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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các công trình nghiên cứu về ứng dụng thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải trước đây
• 1.3. Lý do chọn đề tài
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi đề tài
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Mục tiêu đề tài
• 1.5.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hiệu ứng nhiệt điện và thiết bị nhiệt điện
• 2.1.1. Hiệu ứng See-beck
• 2.1.2. Thiết bị nhiệt điện
• 2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu
• 2.3. Mô hình tính toán mô phỏng CFD
• 2.4. Phương pháp Taguchi – đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ PHÁT NHIỆT ĐIỆN
• 3.1. Động cơ thử nghiệm
• 3.1.1. Thông số kỹ thuật động cơ
• 3.1.2. Chế độ thử nghiệm
• 3.1.3. Tính toán thông số kỹ thuật của khí thải động cơ
• 3.2. Thiết bị nhiệt điện
• 3.3. Xây dựng mô hình bộ phát nhiệt điện
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁCH THỨC BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ NHIỆT ĐIỆN
• 4.1. Cách thức bố trí các thiết bị nhiệt điện
• 4.2. Miền mô phỏng và lưới tính toán
• 4.3. Điều kiện biên
• 4.4. Phương pháp đánh giá
• 4.5. Kết quả và thảo luận
• 4.5.1. Ảnh hưởng của cách thức bố trí các TBNĐ đến công suất BPNĐ
• 4.5.2. Ảnh hưởng của cách thức bố trí đến tổn thất áp suất của BPNĐ
• 4.5.3. Lựa chọn cách thức bố trí các thiết bị nhiệt điện
• 5. CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU BỘ THU NHIỆT
• 5.1. Thông số kết cấu của bộ thu nhiệt
• 5.2. Miền mô phỏng và lưới tính toán
• 5.3. Điều kiện biên
• 5.4. Phương pháp đánh giá
• 5.5. Kết quả và thảo luận
• 5.5.1. Ảnh hưởng của chiều cao cánh hf
• 5.5.2. Ảnh hưởng của số lượng cánh nf
• 5.5.3. Ảnh hưởng của độ dày cánh tf
• 5.5.4. Tỉ lệ ảnh hưởng của các thông số
• 5.5.5. Lựa chọn các thông số
• 5.5.6. So sánh các kết quả
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hạn chế đề tài
• 6.3. Hướng phát triển
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê năng lượng toàn cầu, mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp đã đạt tới 13.864,9 triệu tấn dầu quy đổi (TOE), trong đó dầu mỏ chiếm 33,6% và khí thiên nhiên chiếm 23,9%, với tốc độ gia tăng tiêu thụ hàng năm đạt khoảng 2,9%. Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, các động cơ đốt trong truyền thống chỉ chuyển hóa được khoảng 35% năng lượng hóa thạch thành cơ năng có ích, trong khi hơn 40% nhiệt lượng từ quá trình cháy bị thải trực tiếp ra môi trường xung quanh qua đường khí thải. Một nghiên cứu chuyên sâu của nhà khoa học Andrés F. Augello và cộng sự đã chỉ ra rằng khoảng 30% đến 35% lượng nhiệt thải này hoàn toàn có thể thu hồi, với nhiệt độ khí thải dao động phổ biến từ 110°C đến 320°C đối với xe thương mại và có thể lên tới trên 470°C đối với động cơ tĩnh tải, mang lại tiềm năng tiết kiệm 8% đến 9% suất tiêu hao nhiên liệu tổng thể.

Vấn đề then chốt hiện nay là hiệu suất chuyển đổi của bộ phát nhiệt điện trên đường ống xả còn bị hạn chế bởi sự truyền nhiệt kém của dòng khí và tổn thất áp suất ngược tác động tiêu cực lên công suất động cơ. Nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa kết cấu thu nhiệt cho bộ phát nhiệt điện ứng dụng trên động cơ diesel tĩnh tải 1 xy lanh Vikyno RV125 có dung tích 624 cm3. Mục tiêu cụ thể là phân tích sự tương tác dòng chảy nhiệt, xác định cách thức bố trí số lượng hàng và cột mô-đun nhiệt điện, đồng thời tìm ra bộ thông số hình học cánh thu nhiệt hoàn chỉnh nhằm đạt công suất phát điện tối đa với tổn thất áp suất thấp nhất. Đề tài được triển khai thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong mốc thời gian từ tháng 2 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022, tạo ra bước đột phá với khả năng nâng cao công suất phát điện lên tới 45,39%, mở ra tiềm năng thương mại hóa các hệ thống thu hồi nhiệt thải gọn nhẹ và kinh tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của hai lý thuyết nhiệt động lực học cốt lõi: Hiệu ứng nhiệt điện Seebeck và Định luật truyền nhiệt đối lưu - dẫn nhiệt. Hiệu ứng Seebeck mô tả quá trình chuyển hóa trực tiếp chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt vật liệu bán dẫn thành hiệu điện thế với công thức điện áp tỉ lệ thuận theo hệ số Seebeck. Quá trình truyền nhiệt từ dòng khí xả vào đế thu nhiệt tuân theo định luật làm nguội của Newton đối với đối lưu cưỡng bức và định luật Fourier đối với dẫn nhiệt qua vật rắn.

Mô hình nghiên cứu nhiệt điện đa vật lý tích hợp mô-đun nhiệt điện thương mại TEHP1-1994-1 đặt giữa bộ thu nhiệt bằng nhôm có hệ số dẫn nhiệt 202,4 W/mK và bộ tản nhiệt làm mát bằng nước tuần hoàn ở nhiệt độ 90°C (tương đương 363 K). Các khái niệm khoa học trọng tâm được áp dụng xuyên suốt bao gồm: Hệ số Seebeck đặc trưng cho độ nhạy điện thế, Hệ số phẩm chất nhiệt điện ZT phản ánh hiệu suất chuyển đổi lý thuyết của vật liệu bán dẫn (thường đạt hiệu suất thực tế khoảng 5%), Tổn thất áp suất dòng khí xả qua kênh dẫn, và Hệ số đánh đổi kỹ thuật R giữa công suất điện sinh ra và công suất tiêu hao do áp suất ngược. Hệ thống phương trình Navier-Stokes kết hợp phương trình bảo toàn năng lượng đóng vai trò mô hình toán học giải quyết tương tác nhiệt - thủy khí động lực học 3D.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ mô phỏng được thu thập trực tiếp thông qua thử nghiệm thực nghiệm trên động cơ diesel 4 kỳ Vikyno RV125 (công suất cực đại 12,5 HP tại 2400 vòng/phút). Tại chế độ tải vận hành 80% với công suất hữu ích 6,3 kW và tốc độ 1920 vòng/phút, lưu lượng nhiên liệu đo được là 0,00035 kg/s, lưu lượng không khí nạp là 0,00774 kg/s, và nhiệt độ khí thải đầu vào đạt 743 K.

Phương pháp phân tích số sử dụng mô phỏng thủy khí động lực học (CFD) trên phần mềm ANSYS Fluent với mô hình rối Standard k-epsilon để mô tả chính xác trường vận tốc và phân bố nhiệt độ trong kênh dẫn. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 16 phương án bố trí không gian mô-đun (từ ma trận 2 hàng x 2 cột đến 5 hàng x 5 cột) và 27 tổ hợp thông số hình học cánh thu nhiệt cơ sở, sau đó mở rộng khảo sát thêm 8 biến thể biên để xác định điểm cực trị. Phương pháp chọn mẫu ma trận quy hoạch thực nghiệm Taguchi được ứng dụng nhằm đánh giá tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) và xác định mức độ tác động của từng thông số. Lựa chọn phương pháp CFD k-epsilon vì tính ổn định cao và khả năng hội tụ chuẩn xác cho dòng khí nén qua kênh cánh phẳng; kiểm tra độc lập lưới cho thấy lưới 4 triệu phần tử có độ sai lệch nhiệt độ bề mặt chỉ 0,2% so với lưới 5 triệu phần tử. Quá trình mô phỏng và xử lý số liệu được hoàn thành trong vòng 10 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, cách thức bố trí mô-đun nhiệt điện ảnh hưởng sâu sắc đến công suất phát và phân bố dòng nhiệt. Cấu hình 3 hàng và 4 cột (tổng cộng 24 mô-đun nhiệt điện bố trí đối xứng hai mặt) là phương án tối ưu nhất. Khi tăng số cột, công suất phát tăng lên nhưng mức gia tăng giảm dần; cụ thể ở hàng tối ưu, cột thứ 5 chỉ đóng góp thêm 16% công suất so với cột đầu tiên, trong khi việc duy trì ở 4 cột đảm bảo mỗi mô-đun tăng thêm đóng góp trên 20% công suất hữu ích.

Thứ hai, tổn thất áp suất chịu sự chi phối mạnh mẽ bởi số lượng hàng mô-đun. Khi tăng số hàng từ 2 lên 3, tổn thất áp suất giảm mạnh khoảng 100 Pa do diện tích mặt cắt ngang ống xả mở rộng làm giảm vận tốc dòng khí, và tiếp tục giảm thêm 28 Pa khi tăng lên 4 hàng, 14 Pa khi tăng lên 5 hàng.

Thứ ba, khảo sát 3 thông số hình học của bộ thu nhiệt cho thấy công suất phát tăng khi tăng số cánh, độ dày cánh và chiều cao cánh, nhưng sẽ suy giảm nếu chiều cao cánh vượt quá ngưỡng giới hạn trong điều kiện số cánh dày đặc. Bộ thông số kết cấu tối ưu tuyệt đối được xác định gồm: chiều cao cánh 40 mm, số lượng 28 cánh và độ dày cánh 1,0 mm.

Thứ tư, nhờ áp dụng bộ thông số kết cấu tối ưu, tổng công suất phát điện của hệ thống đã tăng vượt bậc 45,39% so với cấu hình kém nhất trong dải khảo sát. Phân tích Taguchi khẳng định số lượng cánh là thông số có tỷ lệ ảnh hưởng lớn nhất đến công suất phát điện, trong khi tổn thất áp suất phụ thuộc đồng thời vào số cánh và chiều cao cánh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiện tượng gia tăng công suất phát khi tăng số cánh và độ dày cánh là do diện tích tiếp xúc truyền nhiệt đối lưu được mở rộng tối đa, giúp lượng nhiệt truyền từ dòng khí xả 743 K vào đế thu nhiệt tăng cao. Tuy nhiên, việc tăng quá mức số cánh tạo ra lực cản thủy lực lớn, làm gia tăng tổn thất áp suất khí thải. Khi chiều cao cánh tăng từ 20 mm lên 40 mm, hiệu quả hấp thụ nhiệt tăng rõ rệt, nhưng khi nâng lên 50 mm tại mật độ cánh cao, nhiệt độ ở đỉnh cánh bị suy giảm do sự tiêu tán nhiệt dọc chiều dài cánh, khiến gradient nhiệt độ không còn duy trì tuyến tính.

So sánh với công trình của các nhà nghiên cứu trước đây, điển hình như nghiên cứu của Xing Lu và cộng sự với mức cải thiện 177,4% công suất khi chuyển từ kết cấu vỏ rỗng sang kết cấu cánh phân bố, kết quả của luận văn này đã tiến xa hơn khi lượng hóa chính xác tỷ lệ đánh đổi năng lượng cho động cơ tĩnh tải. Dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ phân bố trường nhiệt độ 3D trên bề mặt đế nóng, đồ thị biến thiên công suất phát theo dải tải động cơ từ 3,6 kW đến 6,3 kW, và bảng so sánh hệ số đánh đổi R nhằm phục vụ công tác chế tạo thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa thiết kế chế tạo bộ thu nhiệt tích hợp trên đường ống xả động cơ diesel tĩnh tải: Tiến hành gia công bộ thu nhiệt bằng hợp kim nhôm đúc nguyên khối với chiều cao cánh chuẩn 40 mm, bố trí 28 cánh thẳng song song có bề dày chính xác 1,0 mm nhằm đảm bảo mục tiêu gia tăng 45% công suất nhiệt điện trong vòng 6 tháng tới, do các kỹ sư R&D cơ khí động lực đảm nhiệm.

Thứ hai, phát triển mạch điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) cho cụm 24 mô-đun nhiệt điện: Thiết kế hệ thống quản lý năng lượng điện tử thông minh nhằm phối hợp trở kháng tải ngoài phù hợp với điện trở trong của hệ thống mô-đun nhiệt điện, duy trì hiệu suất chuyển đổi trên 5% và ổn định điện áp sạc 12V đến 24V cho ắc quy trong thời gian 9 tháng, do nhóm kỹ sư điện tử chủ trì.

Thứ three, triển khai mô hình thử nghiệm thực địa trên các trạm máy bơm nông nghiệp và máy phát điện dự phòng: Lắp đặt thử nghiệm hệ thống thu hồi nhiệt trên 10 tổ máy diesel Vikyno RV125 tại các cơ sở sản xuất nông nghiệp trong vòng 12 tháng nhằm kiểm chứng khả năng giảm 8% chi phí tiêu hao dầu diesel thực tế, do các hợp tác xã và doanh nghiệp cơ khí địa phương phối hợp thực hiện.

Thứ tư, nghiên cứu ứng dụng vật liệu cách nhiệt gốm ceramic tiên tiến cho vỏ bọc ngoài ống xả: Phủ lớp vật liệu cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt dưới 0,05 W/mK tại các bề mặt không lắp mô-đun nhằm hạn chế 15% tổn thất nhiệt ra môi trường trong giai đoạn 2024 đến 2025, do viện nghiên cứu vật liệu chuyên trách thực thi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) thuộc ngành công nghiệp ô tô, máy động lực và năng lượng: Tiếp cận toàn bộ phương pháp tính toán nhiệt - thủy khí động lực học 3D và bộ thông số kích thước tối ưu (chiều cao 40 mm, 28 cánh) để ứng dụng trực tiếp vào việc thiết kế bộ thu hồi nhiệt thải cho các dòng máy phát điện công nghiệp.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Nhiệt và Năng lượng tái tạo: Sử dụng công trình như một tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực về việc ứng dụng phần mềm ANSYS Fluent k-epsilon kết hợp ma trận thực nghiệm Taguchi trong xử lý bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu phức tạp.

Doanh nghiệp sản xuất chế tạo máy nông nghiệp và thiết bị phụ trợ động cơ đốt trong: Khai thác giải pháp bố trí 24 mô-đun nhiệt điện nhỏ gọn, chi phí sản xuất thấp để tích hợp vào các dòng động cơ diesel hiện hữu, giúp nâng cao giá trị gia tăng của sản phẩm và cắt giảm 8% đến 9% mức tiêu hao nhiên liệu cho người dùng.

Các nhà quản lý môi trường và chuyên gia tư vấn chuyển dịch năng lượng xanh: Tham khảo các dữ liệu định lượng khoa học về khả năng thu hồi nguồn năng lượng nhiệt thải ở 470°C nhằm xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật về hiệu suất năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính cho máy móc tĩnh tải.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cấu hình bố trí 3 hàng và 4 cột lại đạt hiệu quả tối ưu nhất cho bộ phát nhiệt điện? Cấu hình 3 hàng giúp giảm thiểu vận tốc khí thải cục bộ, làm giảm tổn thất áp suất hơn 100 Pa so với mô hình 2 hàng, trong khi cấu hình 4 cột giúp duy trì lượng công suất gia tăng của mỗi mô-đun ở mức trên 20%, tránh tình trạng suy giảm nhiệt năng quá lớn như ở cột thứ 5 (chỉ đạt 16%).

Số lượng cánh trong bộ thu nhiệt tác động như thế nào đến công suất điện và động cơ? Số lượng cánh là yếu tố chi phối mạnh nhất đến công suất phát. Tăng từ 16 lên 28 cánh giúp mở rộng diện tích trao đổi nhiệt đối lưu, nâng công suất phát lên 45,39%. Tuy nhiên, nếu tăng vượt quá 32 cánh, lực cản dòng chảy sẽ tăng vọt, gây tổn thất áp suất lớn ảnh hưởng tiêu cực đến chu trình xả của động cơ.

Tại sao nghiên cứu lại chọn động cơ diesel tĩnh tải Vikyno RV125 làm đối tượng thử nghiệm? Động cơ Vikyno RV125 dung tích 624 cm3 công suất 12,5 HP đại diện cho dòng động cơ diesel tĩnh tải hoạt động ổn định ở chế độ tải liên tục (như 80% tải tại 1920 vòng/phút). Điều này cung cấp nguồn nhiệt khí thải ổn định ở 743 K với lưu lượng khí nạp 0,00774 kg/s, rất lý tưởng để khai thác nhiệt điện liên tục.

Mức nhiệt độ nguồn lạnh 90°C ở bộ tản nhiệt có làm giảm hiệu quả chuyển đổi nhiệt điện không? Nhiệt độ nguồn lạnh 90°C tương đương nhiệt độ nước làm mát động cơ tuần hoàn. Mặc dù nhiệt độ lạnh cao hơn môi trường tự nhiên, nhưng do nhiệt độ khí xả ở mặt nóng lên tới 470°C nên chênh lệch nhiệt độ vẫn duy trì trên 350°C, đảm bảo cho mô-đun TEHP1-1994-1 hoạt động ổn định ở hiệu suất xấp xỉ 5%.

Việc lắp đặt bộ phát nhiệt điện có làm suy giảm công suất danh định của động cơ diesel hay không? Tổn thất áp suất của bộ phát nhiệt điện sau khi tối ưu với 24 mô-đun và 28 cánh thu nhiệt hoàn toàn thấp hơn tổn thất áp suất của cụm ống xả và tiêu âm nguyên bản của động cơ. Nhờ đó, động cơ không bị nghẽn dòng khí xả và hoàn toàn không làm suy giảm công suất cơ học ban đầu.

Kết luận

Thứ nhất, luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng truyền nhiệt đa vật lý 3D kết hợp thủy khí động lực học CFD với độ chính xác cao, kiểm tra tính độc lập của lưới đạt mức sai số chỉ 0,2% giữa 4 triệu và 5 triệu phần tử.

Thứ hai, nghiên cứu xác lập được quy luật bố trí không gian tối ưu cho hệ thống gồm 24 mô-đun nhiệt điện chia đều thành ma trận 3 hàng x 4 cột đối xứng hai bên đường ống xả.

Thứ ba, công trình tìm ra bộ thông số hình học hoàn hảo cho bộ thu nhiệt dạng cánh phẳng gồm chiều cao cánh 40 mm, số lượng 28 cánh và bề dày cánh 1,0 mm.

Thứ tư, giải pháp tối ưu giúp nâng cao 45,39% tổng công suất phát điện của bộ phát nhiệt điện so với trường hợp cơ sở, đồng thời kiểm soát tổn thất áp suất dòng khí xả ở mức thấp hơn thiết kế nguyên bản.

Thứ năm, kết quả nghiên cứu mở ra tiền đề khoa học vững chắc để phát triển các thiết bị thu hồi nhiệt thải tiết kiệm 8% đến 9% nhiên liệu cho hàng triệu động cơ diesel tĩnh tải trong nông nghiệp và công nghiệp.

Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2024 đến năm 2025, việc hoàn thiện mẫu thử nghiệm thực tế và tích hợp hệ thống quản lý điện tử MPPT là hướng đi tất yếu. Các kỹ sư và doanh nghiệp chế tạo máy cơ khí động lực hãy chủ động đón đầu, ứng dụng ngay kết cấu thu nhiệt tối ưu này vào dây chuyền sản xuất để nâng cao hiệu suất năng lượng và kiến tạo các dòng sản phẩm thân thiện với môi trường.

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.