Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Sử Dụng Nhiệt Khí Xả Động Cơ Để Phát Điện Trong Ô Tô Máy Kéo

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật ô tô máy kéo nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ để phát ra điện, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Văn Híu
• Người hướng dẫn: TS. Hồng Đức Thông
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô, máy kéo
• Đề tài: Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ để phát ra điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TONG QUAN
• 1.1. Lý do chon dé tai
• 1.2. Tong quan các công trình nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LY THHUYÊÊ T
• 2.1. Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện
• 2.2. Lý thuyết truyền nhiệt
• 2.3. Thiết bị nhiệt điện bán dẫn
• 2.4. Xây dựng mô hình toán Mô đun TEG
• 2.5. Đánh giá khả năng ứng dụng của TEG trong thu hồi nhiệt khí xả
• 3. CHƯƠNG 3: THIET KE MÔ HÌNH MAY PHÁT NHIỆT ĐIỆN
• 3.1. Bộ thu hồi nhiệt khói thải
• 3.2. Bộ phận tản nhiệt cho thiết bị nhiệt điện TEG
• 3.3. Bộ chuyên đổi nhiệt điện TEG
• 3.4. Mô hình hệ thống máy phát nhiệt điện
• 3.5. Xây dựng mô hình toán máy phát nhiệt điện
• 3.6. Thiết kế hệ thống kiểm soát máy phát nhiệt
• 3.7. Thiết kế bộ ổn định điện áp DC-DC
• 3.8. Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu của máy phát
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN
• 4.1. Mục tiêu thực nghiệm
• 4.2. Thiết bị sử dụng quá trình thực nghiệm
• 4.3. Mô tả thực nghiệm
• 4.4. Kết quả thực nghiệm
• 4.5. Thực nghiệm thông số các cảm biến nhiệt độ
• 4.6. Thực nghiệm hệ thống ổn định điện áp DC-DC
• 4.7. Thực nghiệm các thông số máy phát nhiệt điện
• 4.8. Kết luận thực nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Những vấn đề còn tồn tại
• 5.2. Đề xuất hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên cứu ứng dụng

Nghiên cứu ứng dụng nhiệt khí xả động cơ để phát điện là một hướng đi tiềm năng trong kỹ thuật ô tô và máy kéo. Nghiên cứu ứng dụng này tập trung vào việc tận dụng nguồn nhiệt thải từ khí xả động cơ, vốn chiếm khoảng 30% năng lượng nhiên liệu, để chuyển đổi thành điện năng. Công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh hiệu quả của việc sử dụng hệ thống phát điện dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Seebeck, đặc biệt trong việc thu hồi nhiệt từ khí thải động cơ.

1.1. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu này dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Seebeck, trong đó sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của vật liệu bán dẫn tạo ra điện áp. Hiệu ứng Seebeck được ứng dụng trong các thiết bị nhiệt điện (TEG) để chuyển đổi nhiệt thải thành điện năng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, với nhiệt độ khí xả động cơ có thể lên đến 700°C, việc tận dụng nguồn nhiệt này có thể tạo ra điện năng đáng kể, góp phần cải thiện hiệu suất động cơ và giảm tiêu thụ nhiên liệu.

1.2. Ứng dụng công nghệ

Ứng dụng công nghệ nhiệt điện trong kỹ thuật ô tô và máy kéo đã được thử nghiệm trên nhiều mô hình xe khác nhau. Các hệ thống phát điện sử dụng TEG được lắp đặt trên đường ống xả của động cơ, tận dụng nhiệt thải để tạo ra điện năng. Kết quả thực nghiệm cho thấy, ở tốc độ 40km/h, hệ thống có thể thu hồi công suất từ 2.2W đến 2.75W, tùy thuộc vào tải trọng xe. Đây là bước tiến quan trọng trong việc tận dụng nhiệt thải và tiết kiệm năng lượng trong ngành công nghiệp ô tô.

II. Nhiệt khí xả và động cơ ô tô

Nhiệt khí xả từ động cơ ô tô là một nguồn năng lượng lớn nhưng thường bị lãng phí. Nhiệt khí xả chiếm khoảng 30% năng lượng nhiên liệu, trong khi hiệu suất động cơ chỉ đạt khoảng 30%. Việc tận dụng nguồn nhiệt này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất động cơ mà còn giảm thiểu tác động môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc thu hồi nhiệt từ khí xả có thể tạo ra điện năng đáng kể, đặc biệt khi sử dụng các thiết bị nhiệt điện (TEG) dựa trên hiệu ứng Seebeck.

2.1. Khí thải động cơ

Khí thải động cơ là nguồn nhiệt thải chính trong các động cơ đốt trong. Khí thải động cơ có nhiệt độ cao, thường từ 400°C đến 700°C, tùy thuộc vào loại động cơ và điều kiện vận hành. Việc thu hồi nhiệt từ khí thải không chỉ giúp tạo ra điện năng mà còn giảm nhiệt độ khí thải, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng, việc sử dụng hệ thống phát điện dựa trên TEG có thể giảm nhiệt độ khí thải xuống gần 50°C.

2.2. Hiệu suất động cơ

Hiệu suất động cơ là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng. Hiệu suất động cơ thường chỉ đạt khoảng 30%, trong khi phần lớn năng lượng nhiên liệu bị lãng phí qua khí thải và nước làm mát. Việc tận dụng nhiệt thải từ khí xả có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của động cơ, đồng thời giảm tiêu thụ nhiên liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng hệ thống phát điện dựa trên TEG có thể tăng hiệu suất động cơ lên đến 10%.

III. Kỹ thuật ô tô và máy kéo

Kỹ thuật ô tô và máy kéo đang ngày càng chú trọng đến việc tận dụng nguồn năng lượng tái tạo. Kỹ thuật ô tô và máy kéo hiện đại đã ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến để thu hồi năng lượng thải, đặc biệt là nhiệt từ khí xả động cơ. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng, việc sử dụng hệ thống phát điện dựa trên TEG không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

3.1. Công nghệ ô tô

Công nghệ ô tô hiện đại đang hướng đến việc tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng. Công nghệ ô tô đã ứng dụng nhiều giải pháp để thu hồi năng lượng thải, đặc biệt là nhiệt từ khí xả động cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng hệ thống phát điện dựa trên TEG có thể tạo ra điện năng đáng kể, góp phần cải thiện hiệu suất động cơ và giảm tiêu thụ nhiên liệu.

3.2. Kỹ thuật máy kéo

Kỹ thuật máy kéo cũng đang ứng dụng các công nghệ tiên tiến để tận dụng nguồn năng lượng thải. Kỹ thuật máy kéo đã sử dụng các hệ thống phát điện dựa trên TEG để thu hồi nhiệt từ khí xả động cơ. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng, việc sử dụng TEG không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đặc biệt trong các hoạt động nông nghiệp và xây dựng.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TONG QUAN 1. Li do chon dé tài Theo Quyết định số 355/QD-TTg ngày 25 tháng 2 năm 2013 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt điều chỉnh Chiến lược phát triển giao thông vận tải Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030; đến năm 2020 Việt Nam sẽ có 36 triệu xe máy va 3,2 triệu - 3,5 triệu xe 6 tô. Tuy nhiên, từ qúy 1 năm 2013 theo thống kê của Bộ Giao thông vận tải cho biết tổng số xe máy của cả nước trên 37 triệu xe (vượt qua 36 triệu xe như trong quy hoạch đến năm 2020). Các xe máy, xe ô tô hiện nay đều sử dụng động cơ nhiệt; nhưng năng lượng nhiệt có ích (công có ích) từ động cơ đốt trong rất nhỏ so với lượng nhiên liệu tiêu thụ do phần lớn năng lượng theo khí xả thoát ra ngoài dưới dạng nhiệt.

Để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, hiệu quả kinh tế, chúng ta phải thu hồi sử dụng nguồn nhiệt phát thải băng cách chuyển đổi nhiệt từ khí thải thành điện năng, mang lại hiệu quả kinh té. Trên co sở đó, với mong muốn nghiên cứu tận dụng một phần nguồn nhiệt thải từ động cơ xe máy để tạo ra điện năng phục vụ cho những bộ phận khác trên động co xe như bình ac quy và cung cấp nguồn điện cho các thiết bị điện trên động cơ xe máy, tác giả quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí thai động cơ đốt trong dé phát ra điện” để làm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Ngành Ô tô máy kéo.Hồng Đức Thông | HVTH: Nguyễn Văn Hiu Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ 1. Tong quan các công trình nghiên cứu - Ngày nay,ô tô, xe máy là phương tiện quan trọng nhất của giao thông vận tải, nhiệt theo khói thải từ động cơ các xe xả ra ngoài môi trường theo nghiên cứu chiếm tới 40% [1]. T 5 _x ° - = E ề t7 r- 4 3 25% kh ' E el Ng L2 5 8) e hoat D don rí Y 5% ma sat và bức xa [ 30% Nước làm mát 40% Khí xa Hình 1.1: Hiệu suất của động cơ đốt trong Trong đó, việc ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện của nhà vật lý Thomas Seebeck (1770-1831) [2] thu hồi nhiệt từ khí xả để tạo ra điện gọi là máy phát nhiệt điện (thermoelectric generator gọi tắt là TEG) được coi là một tiềm năng trong tương lai vì nó không có bộ phận chuyển động cho nên không cần phải bảo trì, thu hồi nhiệt thải ở bất kỳ hệ thống nào.

Hiệu quả tái sử dụng nhiệt thải từ ô tô, xe máy không chi nâng cao hiệu qua sử dụng nguồn năng lượng hiện có, mà còn có thé làm giảm lượng khí thải và cải thiện môi trường. Mặc dù hiệu suất chuyển đối của TEG thấp hơn nhiều so với thiết bị điện thông thường nhưng công nghệ nhiệt điện bán dẫn vẫn nhận được nhiều sự chú ý trên toàn thế giới. - Birkholz (năm 1980)[3] lần đầu tiên áp dụng một modun TEG FeSi2 trên một chiéc xe 6 tô và sản xuât thành công IW điện. Đên cuôi những năm 1990, GVHD: TS.Hồng Đức Thông 2 HVTH: Nguyễn Văn Hiu Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ Nissan Motors[4] công bố kết quả của hệ thong TEG vật liệu nhiệt điện silicongermanium (SiGe), sử dụng 72 modun TEG thu được 35,6 W trong điều kiện thử nghiệm chạy của một động cơ xăng 3,0 lít với chế độ leo đôi tại 60,0 km/h.

- Hệ thống nhiệt điện sử dụng chat thải thu hồi nhiệt từ xe gắn máy đã được chứng minh bởi các tập đoàn Nagoya Institute of Technology, Atsumitec Co., Ltd, Aist (Phụ trách dự án: Giáo sư Y. Nishino,NIT) và các công ty được hỗ trợ bởi MET. Hệ thông sử dụng 12 module TEG lap bé mặt của ống Xả Xe máy và được tản nhiệt bằng nước. Sản lượng điện năng thu được khoảng 12 W, 6 V trong điều kiện lái xe ở tốc độ 60 km/h dé sạc bình ac quy L7].

Adjusting screws Cover Springs bom = tals i ie \ưếtccxw#+ Fas Modules (18) == Support structure _—— Heat sinks a — Loadinggu rin Ag Buk " SSN 9ịu Hình 1.2: Máy phát nhiệt điện xe máydự án do Giáo sự Y. Nishino GVHD: TS.Hồng Đức Thông 3 HVTH: Nguyễn Văn Hiu Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ - Cùng năm 2011, Gregory P. Meisner hợp tác hãng GM [8] ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện trên xe Chevy-suburban, trong đó sử dung 42 TEG công suất đạt được gan 30W. Năm 2012, Tạp chi Car and Driver [9] nhận định “ Thermalelectric Cooling blocks TE Modules | ` - Hot side heat exchanger \ Exhaust gas outlet Hinh 1.3: May phat nhiét dién cua Gregory P.

Meisner - Liu (năm 2012)[10] đã đưa ra những mau thiết kế của máy phát điện dựa trên hiệu ứng nhiệt điện trên sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ. T va cộng sự [11] đã chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực tiếp nhiệt GVHD: TS.Hồng Đức Thông 4 HVTH: Nguyễn Văn Hiu Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ thành điện cung cấp cho phụ tải trên ô tô. Công trình này chủ yếu tập trung phát triển cơ chế thu hồi nhiệt phát thải băng cách chế tạo máy phát nhiệt điện đặt trên đường ống xả, sử dụng cặp vật liệu bán dẫn và dùng chất lỏng làm mát và được thử nghiệm trên xe Ford Lincoln và BMW X6. Cong suất máy phát điện đạt 700W, nhiệt độ đầu nóng của cặp nhiệt độ đạt 500°C và hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu tăng 10%.

Tuy nhiên, công trình này chỉ là thực nghiệm, kinh phí lớn và tuôi thọ chi đạt 6 tháng: kết cau của vật liệu bán dẫn phức tạp kéo dài theo sự phân bồ nhiệt độ không đồng đều trên đường ống xả. - Tap chí Khoa Hoc Công Nghệ phát hành ngày 24 tháng 7 năm 2013 có đăng bài “Sản xuất điện từ khói xe hơi”; theo tác giả: các nhà nghiên cứu thuộc Viện Kỹ thuật đo lường vật lý Fraunhofer (Đức) đã thiết kế một loại máy phát nhiệt điện (TEG) để biến đổi nhiệt năng thành điện năng bằng cách lợi dụng sự chênh lệch nhiệt độ trong quatrinh vận hành xe.Harald Böttner, Trưởng ban Nhiệt điện của Viện Fraunhofer, giải thích: “ Nhiệt độ trong ống thải của xe hơi có thể đạt đến 700°C hoặc hơn. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ống khói thải và ống chứa chất lỏng làm mát động cơ có thé là vai trăm độ C. Do bị tác động bởi sự chênh lệch nhiệt do, các hạt tải điện sẽ di chuyển qua các chất bán dẫn đặc biệt của TEG:; từ đó sản sinh ra dòng điện tương tự như điện từ bình 4c-quy ”.

Ông cho biết: “Sự chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì điện được sản xuất ra càng nhiều”. Theo nhóm nghiên cứu, TEG có khả năng đáp ứng một phan đáng kế nhu cầu về điện của xe hơi. Từ đó, theo TS.Böttner, “ máy phát nhiệt điện này sẽ giúp tiết kiệm 5 - 7% lượng xăng/dầu cần cung cấp cho xe ”. Nhóm nghiên cứu đưa ra một phép tính đơn giản dé minh họa cho tính hiệu quả của loại TEG này: Hiện nay có khoảng 50 triệu phương tiện vận chuyển có động cơ ở Đức, mỗi phương tiện như thế được ước tính lăn bánh trên đường khoảng 200 giờ/năm.

Nếu trong khoảng thời gian đó, TEG tận dụng lượng nhiệt phát ra để sản xuất điện ở mức bình quân 1.000 watt/giờ thì hàng năm sẽ tao ra một nguồn điện lên đến 100 tỷ watt/giờ (10 terawatt giò). Nhóm nghiên cứu cho biết họ đang thử nghiệm loại TEG này và sẽ nhanh chóng tạo ra mẫu TEG đầu tiên để đưa vào sử dụng.Hồng Đức Thông 5 HVTH: Nguyễn Văn Hiu Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ - Nguyễn Hà Hiệp (năm 2013) và cộng sự [12]đã tiễn hành thí nghiệm và thu thập được thông số của một mô-đun nhiệt điện như sau: Khi nhiệt độ chênh lệch giữa mặt nóng và mặt lạnh của mé6-dun TEG bắt đầu cho điện áp từ 4,0V đến 4,2V (bảng số liệu bên dưới); như vậy với nhiệt độ này chúng có thé mắc nỗi tiếp nhiều mô — đun TEG để có được mức điện áp cao hơn sử dụng cho các phụ tải trên ô tô. 0®) twC) ATCC UC V) I( A) 185 38,1 146,3 3,2 0,26 190 39.1: Kết qua thử nghiệm TEG trên động co Toyota 7KE - Lê Quang Vũ (năm 2014)[13] đã nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguôn nhiệt từ khí xả động cơ đạt công suất gần 16W trên mô hình động co ô tô 5S-FE ở chế độ không tải; trong đó, sử dung 16 modun nhiệt điện TEG.2: Thông số máy phát nhiệt điện| 13] GVHD: TS.Hồng Đức Thông HVTH: Nguyễn Văn Hiu Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ - Truong đại học kỹ thuật quân sự của An Độ (năm 2014)[14] đã nghiên cứu sử dụng nhiệt từ khí xả mô hình động cơ 4 kỳ 3 xilanh với số vòng quay động cơ 3.970vòng/phút, công suất đạt 15W. Power Output Vs Engine Speed a¬a si” (OPouVwtepr) S=omsOH —> nm —— Power Output | \ onm | 250 2850 3200 3606 3970 Engine Speed (RPM) Hình1.5: Máy phát nhiệt điện sử dụng TEG của Trường Dai Hoc An Độ - Một bài báo khoa học được công bố trên trang New Journal of Physics vào tháng 12 năm 2014 có tựa đề là “Feasibility of large scale power plants based on Thermoelectric effect” tạm dịch là “Tính khả thi của các nha máy điện cỡ lớn dựa trên hiệu ứng nhiệt điện” cua Liu Liping thuộc Dai học Rutges - Hoa Kỳ.

Trong bài báo nay, tác giả đã cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy biển có thé được dùng để tạo ra điện năng trên quy mô lớn với giá thành rẻ và khả thi. Tuy nhiên trên thực té van còn rat it các mô hình phát điện sử dụng hiệu ứng này.Hồng Đức Thông 7 HVTH: Nguyễn Văn Hiu Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ Kết luận: Hầu hết các đề tai nghiên cứu trong và ngoài nước về việc sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải động co dé tạo ra điện đều đã đạt được một số kết quả khả quan, giúp cho công nghệ ô tô ngày càng phát triển. Tuy nhiên, đa số các công trình trên chỉ tiễn hành thử nghiệm khả năng phát điện của máy phát nhiệt điện chưa đánh giá ảnh hưởng của AT cũng như nhiệt độ nguồn nóng Ty và nhiệt độ nguồn lạnh T, đến công suất của máy phát. Qua các công trình nghiên cứu trên, tác giả có thể tận dụng một số kết quả nghiên cứu có liên quan đến động cơ xe ô tô để tiễn hành thử nghiệm trên mô hình động cơ xe máy như xây dựng một hệ thống máy phát nhiệt điện sử dụng các modun TEG.