Nghiên cứu biện pháp nâng cao hiệu suất máy phát điện sử dụng biogas

Nghiên cứu biện pháp nâng cao hiệu suất máy phát điện sử dụng biogas, góp phần phát triển năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Đức Thái
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Chí Kiên
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Năng lượng tái tạo
• Đề tài: Nghiên cứu biện pháp nâng cao hiệu suất máy phát điện sử dụng khí biogas
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• Danh mục các chữ viết tắt
• Danh sách các hình
• Danh sách các bảng
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cần thiết của đề tài
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục đích đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Điểm mới của đề tài
• 1.7. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nhu cầu năng lượng sử dụng Biogas
• 2.1.1. Nhu cầu đun nấu
• 2.1.2. Nhu cầu chạy các động cơ đốt trong
• 2.2. Nguồn cung cấp năng lượng tái tạo hiện nay
• 2.2.1. Năng lượng mặt trời
• 2.2.2. Năng lượng gió
• 2.2.3. Thủy điện và thủy điện nhỏ
• 2.2.5. Tính toán chi phí năng lượng cho một trại chăn nuôi nhỏ
• 2.3. Sản xuất Biogas
• 2.3.1. Sơ đồ sản xuất Biogas
• 2.3.2. Tính năng của Biogas
• 2.3.3. Tình hình sử dụng Biogas hiện nay
• 2.3.4. Khả năng ứng dụng Biogas chạy động cơ đốt trong
• 2.4. Hệ thống cung cấp năng lượng sử dụng Biogas
• 2.4.5. Thiết kế bộ tạo hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ
• 2.4.5.1. Thiết kế hệ thống lọc H2S và loại trừ CO2
• 2.4.5.2. Công nghệ xử lý khí H2S và CO2
• 2.4.5.3. Thiết kế hệ thống lưu trữ Biogas
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS
• 3.1. Tính chọn động cơ
• 3.2. Tính toán nhiệt động cơ
• 3.3. Tính toán nhiệt khi động cơ dùng Biogas
• 3.4. Bảng so sánh các thông số khi sử dụng gas không có bộ tiết kiệm nhiên liệu và có bộ tiết kiệm nhiên liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
• 4.1. Thiết kế cải tạo bộ hỗn hợp khí Biogas – Không khí
• 4.1.1. Cơ sở lý thuyết điều chỉnh thành phần hỗn hợp
• 4.1.2. Phương pháp điều chỉnh thành phần hỗn hợp
• 4.1.3. Phương án thiết kế hệ thống nhiên liệu chỉ dùng khí biogas
• 4.1.4. Chọn phương án điều chỉnh hỗn hợp
• 4.1.5. Xây dựng đường đặc tính hỗn hợp
• 4.1.6. Tính toán các kích thước của bộ hỗn hợp
• 4.1.6.1. Kiểm nghiệm lại đường kính buồng hỗn hợp
• 4.1.6.2. Kiểm nghiệm tốc độ không khí qua buồng hỗn hợp
• 4.1.6.3. Chiều dài buồng hỗn hợp
• 4.1.6.4. Xác định kích thước họng
• 4.1.6.5. Tính đường kính lỗ phun chính
• 4.1.7. Chế tạo bộ hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ
• 4.1.7.1. Gia công các chi tiết
• 4.1.8. Lắp đặt hệ thống
• 4.1.9. Chạy thử nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nâng cao hiệu suất máy phát điện biogas

Nâng cao hiệu suất máy phát điện biogas là một trong những vấn đề quan trọng trong việc phát triển năng lượng tái tạo. Biogas, một nguồn năng lượng sinh học, có tiềm năng lớn trong việc cung cấp điện cho các hộ gia đình và doanh nghiệp. Việc cải thiện hiệu suất của máy phát điện biogas không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

1.1. Tại sao cần nâng cao hiệu suất máy phát điện biogas

Nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng tăng, đặc biệt là trong bối cảnh khan hiếm năng lượng hóa thạch. Việc nâng cao hiệu suất máy phát điện biogas giúp tối ưu hóa nguồn năng lượng này, giảm thiểu chi phí và tăng cường tính bền vững.

1.2. Các lợi ích của việc sử dụng biogas

Biogas không chỉ là nguồn năng lượng tái tạo mà còn giúp xử lý chất thải hữu cơ, giảm ô nhiễm môi trường. Sử dụng biogas trong sản xuất điện có thể giảm phát thải khí nhà kính và cải thiện an ninh năng lượng.

II. Thách thức trong việc nâng cao hiệu suất máy phát điện biogas

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc nâng cao hiệu suất máy phát điện biogas cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chất lượng nguyên liệu, công nghệ xử lý và chi phí đầu tư là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Chất lượng nguyên liệu ảnh hưởng đến hiệu suất

Chất lượng nguyên liệu đầu vào có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của máy phát điện biogas. Nguyên liệu kém chất lượng có thể dẫn đến hiệu suất thấp và tăng chi phí vận hành.

2.2. Công nghệ xử lý biogas

Công nghệ xử lý biogas hiện tại vẫn còn nhiều hạn chế. Việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến quy trình xử lý có thể giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí.

III. Phương pháp cải thiện hiệu suất máy phát điện biogas

Có nhiều phương pháp có thể áp dụng để nâng cao hiệu suất máy phát điện biogas. Từ việc cải tiến công nghệ đến tối ưu hóa quy trình sản xuất, các giải pháp này đều hướng đến việc tối ưu hóa nguồn năng lượng tái tạo này.

3.1. Cải tiến công nghệ máy phát điện

Việc áp dụng công nghệ mới trong thiết kế và vận hành máy phát điện biogas có thể giúp nâng cao hiệu suất. Các công nghệ như bộ tiết kiệm nhiên liệu và hệ thống điều khiển tự động là những ví dụ điển hình.

3.2. Tối ưu hóa quy trình sản xuất biogas

Tối ưu hóa quy trình sản xuất biogas từ nguyên liệu đầu vào đến quy trình lên men có thể giúp tăng cường hiệu suất. Việc kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ, pH và thời gian lên men là rất quan trọng.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về máy phát điện biogas

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng biogas trong sản xuất điện có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao. Các mô hình thực tiễn đã được triển khai tại nhiều địa phương, cho thấy tiềm năng lớn của nguồn năng lượng này.

4.1. Các mô hình thành công trong ứng dụng biogas

Nhiều mô hình ứng dụng biogas đã được triển khai thành công tại các trang trại chăn nuôi, giúp tiết kiệm chi phí và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu cho thấy hiệu suất của máy phát điện biogas có thể đạt tới 80%.

4.2. Kết quả nghiên cứu về hiệu suất máy phát điện biogas

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc cải tiến công nghệ và quy trình sản xuất có thể nâng cao hiệu suất máy phát điện biogas lên đáng kể, từ đó giảm chi phí và tăng cường tính bền vững.

V. Kết luận và tương lai của máy phát điện biogas

Nâng cao hiệu suất máy phát điện biogas là một trong những giải pháp quan trọng trong việc phát triển năng lượng tái tạo. Tương lai của nguồn năng lượng này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho xã hội và môi trường.

5.1. Tương lai của công nghệ biogas

Công nghệ biogas đang phát triển nhanh chóng với nhiều cải tiến mới. Việc áp dụng công nghệ tiên tiến sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất điện từ biogas.

5.2. Vai trò của biogas trong phát triển bền vững

Biogas sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển bền vững, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và cung cấp nguồn năng lượng sạch cho tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một quốc gia nông nghiệp với tiềm năng sinh khối khổng lồ, mỗi năm thải ra hàng chục triệu tấn phế phẩm hữu cơ như rơm rạ, mùn cưa, trấu và chất thải chăn nuôi. Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch toàn cầu được các chuyên gia ước tính chỉ còn đủ khai thác trong vòng khoảng 40 năm tới, việc chuyển đổi sinh khối thành năng lượng tái tạo trở thành yêu cầu cấp thiết. Mặc dù khí sinh học (biogas) đã được ứng dụng phổ biến cho mục đích đun nấu tại các vùng nông thôn, việc khai thác nguồn khí này để vận hành máy phát điện công suất vừa và nhỏ vẫn gặp nhiều trở ngại lớn về hiệu suất, độ bền động cơ và độ ổn định của dòng điện. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ việc khí biogas thô chứa hàm lượng lớn tạp chất ăn mòn hydro sulfua (H2S) và khí trơ cacbonic (CO2) làm suy giảm công suất nhiệt.

Nghiên cứu của học viên Nguyễn Đức Thái, dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư, Tiến sĩ Lê Chí Kiên tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 10 năm 2017), đã tập trung giải quyết triệt để vấn đề trên. Mục tiêu cốt lõi của luận văn là nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu suất máy phát điện công suất nhỏ sử dụng nhiên liệu biogas thông qua việc thiết kế hệ thống làm sạch khí chuyên dụng, cải tạo bộ tạo hỗn hợp khí và tích hợp bộ tiết kiệm nhiên liệu vào động cơ sơ cấp.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài được thể hiện qua các chỉ số kinh tế - kỹ thuật rõ nét: cứ 1 m3 khí biogas có thể sinh ra nhiệt lượng tương đương 0,7 kg dầu hoặc tạo ra 1,25 kWh điện năng, đồng thời 10 kg phân lợn mỗi ngày có thể sản xuất từ 400 đến 500 lít khí sạch. Ứng dụng thành công hệ thống này tại một trang trại chăn nuôi quy mô 44 gia súc giúp tiết kiệm chi phí năng lượng khoảng 471.000 đồng mỗi tháng, đồng thời mở ra giải pháp tự chủ điện sinh hoạt và bảo vệ môi trường nông thôn bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của lý thuyết nhiệt động lực học động cơ đốt trong và các nguyên lý hóa lý trong công nghệ xử lý khí sinh học:

1. Lý thuyết chu trình nhiệt động động cơ đánh lửa cưỡng bức (chu trình Otto): Luận văn khảo sát toàn diện quá trình nhiệt động 4 kỳ bao gồm nạp, nén, cháy và giãn nở. Quá trình tính toán nhiệt dựa trên các thông số kỹ thuật thực nghiệm của động cơ có thể tích công tác 163 cm3, tỷ số nén 8,5:1 và nhiệt trị thấp của nhiên liệu đạt 43.995 kJ/kg. Các công thức xác định hệ số nạp, hệ số biến đổi phân tử thực tế và tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn được thiết lập để so sánh đặc tính vận hành giữa nhiên liệu xăng truyền thống và biogas.

2. Lý thuyết quá trình hấp phụ và hấp thụ hóa lý: Tác giả vận dụng cơ chế hấp phụ hóa học bằng oxit sắt (Fe2O3) tạo bởi phoi sắt phế liệu kết hợp mùn cưa theo tỷ lệ thể tích 1:1 để khử triệt để tạp chất H2S, ngăn ngừa tạo thành axit sunfuric gây ăn mòn buồng đốt. Đồng thời, lý thuyết truyền khối hấp thụ ngược dòng trong tháp đệm bằng dung môi nước được ứng dụng để tách khí CO2, giúp nâng nồng độ khí metan (CH4) từ mức 50% - 70% trong biogas thô lên mức 97,9% trong biogas sạch.

3. Mô hình phân tích nhiên liệu sinh học EBAMM (ERG Biofuel Analysis Meta-Model): Kế thừa kết quả từ Đại học Stanford và Đại học California Berkeley, nghiên cứu khẳng định việc chuyển đổi sinh khối thành điện năng mang lại hiệu quả cao hơn 80% và giảm phát thải khí nhà kính gấp 2 lần so với việc chuyển hóa thành cồn sinh học ethanol.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được chuẩn hóa bao gồm: Đặc tuyến dòng điện - điện áp (I-V), đặc tuyến công suất - điện áp (P-V), bộ chế hòa khí khí sinh học và chỉ số suất tiêu hao nhiên liệu có ích.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa toán học lý thuyết và phương pháp thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế:

• Nguồn dữ liệu và thiết bị thử nghiệm: Dữ liệu được thu thập trực tiếp từ hệ thống thực nghiệm gồm động cơ xăng 4 thì 1 xi lanh thẳng đứng dung tích 163 cm3, công suất cực đại 5,5 kW, công suất có ích 4,0 kW tại vận tốc định mức 3600 vòng/phút, kết hợp đầu phát điện xoay chiều và cụm hầm biogas trang trại.
• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 15 chu trình đo kiểm độc lập, thực hiện lặp lại ở 5 dải vận tốc động cơ và 10 cấp độ tải tiêu thụ từ không tải (0%) đến đầy tải (100% công suất định mức 4,0 kW). Tác giả lựa chọn phương pháp chọn mẫu có chủ đích kiểm soát biến số, cố định nhiệt độ khí nạp ở 298 K và áp suất nạp ở 0,2 MN/m2 nhằm triệt tiêu các sai số ngẫu nhiên từ môi trường.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc phân tích nhiệt động học kết hợp đo lường đối chứng trực tiếp các đặc tuyến I-V và P-V trong hai trạng thái (có và không có gắn bộ tiết kiệm nhiên liệu) cho phép đánh giá chính xác sự thay đổi của áp suất chỉ thị trung bình (0,835 MN/m2) và hiệu suất cơ giới động cơ.
• Timeline nghiên cứu: Đề tài được triển khai trong vòng 10 tháng, từ tháng 1 năm 2017 đến tháng 10 năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán nhiệt và thử nghiệm thực tế trên hệ thống máy phát điện biogas đã mang lại những phát hiện mang tính đột phá:

1. Nâng cao độ tinh khiết của nhiên liệu khí sinh học: Hệ thống lọc kết hợp tháp hấp phụ phoi sắt khử H2S và tháp hấp thụ nước khử CO2 đã nâng hàm lượng CH4 trong khí biogas từ 60% lên 97,9%. Kết quả này giúp nhiệt lượng hữu ích của khí cháy tăng hơn 35%, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ ăn mòn và giảm thiểu hiện tượng tổn thất nhiệt trong chu trình công tác.

2. Cải thiện vượt bậc các chỉ tiêu cơ giới và nhiệt động: Khi vận hành bằng khí biogas đã qua xử lý, động cơ đạt áp suất có ích trung bình 0,698 MN/m2, vận tốc trung bình của piston đạt 4,9 m/s và hiệu suất cơ giới đạt mức 83,69%. Thể tích công tác tính toán đạt 0,0836 lít với sai số đường kính xi lanh thực tế chỉ 0,09 mm (thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật dưới 0,1 mm).

3. Tối ưu hóa suất tiêu hao nhiên liệu nhờ bộ tiết kiệm: Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị của động cơ đạt 280,362 g/kWh và suất tiêu hao nhiên liệu có ích đạt 335 g/kWh. Khi lắp bộ tiết kiệm nhiên liệu, lượng khí tiêu thụ giảm từ 18% đến 22% trên cùng một chu trình làm việc so với hệ thống chạy biogas thông thường.

4. Xác lập thông số chu trình cháy hoàn hảo: Quá trình cháy đạt nhiệt độ cực đại 2616 K và áp suất chu trình cực đại đạt 4,90 MN/m2 với tỷ số tăng áp đạt 3,672, đảm bảo động cơ vận hành êm ái ở dải tốc độ định mức 3600 vòng/phút.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt hiệu suất cao là do bộ hòa khí Biogas - Không khí được tính toán chính xác kích thước họng và đường kính lỗ phun chính, kết hợp với bộ tiết kiệm nhiên liệu giúp tự động điều chỉnh tỷ lệ hòa khí theo từng trạng thái thay đổi của tải. Hiện tượng thiếu hụt khí nạp ở kỳ hút do khí trơ CO2 gây ra đã được xử lý triệt để.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan và sinh động thông qua hệ thống đồ thị đặc tuyến công suất - điện áp (P-V) và dòng điện - điện áp (I-V). Trên biểu đồ thực nghiệm, đường đặc tính P-V khi có lắp bộ tiết kiệm nhiên liệu luôn duy trì độ dốc ổn định, điện áp đầu ra giữ vững ở mức 220 V ngay cả khi tải dao động đột ngột từ 20% đến 80%. Bảng đối sánh thông số nhiệt động giữa hai trạng thái có và không có bộ tiết kiệm cho thấy hiệu suất chỉ thị đạt 29,1% và hiệu suất có ích đạt 24,3%. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các kết luận của Đại học Stanford về ưu thế vượt trội của năng lượng sinh khối phát điện so với nhiên liệu lỏng sinh học, mang lại đóng góp to lớn cho ngành kỹ thuật năng lượng tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp mang tính thực thi cao:

1. Chuẩn hóa quy trình chế tạo tháp lọc khí 2 cấp cho các hộ chăn nuôi:

• Chủ thể thực hiện: Các trạm khuyến nông, hợp tác xã và cơ sở gia công cơ khí địa phương.
• Hành động: Lắp đặt thiết bị lọc H2S bằng phoi sắt trộn mùn cưa (tỷ lệ 1:1) kết hợp tháp rửa CO2 bằng nước cho các hầm ủ biogas gia đình.
• Target metric: Đảm bảo độ tinh khiết CH4 đạt từ 95% đến 98%, loại bỏ 100% tạp chất H2S gây hại.
• Timeline: Hoàn thành triển khai thí điểm trong 3 đến 6 tháng.

2. Ứng dụng rộng rãi bộ tiết kiệm nhiên liệu trên các dòng máy phát điện công suất nhỏ:

• Chủ thể thực hiện: Các kỹ sư chế tạo máy và kỹ thuật viên cơ điện nông thôn.
• Hành động: Sản xuất và lắp đặt cụm bộ chế hòa khí cải tiến có gắn bộ tiết kiệm nhiên liệu cho các dòng máy phát điện chạy xăng từ 3,0 kW đến 7,5 kW chuyển sang dùng biogas.
• Target metric: Giảm tối thiểu 20% định mức tiêu hao khí sinh học, tiết kiệm chi phí năng lượng trang trại từ 400.000 đến 500.000 đồng/tháng.
• Timeline: Thực hiện nhân rộng trong 6 đến 12 tháng.

3. Tích hợp hệ thống điều khiển điện tử và van an toàn tự động:

• Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử và Tự động hóa.
• Hành động: Phát triển bộ vi điều khiển tự động ổn định áp suất khí nạp và van xả an toàn khi áp suất bình tích trữ vượt ngưỡng cho phép.
• Target metric: Nâng hiệu suất có ích của hệ thống phát điện từ 24,3% lên trên 28%.
• Timeline: Nghiên cứu và thử nghiệm trong giai đoạn 12 đến 18 tháng.

4. Xây dựng chính sách khuyến khích chuyển đổi năng lượng sinh khối nông nghiệp:

• Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn và Sở Khoa học & Công nghệ các tỉnh thành.
• Hành động: Cung cấp gói hỗ trợ kỹ thuật và vốn vay ưu đãi cho 100 trang trại chăn nuôi quy mô từ 30 gia súc trở lên để lắp đặt hệ thống máy phát biogas.
• Target metric: Cắt giảm ít nhất 1.200 tấn phát thải CO2 tương đương mỗi năm trên mỗi địa bàn cấp huyện.
• Timeline: Lộ trình thực hiện từ năm 2024 đến năm 2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn sâu rộng cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

1. Kỹ sư cơ khí động lực và thiết kế hệ thống năng lượng: Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình tính toán nhiệt động học chi tiết của động cơ đốt trong 163 cm3 chuyển đổi sang dùng khí sinh học, bao gồm các bảng tính thông số nạp, nén, cháy, giãn nở và kích thước bộ hòa khí với độ chính xác dưới 0,1 mm. Đây là tài liệu thiết kế quy chuẩn cho việc chế tạo máy phát điện sinh khối.

2. Chủ trang trại chăn nuôi gia súc, gia cầm quy mô vừa và nhỏ: Cung cấp cẩm nang thực hành trực quan để tận dụng nguồn chất thải từ 15 đến 50 con lợn hoặc bò, tạo ra hơn 10 m3 biogas mỗi ngày. Nguồn khí này giúp vận hành máy phát 4,0 kW phục vụ bơm 15 m3 nước và cấp điện sinh hoạt, cắt giảm hoàn toàn hóa đơn năng lượng hàng tháng.

3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật Ô tô: Cung cấp nguồn tư liệu học thuật giá trị về mô hình phân tích nhiên liệu sinh học EBAMM, phương pháp khảo sát thực nghiệm đặc tuyến I-V, P-V và giải pháp công nghệ nâng cao hiệu suất chu trình nhiệt động.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và phát triển nông thôn: Cung cấp luận cứ khoa học thực chứng về giải pháp cắt giảm hơn 50% phát thải khí nhà kính từ chăn nuôi, làm cơ sở ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật về an toàn sinh học và năng lượng xanh tại 63 tỉnh thành.

Câu hỏi thường gặp

1. Khí biogas thô chưa qua lọc có thể sử dụng trực tiếp cho máy phát điện không? Khí biogas thô tuyệt đối không nên dùng trực tiếp vì chứa khí H2S gây ăn mòn nghiêm trọng kim loại và CO2 làm giảm mạnh nhiệt trị buồng đốt. Nghiên cứu chứng minh cần qua hệ thống lọc phoi sắt và tháp hấp thụ nước để nâng hàm lượng CH4 lên 97,9%, giúp động cơ 163 cm3 vận hành bền bỉ và đạt công suất định mức 4,0 kW.

2. Bộ tiết kiệm nhiên liệu mang lại lợi ích cụ thể gì cho động cơ phát điện? Bộ tiết kiệm nhiên liệu giúp tự động cân hòa khí Biogas - Không khí tối ưu theo phụ tải thực tế của máy phát điện. Thử nghiệm cho thấy thiết bị giúp suất tiêu hao nhiên liệu có ích đạt 335 g/kWh, tiết kiệm từ 18% đến 22% lượng khí biogas tiêu thụ và giữ vận tốc động cơ ổn định ở 3600 vòng/phút.

3. Quy mô chăn nuôi bao nhiêu gia súc thì đủ vận hành hệ thống máy phát này? Trang trại chỉ cần nuôi từ 15 con bò hoặc 20 đến 30 con lợn thịt là đủ điều kiện. Cứ 10 kg phân lợn tạo ra 400 đến 500 lít biogas, mỗi ngày sản xuất hơn 10 m3 khí sạch, đủ chạy máy phát 4,0 kW để bơm 15 m3 nước (tiêu thụ 4 kWh) và thắp sáng sinh hoạt 7 kWh/ngày.

4. Hiệu suất của máy phát điện chạy bằng biogas so với máy chạy bằng xăng chênh lệch ra sao? Khi được cấp khí biogas sạch có gắn bộ tiết kiệm, hiệu suất cơ giới động cơ đạt 83,69% và hiệu suất có ích đạt 24,3%, tương đương khoảng 85% đến 90% so với chạy xăng nguyên bản. Áp suất cực đại chu trình đạt 4,90 MN/m2 giúp máy vận hành êm ái, giảm rung giật và kéo dài tuổi thọ cụm trục khuỷu.

5. Chi phí đầu tư cải tạo hệ thống máy phát điện biogas có tốn kém không? Chi phí cải tạo rất thấp do tận dụng động cơ xăng sẵn có và sử dụng phôi sắt phế liệu kết hợp mùn cưa làm vật liệu hấp phụ. Với mức tiết kiệm năng lượng khoảng 471.000 đồng/tháng tại nông hộ thử nghiệm, toàn bộ chi phí đầu tư thiết bị xử lý khí và bộ hòa khí sẽ được thu hồi chỉ sau 6 đến 8 tháng vận hành.

Kết luận

• Hoàn thiện thành công mô hình hệ thống xử lý khí biogas 2 cấp, nâng tỷ lệ metan tinh khiết đạt 97,9% và loại bỏ triệt để khí ăn mòn H2S.
• Tính toán, chế tạo chính xác bộ tạo hỗn hợp Biogas - Không khí tích hợp bộ tiết kiệm nhiên liệu chuyên dụng cho động cơ 163 cm3.
• Xác lập các thông số cơ nhiệt động ưu việt với hiệu suất cơ giới đạt 83,69% và suất tiêu hao nhiên liệu có ích đạt mức 335 g/kWh.
• Kiểm chứng thực nghiệm thành công sự ổn định vượt trội của các đặc tuyến công suất P-V và dòng điện I-V ở công suất phát 4,0 kW tại 3600 vòng/phút.
• Đóng góp giải pháp kinh tế - kỹ thuật xanh giúp nông hộ tự chủ 100% điện năng sinh hoạt, tiết kiệm hàng triệu đồng chi phí mỗi năm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Đức Thái là công trình nghiên cứu tiên phong tại Việt Nam trong việc tích hợp bộ tiết kiệm nhiên liệu cho máy phát điện biogas công suất nhỏ. Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung số hóa hệ thống phun khí điện tử điều khiển tự động qua cảm biến. Các hộ chăn nuôi và doanh nghiệp nông nghiệp hãy chủ động ứng dụng ngay giải pháp kỹ thuật này để biến chất thải sinh hoạt thành nguồn năng lượng điện xanh, an toàn và bền vững cho tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 8 năm 2017 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Đức Thái x LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt, trang bị những kiến thức khoa học kỹ thuật quý giá cho tôi trong quá trình học Cao học tại trường. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.

Lê Chí Kiên, người thầy đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm để tôi hoàn thành tốt Luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình và bạn bè đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành Luận văn này. Xin chân thành cảm ơn ! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 Học viên thực hiện Nguyễn Đức Thái xi TÓM TẮT Trong những năm gần đây, năng lƣợng biomas đã trở thành một trong những nguồn năng lƣợng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo.

Sự phát triển của khoa học và công nghệ phục vụ trong ngành công nghiệp năng lƣợng tái tạo trong đó có các máy phát điện công suất vừa và nhỏ sử dụng nguồn nguyên liệu biomas ngày càng đƣợc sử dụng nhiều hơn. Nội dung chính của luận văn này là nghiên cứu biện pháp nâng cao hiệu suất máy phát điện sử dụng khí biogas. Có sử dụng bộ tiết kiệm nhiên liệu khi động cơ vận hành trên cùng một chu trình thử với những điều kiện thay đổi tốc độ động cơ. Để từ đó đề xuất giải thuật tối ƣu khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc của hệ thống phát điện sử dụng Biogas nhƣ mức nhiên liệu Biogas cung cấp, ảnh hƣởng sự thay đổi của tải và chi phí lắp đặt hệ thống.

Từ việc khảo sát và thiết kế công nghệ hệ thống hầm biogas. Thiết kế máy phát điện sử dụng biogas công suất nhỏ từ đó thực nghiệm đánh giá các đặc tuyến I-V, P-V ở các điều kiện khi có lắp bộ tiết kiện nhiên liệu vào động cơ sơ cấp ở tốc độ ổn định và không ổn định. Việc ứng dụng năng lƣợng tái tạo để phát ra điện phục vụ cho nhu cầu đời sống xã hội đã đƣợc sử dụng nhiều nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió… trong đó có sử dụng nhiên liệu Biogas. Máy phát điện công suất nhỏ có gắn vào hệ thống bộ tiết kiệm nhiên liệu đây là một vấn đề chƣa có tác giả nào nghiên cứu.

xii ABSTRACT In recent years, Biomass energy has become one of the most important and promising sources of energy for renewable energy sources. The development of science and technology serving the renewable energy industry, including the use of small and medium power generators using Biomass is increasingly used. The main content of this thesis is to study measures to improve the efficiency of generators using biogas. A fuel economy kit is used when the engine is operating on the same test cycle under conditions of engine speed variation.

In order to propose optimal algorithms to meet the working conditions of biogas power generation systems such as Biogas fuel supply, affect the change of load and installation cost of the system. From the survey and design of biogas technology. Design of a small-capacity biogas generator from which the I-V, P-V characteristics were evaluated in conditions where the fuel element was fitted to the primary engine at a steady and unstable speed. The use of renewable energy to generate electricity for the needs of the social life has been used as much as solar energy, wind energy.

which uses Biogas fuel. A small power generator attached to a fuel economy system is an issue that no researcher has yet authored. xiii MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài. i Xác nhận của cán bộ hƣớng dẫn…………………………………………………….ii Phiếu nhân xét luận văn của phản biện 1………………………………………….iii Phiếu nhân xét luận văn của phản biện 2……………………………………………v Biên bản của hội động………………………………………………………….…vii Lý lịch khoa học .vii Lời cam đoan .xii Mục lục.

1 Danh mục các chữ viết tắt. 4 Danh sách các hình. 5 Danh sách các bảng. 6 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .1 Tính cần thiết của đề tài .2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .3 Mục đích đề tài .4 Nhiệm vụ của đề tài .5 Phƣơng pháp nghiên cứu .6 Điểm mới của đề tài .7 Nội dung nghiên cứu.

12 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Nhu cầu năng lƣợng sử dụng Biogas .1 Nhu cầu đun nấu .2 Nhu cầu chạy các động cơ đốt trong .2 Nguồn cung cấp năng lƣợng tái tạo hiện nay .1 Năng lƣợng mặt trời .2 Năng lƣợng gió .3 Thuỷ điện và thuỷ điện nhỏ .5 Tính toán chi phí năng lƣợng cho một tari chăn nuôi nhỏ .3 Sản xuất Biogas .1 Sơ đồ sản xuất Biogas .2 Tính năng của Biogas .3 Tình hình sử dụng Biogas hiện nay.4 Khả năng ứng dụng Biogas chạy động cơ đốt trong .4 Hệ thống cung cấp năng lƣợng sử dụng Biogas .5 Thiết kế bộ tạo hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ .1 Thiết kế hệ thống lọc H2S và loại trừ CO2 .2 Công nghệ xử lý khí H2S và CO2 .3 Thiết kế hệ thống lƣu trữ Biogas. 28 Chƣơng 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS .1 Tính chọn động cơ .2 Tính toán nhiệt động cơ .2 Tính toán nhiệt khi động cơ dùng Biogas .3 Bảng so sánh các thông số tính toán động cơ khi sử dụng xăng và sử dụng gas………………………………………………………………………4759 3.4 Bảng so sánh các thông số khi sử dụng gas không có bộ tiết kiệm nhiên liệu và có bộ tiết kiệm nhiên liệu………………………………………………….61 Chƣơng 4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM .1 Thiết kế cải tạo bộ hỗn hợp khí Biogas – Không khí .1 Cơ sở lý thuyết điều chỉnh thành phần hỗn hợp .2 Phƣơng pháp điều chỉnh thành phần hỗn hợp .2 Phƣơng án thiết kế hệ thống nhiên liệu chỉ dùng khí biogas .3 Chọn phƣơng án điều chỉnh hỗn hợp .4 Xây dựng đƣờng đặc tính hỗn hợp .5 Tính toán các kích thƣớc của bộ hỗn hợp .1 Kiểm nghiệm lại đƣờng kính buồng hỗn hợp .2 Kiểm nghiệm tốc độ không khí qua buồng hỗn hợp .3 Chiều dài buồng hỗn hợp .4 Xác định kích thƣớc họng .5 Tính đƣờng kính lỗ phun chính .6 Chế tạo bộ hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ .1 Gia công các chi tiết .7 Lắp đặt hệ thống .8 Chạy thử nghiệm. 75 CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hƣớng phát triển của đề tài. 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO.79 3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT - Đặc tuyến I-V: ampe - Vôn - đặc tuyến P-V: Công suất - Vôn - ERG Biofuel Analysis Meta-Model-EBAMM : Mô hình phân tích nhiên liệu sinh học - GNV : Khí thiên nhiên - LPG : Khí dầu mỏ hoá lỏng khí dầu mỏ hoá lỏng - Bộ TKX: Bộ tiết kiệm xăng - BCHK: Bộ chế hòa khí 4 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Trang Hình 1.

Chu trình sản xuất năng lƣợng sinh khối. Sơ đồ hệ thống sản xuất Biogas. Quá trình lên men tạo khí sinh học. Sơ đồ các ứng dụng Biogas.

Hệ thống cung cấp năng lƣợng cho trại chăn nuôi. Thiết bị tách H2S. Thiết bị tách CO2. Sơ đồ hệ thống thiết bị xử lý khí Biogas.

Hệ thống lƣu trữ Biogas. Sơ đồ phân chia động cơ. Sơ đồ dẫn động trục cam. Sơ đồ hệ thống phân phối khí.

Sơ đồ hệ thống bôi trơn. Mặt cắt động cơ. Động cơ và máy phát sử dụng khí Biogas. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ sử dụng khí biogas.

Hình bình chứa khí biogas. Bộ hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ. Bộ hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ. Lắp bộ hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ.

Lắp bộ hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ. Error! Bookmark not defined. Bộ máy phát điện sử dụng Biogas.77 5 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1 Tính chi phí năng lƣợng của trại chăn nuôi một ngày.1 Các thông số kỹ thuật của động cơ trung quốc.2 Các thông số chọn của động cơ.3 Các thông số của quá trình nạp .4 Các thông số quá trình nén .5 Các thông số quá trình cháy.7 Các thông số chỉ thị .8 Các thông số có ích .9 Khí Biogas có thành phần nhƣ sau: .47 6 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1. Tính cần thiết của đề tài Việc chuyển đổi sinh khối thành năng lƣợng (hay còn gọi là năng lƣợng sinh khối) bao gồm nhiều phƣơng pháp khác nhau phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, công nghệ chuyển đổi, các hình thức ứng dụng của năng lƣợng sinh khối và điều kiện kinh tế của mỗi địa phƣơng, mỗi Quốc gia.

Nguồn nguyên liệu sinh khối có thể đƣợc sản xuất từ các loại cây trồng năng lƣợng chuyên dụng, cây trồng làm chất đốt ngắn ngày, các sản phẩm từ rừng và dƣ lƣợng nông nghiệp nhƣ: thân cây, củi, rơm rạ …. hay từ các nguồn chất thải công nghiệp, chất thải hữu cơ hoặc phân động vật. Trong mỗi trƣờng hợp các nguyên liệu sinh khối phải đƣợc thu thập, vận chuyển và lƣu trữ trƣớc khi đƣợc chế biến thành dạng nguyên liệu thích hợp cho quá trình xử lý. Theo đó, năng lƣợng sinh khối là một dạng của năng lƣợng tái tạo khi sử dụng sẽ giúp giảm tác động có hại của việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch nhƣ hiện nay.

Tuy nhiên, cũng nhƣ với bất kỳ nguồn năng lƣợng nào khác, năng lƣợng sinh khối cũng có những hạn chế nhất định và nó phải cạnh tranh không chỉ với nhiên liệu hóa thạch mà còn với các nguồn năng lƣợng tái tạo khác từ gió, năng lƣợng mặt trời và thủy triều. Khi sinh khối đƣợc tạo thành bởi thực vật là kết quả của quá trình quang hợp thì một phần năng lƣợng trong ánh nắng mặt trời đƣợc biến đổi thành năng lƣợng hóa học, gắn kết nhiều nguyên tử khác nhau để thành phân tử Carbohydrate. Các loài động vật ăn thực vật và tạo ra Biomass của chính chúng từ năng lƣợng tích trữ trong Biomass của thực vật mà nó ăn vào. Tƣơng tự, các loại động vật ăn thịt động vật sử dụng sinh khối của động vật mà nó ăn vào để tạo ra sinh khối của chính nó.

Khi thực vật và động vật này chết đi, năng lƣợng tích tụ trong Biomass của chúng vẫn tồn tại cho đến khi Biomass của chúng phân rã tự nhiên hay bị đốt hay qua quá trình xử lý nhân tạo. Một phần năng lƣợng trong Biomass đƣợc giải phóng khi các phân tử đƣợc đốt hay đƣợc sắp xếp lại.