Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu suất bộ phát nhiệt điện sử dụng khí thải động cơ tĩnh tải

Nghiên cứu giải pháp nâng cao công suất bộ phát nhiệt điện từ khí thải động cơ tĩnh tải, góp phần tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

• Tác giả: Phạm Quang Minh
• Người hướng dẫn: TS. Hồng Đức Thông
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp nâng cao công suất của bộ phát nhiệt điện sử dụng khí thải động cơ tĩnh tải
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ phát nhiệt điện từ khí thải động cơ

Năng lượng hóa thạch vẫn là nguồn năng lượng chủ yếu, nhưng đang cạn kiệt. Việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này là vô cùng quan trọng. Thu hồi năng lượng dư thừa từ các hệ thống khác nhau đang ngày càng được quan tâm. Thiết bị nhiệt điện (TBNĐ) là một giải pháp tiềm năng để tận dụng nhiệt thải, hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhiệt và có thể thu hồi nhiệt từ nhiều hệ thống. Ưu điểm của TBNĐ là vận hành đơn giản, ít bảo trì. Trong công nghiệp, nông nghiệp và giao thông vận tải, động cơ đốt trong (ĐCĐT), đặc biệt là động cơ diesel, được sử dụng rộng rãi. Động cơ diesel có mô-men xoắn lớn, công suất lớn và độ bền cao. Tuy nhiên, hiệu suất của ĐCĐT chỉ khoảng 35%, và khoảng 40% năng lượng bị thải ra qua khí thải động cơ. Theo nghiên cứu, khoảng 1/3 năng lượng khí thải có thể thu hồi được, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu. Do đó, việc thu hồi nhiệt thải từ ĐCĐT là rất tiềm năng để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu.

1.1. Tiềm năng ứng dụng công nghệ nhiệt điện từ khí thải

Công nghệ nhiệt điện có tiềm năng lớn trong việc thu hồi năng lượng từ khí thải. Bộ phát nhiệt điện (BPNĐ) sử dụng TBNĐ để sản xuất điện năng. Ưu điểm của TBNĐ là kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn và nguyên lý vận hành dễ dàng tích hợp vào các hệ thống hiện có. Tuy nhiên, hiệu suất của BPNĐ trên ĐCĐT hiện nay còn thấp. Nguyên nhân là do công nghệ vật liệu TBNĐ còn hạn chế và khả năng trao đổi nhiệt của khí thải ĐCĐT còn thấp. Nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt và biện pháp nâng cao hiệu quả truyền nhiệt của BPNĐ là rất cần thiết. Trong tương lai, khi công nghệ vật liệu phát triển, các nghiên cứu hiện nay sẽ đóng góp lớn vào việc thu hồi năng lượng nhiệt thải.

1.2. Các nghiên cứu hiện có về hệ thống xử lý khí thải

Đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng TBNĐ để thu hồi nhiệt từ khí thải động cơ đốt trong. Các nghiên cứu ban đầu đã cho thấy tiềm năng ứng dụng của TBNĐ. Birkholz (1988) đã ứng dụng TBNĐ để thu hồi nhiệt thải trên ô tô, sản xuất thành công 1W điện. J. Bass và cộng sự (1995) đã nghiên cứu ứng dụng BPNĐ với 72 TBNĐ Hi-Z, thu được 1kW điện khi động cơ hoạt động ở chế độ toàn tải. Ikoma và cộng sự (1999) đã thu được công suất 193W điện khi thử nghiệm sử dụng BPNĐ gồm 16 TBNĐ trên xe ô tô. Gần đây, BPNĐ ngày càng được nghiên cứu sâu hơn để áp dụng trên các phương tiện giao thông. Các nghiên cứu cũng quan tâm đến tuổi thọ và giới hạn hoạt động của TBNĐ.

II. Vấn đề và thách thức trong nâng cao hiệu suất bộ phát

Mặc dù có tiềm năng lớn, việc nâng cao hiệu suất bộ phát nhiệt điện từ khí thải động cơ vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Hiệu suất của các hệ thống hiện tại còn thấp, chủ yếu do hai yếu tố chính: hạn chế về công nghệ vật liệu của TBNĐ và khả năng trao đổi nhiệt kém của khí thải động cơ. Vật liệu chế tạo TBNĐ hiện tại có hiệu suất chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng còn thấp, dẫn đến hiệu suất tổng thể của BPNĐ bị giới hạn. Đồng thời, khí thải động cơ có đặc tính truyền nhiệt không tốt, gây khó khăn trong việc thu hồi nhiệt lượng. Điều này đòi hỏi các giải pháp thiết kế và công nghệ tiên tiến để cải thiện khả năng trao đổi nhiệt giữa khí thải và TBNĐ.

2.1. Hạn chế về vật liệu trong công nghệ nhiệt điện từ khí thải

Vật liệu nhiệt điện đóng vai trò then chốt trong hiệu suất của BPNĐ. Các vật liệu hiện tại thường có hệ số Seebeck thấp, độ dẫn điện không tối ưu và độ dẫn nhiệt cao, làm giảm hiệu quả chuyển đổi năng lượng. Nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới với đặc tính nhiệt điện vượt trội là một trong những hướng đi quan trọng để nâng cao hiệu suất BPNĐ. Các vật liệu này cần có hệ số Seebeck cao, độ dẫn điện tốt và độ dẫn nhiệt thấp để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng.

2.2. Khó khăn trong trao đổi nhiệt của khí thải động cơ tĩnh tải

Khí thải động cơ có nhiệt độ tương đối thấp và lưu lượng biến đổi, gây khó khăn trong việc thu hồi nhiệt hiệu quả. Thiết kế bộ trao đổi nhiệt (BThN) cần tối ưu hóa để tăng diện tích tiếp xúc giữa khí thải và TBNĐ, đồng thời giảm thiểu tổn thất áp suất. Các giải pháp như sử dụng cánh tản nhiệt, ống dẫn nhiệt và vật liệu có độ dẫn nhiệt cao có thể cải thiện khả năng trao đổi nhiệt. Ngoài ra, việc điều khiển lưu lượng khí thải và nhiệt độ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất ổn định của BPNĐ.

III. Phương pháp bố trí TBNĐ tối ưu hiệu suất bộ phát nhiệt

Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của BPNĐ là cách bố trí các TBNĐ. Việc sắp xếp TBNĐ theo hàng và cột có thể ảnh hưởng đáng kể đến công suất phát và tổn thất áp suất của hệ thống. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tăng số lượng cột TBNĐ có thể giúp tăng công suất phát, trong khi tăng số lượng hàng lại có xu hướng làm giảm công suất. Tổn thất áp suất chịu ảnh hưởng lớn bởi số hàng và ít ảnh hưởng bởi số cột. Do đó, việc lựa chọn cách bố trí TBNĐ phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của BPNĐ.

3.1. Ảnh hưởng của số hàng và cột TBNĐ đến công suất động cơ

Kết quả mô phỏng cho thấy công suất phát có xu hướng giảm khi tăng số lượng hàng TBNĐ. Điều này có thể là do sự phân bố nhiệt không đều trên các TBNĐ ở các hàng khác nhau. Ngược lại, tăng số lượng cột lại giúp công suất tăng, có thể do tăng diện tích tiếp xúc giữa TBNĐ và khí thải. Tuy nhiên, việc tăng quá nhiều cột cũng có thể dẫn đến tổn thất áp suất lớn hơn. Do đó, cần tìm ra sự cân bằng giữa số hàng và số cột để đạt được công suất tối ưu.

3.2. Tối ưu hóa tổn thất áp suất trong bố trí TBNĐ

Tổn thất áp suất là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi thiết kế BPNĐ. Tổn thất áp suất quá lớn có thể làm giảm hiệu suất của động cơ và tăng tiêu hao nhiên liệu. Nghiên cứu cho thấy tổn thất áp suất chịu ảnh hưởng lớn bởi số hàng TBNĐ và ít ảnh hưởng bởi số cột. Do đó, cần hạn chế số lượng hàng TBNĐ để giảm thiểu tổn thất áp suất. Ngoài ra, việc thiết kế hình dạng và kích thước của các kênh dẫn khí cũng có thể giúp giảm tổn thất áp suất.

IV. Tối ưu kết cấu bộ thu nhiệt để giảm khí thải động cơ

Kết cấu của bộ thu nhiệt (BThN) đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo lượng nhiệt truyền từ khí thải đến TBNĐ. Các thông số kết cấu như chiều cao cánh, số cánh và độ dày cánh có ảnh hưởng lớn đến công suất phát và tổn thất áp suất của BPNĐ. Nghiên cứu cho thấy công suất phát có xu hướng tăng khi tăng số cánh, độ dày và chiều cao cánh, nhưng sẽ giảm theo chiều cao cánh khi số cánh quá lớn. Tổn thất áp suất tăng lên khi tăng số cánh và độ dày nhưng lại giảm đi khi chiều cao cánh tăng. Do đó, việc tối ưu hóa các thông số kết cấu của BThN là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất của BPNĐ.

4.1. Ảnh hưởng của chiều cao cánh đến hiệu quả đốt cháy nhiên liệu

Chiều cao cánh ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc giữa BThN và khí thải, do đó ảnh hưởng đến khả năng trao đổi nhiệt. Tăng chiều cao cánh có thể giúp tăng công suất phát, nhưng cũng có thể làm tăng tổn thất áp suất. Khi số cánh quá lớn, tăng chiều cao cánh có thể làm giảm công suất do cản trở dòng khí. Do đó, cần lựa chọn chiều cao cánh phù hợp để đạt được sự cân bằng giữa công suất phát và tổn thất áp suất.

4.2. Tối ưu số lượng và độ dày cánh để tiết kiệm nhiên liệu động cơ

Số lượng và độ dày cánh ảnh hưởng đến diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và khả năng dẫn nhiệt của BThN. Tăng số lượng và độ dày cánh có thể giúp tăng công suất phát, nhưng cũng có thể làm tăng tổn thất áp suất. Việc tăng độ dày cánh quá mức có thể làm giảm diện tích tiếp xúc giữa khí thải và cánh, do đó làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt. Do đó, cần lựa chọn số lượng và độ dày cánh phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất của BPNĐ.

4.3. Lựa chọn thông số tối ưu cho bộ phát nhiệt điện từ khí thải

Thông số kết cấu BThN tối ưu trong nghiên cứu này là chiều cao cánh 40mm, số cánh 28 và độ dày cánh 1mm. Nhờ vào thông số tối ưu, công suất phát của BPNĐ nâng cao lên 45.39% so với trường hợp kém nhất trong dải khảo sát. Số cánh là thông số có sự ảnh hưởng lớn nhất đến công suất phát. Tổn thất áp suất chịu ảnh hướng chủ yếu bởi số cánh và chiều cao cánh.

V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu bộ phát nhiệt điện

Kết quả nghiên cứu về bộ phát nhiệt điện từ khí thải động cơ tĩnh tải có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong công nghiệp, BPNĐ có thể được sử dụng để thu hồi nhiệt thải từ các động cơ diesel sử dụng trong máy phát điện, máy bơm và các thiết bị công nghiệp khác. Trong nông nghiệp, BPNĐ có thể được sử dụng để thu hồi nhiệt thải từ các động cơ diesel sử dụng trong máy kéo, máy gặt và các thiết bị nông nghiệp khác. Trong giao thông vận tải, BPNĐ có thể được sử dụng để thu hồi nhiệt thải từ các động cơ diesel sử dụng trong xe tải, xe buýt và các phương tiện giao thông khác. Việc ứng dụng BPNĐ có thể giúp giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm phát thải khí nhà kính và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

5.1. Ứng dụng trong công nghiệp và nông nghiệp để giảm khí thải động cơ

Trong công nghiệp, BPNĐ có thể được tích hợp vào các hệ thống phát điện dự phòng, giúp tận dụng nhiệt thải để sản xuất điện năng, giảm chi phí vận hành và giảm phát thải. Trong nông nghiệp, BPNĐ có thể được sử dụng để cung cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, bơm nước và các thiết bị khác, giúp giảm sự phụ thuộc vào lưới điện quốc gia và giảm chi phí năng lượng.

5.2. Tiềm năng trong giao thông vận tải để tiết kiệm nhiên liệu động cơ

Trong giao thông vận tải, BPNĐ có thể được tích hợp vào các xe tải, xe buýt và các phương tiện giao thông khác, giúp thu hồi nhiệt thải từ động cơ để sản xuất điện năng, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải khí nhà kính. Việc ứng dụng BPNĐ có thể giúp các phương tiện giao thông đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe và giảm chi phí vận hành.

VI. Kết luận và hướng phát triển công nghệ nhiệt điện từ khí thải

Nghiên cứu về nâng cao hiệu suất bộ phát nhiệt điện từ khí thải động cơ tĩnh tải đã mang lại những kết quả quan trọng, cung cấp cơ sở để thiết kế BPNĐ phù hợp với các loại động cơ và dung tích động cơ khác nhau. Các thông số tối ưu về số lượng, cách thức bố trí TBNĐ và thông số kết cấu của BThN sẽ cho công suất lớn nhất với tổn thất thấp nhất, BPNĐ nhỏ gọn và giá thành thấp. Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế, cần được khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo. Hướng phát triển của đề tài là nghiên cứu các vật liệu nhiệt điện mới với hiệu suất cao hơn, thiết kế BThN với cấu trúc phức tạp hơn và thử nghiệm BPNĐ trên các động cơ thực tế.

6.1. Hạn chế và hướng khắc phục trong nghiên cứu bộ phát nhiệt điện

Một trong những hạn chế của nghiên cứu là sử dụng mô phỏng CFD để đánh giá hiệu suất của BPNĐ. Cần có các thử nghiệm thực tế để xác nhận kết quả mô phỏng và đánh giá độ tin cậy của mô hình. Ngoài ra, nghiên cứu chưa xem xét đến ảnh hưởng của các yếu tố khác như độ rung, độ ẩm và bụi bẩn đến hiệu suất của BPNĐ. Các nghiên cứu tiếp theo cần xem xét đến các yếu tố này để đánh giá toàn diện hơn về hiệu suất của BPNĐ.

6.2. Phát triển vật liệu và cấu trúc mới cho hệ thống xử lý khí thải

Hướng phát triển quan trọng của đề tài là nghiên cứu các vật liệu nhiệt điện mới với hiệu suất cao hơn. Các vật liệu này cần có hệ số Seebeck cao, độ dẫn điện tốt và độ dẫn nhiệt thấp để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng. Ngoài ra, cần nghiên cứu các cấu trúc BThN phức tạp hơn để tăng diện tích tiếp xúc giữa khí thải và TBNĐ, đồng thời giảm thiểu tổn thất áp suất. Các cấu trúc này có thể bao gồm các kênh dẫn khí xoắn ốc, các cánh tản nhiệt có hình dạng đặc biệt và các vật liệu có độ dẫn nhiệt cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan diesel Nissan YD22. Một mô hình tính toán BPNĐ đơn giản với nguồn nóng là khí thải và nguồn lạnh là nước làm mát động cơ, từ đó nhóm xác định được tổng năng lượng có của khí thải, năng lượng lớn nhất thu được theo lý thuyết. Kết quả phân tích từ dòng năng lượng đi qua thiết bị nhiệt điện cho thấy: Khi xe chạy với chu trình NEDC có thể thu hồi được khoảng 50W điện nếu nhiệt độ nguồn mát bằng nhiệt độ của nước làm mát động cơ và khoảng 75W nếu nhiệt độ nguồn mát là 50°C. Từ kết quả của nghiên cứu trên, nhóm tác giả P.

Yanéz et al. [22] đã phát triển một bộ phát nhiệt điện theo với các kích thước bộ thu nhiệt được xây dựng dựa trên sự cân bằng giữa năng lượng thu được và tổn thất do áp suất sinh ra. Kết quả nhóm đã xác định được kích thước bộ phát nhiệt điện với 40 TBNĐ với 5 hàng và 8 cột. Đồng thời, kết cấu bên trong bộ thu nhiệt được xác định nhờ vào hệ số nhiệt lượng với tổn thất áp suất.

Mô hình bộ phát nhiệt điện của nhóm tác giả Yanez. [22] a) Mô hình 3D, b) Mô hình thí nghiệm Năm 2020, F. Albatati et al. [23] đã trình bày một nghiên cứu về BPNĐ sử dụng trên xe tải hạng nặng hoặc sơ-mi rơ-mooc.

Nghiên cứu tập trung vào phân tích tính toán quá trình truyền nhiệt trong BPNĐ và thí nghiệm kiểm chứng. Kết cấu của bộ thu nhiệt là kết cấu cánh và được tối ưu để nâng cao công suất thu được của BPNĐ. Nghiên cứu cũng xét đến ảnh hưởng của tải điện bên ngoài đến công suất phát của BPNĐ, đồng thời tìm ra mức tải điện phù hợp với BPNĐ được nghiên cứu. Trang 7 Chương 1: Tổng quan Hình 1.

Kết cấu BPNĐ của nhóm tác giả F.2 Lý do chọn đề tài Những nghiên cứu trước đã cho thấy sự phát triển của TBNĐ và ứng dụng của nó trong việc thu hồi nhiệt từ khí thải của động cơ ô tô, xe máy. Nhiều nghiên cứu gần đây hơn đã cho thấy sự hoàn thiện của BPNĐ ứng dụng trên các động cơ ô tô và xe máy gồm cả động cơ xăng và động cơ diesel. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào về việc ứng dụng TBNĐ cho động cơ tĩnh tải sử dụng trong nông nghiệp và công nghiệp. Trên ô tô, các động cơ sẽ vận hành với dải số vòng quay rất rộng với nhiều chế độ vận hành để đáp ứng điều kiện làm việc.

Mặt khác, động cơ diesel tĩnh tải được sử dụng cho các mục đích trong công nghiệp và nông nghiệp thì thường vận hành ở một chế độ ổn định, với công suất cao, lượng năng lượng của khí thải sẽ rất lớn và có tính ổn định cao. Ngoài ra, các nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu nhiệt đã cho kết quả tốt. Tuy nhiên, chưa có sự khảo sát nào về sự ảnh hưởng đồng thời của các thông số như chiều cao cánh, số cánh và độ dày cánh của BThN đến đặc tính của BPNĐ, cái cần thiết cho việc thiết kế mới hoặc cải tiến một BPNĐ có công suất lớn với tổn thất áp suất nhỏ. Trên đây là những lý do tôi chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao công suất của bộ phát nhiệt điện sử dụng khí thải động cơ tĩnh tải”.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi đề tài 1.1 Đối tượng nghiên cứu Trong đề tài này, đối tượng nghiên cứu là bộ phát nhiệt điện sử dụng năng lượng Trang 8 Chương 1: Tổng quan từ khí thải động cơ tĩnh tải, được thể hiện trong Hình 3.4, bao gồm bộ thu nhiệt, thiết bị nhiệt điện, bộ tản nhiệt, được lắp đặt trên đường ống thải của động cơ.

Trong đó, tác giả nghiên cứu khảo sự ảnh hưởng của sự bố trí thiết bị nhiệt điện và kết cấu bộ thu nhiệt.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của kết cấu thu nhiệt đến đặc tính của BPNĐ sử dụng khí thải động cơ diesel tĩnh tải 1 xy lanh. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn như sau: - Sử dụng phương pháp Computational Fluid Dynamics để mô phỏng dòng chảy và quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng khí thải và BPNĐ của trường hợp của kết cấu thu nhiệt. - Công suất của TBNĐ được xác định dựa trên dữ liệu về chênh lệch nhiệt độ có được từ mô phỏng và thông số kỹ thuật.4 Mục tiêu đề tài Khảo sát ảnh hưởng của kết cấu thu nhiệt gồm cách thức bố trí TBNĐ và kết cấu BThN, đến đặc tính của BPNĐ sử dụng khí thải động cơ tĩnh tải. Từ đó lựa chọn kết cấu cho đặc tính tốt nhất.

Các vấn đề nghiên cứu cụ thể trong phạm vi đề tài bao gồm: - Khảo sát được ảnh hưởng của số lượng và cách thức bố trí của TBNĐ đến công suất phát của BPNĐ và tổn thất áp suất của khí thải. Xác định số lượng và cách thức bố trí TBNĐ phù hợp cho BPNĐ trên động cơ tĩnh tải Vikyno RV125. - Khảo sát được ảnh hưởng của các thông số kết cấu của BThN (chiều cao, số lượng và độ dày cánh) đến công suất phát của BPNĐ và tổn thất áp suất của khí thải. Xác định giá trị các thông số kết cấu BThN phù hợp cho BPNĐ trên động cơ tĩnh tải Vikyno RV125.

Trang 9 Chương 1: Tổng quan 1.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài là kết quả của việc áp dụng các kiến thức về truyền nhiệt, nhiệt động lực học, cơ lưu chất, phương pháp số để mô phỏng lại quá trình trao đổi nhiệt trong bộ BPNĐ. Kết quả khảo sát của nghiên cứu được sử dụng để tìm ra các thông số tối ưu của kết cấu thu nhiệt, tạo ra công suất phát lớn với tổn thất áp suất nhỏ cho BPNĐ sử dụng khí thải động cơ tĩnh thải. Nghiên cứu mở ra một hướng phát triển cho các nghiên cứu tương tự về BPNĐ sử dụng khí thải động cơ đốt trong hoặc các nguồn nhiệt thải khác có tính chất tương tự. Từ đó, kết quả của đề tài đóng góp một phần cơ sở về nghiên cứu phát triển BPNĐ để ứng dụng trong việc thu hồi năng lượng từ khí thải động cơ đốt trong.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của nghiên cứu có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo để thiết kế và chế tạo ra BPNĐ sử dụng khí thải động cơ tĩnh tải có kết cấu nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, giá thành thấp mà đạt được công suất cao với tổn thất áp suất nhỏ.

Nhờ vào đó, động cơ được ứng dụng BPNĐ hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn. Nhờ đó, động cơ giảm được tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm ra môi trường. Trang 10 Chương 2: Cơ sở lý thuyết CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hiệu ứng nhiệt điện và thiết bị nhiệt điện 2.1 Hiệu ứng See-beck [24] Hiệu ứng Seebeck là sự chuyển hóa chênh lệch nhiệt độ thành điện thế và được đặt theo tên nhà vật lý người Đức, Thomas Seebeck (1770-1831), phát hiện vào năm 1821. Ông phát hiện ra rằng kim la bàn sẽ bị lệch hướng khi đặt cạnh một mạch kín được tạo bởi hai kim loại nối với nhau, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn.

Điều này là do các kim loại phản ứng khác nhau với sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra dòng điện và một điện trường. Tuy nhiên, ông không nhận ra sự có mặt của dòng điện. Điều khiếm khuyết này được nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Orsted chỉ ra và đặt ra khái niệm “nhiệt điện”. Điện thế tạo ra bởi hiệu ứng này cỡ μV/K.

Mạch kín nói trên được gọi là cặp nhiệt điện Hình 2. Hiệu ứng Seebeck [3]. Hiệu điện thế của dòng điện sinh ra trong mạch được tính theo công thức sau: U s = S (Th − Tc ) = S T (2.1) Trong đó: S (V/K): Hệ số Seebeck. Th (oC): Nhiệt độ mặt nóng.

Tc (oC): Nhiệt độ mặt lạnh. T (oC): Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh.2 Thiết bị nhiệt điện [25] Cấu tạo và nguyên lí thiết bị nhiệt điện Trang 11 Chương 2: Cơ sở lý thuyết TBNĐ là thiết bị bán dẫn chuyển đổi nhiệt thành điện. Trong đề tài này học viên sử dụng TBNĐ để chuyển đổi nhiệt từ khói xả động cơ thành điện. Một TBNĐ hay có thể gọi là mô-đun TBNĐ có thể có một hoặc nhiều cặp nhiệt điện bán dẫn.

Trong đó, cặp nhiệt điện bán dẫn bao gồm phần tử bán dẫn loại P và loại N nằm song song với nhau, các chân của phần từ loại P và N được liên kết nối tiếp với nhau, xem Hình 2. Vật liệu của các phần tử bán dẫn thường là Bi-Te, Se-Te, … Liên kết giữa các chân của phần tử bán dẫn là vật liệu dẫn điện tốt, thường là đồng. Hai mặt của TBNĐ là đế lắp ghép các phần từ bán dẫn, do đó cần có sự cách điện tốt, thường được làm bằng sứ hoặc cacbon. Đầu ra của TBNĐ sẽ được liên kết với mạch điện có tải bên ngoài.

Đầu liên kết với chân của phần tử loại N, có hiệu điện thế cao hơn đầu liên kết với chân của phần tử loại P. Sơ đồ nguyên lí của một TBNĐ, có nhiều cặp phần tử bán dẫn.[25] Về nguyên lí vận hành, các cặp nhiệt điện bán dẫn hoạt động theo nguyên lý chung với các thiết bị nhiệt điện kim loại, sự khuếch tán các hạt mang điện - electron và lỗ trống - xảy ra khi có một sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt của thiết bị. Các hạt mang điện bị khuếch tán từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và tạo ra hiệu điện thế. Mô hình toán học của TBNĐ Sự chuyển đổi nhiệt điện trong TBNĐ sẽ tuân theo các hiệu ứng nhiệt điện đã Trang 12 Chương 2: Cơ sở lý thuyết kể trên và các định luật điện.

Xét một TBNĐ có số lượng cặp phần tử bán dẫn, n. Điện trở trong, Rs, và độ dẫn nhiệt, K, được xác định dựa vào số lượng cặp phần tử, hệ số Seebeck, chiều dài của phần tử bán dẫn. Sơ đồ mạch điện của TBNĐ có nối tải.2) Trong đó: ∆T - Chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của TBNĐ, K Th - Nhiệt độ trên bề mặt nóng của TBNĐ, K Tc - Nhiệt độ trên bề mặt lạnh của TBNĐ, K S - Hệ số Seebeck, V/K Us - Suất điện động của TBNĐ, V Điện áp ngoài ở hai đầu của tải: U L = U s − IRs (2.3) Trong đó: UL - Điện áp mạch ngoài, V I - Cường độ dòng điện, A Rs - Điện trở trong của TBNĐ, Ω Cường độ dòng điện của mạch: Us S T I= = (2.