bị viễn thông trong các nhà trạm
viễn thông VNPT Đồng Nai, kể cả các trạm BTS, mỗi khi bị mất điện lƣới trong khoảng
2-4 giờ đồng hồ, mà không cần chạy máy phát điện ngay, nhằm giảm chi phí nhiên liệu.
Đồng thời, thực nghiệm khả năng làm mát vào giờ cao điểm thay cho chạy máy
lạnh bằng vật liệu PCM (máy lạnh chỉ chạy vào giờ thấp điểm), tiết giảm chi phí điện
năng hàng tháng của nhà trạm viễn thông.

10

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA PCM

Vật liệu biến đổi pha PCM ( Phase Change Materials còn gọi là chất chuyển pha)
là các hợp chất hóa học có điểm đông đặc và điểm tan chảy cao hơn hoặc thấp hơn điểm
đông đặc của nƣớc (0°C). Các hợp chất PCM này, kể cả các chất xúc tác, đƣợc đóng gói
trong vỏ bao che có dạng thức khác nhau nhƣ hình ống, tấm panel, hình cầu .v.v cho
những mục đích ứng dụng khác nhau, trong đó ứng dụng quan trọng nhất là lƣu trữ năng
lƣợng nhiệt.
1.1. HỢP CHẤT CHUYỂN PHA - PCM:

1.1.1.Khái niệm về vật liệu biến đổi pha

Hợp chất PCM là những chất liệu có khả năng lƣu trữ hoặc giải phóng một lƣợng
lớn năng lƣợng nhiệt tiềm ẩn (latent heat). Chúng sử dụng các liên kết hóa học để lƣu trữ
và giải phóng năng lƣợng nhiệt tiềm ẩn, mỗi khi PCM thay đổi từ trạng thái rắn sang
trạng thái lỏng, hoặc từ lỏng sang rắn hoặc từ lỏng sang khí. Việc này gọi là một sự thay
đổi trạng thái hoặc sự "chuyển pha". Nhiệt độ mà tại đó PCM chuyển pha, từ rắn sang
lỏng, gọi là điểm tan chảy (melting point); và từ lỏng sang rắn gọi là điểm đông đặc
(freezing point). Băng đá sẽ chuyển pha khi gặp nhiệt độ cao hơn 0°C và chuyển thành
nƣớc. Băng đá là một ví dụ điển hình tuyệt vời của vật liệu PCM có điểm đông đặc và
điểm tan chảy bằng nhau.

Băng đá hấp thụ một lƣợng lớn nhiệt trong quá trình thay đổi từ thể rắn sang thể
lỏng và kết quả nó làm mát môi trƣờng xung quanh nó. Nhƣng nếu ta cần thu lƣợng nhiệt
năng này ở nhiệt độ khác 0°C thì sao? Muối ngậm nƣớc (còn gọi là muối hydrat, muối
khan) cũng là hợp chất PCM, có tính lƣu trữ và giải phóng năng lƣợng nhiệt tiềm ẩn
trong một phạm vi rộng từ dƣới 0°C đến vài trăm độ °C. Đòi hỏi “nhiệt năng theo yêu
cầu” này hoàn toàn đƣợc thỏa mãn bởi các chất PCM chuyển pha ở nhiệt độ xác
định. Hàng loạt các loại muối ngậm nƣớc đƣợc sản xuất cho các ứng dụng khác nhau và
cung cấp giải pháp sử dụng PCM cho nhu cầu riêng của khách hàng. Trong tự nhiên có
một số lƣợng lớn các hợp chất PCM có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc nằm
trong một phạm vi rộng của thang đo nhiệt độ, làm cho chúng trở nên hấp dẫn trong rất
nhiều ứng dụng.
11

Vật liệu PCM lƣu trữ và giải phóng một lƣợng lớn năng lƣợng nhiệt tiềm ẩn. Ví
dụ, nhƣ tiến trình tan chảy, hóa rắn hoặc bay hơi đều đòi hỏi năng lƣợng. Nhiệt lƣợng
đƣợc hấp thụ hoặc giải phóng mỗi khi vật liệu PCM biến đổi trạng thái (chuyển pha) từ
thể rắn sang thể lỏng và ngƣợc lại. Vì vậy, vật liệu PCM dễ dàng đƣợc chuyển pha mỗi
khi thu nhận vào một năng lƣợng nhiệt nhất định và giải phóng năng lƣợng nhiệt này ra

môi trƣờng xung quanh nó khi môi trƣờng hạ nhiệt vào thời điểm sau đó.
Nhƣ ở hình 1.1, ta thấy PCM hoạt động dựa trên sự lƣu trữ nhiệt ẩn. So sánh với
lƣu trữ nhiệt cảm (sensible heat), thì không có sự thay đổi nhiệt độ trong lƣu trữ (vùng
trắng trên hình). Trong một cảm nhận chung thì mọi chất liệu đều là vật liệu biến đổi pha,
bởi tại một kết hợp nhất định của áp suất và nhiệt độ thì tất cả các vật liệu đều có thể thay
đổi trạng thái tổng thể của nó (rắn, lỏng, khí). Trong sự thay đổi của trạng thái tổng thể
vật liệu, một lƣợng lớn năng lƣợng, gọi là nhiệt ẩn có thể đƣợc lƣu trữ hoặc phát tán ở
một nhiệt độ gần nhƣ không đổi. Vì vậy, với một sự khác biệt nhỏ trong thang nhiệt độ có
thể đƣợc sử dụng để lƣu trữ năng lƣợng và giải phóng năng lƣợng lƣu trữ này.

Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của PCM .
Nhƣ đã đề cập, về cơ bản tất cả các vật liệu là vật liệu chuyển pha PCM. Tuy
nhiên, các đặc tính cần thiết để lƣu trữ năng lƣợng nhiệt có hiệu quả và có thể dự đoán lại
không bao gồm một số lƣợng lớn các vật liệu. Trong hình 1.2, một số vật liệu PCM đƣợc
minh họa với các phạm vi nhiệt độ tan chảy của vật liệu và nhiệt năng hấp thụ tƣơng ứng
(enthalpy of fusion). Hình 1.2 cũng minh họa dải nhiệt độ tiêu biểu cho khoảng nhiệt độ
tƣơng thích dùng trong các hộ gia đình. Nó cho thấy rằng parrafin và muối hydrat là các
vật liệu PCM hữu ích cho các hộ gia đình. Muối và đƣờng cồn (salts và sugar alcohol)
đƣợc sử dụng cho các dải nhiệt độ cao hơn. Một ví dụ về sử dụng lƣu trữ năng lƣợng
nhiệt độ cao là trạm điện năng lƣợng mặt trời tập trung, trong đó muối đƣợc sử dụng để
lƣu trữ năng lƣợng nhằm sử dụng sau khi hết ánh nắng mặt trời. Điều này làm giảm bớt
một phần khó khăn của nan đề gián đoạn năng lƣợng mặt trời.
12

Hình 1.2: Dải nhiệt độ và điểm nóng chảy tƣơng ứng của vài vật liệu PCM.

1.1.2.Phân loại PCM
Nhiều chủng loại vật liệu PCM tồn tại trong tự nhiên, có thể phân ra thành 02
chủng loại chính là PCM vô cơ và PCM hữu cơ. Các vật liệu PCM thƣờng đƣợc sử dụng

nhiều cho các ứng dụng kỹ thuật là: parafin (hữu cơ), các axit béo (hữu cơ) và muối
hydrat (vô cơ) (theo IEA, năm 2005). Sự khác biệt giữa PCM hữu cơ và PCM vô cơ là
đặc biệt quan trọng trong việc xây dựng cơ sở ứng dụng PCM. Những sự khác biệt và các
chủng loại vật liệu, đƣợc minh họa trong hình 1.3.

Hình 1.3: Phân loại PCM. Nguồn: Abhat, 1983
Các vật liệu
Nhiệt năng cảm nhận
nhận
Nhiệt năng tiềm ẩn
Năng lƣợng hóa học
Eutectic
Khí – Lỏng
Rắn - Khí

Rắn – Lỏng
Rắn - Rắn
Vô cơ
Hữu cơ
Hỗn hợp
Eutectic
Hỗn hợp
Axit béo
Parafin hỗn hợp C
n
H
2n+2

Thƣơng mại hóa
Phân tích thí nghiệm
Muối hydrat
13

*Eutectic là một hỗn hợp của các hợp chất hoặc nguyên tố hóa học mà trong đó có
một hợp phần đông đặc ở nhiệt độ thấp hơn các hợp phần khác trong hỗn hợp đó. Hợp
phần này được gọi là thành phần eutectic và nhiệt độ đông đặc này gọi là nhiệt độ
eutectic.

1.1.2.a.Hợp chất PCM hữu cơ : Organic compounds

PCM hữu cơ có thể là các axít béo hoặc các hợp chất hữu cơ khác. PCM hữu cơ
đƣợc sử dụng trong phạm vi nhiệt độ thấp. Các PCM hữu cơ có giá thành cao, có lƣợng
nhiệt tiềm ẩn trung bình cho mỗi đơn vị dung lƣợng ( khối lƣợng hoặc thể tích) và mật độ
thấp. Hầu hết các PCM hữu cơ dễ cháy trong tự nhiên. Nhiệt độ nóng chảy của chúng
cũng có thể nằm trong một dải nhiệt độ rộng lớn.

Với loại PCM hữu cơ thì nhiệt tiềm ẩn nóng chảy, giải nhiệt độ nóng chảy và hệ
số dẫn nhiệt nhìn chung là thấp nhƣng tính ổn định nhiệt rất cao.
PCM hữu cơ có một số đặc điểm làm cho chúng hữu ích trong việc lƣu trữ nhiệt
tiềm ẩn trong một số các yếu tố xây dựng nhất định. Chúng có nhiều tính chất hóa học ổn
định hơn so với các chất vô cơ, chúng tan chảy một cách hoàn chỉnh và việc bù lạnh (sub-
cooling) để chúng đông đặc trở lại, không còn là một vấn đề quan trọng. Hơn nữa, chúng
dễ tƣơng thích và phù hợp cho sự hấp thụ nhiệt khi lắp đặt ở bên trong nhiều chủng loại
vật liệu xây dựng khác nhau. Mặc dù chi phí ban đầu của PCM hữu cơ cao hơn so với các
loại vô cơ, nhƣng chi phí lắp đặt lại cạnh tranh.
Tuy nhiên, những vật liệu PCM hữu cơ có những đặc điểm không phù hợp. Quan
trọng nhất của những đặc điểm này là dễ cháy và có thể tạo ra khói độc khi bị đốt. Các
vấn đề bất lợi khác, mà có thể phát sinh trong một số ít trƣờng hợp, là phản ứng với các
sản phẩm hydrat hóa trong bê tông, nhiệt ôxy lão hóa, có mùi và một sự thay đổi khối
lƣợng đáng kể khi chuyển pha. Sự lựa chọn thích hợp và sửa đổi hiện nay đã loại bỏ rất
nhiều những đặc điểm không mong muốn đó trong các ứng dụng thực tiễn.

1.1.2.b.Hợp chất PCM vô cơ : Inorganic compounds

PCM vô cơ thông thƣờng là muối hydrat (muối ngậm nƣớc). Muối ngậm nƣớc có
một số hydrat trong công thức hóa học, có tính khan (dễ hấp nƣớc) dẫn đến sự phân loại
các vật chất và mất dần khả năng phục hồi nhiệt tiềm ẩn theo thời gian. Muối ngậm nƣớc
cũng có xu hƣớng cần làm lạnh phụ thêm, mỗi khi chuyển sang thể rắn.
Các thế hệ muối ngậm nƣớc trƣớc kia đƣợc các nhà sản xuất thêm vào các chất
phụ gia để nâng cao hiệu suất lƣu trữ và giải phóng nhiệt. Các chất phụ gia giúp trì hoãn
sự xuống cấp của muối ngậm nƣớc trong khoảng 100 chu kỳ chuyển pha (từ thể rắnthể
lỏngthể rắn là một chu kỳ).Tuy nhiên, các nhà sản xuất này không giải quyết đƣợc
nguyên nhân cơ bản là cần làm lạnh phụ thêm cho PCM (bù lạnh giúp PCM chuyển sang
thể rắn) và sự suy giảm theo chu kỳ hoạt động lớn hơn.
14

Các nhà nghiên cứu trƣớc kia nhấn mạnh lợi ích khi sử dụng PCM không tinh
khiết nhằm thúc đẩy sự phát triển trong cấu trúc hạt nhân và ngăn ngừa làm lạnh phụ
thêm. Tuy nhiên, tạp chất cũng thúc đẩy hoạt động mạnh trong cấu trúc phân tử của chất
hydrat không mong muốn, dẫn đến sự phân tầng (tách biệt thành các lớp không hòa lẫn
vào nhau khi PCM nóng chảy) trong hợp chất PCM. Các chuyên gia về tinh thể học đã
xác định đƣợc phƣơng pháp "cấu trúc hạt nhân kết tinh phù hợp (nucleate) ". Nó bao gồm
một "Cold Finger" mà các cấu trúc hạt nhân đƣợc thúc đẩy mạnh sự phát triển của kết
tinh (hóa rắn) mong muốn, theo đó bất kỳ tạp chất nào mà thúc đẩy sự phát triển của kết
tinh không mong muốn đều đƣợc loại bỏ.
*Nucleate là một tiến trình xử lý vật lý mà qua đó sự chuyển đổi trạng thái vật
chất xảy ra, ví dụ từ lỏng sang rắn, xảy ra trong một chất xung quang tiêu điểm nhất
định, được gọi là hạt nhân. Ví dụ phổ biến là sự ngưng tụ hơi nước thành những giọt
nước nhỏ trong không khí, sự hình thành các tinh thể nước đá khi nước đóng băng .v.v…
Những nỗ lực ban đầu trong sự phát triển của vật liệu lƣu trữ nhiệt tiềm ẩn là sử
dụng PCM vô cơ là muối hydrat. Những lợi thế của các vật liệu này là: giá trị nhiệt tiềm
ẩn cao, không cháy, chi phí thấp và có sẵn. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của PCM vô cơ là dễ
ăn mòn, không ổn định, hóa rắn không chính xác, và phải bù lạnh. Do vậy, PCM hữu cơ
đang đƣợc nghiên cứu thêm.
Mật độ lƣu trữ nhiệt tiềm ẩn cao của vật liệu muối hydrat là khó duy trì ổn định
và thƣờng giảm theo chu kỳ hoạt động của vật liệu khi chuyển pha. Bởi vì hầu hết các
muối hydrat tan chảy một cách tƣơng thích, ứng với sự hình thành của muối thấp hơn,
làm cho tiến trình không thể đảo ngƣợc và dẫn đến sụt giảm liên tục trong hiệu quả lƣu
trữ nhiệt tiềm ẩn.
Sự tách biệt pha (phân tầng) có thể đƣợc ngăn chặn do thay đổi các thuộc tính của
muối hydrat bằng cách bổ sung thêm một vật liệu khác có thể cản các pha nặng hơn chìm
xuống đáy. Điều này có thể đạt đƣợc với chất liệu gel hoặc với các vật liệu làm đặc. Gel
đƣợc thêm vào để tạo một liên kết ngang (ví dụ nhƣ polymer) với muối để tạo ra một
mảng ba chiều giữ các muối hydrat liên kết với nhau. Đặc có nghĩa là bổ sung một vật
chất khác cho muối hydrat để làm tăng tính dính và giữ muối hydrat liên kết với nhau.
Bù lạnh cho vật liệu PCM là một vấn đề nghiêm trọng liên quan đến tất cả các

muối hydrat. Nó xuất hiện khi một muối hydrat bắt đầu chuyển sang thể rắn ở nhiệt độ
thấp hơn nhiệt độ hóa rắn của PCM. Một vài nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề này.
Một giải pháp là sử dụng muối hydrat truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp giữa một dòng chất
lỏng truyền nhiệt tách biệt với dung dịch muối hydrat. Một giải pháp khác là sử dụng các
kết tinh hạt nhân.
Bảng 1.1 cung cấp có lựa chọn danh sách các muối ngậm nƣớc – hợp chất eutectic
PCM đƣợc sản xuất cho các ứng dụng lƣu trữ nhiệt khác nhau trên thị trƣờng, xác định
theo tiêu chí quan trọng -điểm tan chảy-melting point.

15

Bảng 1.1: Danh sách các muối ngậm nƣớc – eutectic PCM xác định theo điểm tan chảy
Điểm tan
chảy
o
C
Cấp độ
PCM
Phạm vi
ứng dụng
Tiềm ẩn
nhiệt (LH)
KJ / Kg
LH trong
phạm vi
hữu ích KJ
/ Kg
Tỷ trọng
Ghi chú
-50oC

Tủ đông
-60 -40oC
325
395
1.3

-23oC
Tủ đông
-30 -15oC
330
380
1.2
-16oC
Tủ đông
-25 -05oC
330
380
1,02
04oC
Bảo quản
00 - 10oC
105
135
1.4
07oC
Bảo quản
02 - 12oC
135
170
1.4

10oC
Bảo quản
05 - 15oC
170
200
1.4
15oC
Bảo quản
10 -20o C
175
210
1.4
18oC
NLMT
15 đến
21oC
175
210
1.5
Làm mát và sƣởi ấm ngày-đêm.
Điều hòa không khí (ĐHKK).
Làm mát nội thất, áo khoác, v.v.
21oC
NLMT
18 đến
24oC
175
210
1.5
24oC

NLMT
18 đến 30
° C
175
210
1.5
27oC
NLMT
22 đến
32oC
175
210
1.5
29oC
Dự phòng
ĐHKK
22 đến
36oC
> 175
> 210
1.5
Dự phòng cho ĐHKK
Shelter Viễn thông
32oC
Dự phòng
ĐHKK
22 đến
36oC
210
250

1.4
36oC
Điện tử
30to 50oC
260
300
1.4
Điện tử gia dụng
40oC
Điện tử
30 đến
50oC
220
260
1.4
45oC
Nung
40 đến 55
o C
220
260
1.4

Hệ thống sƣởi năng lƣợng mặt
trời (NLMT)
Bộ tản nhiệt
48oC
Nung
40 đến
58oC

220
260
1.4
58oC
Nung
40 đến
58oC
220
260
1.4
68oC
Thiết bị
điện tử
40 đến
70oC
220
280
1.8
Bồn rửa điện tử
70oC
Thiết bị
điện tử
40 đến
75oC
230
290
1.8
78oC
Thiết bị
điện tử

40 đến
80oC
240
300
1.8
89oC

50 đến
100 o C.
145
185
1,5-1,6
Sản phẩm đánh dấu màu vàng là các mặt hàng đang sử dụng rộng rãi trên thế giới .
16

Một sự so sánh giữa các vật liệu PCM hữu cơ và vô cơ để lƣu trữ nhiệt đƣợc thể
hiện trong bảng 1.2.
Bảng 1.2 : So sánh giữa các vật liệu hữu cơ và vô cơ để lƣu trữ nhiệt. Nguồn: IEA,2005

Hữu cơ

Vô cơ
Ƣu điểm
- Không bị ăn mòn
- Không cần làm lạnh
-Ổn định về đặc tính hóa học và nhiệt

Ƣu điểm
- Chuyển pha hóa tính cao
- Hấp thụ đƣợc lƣợng nhiệt lớn
Nhƣợc điểm
-Chuyển pha hóa tính thấp
- Dẫn nhiệt thấp
- Dễ cháy

Nhƣợc điểm
- Phải làm lạnh vật liệu khi hóa rắn
- Dễ bị ăn mòn
- Tách biệt pha lớn
- Thiếu ổn định nhiệt
Trong khi vật liệu PCM nói chung là phong phú, vài đặc điểm lý tƣởng nào đó của
vật liệu này có thể đƣợc xác định nhằm sử dụng PCM có hiệu quả. Những đặc điểm quan
trọng đƣợc xác định trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Những đặc điểm quan trọng của PCM
Đặc tính nhiệt
Đặc tính hóa học
Đặc tính vật lý

Đặc tính kinh tế
Nhiệt độ biến đổi pha phù hợp
với ứng dụng
Ổn định
Biến thiên tỷ trọng

thấp

Rẻ và phong phú
Biến thiên nhiệt lƣợng của vật
liệu gần với nhiệt độ sử dụng
Không tách biệt pha
Tỷ trọng cao

Tính dẫn nhiệt cao cả ở trạng
thái rắn và lỏng.
Phù hợp với các chất liệu làm
bao bì cho nó
Không cần làm
lạnh

Không độc, không cháy, không
ô nhiễm

Trong khi những đặc điểm này phác thảo các khía cạnh quan trọng cần đƣợc xem
xét để xác định PCM thích hợp, nguyên tắc của bản thân công nghệ có thể đƣợc áp dụng
trong mọi cấu hình sử dụng. Khí hậu đặt ra yêu cầu cao về làm mát và sƣởi ấm hoàn toàn
phù hợp với PCM. Sự khác biệt lớn về nhiệt độ giữa ngày và đêm đặc biệt thích hợp cho
sử dụng PCM, do PCM hấp thụ nhiệt lƣợng ban ngày và tỏa nhiệt vào ban đêm và do đó

làm giảm đáng kể năng lƣợng sử dụng cho làm mát và sƣởi ấm trong nhà.
17

1.2.TÌNH TRẠNG CÔNG NGHỆ VÀ TIỀM NĂNG THỊ TRƢỜNG TƢƠNG LAI PCM:
Hình 1.4 cho thấy rằng các ứng dụng lƣu trữ nói chung sẽ trở nên có giá trị hơn và
quan trọng khi sự thâm nhập năng lƣợng tái tạo lên cao. Nhƣ có thể thấy trong hình, Viện
phân tích năng lƣợng chiến lƣợc và Trung tâm ứng dụng thuộc Phòng thí nghiệm Năng
lƣợng tái tạo quốc gia của Mỹ, hiện đánh giá cao cho lƣu trữ năng lƣợng, một công nghệ
có giá trị nhƣng không đƣợc coi là cần thiết với mạng lƣới điện hiện nay của Mỹ. Tuy
nhiên, tình hình tƣơng lai của nền kinh tế không các-bon sẽ yêu cầu mức độ cao cho các
ứng dụng lƣu trữ năng lƣợng này.

Hình 1.4: Công nghệ lƣu trữ năng lƣợng quan trọng trong tình hình chung.
Nguồn: SEAAC of NREL, 2008.
Trong khi một phần khá lớn các ứng dụng lƣu trữ năng lƣợng đã đạt đƣợc đến giai
đoạn chín muồi, PCM vẫn đang trong giai đoạn phát triển. Xem xét bảng 1.4, trong đó
cho thấy một số công nghệ lƣu trữ năng lƣợng nhiệt và giai đoạn chín muồi của chúng về
việc sử dụng trong nhà máy điện năng lƣợng mặt trời tập trung (CST). PCM đƣợc đặt
trong giai đoạn phát triển hoặc thể hiện. Viện nghiên cứu năng lƣợng điện Mỹ (EPRI) kết
luận rằng "các hệ thống lƣu trữ liên quan đến PCM vẫn còn trong giai đoạn trứng nƣớc,
và đòi hỏi phải nghiên cứu thêm để xác định sự phù hợp của các hệ thống này với các nhà
máy CST sử dụng chất lỏng truyền nhiệt" (theo EPRI, 2009).
Bảng 1.4. Tình trạng thƣơng mại hóa các hệ thống lƣu trữ năng lƣợng nhiệt.
Nguồn: EPRI, 2009
Thương mại

Nguyên mẫu tiền
thương mại
Giai đoạn thể hiện
Giai đoạn phát triển

Bình hơi nước

Hai bồn chứa thông
trực tiếp
Hai bồn chứa thông
gián tiếp

Hai bồn chứa thông trực
tiếp
Block than chì
Hồ chứa có sự phân tầng
nhiệt
Block bê-tông
Vật liệu chuyển pha
Nhiệt hóa
Vật liệu chuyển pha
18

Một báo cáo gần đây của công ty Lux Research dự đoán việc sử dụng các vật liệu
chuyển pha PCM trong các tòa nhà sẽ tăng từ gần bằng không hiện nay lên đến 130 triệu
USD trong doanh thu hàng năm vào năm 2020.
Trong khi đó, một số ứng dụng khác đang nổi lên. UK-based Star Refrigeration
đang sử dụng carbon dioxide, vốn chuyển từ pha lỏng sang khí ờ nhiệt độ rất thấp, nhằm
giữ các trung tâm dữ liệu luôn mát. Nhiệt phát ra từ các khu vực đặt máy chủ hiệu suất
cao hiện nay có thể áp đảo ngay cả những hệ thống nƣớc làm mát tiên tiến nhất. Bằng
cách bơm CO
2
qua hệ trao đổi nhiệt, gần đây công ty đã chứng minh khả năng lấy gần

gấp đôi lƣợng nhiệt từ các máy tính so với các hệ thống đƣợc sử dụng hiện nay.
Ở miền tây Trung Quốc, các PCM có nguồn gốc từ bơ bò và dầu thực vật địa
phƣơng giúp những ngƣời chăn nuôi bò giữ ấm. Vật liệu này đƣợc bọc trong nhựa và sau
đó dệt thành quần áo truyền thống. Nó tan ra khi những ngƣời này làm việc, hoặc do mồ
hôi khi đi bộ lên đồng cỏ trên núi, sau đó, khi họ ngừng di chuyển, sức nóng bị dồn nén
từ từ thoát ra, giữ ấm cho họ khi trông coi các đàn gia súc. Hơn 100 gia đình đang sử
dụng các vật liệu này nhƣ là một phần của một dự án thí điểm, ngoài ra còn gồm các cuộn
gối đặt trên giƣờng đƣợc sƣởi ấm bởi bếp lò trong ngày và giữ ấm áp vào ban đêm.
Một ứng dụng đầy hứa hẹn của các PCM là cung cấp vaccine cho các nƣớc đang
phát triển. Vaccine cần đƣợc giữ lạnh trong quá trình vận chuyển, đây là thách thức đối
với các quốc gia với khả năng giữ lạnh có giới hạn. Chúng thƣờng đƣợc đóng gói trong
nƣớc đá, nhƣng hiệu quả của chúng có thể bị giảm nghiêm trọng nếu chúng bị đóng băng.
Sử dụng vật liệu chuyển pha từ 4
O
C đến 8
O
C, nhà sản xuất bao bì Mỹ Sonoco cho biết
họ đã phát triển một giải pháp mà có thể giữ mát vaccine tới sáu ngày. Sonoco đang thử
nghiệm Greenbox với một nhà phát triển công nghệ sinh học phi lợi nhuận PATH, để đáp
ứng các tiêu chuẩn của Tổ chức y tế thế giới WHO.
Khai thác các PCM cho việc lƣu trữ năng lƣợng cũng có thể cải tiến hệ thống năng
lƣợng mặt trời. Các hệ thống hiện nay tập trung nhiệt mặt trời dựa vào dung dịch muối để
lƣu trữ nhiệt. Điều này cho phép các nhà máy điện có thể sản xuất năng lƣợng kể cả khi
mặt trời không còn chiếu sáng, nhƣng đòi hỏi một lƣợng lớn chất lỏng và kích thƣớc lớn,
cùng với đó là các cơ sở lƣu giữ cách nhiệt tốt. Bằng cách sử dụng các hóa chất có thể
chuyển pha PCM, nhà sản xuất của nƣớc Đức SGL Carbon cho biết nó có thể làm giảm
khối lƣợng của vật liệu lƣu trữ cần thiết khoảng hai phần ba.
Việc sử dụng PCM dẫn đến giảm nhu cầu công suất phát điện cao điểm. Lƣu trữ
đƣa ra một phƣơng thức thay thế cho việc xây dựng và vận hành một công suất hệ thống
phát điện mới và dự trữ. Ví dụ, các ghi chú của Ủy Ban Tiện Ích Công Cộng California

CPUC (Mỹ) cho rằng nhu cầu điện giờ cao điểm California là một mối quan tâm lớn. Đặc
biệt là do dân số tăng mạnh ở miền Trung và miền Nam của California. CPUC kết luận
19

rằng chi phí cho công suất phát điện cao điểm sẽ tiếp tục tăng do nhu cầu cao điểm tăng
và nhƣ vậy chi phí phát thải carbon trở nên đắt hơn (CPUC, 2010). Trong trƣờng hợp
này, sự bổ sung PCM sẽ dẫn đến nhu cầu điện cao điểm giảm cho điều hòa không khí và
sẽ làm giảm bớt căng thẳng cho công suất phát điện cao điểm.
Sử dụng PCM trong một hệ thống vận hành tích cực, nơi nhiệt hoặc lạnh nhân tạo
đƣợc lƣu giữ, cũng có thể đảm bảo sử dụng hiệu quả hơn năng lƣợng giờ thấp điểm và
năng lƣợng tái tạo khác. Một nguồn cung cấp năng lƣợng, khi nhu cầu thấp có thể đƣợc
lƣu trữ, để sử dụng lại sau đó vào lúc nhu cầu cao. Ví dụ, các ghi chú của CPUC rằng gió
ở California có xu hƣớng thổi mạnh nhất vào ban đêm, gây mất cân đối giữa cung và cầu
năng lƣợng. Ứng dụng lƣu trữ, chẳng hạn nhƣ PCM, có thể cho phép gió dƣ thừa và năng
lƣợng giờ thấp điểm đƣợc lƣu trữ và sử dụng trong thời gian nhu cầu cao (CPUC, 2010).
Đặc biệt là trong trƣờng hợp quá nhiệt, mà sẽ đƣợc sử dụng để sản xuất điện, cần phải
đƣợc lƣu trữ, PCM sẽ là một ứng dụng lƣu trữ hiệu quả hơn so với một số công nghệ lƣu
trữ khác.
Ủy Ban Tiện Ích Công Cộng California (CPUC) xác định một lợi thế liên quan
đến khí hậu với việc sử dụng các ứng dụng lƣu trữ. CPUC cho rằng do thay đổi khi sử
dụng năng lƣợng giờ cao điểm vào giờ thấp điểm bằng cách lƣu trữ, có thể làm giảm khí
nhà kính và các khí thải. Ứng dụng PCM dẫn đến một nhu cầu nhỏ hơn về năng lƣợng
vào lúc nóng nhất trong ngày, do sụt giảm nhu cầu năng lƣợng cho hệ thống điều hòa
không khí. Ngoài ra, PCM làm giảm năng lƣợng cần thiết để sƣởi ấm, bởi vì năng lƣợng
lƣu trữ đƣợc đem ra sử dụng.

Kết luận
Hợp chất hữu cơ và vô cơ là hai nhóm phổ biến nhất của PCM. Hầu hết hợp chất
PCM hữu cơ là không ăn mòn và có tính hóa học ổn định, cần ít hoặc không cần bù lạnh,
tƣơng thích với hầu hết các vật liệu xây dựng và có năng lƣợng nhiệt tiềm ẩn cao cho mỗi

đơn vị trọng lƣợng và mức áp suất bay hơi thấp. Nhƣợc điểm là độ dẫn nhiệt thấp, thể
tích thay đổi nhiều khi chuyển pha và dễ cháy.
Các hợp chất PCM vô cơ có năng lƣợng nhiệt tiềm ẩn cao cho mỗi đơn vị thể tích
và độ dẫn nhiệt cao, không cháy, chi phí thấp so với các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên,
chúng có tính ăn mòn đối với hầu hết các kim loại, bị phân hủy và bù lạnh, mà có thể ảnh
hƣởng đến tính chất chuyển pha của chúng. Các ứng dụng của PCM vô cơ yêu cầu sử
dụng nucleate và các chất phụ gia làm đặc, để giảm thiểu bù lạnh và phân lớp. Các công
ty thƣơng mại đang có những nỗ lực đáng kể nhằm tiếp tục khám phá những phụ gia đó.
Các ứng dụng dùng PCM là rất lớn, từ lƣu trữ nhiệt và lạnh trong các tòa nhà đến lƣu trữ
nhiệt trong các vệ tinh và quần áo bảo hộ nhiệt. Một PCM với điểm nóng chảy dễ dàng
điều chỉnh, sẽ là một điều cần thiết khi mà nhiệt độ nóng chảy là tiêu chí quan trọng nhất
để lựa chọn một PCM cho những ứng dụng năng lƣợng mặt trời thụ động. Nhiều ứng
dụng đến nay vẫn chƣa đƣợc phát hiện.
20

CHƢƠNG 2
TÍNH NĂNG LƢU TRỮ NHIỆT
VÀ CÁC ỨNG DỤNG VỚI VẬT LIỆU PCM
2.1. TÍNH NĂNG LƢU TRỮ NHIỆT
2.1.1. Phân tích tính chất hóa học của PCM
Vật liệu PCM đƣợc sử dụng cho lƣu trữ năng lƣợng nhiệt chuyển pha phải có nhiệt
năng tiềm ẩn lớn và tính dẫn nhiệt cao. Chúng cần phải có một nhiệt độ nóng chảy (điểm
tan chảy-Melting Point) nằm trong phạm vi hoạt động thực tiễn, nóng chảy đồng nhất với
mức bù lạnh tối thiểu và có tính ổn định hóa học, chi phí rẻ, không độc hại và không ăn
mòn. Các vật liệu đã đƣợc nghiên cứu trong hàng chục năm qua là muối hydrat, sáp
parafin, các axit béo và các hợp chất eutectic hữu cơ và vô cơ.
Tùy thuộc vào các ứng dụng mà vật liệu PCM đƣợc lựa chọn trên hết là dựa trên
nhiệt độ nóng chảy của chúng. Vật liệu nóng chảy dƣới 15
o
C đƣợc sử dụng để lƣu trữ

lạnh trong các ứng dụng điều hòa không khí, trong khi vật liệu tan chảy trên 90
O
C đƣợc
sử dụng cho sự hấp thụ lạnh. Các vật liệu khác có nhiệt độ tan chảy nằm giữa hai nhiệt độ
này có thể đƣợc áp dụng trong hệ thống sƣởi năng lƣợng mặt trời và các ứng dụng san tải
nhiệt (cân bằng điều hòa nhiệt). Các vật liệu này đại diện cho các chủng loại vật liệu
PCM đƣợc nghiên cứu nhiều nhất.
Danh sách tổng hợp của hầu hết các vật liệu có thể đƣợc sử dụng để lƣu trữ nhiệt
tiềm ẩn nhƣ ở hình 2.1, theo báo cáo công bố của Abhat[1]. Các thông tin nhƣ vậy có thể
liên hệ các tài liệu của Lorsch et al. [2], Lane et al. [3] và Humphries và Griggs [4] tổng
hợp một số lƣợng lớn các vật liệu là ứng viên cho lƣu trữ nhiệt tiềm ẩn, bao trùm trên một
giải rộng thang đo nhiệt độ.
Sáp parafin thƣơng mại có giá rẻ với mật độ lƣu trữ nhiệt vừa phải ( xấp xỉ 200 kJ/
kg hoặc 150 MJ/m
3
) và một giải nhiệt độ nóng chảy (Hình 2.1a). Chúng bù lạnh không
đáng kể, có đặc tính hóa học trơ và ổn định, không có sự phân tầng. Tuy nhiên, chúng lại
có hệ số dẫn nhiệt thấp (xấp xỉ 0,2 W/m
O
C), làm hạn chế các ứng dụng của chúng. Để
cải thiện tính dẫn nhiệt của chúng [5], ngƣời ta dùng các lá kim loại gắn vào ống đựng
PCM, chế tạo cấu trúc dạng tổ ong làm ống đựng PCM, nhồi phôi kim loại vào ống đựng
PCM, đựng PCM vào các tấm phẳng .v.v…Trong đó, phƣơng pháp làm cánh xẻ rãnh và
nhồi phôi kim loại vào ống đựng PCM là có hiệu quả hơn tất thảy nếu xét về phƣơng diện
kinh tế và hiệu quả dẫn nhiệt. Một phƣơng pháp hữu ích nữa là đựng PCM vào các tấm
panel mỏng bằng nhựa HDPE. Sáp parafin tinh khiết rất tốn kém, do đó, chỉ parafin cấp
kỹ thuật mới đƣợc sử dụng. Sáp parafin thƣơng mại, nóng chảy trong khoảng 55
O
C, đƣợc
nghiên cứu nhiều nhất.

21

Hình 2.1(a) Nhiệt tiềm ẩn tan chảy của các hợp chất parafin [1].
Hình 2.1(b) Nhiệt tiềm ẩn tan chảy của các hợp chất hữu cơ phi parafin [1].
Hình 2.1(c) Nhiệt tiềm ẩn tan chảy / khối lƣợng các hợp chất vô cơ [1].
Hình 2.1(d) Nhiệt tiềm ẩn nhiệt nóng chảy / thể tích các hợp chất vô cơ [1].
Hình 2.1(e) Nhiệt tiềm ẩn nhiệt nóng chảy các hợp chất eutectic [1].

22

Nhóm nghiên cứu Farid et al. [6] đã sử dụng ba loại sáp parafin thƣơng mại có
nhiệt độ nóng chảy tuần tự là 44, 53 và 64
O
C với nhiệt năng tiềm ẩn là 167, 200 và 210
kJ / kg tƣơng ứng, đặt vào cùng trong một thiết bị lƣu trữ để cải thiện hiệu suất của thiết
bị. Nhiều nhà nghiên cứu lại sử dụng P-116 nhƣ là một sáp parafin thƣơng mại. Nó có
nhiệt độ nóng chảy khoảng 47
o
C và nhiệt năng tiềm ẩn 210 kJ / kg.
Feldman và Shapiro [7] đã phân tích các tính chất nhiệt của axít béo (capric,
lauric, axit palmitic và axit stearic) và hỗn hợp nhị phân của chúng. Kết quả cho thấy
rằng chúng là những ứng viên hấp dẫn cho lƣu trữ năng lƣợng nhiệt tiềm ẩn trong các
ứng dụng sƣởi ấm không khí. Dải nhiệt độ nóng chảy của các axit béo đƣợc tìm thấy thay
đổi trong khoảng 30
O
C -65
O
C, trong khi sự chuyển đổi nhiệt năng tiềm ẩn của chúng
đƣợc quan sát thấy thay đổi trong khoảng 153-182 kJ/kg. Các thuộc tính này là quan

trọng hàng đầu trong việc thiết kế một hệ thống lƣu trữ năng lƣợng nhiệt tiềm ẩn.
Hasan [8] đã tiến hành một cuộc điều tra thử nghiệm acid palmitic nhƣ một PCM
cho lƣu trữ năng lƣợng. Nghiên cứu tham số của quá trình chuyển pha bao gồm thời gian
chuyển tiếp, khoảng nhiệt độ và sự lan truyền của bề mặt rắn-lỏng, cũng nhƣ đặc điểm
tốc độ dòng chảy nhiệt của hệ thống lƣu trữ bằng ống vòng tròn. Dimaano và Escoto [9]
đánh giá một hỗn hợp của axit béo capric và lauric để lƣu trữ ở nhiệt độ thấp. Nhiệt tan
chảy của hỗn hợp vào khoảng 14
o
C và nhiệt tiềm ẩn dao động trong khoảng 113 và 133
kJ / kg, tùy thuộc vào thành phần hỗn hợp. Một vài vật liệu chỉ đƣợc sử dụng để nghiên
cứu hiệu suất các hệ thống lƣu trữ và không có khả năng đƣợc áp dụng trong thực tế. Ví
dụ đó là dimethyl sulfoxide, có nhiệt độ nóng chảy 16,5
O
C và nhiệt năng tiềm ẩn chỉ
86kJ/kg, và anhydride maleic, nhiệt độ nóng chảy 52
O
C và 145kJ/kg.
Muối hydrat (Hình 2.1c, d) là vật liệu hấp dẫn để sử dụng trong lƣu trữ năng lƣợng
nhiệt do mật độ thể tích lƣu trữ cao ( 350 MJ/m3), độ dẫn nhiệt tƣơng đối cao (0,5 W/m

o
C) và có chi phí vừa phải so với các loại sáp parafin, với vài ngoại lệ. Muối Glauber
(Na
2
SO
4
.H
2
O), trong đó có 44% Na2SO4 và 56% H2O tính theo trọng lƣợng, đã đƣợc
nghiên cứu sớm từ 1952. Nó có nhiệt độ nóng chảy khoảng 32,4

o
C , nhiệt năng tiềm ẩn
cao 254 kJ / kg (377 MJ/m3) và là một trong những vật liệu với giá rẻ nhất có thể đƣợc
sử dụng cho lƣu trữ năng lƣợng nhiệt.
Tuy nhiên, các vấn đề về phân tầng và bù lạnh đã hạn chế ứng dụng của PCM.
Biswas [10] đã đề nghị việc sử dụng các nguyên lý nƣớc phụ thêm để ngăn chặn sự hình
thành của muối khan nặng. Mặc dù điều này làm cho hệ thống ổn định theo chu kỳ sử
dụng, nó lại làm giảm mật độ lƣu trữ và yêu cầu hệ thống đƣợc vận hành với khoảng
nhiệt độ dao động lớn. Sử dụng một số tác nhân làm đặc, nhƣ đất sét bentonit, với muối
Glauber đã đƣợc đề xuất để giải quyết vấn đề phân tầng. Thật không may, điều này làm
giảm tỷ lệ đông đặc và truyền nhiệt tới muối do tính dẫn nhiệt thấp hơn của hỗn hợp. Từ
lâu, hàn the đã đƣợc đƣợc đề xuất nhƣ một tác nhân nucleate để giảm thiểu bù lạnh. Tuy
23

nhiên, điều này lại phải dùng một số tác nhân làm đặc để ngăn chặn chất lắng của hàn the
mật độ cao. Hầu hết các muối hydrat khác cũng có cùng các vấn đề tƣơng tự.
Bảng 2.1 cho thấy sự so sánh giữa hệ thống lƣu trữ nhiệt cảm nhận (sensible heat)
sử dụng lớp nền đá và bể nƣớc với hệ thống lƣu trữ nhiệt tiềm ẩn sử dụng các hợp chất
hữu cơ và vô cơ. Lợi thế của nhiệt tiềm ẩn đối với nhiệt cảm nhận là rõ ràng từ sự so sánh
về khối lƣợng và thể tích của hệ thống lƣu trữ cần thiết cho lƣu trữ cùng một số lƣợng
nhiệt nhất định. Từ bảng 2.1 và hình 2.1(d) ta thấy rằng các hợp chất vô cơ, nhƣ muối
ngậm nƣớc, có mật độ lƣu trữ nhiệt lƣợng về thể tích cao hơn so với hầu hết các hợp chất
hữu cơ, do nhiệt tiềm ẩn và mật độ của các hợp chất vô cơ cao hơn.
Bảng 2.1: So sánh giữa các phƣơng tiện lƣu trữ nhiệt khác nhau

Đặc tính
Đá
Nƣớc
PCM hữu cơ
PCM vô cơ

Mật độ, kg/m3
2240
1000
800
1600
Nhiệt dung riêng, kJ/kg
1.0
4.2
2.0
2.0
Nhiệt tiềm ẩn, kJ/kg
-
335
190
230
Nhiệt tiềm ẩn, MJ/ m
3

-
306
152
368
Khối lƣợng cho 10
6
J, kg
67000
16000
5300
4350
Thể tích cho 10

6
J, m
3

30
16
6.6
2.7
Quan hệ khối lƣợng
15
4
1.25
1.0
Quan hệ thể tích
11
6
2.5
1.0

2.1.2.Các vấn đề về phân tầng và bù lạnh
Sự tách biệt pha (phân tầng) có thể đƣợc ngăn chặn do thay đổi các thuộc tính của
muối hydrat bằng cách bổ sung thêm một vật liệu khác có thể cản các pha nặng hơn chìm
xuống đáy. Điều này có thể đạt đƣợc với chất liệu gel hoặc với các vật liệu làm đặc. Gel
đƣợc thêm vào để tạo một liên kết ngang (ví dụ nhƣ polymer) với muối để tạo ra một
mảng ba chiều giữ các muối hydrat liên kết với nhau. Đặc có nghĩa là bổ sung một vật
chất khác cho muối hydrat để làm tăng tính dính và giữ muối hydrat liên kết với nhau.
Bù lạnh cho vật liệu PCM là một vấn đề nghiêm trọng liên quan đến tất cả các
muối hydrat. Nó xuất hiện khi một muối hydrat chỉ bắt đầu chuyển sang thể rắn ở nhiệt
độ thấp hơn nhiệt độ hóa rắn của PCM. Một vài nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề này.
Một giải pháp là sử dụng muối hydrat truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp giữa một dòng chất

lỏng truyền nhiệt tách biệt với dung dịch muối hydrat. Một giải pháp khác là sử dụng các
kết tinh hạt nhân nucleate.
Mật độ lƣu trữ cao của muối hydrat thƣờng khó duy trì và thƣờng giảm theo chu
kỳ hoạt động. Điều này là do hầu hết muối hydrat tan chảy một cách tƣơng ứng với sự tạo
thành của muối hydrat mức thấp, làm cho tiến trình không thể đảo ngƣợc và dẫn đến sự
suy giảm liên tục hiệu quả lƣu trữ của chúng. Bù lạnh là một vấn đề nghiêm trọng liên
quan đến tất cả các muối hydrat. Nhằm khắc phục những vấn đề này, một số nhà nghiên
cứu đã sử dụng muối hydrat trong truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp giữa một dòng chất lỏng
24

truyền nhiệt tách biệt và dung dịch muối hydrat, nhƣ sẽ đƣợc mô tả sau. Sự xáo động gây
ra bởi chất lỏng truyền nhiệt đã giảm thiểu sự bù lạnh và ngăn chặn sự phân tầng. Các
muối hydrat đƣợc nghiên cứu là CaCl
2
.6H
2
O, Na
2
SO
4
.10H
2
O, Na
2
HPO
4
.12 H
2
O,
NaCO

3
.10 H
2
O, và Na
2
S
2
O
4
.5 H
2
O.
Nguyên lý nƣớc phụ thêm (extra water) đƣợc sử dụng để ngăn ngừa tắc nghẽn của
tầng sôi và sự hình thành muối khan, tác nhân sẽ làm giảm mật độ lƣu trữ của muối
hydrat ngậm nƣớc. Nhiệt độ kết tinh của các muối ngậm nƣớc là từ 30 đến 50
o
C, rất thích
hợp cho các ứng dụng sƣởi ấm năng lƣợng mặt trời. Dựa trên biểu đồ chuyển pha của các
muối này, rõ ràng là quá trình thải nhiệt có sử dụng các loại muối này xảy ra với sự giảm
liên tục nhiệt độ kết tinh, do sự pha loãng ở trạng thái lỏng (pha lỏng). Đây không phải là
mong muốn trong hầu hết các ứng dụng, mà cùng với những khó khăn liên quan đến hoạt
động của hệ thống lƣu trữ, có thể hạn chế ứng dụng của các muối này.
Bất chấp những vấn đề liên quan đến ứng dụng của muối ngậm nƣớc trong hệ
thống lƣu trữ nhiệt, không sử dụng dòng chất lỏng truyền nhiệt, một số công ty đã đạt
những nỗ lực đáng kể trong việc phát triển tác nhân nucleate và chất ổn định cho một số
các muối ngậm nƣớc. Các công ty nổi tiếng đã phát triển đƣợc vật liệu PCM thƣơng mại
đóng gói trong hình cầu bằng nhựa. Các sản phẩm đã đƣợc thử nghiệm qua một số lớn
chu kỳ hoạt động và nhận thấy ổn định. Các báo cáo nhiệt năng tiềm ẩn cho CaCl
2
.6H

2
O
là 267MJ/m3, thấp hơn so với muối tinh khiết, do sử dụng nguyên lý nƣớc phụ thêm cùng
các tác nhân nucleate và làm đặc. Muối CaCl
2
đƣợc lựa chọn, mặc dù nhiệt năng tiềm ẩn
của nó thấp hơn muối ngậm nƣớc khác, có lẽ vì nó dễ dàng ổn định hơn, giảm thiểu sự
phân tầng.
Ryu et al. đã thực hiện nghiên cứu sâu rộng trên các tác nhân làm đặc và nucleate
phù hợp, có thể đƣợc sử dụng cho một số muối ngậm nƣớc. Bảng 2.2 tóm tắt cho phát
hiện quan trọng của họ, nó cho thấy sự giảm thiểu đáng kể mức độ bù lạnh bằng cách áp
dụng tác nhân nucleate và làm đặc phù hợp.
Bảng 2.2: Giải bù lạnh của PCM làm đặc với xúc tác nucleate khác nhau

PCM
Làm đặc
Điểm tan chảy
Nucleate (cỡ, µm)
Bù lạnh (
o
C)

Ko nucleator
Có nucleator
Na
2
SO