Đồ án: Nghiên cứu ô tô điện năng lượng mặt trời tại ĐH Bách Khoa Đà Nẵng

Tải luận văn nghiên cứu và phát triển ô tô điện năng lượng mặt trời. Khám phá thiết kế, tính toán và ứng dụng thực tế cho khuôn viên đại học.

• Tác giả: Huỳnh Thái Danh
• Người hướng dẫn: Ts. Phạm Quốc Thái
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Cơ khí Giao thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Phát Triển Ô Tô Điện Kết Hợp Nguồn Năng Lượng Mặt Trời Chạy Trong Khuôn Viên Trường Đại Học
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Hướng dẫn toàn diện luận văn ô tô điện năng lượng mặt trời

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên về ô tô điện năng lượng mặt trời đang trở thành một xu hướng tất yếu trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường. Một đồ án tốt nghiệp ô tô điện không chỉ mang giá trị học thuật cao mà còn có ý nghĩa thực tiễn, đặc biệt là các mô hình ứng dụng trong phạm vi hẹp như khuôn viên trường đại học. Mục tiêu chính của các dự án này là thiết kế và chế tạo một xe điện mini nhỏ gọn, vận hành đơn giản, và hoàn toàn sử dụng năng lượng tái tạo. Việc phát triển một mô hình xe năng lượng mặt trời là câu trả lời cho bài toán giảm thiểu phát thải khí nhà kính từ động cơ đốt trong và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Đồ án "Nghiên cứu và phát triển ô tô điện kết hợp nguồn năng lượng mặt trời chạy trong khuôn viên trường Đại học" của sinh viên Huỳnh Thái Danh (Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2020) là một ví dụ điển hình. Nghiên cứu này tập trung vào việc tạo ra một sản phẩm cụ thể, có khả năng vận hành với tốc độ 30 km/h, sử dụng các công nghệ tiên tiến như động cơ điện DC không chổi than và hệ thống an toàn thông minh. Tổng quan đề tài cho thấy sự cấp thiết của việc tìm kiếm các giải pháp giao thông xanh, phù hợp với định hướng phát triển bền vững của ngành công nghệ ô tô toàn cầu. Hơn nữa, việc thực hiện đề tài này trong môi trường đại học tạo điều kiện cho sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế, từ khâu thiết kế và thi công đến thử nghiệm và tối ưu hóa công suất.

1.1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên này

Việc lựa chọn đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên về ô tô điện năng lượng mặt trời xuất phát từ hai vấn đề cấp bách: ô nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ đốt trong và sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch. Theo thống kê, phương tiện giao thông là một trong những nguồn phát thải CO2, NOx, và các hạt rắn chính. Đề tài này hướng đến việc tạo ra một giải pháp giao thông sạch, không phát thải, góp phần bảo vệ môi trường trong lành, đặc biệt là tại các không gian tập trung đông người như trường đại học. Hơn nữa, việc khai thác năng lượng tái tạo từ mặt trời là một giải pháp bền vững, giúp giảm sự phụ thuộc vào xăng, dầu, vốn là những nguồn tài nguyên không thể phục hồi và có giá cả biến động.

1.2. Tổng quan mô hình xe năng lượng mặt trời cho đại học

Mô hình xe điện được đề xuất là một chiếc ô tô cỡ nhỏ, hai chỗ ngồi, được thiết kế đặc biệt để di chuyển trong khuôn viên trường học. Xe có kết cấu nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp và vận hành đơn giản. Nguồn động lực chính là động cơ điện DC không chổi than (BLDC), được cung cấp năng lượng từ một hệ thống ắc quy lưu trữ. Điểm đặc biệt của mô hình này là hệ thống pin quang điện được lắp đặt trên nóc xe. Hệ thống này không chỉ cung cấp năng lượng cho các thiết bị phụ tải như đèn, còi mà còn có vai trò hỗ trợ sạc cho ắc quy, kéo dài quãng đường di chuyển. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc hiện thực hóa các phương tiện tự cung tự cấp năng lượng.

II. Phân tích thách thức trong đồ án tốt nghiệp ô tô điện

Thực hiện một đồ án tốt nghiệp ô tô điện kết hợp năng lượng mặt trời đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Thách thức lớn nhất là vấn đề về hiệu suất chuyển đổi năng lượng và khả năng lưu trữ. Các tấm pin quang điện hiện nay có hiệu suất chưa cao, chỉ khoảng 15-22%, trong khi cường độ bức xạ mặt trời lại không ổn định. Điều này đòi hỏi phải tính toán chính xác diện tích bề mặt pin và dung lượng ắc quy lưu trữ để đảm bảo xe có thể hoạt động liên tục, ngay cả trong điều kiện ít nắng. Một thách thức khác là việc tối ưu hóa công suất của toàn bộ hệ thống, từ khâu thu năng lượng, sạc, đến cung cấp cho hệ thống truyền động. Bất kỳ tổn hao nào trên đường đi của dòng điện cũng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quãng đường và hiệu năng của xe. Thêm vào đó, việc chế tạo khung xe nhẹ nhưng vẫn phải đảm bảo độ cứng vững và an toàn là một bài toán khó. Sử dụng vật liệu composite có thể là một giải pháp, nhưng lại làm tăng chi phí sản xuất. Cuối cùng, việc tích hợp và lập trình các hệ thống điều khiển điện tử, từ bộ điều khiển động cơ đến các hệ thống an toàn thông minh, đòi hỏi kiến thức sâu rộng về cả cơ khí và điện tử, là một thử thách không nhỏ đối với sinh viên.

2.1. Vấn đề hiệu suất chuyển đổi năng lượng và lưu trữ

Hiệu suất thấp của pin quang điện là rào cản chính. Để cung cấp đủ năng lượng, xe cần một diện tích pin lớn, điều này mâu thuẫn với yêu cầu về một thiết kế nhỏ gọn. Giải pháp được đưa ra là kết hợp sử dụng các loại pin hiệu suất cao và một hệ thống ắc quy lưu trữ có mật độ năng lượng lớn, ví dụ như pin Lithium-ion (Li-ion). Tuy nhiên, pin Li-ion có giá thành cao và yêu cầu một hệ thống quản lý pin (BMS) phức tạp để đảm bảo an toàn. Do đó, trong khuôn khổ các đồ án sinh viên, việc lựa chọn ắc quy chì-axit hoặc các loại pin khác có giá thành hợp lý hơn thường được ưu tiên, dù phải hy sinh về trọng lượng và mật độ năng lượng.

2.2. Yêu cầu thiết kế khung xe nhẹ và vật liệu composite

Trọng lượng của xe ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng tiêu thụ. Một chiếc xe càng nhẹ thì càng cần ít năng lượng để di chuyển, từ đó kéo dài được quãng đường hoạt động. Việc thiết kế một khung xe nhẹ là ưu tiên hàng đầu. Các vật liệu truyền thống như thép có độ bền cao nhưng lại nặng. Nhôm là một lựa chọn tốt hơn nhưng khó gia công hơn. Vật liệu composite, như sợi carbon hoặc sợi thủy tinh, là lý tưởng nhất về tỷ lệ độ bền trên trọng lượng, nhưng chi phí lại rất cao và quy trình chế tạo phức tạp. Do đó, các dự án sinh viên thường tìm kiếm sự cân bằng bằng cách tối ưu hóa thiết kế khung thép dạng ống hoặc sử dụng kết hợp các vật liệu để giảm trọng lượng mà không đẩy chi phí lên quá cao.

III. Bí quyết thiết kế hệ thống sạc từ năng lượng mặt trời

Để xây dựng một hệ thống sạc từ năng lượng mặt trời hiệu quả cho xe điện mini, cần tập trung vào ba thành phần cốt lõi: tấm pin quang điện, bộ điều khiển sạc MPPT, và ắc quy lưu trữ. Việc lựa chọn các thành phần này phải dựa trên tính toán cẩn thận về công suất tiêu thụ của xe và điều kiện bức xạ mặt trời tại khu vực vận hành. Theo tài liệu tham khảo, tổng công suất tiêu thụ của các phụ tải trên xe cần được xác định trước. Từ đó, ta có thể tính toán công suất đỉnh (Wp) của tấm pin cần thiết. Việc lựa chọn tấm pin (loại mono hay poly) cũng ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí. Sau khi năng lượng được tạo ra, nó cần được quản lý một cách thông minh. Đây là lúc bộ điều khiển sạc MPPT (Maximum Power Point Tracking) phát huy vai trò. Công nghệ này liên tục dò tìm điểm công suất cực đại của tấm pin để tối đa hóa lượng năng lượng nạp vào ắc quy, giúp tăng hiệu suất sạc lên đến 30% so với các bộ điều khiển PWM truyền thống. Cuối cùng, ắc quy lưu trữ phải có dung lượng đủ lớn để cung cấp năng lượng cho xe khi trời không nắng và có khả năng chịu được chu kỳ nạp xả sâu. Việc kết hợp hài hòa ba yếu tố này chính là bí quyết để tối ưu hóa công suất và đảm bảo hệ thống năng lượng hoạt động ổn định.

3.1. Tính toán lựa chọn pin quang điện và ắc quy lưu trữ

Quá trình lựa chọn bắt đầu bằng việc thống kê công suất tiêu thụ của tất cả các thiết bị điện trên xe, bao gồm động cơ, hệ thống chiếu sáng, và các cảm biến. Dựa trên tổng công suất này và số giờ nắng trung bình mỗi ngày, ta tính toán được tổng năng lượng cần tạo ra từ pin quang điện. Ví dụ, trong đồ án của Huỳnh Thái Danh, tấm pin POLY 30W đã được lựa chọn. Về phần ắc quy lưu trữ, dung lượng (Ah) được tính toán để đảm bảo xe có thể hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định mà không cần sạc. Các loại ắc quy như Ắc quy Đồng Nai CMF 40B20R (12V/35Ah) cho động cơ và Ắc quy GLOBE 12V/12Ah cho phụ tải là những lựa chọn thực tế cho các dự án quy mô nhỏ.

3.2. Vai trò của bộ điều khiển sạc MPPT để tối ưu công suất

Bộ điều khiển sạc MPPT là trái tim của hệ thống năng lượng mặt trời. Không giống như bộ điều khiển PWM chỉ đơn giản là nối và ngắt mạch, MPPT sử dụng một thuật toán phức tạp để điều chỉnh điện áp từ tấm pin sao cho nó luôn hoạt động ở điểm có công suất cao nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong điều kiện ánh sáng thay đổi liên tục (mây che, góc chiếu thay đổi). Bằng cách tối ưu hóa quá trình sạc, MPPT không chỉ giúp thu được nhiều năng lượng hơn mà còn bảo vệ ắc quy lưu trữ khỏi tình trạng sạc quá mức hoặc xả quá sâu, qua đó kéo dài tuổi thọ của ắc quy. Đây là một khoản đầu tư quan trọng để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng của toàn hệ thống.

IV. Phương pháp xây dựng hệ thống truyền động cho xe điện mini

Xây dựng hệ thống truyền động là khâu then chốt trong quá trình thiết kế và thi công một chiếc xe điện mini. Hệ thống này quyết định đến khả năng tăng tốc, tốc độ tối đa và hiệu quả sử dụng năng lượng của xe. Thành phần trung tâm của hệ thống là động cơ điện DC không chổi than (BLDC). Loại động cơ này được lựa chọn rộng rãi cho các ứng dụng xe điện nhờ các ưu điểm vượt trội: hiệu suất cao, momen xoắn lớn, cấu trúc nhỏ gọn, độ bền cao và không cần bảo trì chổi than. Trong đồ án tham khảo, động cơ BLDC được sử dụng để dẫn động bánh xe thông qua một bộ truyền xích. Để điều khiển động cơ, một bộ điều khiển chuyên dụng là bắt buộc. Bộ điều khiển này nhận tín hiệu từ cảm biến Hall bên trong động cơ để xác định vị trí của rotor, từ đó cấp điện chính xác vào các cuộn dây stator theo đúng thứ tự, tạo ra từ trường quay làm quay rotor. Việc điều khiển tốc độ và momen được thực hiện bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Phương pháp này cho phép thay đổi điện áp trung bình cấp cho động cơ một cách linh hoạt, giúp người lái kiểm soát xe mượt mà và tiết kiệm năng lượng. Việc mô phỏng hệ thống bằng các phần mềm như Matlab/Simulink cho xe điện trước khi thi công thực tế là rất cần thiết để kiểm tra và tinh chỉnh các thông số điều khiển.

4.1. Phân tích động cơ điện DC không chổi than BLDC

Động cơ điện DC không chổi than (Brushless DC Motor) hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác từ trường giữa nam châm vĩnh cửu trên rotor và từ trường quay được tạo ra bởi các cuộn dây trên stator. Việc loại bỏ chổi than và vành góp cơ khí giúp giảm ma sát, tăng hiệu suất, và loại bỏ hiện tượng tia lửa điện, giúp động cơ hoạt động bền bỉ và an toàn hơn. Tín hiệu từ cảm biến Hall được bộ điều khiển xử lý để thực hiện quá trình chuyển mạch điện tử (electronic commutation), đảm bảo momen xoắn được tạo ra một cách liên tục và ổn định. Đây là công nghệ nền tảng cho hệ thống truyền động của các loại xe điện hiện đại.

4.2. Nguyên lý và sơ đồ bộ điều khiển động cơ BLDC

Bộ điều khiển động cơ BLDC về cơ bản là một mạch nghịch lưu ba pha, thường sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất như MOSFET hoặc IGBT. Sơ đồ khối của bộ điều khiển bao gồm một vi điều khiển (MCU), mạch lái cổng (gate driver), và dàn công suất. Vi điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến Hall và tín hiệu từ tay ga, sau đó xử lý và tạo ra các xung PWM. Các xung này được khuếch đại bởi mạch lái cổng để đóng/mở các MOSFET, cấp điện cho các pha của động cơ. Trong đồ án "Nghiên cứu và phát triển ô tô điện kết hợp nguồn năng lượng mặt trời", bộ điều khiển được thiết kế để bảo vệ động cơ khỏi các sự cố như quá dòng (OCP) hay sụt áp (UVLO), đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và ổn định.

V. Kinh nghiệm thiết kế và thi công ô tô điện thực tế

Từ lý thuyết đến một sản phẩm thực tế là một quá trình đòi hỏi nhiều kinh nghiệm trong thiết kế và thi công. Một trong những công cụ hỗ trợ đắc lực nhất là việc mô phỏng hệ thống trên máy tính trước khi bắt tay vào chế tạo. Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink cho xe điện cho phép sinh viên xây dựng các mô hình toán học của động cơ, bộ điều khiển, và hệ thống năng lượng. Thông qua mô phỏng, có thể kiểm tra các thuật toán điều khiển, dự đoán hiệu năng của xe trong các điều kiện vận hành khác nhau, và tinh chỉnh các thông số để đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt nhất. Bước này giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và giảm thiểu rủi ro sai sót trong quá trình thi công. Sau giai đoạn mô phỏng, quá trình thi công bắt đầu với việc chế tạo khung xe, lắp đặt hệ thống truyền động, hệ thống treo, và hệ thống lái. Việc kết nối hệ thống điện là một công đoạn phức tạp, đòi hỏi sự cẩn thận để đảm bảo an toàn và tính chính xác. Kết quả đạt được từ đồ án của sinh viên Huỳnh Thái Danh là một mô hình xe năng lượng mặt trời hoàn chỉnh, với tấm pin được lắp đặt trên nóc, cụm cảm biến siêu âm phía trước và sau, cùng hệ thống đèn LED hiện đại. Những báo cáo khoa học như thế này không chỉ là sản phẩm của một cá nhân mà còn là minh chứng cho khả năng ứng dụng tri thức vào thực tiễn của sinh viên kỹ thuật.

5.1. Quy trình mô phỏng hệ thống bằng Matlab Simulink

Quy trình mô phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink cho xe điện thường bao gồm các bước: xây dựng mô hình động lực học của xe (tính toán các lực cản), mô hình hóa động cơ điện DC không chổi than và bộ điều khiển, mô hình hóa hệ thống pin và tấm năng lượng mặt trời. Sau đó, các khối này được kết nối với nhau để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh. Người nghiên cứu có thể nhập các thông số đầu vào như độ dốc, tốc độ mong muốn, và điều kiện bức xạ mặt trời để quan sát các đáp ứng đầu ra như dòng điện, tốc độ thực tế của xe, và trạng thái sạc của ắc quy. Quá trình này giúp tối ưu hóa công suất và xác thực thiết kế trước khi chế tạo.

5.2. Kết quả thực nghiệm và đánh giá mô hình xe điện

Sau khi hoàn thành thi công, mô hình xe được đưa vào chạy thử nghiệm để đo đạc và đánh giá. Các thông số quan trọng cần kiểm tra bao gồm: tốc độ tối đa, khả năng tăng tốc, quãng đường di chuyển cho một lần sạc đầy, và hiệu quả của hệ thống sạc năng lượng mặt trời. Kết quả từ đồ án tham khảo cho thấy xe có thể hoạt động ổn định. Hình ảnh thực tế cho thấy một sản phẩm được hoàn thiện tốt, với tấm pin quang điện tích hợp thẩm mỹ, hệ thống cảnh báo va chạm và hệ thống chiếu sáng hoạt động hiệu quả. Việc đối chiếu kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng giúp đánh giá độ chính xác của mô hình và rút ra kinh nghiệm cho các dự án phát triển trong tương lai. Đây là phần quan trọng nhất của một báo cáo khoa học.

VI. Tương lai công nghệ ô tô và năng lượng tái tạo tại VN

Các dự án như đồ án tốt nghiệp ô tô điện năng lượng mặt trời không chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm hay nghiên cứu khoa học sinh viên. Chúng mở ra một hướng phát triển đầy tiềm năng cho tương lai của ngành công nghệ ô tô và năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Hướng phát triển tiếp theo cho các đề tài này có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng bằng cách sử dụng các thế hệ pin quang điện mới hiệu quả hơn hoặc các vật liệu tiên tiến hơn. Việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển thông minh hơn, chẳng hạn như phanh tái tạo (regenerative braking) để thu hồi năng lượng khi giảm tốc, cũng là một hướng đi quan trọng để kéo dài phạm vi hoạt động của xe. Xa hơn nữa, việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng dựa trên thói quen của người lái và điều kiện giao thông là hoàn toàn khả thi. Những mô hình xe năng lượng mặt trời này, ban đầu được thiết kế cho khuôn viên trường học, có thể được nhân rộng và áp dụng cho các khu du lịch, resort, khu công nghiệp, hoặc các đô thị thông minh. Chúng không chỉ là một phương tiện giao thông, mà còn là biểu tượng của một lối sống xanh, bền vững, phù hợp với xu thế phát triển chung của thế giới. Các báo cáo khoa học từ những dự án này sẽ là nền tảng quý giá cho các nghiên cứu ở cấp độ cao hơn.

6.1. Hướng phát triển cho báo cáo khoa học và ứng dụng

Hướng phát triển đề tài trong tương lai bao gồm việc nâng cấp hệ thống pin lên loại Li-ion để giảm trọng lượng và tăng dung lượng, cải tiến bộ điều khiển để tích hợp tính năng phanh tái tạo, và sử dụng các vật liệu composite để chế tạo thân vỏ nhằm tối ưu hóa khí động học và giảm khối lượng. Về mặt học thuật, có thể thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về tối ưu hóa công suất thông qua các thuật toán điều khiển thích ứng hoặc mô hình hóa chính xác hơn các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống sạc từ năng lượng mặt trời. Những cải tiến này sẽ nâng cao giá trị của các báo cáo khoa học và đưa sản phẩm đến gần hơn với khả năng thương mại hóa.

6.2. Tiềm năng của xe điện trong khuôn viên các trường học

Việc ứng dụng xe điện mini năng lượng mặt trời trong khuôn viên trường đại học mang lại nhiều lợi ích. Nó cung cấp một phương tiện di chuyển tiện lợi, không gây tiếng ồn và ô nhiễm cho sinh viên và giảng viên. Hơn nữa, nó còn là một mô hình giáo dục trực quan, giúp sinh viên ngành kỹ thuật có cơ hội tiếp xúc, vận hành và nghiên cứu các công nghệ tiên tiến về năng lượng tái tạo và công nghệ ô tô. Sự thành công của các mô hình này có thể khuyến khích các trường đại học khác đầu tư vào các giải pháp giao thông xanh, góp phần xây dựng một môi trường học tập hiện đại, bền vững và thân thiện với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về đề tài Sự phát triển của các loại ô tô sử dụng động cơ đốt trong là một trong những thành tựu lớn nhất của công nghệ hiện đại. Ngành công nghiệp ô tô đã có những đóng góp to lớn vào sự phát triển của xã hội, đáp ứng nhu cầu đi lại và vận tải trong cuộc sống hàng ngày. Ngành công nghiệp ô tô và các ngành công nghiệp phụ trợ của nó tạo thành xương sống của nền kinh tế với việc tạo ra hàng triệu việc làm trên toàn thế giới.

Tuy nhiên, với số lượng ô tô lớn sử dụng trên khắp thế giới đã và đang gây ra các vấn đề nghiêm trọng về môi trường và cuộc sống của chính con người. Ô nhiễm không khí, sự nóng lên toàn cầu và sự suy giảm nhanh chóng các nguồn tài nguyên dầu mỏ của trái đất bây giờ là vấn đề quan tâm hàng đầu. Để giải quyết được những vấn đề trên, ngành ô tô hiện nay có hai phương án chính: - Chế tạo những mẫu xe tiết kiệm nhiên liệu với những tiêu chuẩn khí thải cao - Chế tạo những mẫu xe sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường. Mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm khác nhau và để thấy rõ được ưu nhược điểm của từng phương pháp, chúng ta đi vào phân tích sự khác biệt giữa xe tiết kiệm nhiên liệu và xe sử dụng nhiên liệu tái tạo, cụ thể ở đây là xe sử dụng năng lượng điện.

- Sự khác biệt về hệ thống năng lượng + Xe tiết kiệm nhiên liệu vẫn sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống: xăng, diesel. + Xe điện sử dụng năng lượng tích trữ trong bình ắc quy - Sự khác biệt về nguồn động lực: + Xe tiết kiệm nhiên liệu vẫn sử dụng động cơ đốt trong với những hệ thống được cải tiến để đảm bảo xe tiêu thụ ít nhiên liệu hơn + Xe điện sử dụng động cơ điện, động cơ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp thông qua bộ băm điện áp. Với những sự khác biệt trên, xe điện sẽ giải quyết được triệt để hai bài toán: Cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường. Tổng quan về ô nhiễm không khí 1.

Ô nhiễm không khí Ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không phải riêng của một quốc gia nào. Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật. Hàng năm con người khai thác và sử SVTH: Huỳnh Thái Danh Hướng dẫn: TS.Phạm Quốc Thái 3 Nghiên cứu và phát triển ô tô điện kết hợp nguồn năng lượng mặt trời chạy trong khuôn viên trường Đại học dụng hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt. Đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như: Chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng.

Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ Trái Đất tăng 0,40°C. Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái Đất sẽ tăng thêm 1,5 – 4,50°C nếu con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng lỗ thủng tầng ôzôn gây hậu quả xấu cho sức khoẻ của con người và các sinh vật sống trên mặt đất. Thành phần khí thải động cơ và tác hại do ô nhiễm khí thải gây ra 1.

Thành phần khí thải động cơ Hình 1.1 Nguồn khí thải từ ô tô Hầu hết các ô tô sử dụng động cơ đốt trong hoạt động dựa trên việc đốt nhiên liệu hydrocarbon để lấy được năng lượng cần thiết cho hệ thống động lực. Quá trình đốt cháy là phản ứng giữa nhiên liệu và không khí tạo ra nhiệt và các sản phẩm cháy. Nhiệt được biến đổi nhờ các cơ cấu cơ khí tạo thành cơ năng của động cơ và các sản phẩm cháy được phát thải vào bầu khí quyển. Hyđrocacbon là hợp chất với các phân tử được tạo thành từ các nguyên tử cacbon và hydro.

Lý tưởng nhất, đốt một hydro cacbon sản phẩm sinh ra gồm khí carbon dioxide và nước, các sản phẩm này sẽ không gây hại cho môi trường. Thật vậy, cây xanh hấp thụ carbon dioxide trong quá trình quang hợp, điều đó cho thấy dioxide carbon (CO2) là một thành phần cần thiết trong đời sống của thực vật. Trái lại, động vật không hấp thụ carbon dioxide cho sự sống của mình. Ngoài lượng khí carbon dioxide và nước, các sản phẩm cháy chứa một lượng oxit nitơ (NOx), carbon monoxides (CO) và hydro carbon (HC), tất cả đều độc hại đối với sức khỏe con người.

SVTH: Huỳnh Thái Danh Hướng dẫn: TS.Phạm Quốc Thái 4 Nghiên cứu và phát triển ô tô điện kết hợp nguồn năng lượng mặt trời chạy trong khuôn viên trường Đại học Nhìn chung chất gây ô nhiễm môi trường thải ra từ động cơ gồm các chất sau: • Dioxyde de carbone (CO2), sản phẩm của quá trình oxi hóa hoàn toàn nhiên liệu • Monoxyde de carbone (CO), đến từ quá trình oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu • Oxyde d’azote (NOx), gồm: monoxyde d’azote (NO) và dioxyde d'azote (NO2). • Các hạt rắn, sản phẩm của các quá trình hình thành phức tạp. • Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (COV-composés organiques volatils), là các hợp chất hóa học hữu cơ có áp suất hơi đủ cao để dưới các điều kiện bình thường có thể bay hơi một lượng đáng kể vào không khí. Về thành phần COV là sự kết hợp giữa các hydrocarbure (như alcane, alcène, aromatique…) • Các hợp chất hữu cơ đa vòng (hydrocarbures aromatiques polycycliques – HAP), như benzoapyrene • Dioxyde de sulfure (SO2), hình thành từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu.

Thành phần khí thải của động cơ Diesel Động cơ Diesel chuyển đổi năng lượng hóa học (carburant, gazole) thành năng lượng cơ học. Gazole là hỗn hợp của các hydrocarbure mà trong quá trình cháy lý tưởng, nó chỉ sinh ra CO2 và H2O. Trong thực tế người ta quan sát thấy một vài sản phẩm khí và rắn khác. Điều này liên quan một phần đến sự có mặt của các tạp chất chứa trong các HC (như các hợp chất chứa lưu huỳnh), và mặt khác liên quan đến sự phức tạp của các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy.

Bảng 1 sau giới thiệu thành phần điển hình của khí thải động cơ Diesel: Bảng 1.1 Thành phần cơ bản của khí thải động cơ Diesel CO2 2÷12% H2 O 2÷12% O2 3÷17% NOX 50÷1000ppm HC 20÷300 ppm CO 10÷500 ppm SO2 10÷30 ppm N2 O 3 ppm b. Các thành phần khí thải từ động cơ xăng - HC (unburned hydro cacbon) - CO (carbon monoxide) - NOx (nitơ oxit) SOx (oxit lưu huỳnh) sẽ được tạo ra khi lưu huỳnh (S) trong nhiên liệu được ràng buộc với oxy (O) trong không khí do cháy, nếu nhiên liệu có chứa lưu huỳnh. Tuy nhiên, kể SVTH: Huỳnh Thái Danh Hướng dẫn: TS.Phạm Quốc Thái 5 Nghiên cứu và phát triển ô tô điện kết hợp nguồn năng lượng mặt trời chạy trong khuôn viên trường Đại học từ khi xăng hiện nay là desulfurized gần như hoàn toàn, Sox không được đánh giá là thanh phần của lượng phát thải tự động ngay bây giờ. - Đối với bồ hóng, bồ hóng chỉ không mà còn vi hạt (PM), mà thậm chí còn nhỏ hơn bồ hóng, được quy định cho động cơ diesel, tuy nhiên, chúng không quy định cho động cơ xăng.

Bồ hóng có thể là những thải từ động cơ xăng là tốt, nó là một trong những thành phần mà không được kiểm soát. Ngoài ra, còn có các thành phần thải từ động cơ xăng. - Ngoài các thành phần quy định trong phát thải tự động như HC, CO, NOx và PM (cho động cơ diesel), các thành phần nhỏ, mà không được quy định nhưng có thể có hại cho cơ thể con người. Ví dụ, toluen, benzen, formaldehyde, acetaldehyde, 1,3- butadien, SO2, formic acid, N2O, vv.

Đây sẽ là một tiêu chuẩn tương ứng với PRTR (Nhật Bản), trong đó có thể điều chỉnh các thành phần phụ trong phát thải tự động trong tương lai. Những tác hại do ô nhiễm khí thải gây ra a. Đối với sức khỏe con người Không khí ô nhiễm có thể giết chết nhiều cơ thể sống trong đó có con người. Ô nhiễm không khí trong nhà và ngoài môi trường tại Việt Nam là rất cao, điều này được lý giải bằng việc bệnh lý có liên quan đến ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng.

Ô nhiễm không khí gây bệnh đường hô hấp, bệnh tim mạch, viêm vùng họng, đau ngực, tức thở. Ô nhiễm không khí không những gây nên các bệnh lý ở đường hô hấp, mà còn ảnh hưởng lên sự phát triển của thai nhi, là nguyên nhân làm chậm phát triển hệ thần kinh, trí não và tâm thần vận động ở trẻ em. - CO: Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra do ô xy hoá không hoàn toàn cacbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy. CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxy.

Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: Khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh. - NOx: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 11000C).

NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12ppm. NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. SVTH: Huỳnh Thái Danh Hướng dẫn: TS.Phạm Quốc Thái 6 Nghiên cứu và phát triển ô tô điện kết hợp nguồn năng lượng mặt trời chạy trong khuôn viên trường Đại học - Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm.