Tổng quan nghiên cứu

Hiệu suất trung bình của động cơ đốt trong hiện nay chỉ đạt khoảng 30%, trong đó có đến 30% năng lượng nhiên liệu bị thất thoát qua khí xả dưới dạng nhiệt, 30% thất thoát qua nước làm mát và 10% do ma sát. Tận dụng nguồn nhiệt thải từ khí xả động cơ để chuyển đổi thành điện năng là một hướng nghiên cứu quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ nhiệt điện dựa trên hiệu ứng Seebeck để thiết kế và chế tạo hệ thống máy phát nhiệt điện (TEG) trên xe máy Sirius (2008).

Mục tiêu chính của nghiên cứu là khảo sát đặc tính của bộ chuyển đổi nhiệt điện khi lấy nhiệt từ khí xả, xác định ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh đến điện áp, dòng điện và công suất phát ra. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế, chế tạo và thực nghiệm hệ thống trên xe máy tại Việt Nam trong giai đoạn 2015-2016. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc phát triển các thiết bị thu hồi nhiệt thải, góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải khí độc hại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba hiệu ứng nhiệt điện cơ bản:

  • Hiệu ứng Seebeck: chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ thành điện áp, là nguyên lý chính của thiết bị TEG.
  • Hiệu ứng Peltier: hiện tượng tỏa hoặc hấp thụ nhiệt tại mối nối khi có dòng điện chạy qua, liên quan đến quá trình làm mát hoặc làm nóng trong thiết bị nhiệt điện.
  • Hiệu ứng Thomson: nhiệt lượng phát sinh hoặc hấp thụ trong vật dẫn có biến thiên nhiệt độ khi có dòng điện chạy qua.

Ngoài ra, lý thuyết truyền nhiệt gồm ba dạng: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ được áp dụng để phân tích quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống. Mô đun TEG SP1848-27145SA được sử dụng với kích thước 40x40x3.4 mm, hoạt động trong dải nhiệt độ từ -4°C đến 200°C, cấu tạo từ vật liệu bán dẫn Bi2Te3.

Mô hình toán học của TEG được xây dựng dựa trên các phương trình điện áp, dòng điện và công suất phát ra phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh. Hiệu suất chuyển đổi nhiệt thành điện được tính toán dựa trên hệ số Seebeck, điện trở trong và điện trở tải.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, các bài báo khoa học liên quan đến công nghệ nhiệt điện và thu hồi nhiệt thải động cơ. Phương pháp nghiên cứu chính là thực nghiệm trên mô hình xe máy Sirius (2008) với hệ thống máy phát nhiệt điện được thiết kế và chế tạo gồm: bộ thu hồi nhiệt khí xả (pô xe), bộ cung cấp nhiệt cho mặt nóng TEG, bộ tản nhiệt mặt lạnh và mạch ổn định điện áp DC-DC.

Cỡ mẫu thực nghiệm là một xe máy với các chế độ tải một người và hai người, tốc độ chạy xe 40 km/h. Các cảm biến nhiệt độ PT100 được bố trí đo nhiệt độ mặt nóng và mặt lạnh của TEG, đồng thời đo điện áp và dòng điện phát ra. Dữ liệu được thu thập qua hệ thống truyền tín hiệu không dây NRF24L01 và xử lý bằng vi điều khiển Atmega32. Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm Matlab và Excel để mô phỏng và so sánh kết quả thực nghiệm với mô hình toán học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Công suất phát điện thu hồi từ khí xả: Ở chế độ tải một người, xe chạy tốc độ 40 km/h, máy phát nhiệt điện thu hồi được công suất 2.2 W với điện áp ổn định 14 V. Ở chế độ hai người, công suất tăng lên 2.75 W với điện áp tương tự.
  2. Giảm nhiệt độ khí xả: Hệ thống thu hồi nhiệt làm giảm nhiệt độ khí xả khoảng 50°C so với không có thiết bị thu hồi.
  3. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ (ΔT): Khi ΔT tăng từ 40°C đến 100°C, điện áp phát ra của TEG tăng từ khoảng 1 V lên đến 4 V, dòng điện tăng từ 0.37 A lên 0.67 A, công suất tăng từ 0.6 W lên 3.2 W.
  4. Hiệu suất và ổn định điện áp: Mạch ổn định điện áp DC-DC boost converter giúp duy trì điện áp đầu ra ổn định ở mức 14 V, phù hợp cung cấp cho hệ thống điện trên xe máy.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy việc sử dụng TEG để thu hồi nhiệt từ khí xả xe máy là khả thi với công suất thu hồi nhỏ nhưng có ý nghĩa trong việc cung cấp nguồn điện phụ trợ, giảm tải cho bình ắc quy và các thiết bị điện trên xe. Việc giảm nhiệt độ khí xả cũng góp phần giảm nhiệt thải ra môi trường, hỗ trợ giảm ô nhiễm.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, công suất thu hồi của hệ thống này thấp hơn (khoảng 2-3 W so với 12-30 W ở các dự án xe ô tô hoặc xe máy lớn hơn), nguyên nhân do kích thước mô hình nhỏ, số lượng mô-đun TEG hạn chế và chưa tối ưu hoàn toàn quá trình truyền nhiệt. Tuy nhiên, đây là bước đầu quan trọng để phát triển các hệ thống thu hồi nhiệt thải trên xe máy phổ biến tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp, dòng điện và công suất theo chênh lệch nhiệt độ ΔT, cũng như bảng so sánh công suất thu hồi ở các chế độ tải khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng số lượng mô-đun TEG để nâng cao công suất phát điện, hướng tới cung cấp đủ điện cho các thiết bị điện trên xe máy, mục tiêu đạt công suất trên 10 W trong vòng 2 năm tới.
  2. Cải tiến thiết kế bộ thu hồi nhiệt bằng cách tăng diện tích tiếp xúc và sử dụng vật liệu dẫn nhiệt tốt hơn nhằm tăng hiệu quả truyền nhiệt đến TEG.
  3. Nâng cấp hệ thống tản nhiệt mặt lạnh với thiết kế cánh tản nhiệt tối ưu, sử dụng quạt làm mát hoặc hệ thống làm mát bằng chất lỏng để duy trì chênh lệch nhiệt độ lớn hơn.
  4. Phát triển mạch điều khiển điện áp thông minh để ổn định điện áp đầu ra trong mọi điều kiện vận hành, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện trên xe.
  5. Mở rộng nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt và trao đổi nhiệt trong hệ thống để tối ưu hóa toàn bộ chu trình thu hồi nhiệt, dự kiến hoàn thành trong 3 năm tới.

Các giải pháp trên cần sự phối hợp giữa các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp sản xuất thiết bị nhiệt điện và các cơ quan quản lý giao thông để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật ô tô, cơ khí: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện trong thu hồi nhiệt thải động cơ, làm cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.
  2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị nhiệt điện và phụ tùng ô tô, xe máy: Tham khảo thiết kế, mô hình và kết quả thực nghiệm để phát triển sản phẩm máy phát nhiệt điện thương mại.
  3. Cơ quan quản lý giao thông và môi trường: Hiểu rõ tiềm năng công nghệ thu hồi nhiệt thải, từ đó xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ xanh, giảm phát thải khí độc hại.
  4. Người sử dụng xe máy và ô tô: Nhận thức về lợi ích của công nghệ thu hồi nhiệt thải, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy phát nhiệt điện TEG hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
    TEG hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck, chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt thiết bị thành điện áp và dòng điện. Ví dụ, khi mặt nóng tiếp xúc với khí xả và mặt lạnh được làm mát, điện áp được sinh ra tương ứng với độ chênh nhiệt độ.

  2. Công suất phát điện của hệ thống thu hồi nhiệt từ khí xả là bao nhiêu?
    Thực nghiệm trên xe máy Sirius cho công suất thu hồi khoảng 2.2 W ở chế độ một người và 2.75 W ở chế độ hai người, với điện áp ổn định 14 V, đủ cung cấp cho các thiết bị điện phụ trợ.

  3. Hệ thống có ảnh hưởng như thế nào đến nhiệt độ khí xả?
    Hệ thống thu hồi nhiệt làm giảm nhiệt độ khí xả khoảng 50°C, góp phần giảm nhiệt thải ra môi trường và cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng.

  4. Làm thế nào để ổn định điện áp đầu ra của máy phát nhiệt điện?
    Sử dụng mạch biến đổi điện áp DC-DC loại boost converter giúp tăng và ổn định điện áp đầu ra ở mức 14 V, phù hợp với hệ thống điện trên xe máy.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại xe khác không?
    Công nghệ TEG có thể áp dụng cho nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, từ xe máy đến ô tô, tuy nhiên cần điều chỉnh thiết kế phù hợp với kích thước và đặc tính nhiệt của từng loại xe.

Kết luận

  • Đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ xe máy Sirius, thu hồi công suất 2.2-2.75 W với điện áp ổn định 14 V.
  • Hệ thống giúp giảm nhiệt độ khí xả khoảng 50°C, góp phần giảm phát thải và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
  • Mô hình toán học và mô phỏng bằng Matlab, Excel cho thấy công suất và điện áp tăng theo chênh lệch nhiệt độ ΔT, phù hợp với kết quả thực nghiệm.
  • Mạch ổn định điện áp DC-DC boost converter đảm bảo điện áp đầu ra ổn định, đáp ứng yêu cầu cung cấp điện cho thiết bị trên xe.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các hệ thống thu hồi nhiệt thải trên xe máy, góp phần phát triển công nghệ xanh và bền vững trong giao thông vận tải.

Tiếp theo, cần mở rộng quy mô thử nghiệm, tối ưu thiết kế bộ thu hồi nhiệt và tản nhiệt, đồng thời phát triển mạch điều khiển điện áp thông minh để nâng cao công suất và hiệu suất hệ thống. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác để ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong thực tế.

Hành động ngay hôm nay: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và sản xuất bắt đầu thử nghiệm tích hợp TEG trên các dòng xe máy phổ biến nhằm góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng.