Nghiên Cứu Nâng Cao Hiệu Suất Mẫu Thiết Bị Nhiệt Điện Sử Dụng Nguồn Nhiệt Thải Của Xe Gắn Máy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu cơ khí động lực nghiên cứu nâng cao hiệu suất mẫu thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải của, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Võ Tấn Phát
• 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 Nâng Cao Hiệu Suất Mẫu Thiết Bị Nhiệt Điện Sử Dụng Nguồn Nhiệt Thải Của Xe Gắn Máy
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Giải Pháp Nhiệt Điện Xe Gắn Máy Hiện Nay

Nhiệt thải từ xe gắn máy là một nguồn năng lượng bị bỏ phí. Các nghiên cứu gần đây cho thấy khoảng 40% năng lượng từ quá trình đốt cháy trong động cơ đốt trong xe gắn máy bị thải ra môi trường dưới dạng nhiệt. Việc thu hồi nhiệt thải này không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ứng dụng thiết bị nhiệt điện (TEG) để chuyển đổi nhiệt thải thành điện năng là một giải pháp đầy tiềm năng. Tuy hiệu suất chuyển đổi của TEG còn thấp so với các thiết bị điện thông thường, công nghệ này vẫn thu hút sự chú ý lớn nhờ tính đơn giản, độ bền cao và khả năng hoạt động không cần bảo trì. Nghiên cứu của Võ Tấn Phát (2018) đã chứng minh tính khả thi của việc thu hồi nhiệt thải trên xe gắn máy.

1.1. Nguồn Nhiệt Thải Xe Máy Tiềm Năng Bị Bỏ Quên

Việt Nam có số lượng xe máy lớn, đặc biệt ở các thành phố lớn. Lượng nhiệt thải từ ống xả động cơ xe máy là một nguồn năng lượng đáng kể. Việc tái sử dụng nhiệt thải không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn có thể giảm lượng khí thải. Theo Quyết định số 355/QĐ-TTg, số lượng xe máy ở Việt Nam đã vượt quá dự kiến, làm tăng thêm lượng nhiệt thải ra môi trường.

1.2. Ưu Điểm Của Công Nghệ Nhiệt Điện TEG Cho Xe Máy

Thiết bị nhiệt điện (TEG) có nhiều ưu điểm so với các công nghệ khác. TEG không có bộ phận chuyển động, do đó ít hỏng hóc và không cần bảo trì thường xuyên. TEG có thể thu hồi nhiệt thải ở bất kỳ hệ thống nào. Dù hiệu suất chuyển đổi còn thấp, TEG vẫn là một lựa chọn hấp dẫn nhờ tính đơn giản và độ tin cậy cao.

II. Thách Thức Vấn Đề Cải Thiện Hiệu Suất Nhiệt Điện Xe Máy

Mặc dù tiềm năng lớn, việc ứng dụng thiết bị nhiệt điện trên xe gắn máy vẫn còn nhiều thách thức. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn thấp là một trong những rào cản lớn nhất. Việc tối ưu hóa thiết kế bộ chuyển đổi nhiệt, lựa chọn vật liệu nhiệt điện phù hợp và cải thiện khả năng trao đổi nhiệt là những yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất. Chi phí thiết bị nhiệt điện cũng là một vấn đề cần xem xét để đảm bảo tính khả thi về mặt kinh tế. Nghiên cứu của Nguyễn Văn Hĩu (2016) đã chỉ ra những hạn chế trong thiết kế và vật liệu sử dụng, dẫn đến công suất tạo ra còn thấp.

2.1. Hiệu Suất Thấp Của Thiết Bị Nhiệt Điện Nguyên Nhân và Giải Pháp

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của thiết bị nhiệt điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh của module TEG, tính chất của vật liệu nhiệt điện, và khả năng trao đổi nhiệt đều ảnh hưởng đến hiệu suất. Cần có các nghiên cứu chuyên sâu để tìm ra vật liệu nhiệt điện mới có hiệu suất cao hơn và thiết kế bộ chuyển đổi nhiệt hiệu quả hơn.

2.2. Chi Phí Thiết Bị Nhiệt Điện Cho Xe Máy Vấn Đề Kinh Tế

Giá thành của thiết bị nhiệt điện vẫn còn khá cao. Điều này gây khó khăn cho việc ứng dụng rộng rãi công nghệ này trên xe gắn máy. Cần có các giải pháp để giảm chi phí sản xuất, tìm kiếm vật liệu nhiệt điện rẻ tiền hơn, và tối ưu hóa quy trình sản xuất để giảm giá thành sản phẩm. Việc thu hồi nhiệt thải cần phải mang lại hiệu quả kinh tế rõ ràng để thu hút sự quan tâm của người tiêu dùng.

III. Phương Pháp Nâng Cao Hiệu Suất Thiết Bị Nhiệt Điện Top 3 Cách

Để nâng cao hiệu suất thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải xe máy, có nhiều phương pháp có thể áp dụng. Ba phương pháp chính bao gồm: tối ưu hóa thiết kế bộ thu nhiệt và tản nhiệt, lựa chọn và phát triển vật liệu nhiệt điện mới, và cải thiện khả năng kiểm soát nhiệt độ và dòng điện. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được nghiên cứu và áp dụng một cách phù hợp.

3.1. Thiết Kế Tối Ưu Bộ Thu Nhiệt Tản Nhiệt Cho TEG Xe Máy

Thiết kế bộ thu nhiệt và tản nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất thiết bị nhiệt điện. Bộ thu nhiệt cần có khả năng hấp thụ nhiệt tối đa từ khí thải. Bộ tản nhiệt cần có khả năng giải nhiệt hiệu quả để duy trì sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa mặt nóng và mặt lạnh của module TEG. Nghiên cứu của Võ Tấn Phát (2018) đã chỉ ra ảnh hưởng của số lượng cánh thu nhiệt và tản nhiệt đến công suất phát điện.

3.2. Tìm Kiếm Phát Triển Vật Liệu Nhiệt Điện Mới Hiệu Quả Hơn

Vật liệu nhiệt điện là yếu tố quyết định hiệu suất của thiết bị nhiệt điện. Cần có các nghiên cứu chuyên sâu để tìm kiếm và phát triển vật liệu nhiệt điện mới có hệ số Seebeck cao, độ dẫn điện cao, và độ dẫn nhiệt thấp. Các nghiên cứu nhiệt điện tập trung vào các hợp chất bán dẫn và vật liệu nano đầy hứa hẹn.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Biến Đổi Nhiệt Điện Cung Cấp Điện Cho Xe

Một trong những ứng dụng tiềm năng nhất của thiết bị nhiệt điện là cung cấp điện cho các thiết bị trên xe gắn máy. Điện năng tạo ra từ nhiệt điện xe gắn máy có thể được sử dụng để chiếu sáng, sạc điện thoại, hoặc cung cấp năng lượng cho các hệ thống điện tử khác. Điều này giúp giảm tải cho hệ thống điện của xe và tiết kiệm nhiên liệu. Nghiên cứu của Võ Tấn Phát (2018) đã chứng minh rằng thiết bị nhiệt điện có thể tạo ra đủ điện để cung cấp cho thiết bị chiếu sáng trên xe.

4.1. Ứng Dụng Nhiệt Điện Cung Cấp Năng Lượng Cho Chiếu Sáng Xe Máy

Điện năng tạo ra từ thiết bị nhiệt điện có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho hệ thống chiếu sáng của xe máy. Điều này giúp giảm tải cho ắc quy và tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống nhiệt điện xe máy hoàn toàn có thể chiếu sáng đèn LED hoặc các loại đèn khác trên xe.

4.2. Thu Hồi Nhiệt Thải Giải Pháp Tiết Kiệm Nhiên Liệu và Giảm Khí Thải

Việc thu hồi nhiệt thải bằng thiết bị nhiệt điện không chỉ tạo ra điện năng mà còn giúp giảm lượng khí thải ra môi trường. Biến đổi nhiệt điện thành điện năng giúp giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ. Đây là một giải pháp thân thiện với môi trường.

V. Kết Luận Tương Lai Phát Triển Năng Lượng Tái Tạo Xe Máy

Nghiên cứu và phát triển thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải xe máy là một hướng đi đầy tiềm năng. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức, những tiến bộ trong công nghệ vật liệu nhiệt điện và thiết kế bộ chuyển đổi nhiệt hứa hẹn sẽ nâng cao hiệu suất thiết bị nhiệt điện và giảm chi phí sản xuất. Trong tương lai, hệ thống nhiệt điện xe máy có thể đóng vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm nhiên liệu xe máy, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, và thúc đẩy sự phát triển của năng lượng tái tạo xe máy.

5.1. Nghiên Cứu Nhiệt Điện Hướng Đi Mới Cho Năng Lượng Tái Tạo

Nghiên cứu nhiệt điện đang mở ra những hướng đi mới cho lĩnh vực năng lượng tái tạo. Các nhà khoa học và kỹ sư đang nỗ lực tìm kiếm các giải pháp để nâng cao hiệu suất thiết bị nhiệt điện và giảm chi phí sản xuất. Kết hợp các giải pháp này với tái sử dụng nhiệt thải sẽ mang lại lợi ích to lớn.

5.2. Đánh Giá Hiệu Suất Nhiệt Điện Tiền Đề Cho Phát Triển Bền Vững

Việc đánh giá hiệu suất nhiệt điện là rất quan trọng để xác định tiềm năng và hướng phát triển của công nghệ này. Các tiêu chí đánh giá bao gồm hiệu suất chuyển đổi năng lượng, chi phí sản xuất, độ bền, và khả năng ứng dụng thực tế. Chỉ khi có những đánh giá hiệu suất nhiệt điện chi tiết và khách quan, chúng ta mới có thể đưa ra những quyết định đúng đắn về việc đầu tư và phát triển công nghệ này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, ô tô và 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% [2]. Trong đó, việc ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện của nhà vật lý Thomas Seebeck (1770-1831) [5] 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.

Với tình trạng số lượng xe máy tăng cao đến mức báo động như hiện nay thì việc tái sử dụng nhiệt thải từ xe máy không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng hiện có, mà còn có thể làm giảm lượng khí thải và cải thiện môi trường. Mặc dù hiệu suất chuyển đổi 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. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước A. Birkholz (năm 1980) [6] lần đầu tiên áp dụng một modun TEG FeSi2 trên một chiếc xe ô tô và sản xuất thành công 1W điện.

Bass et al (1995) [7] thu được 1 kW công suất đầu ra với TEG được thiết kế để xả động cơ diesel 14 L. Ikoma 1998 [8] ứng dụng một mảng với 72 phần module TEG cho các phương tiện chạy bằng xăng. Bằng cách duy trì sự khác biệt nhiệt độ 563 K giữa các mặt nóng và lạnh của mô-đun, điện năng 35,6 W được tạo ra. Dự án AETEG (năm 2004) [9] của Đại học Clarkson và một số công ty như Delphi Harrison, GM Division Powertrain và Hi-Z Technology được tiến hành; mục đích của dự án nhằm áp dụng máy phát nhiệt điện trên một chiếc xe tải pick- up của GM, cũng như để phát triển hệ thống AETEG nhằm tạo ra sản lượng điện GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 4 HVTH: Võ Tấn Phát Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ tối đa sau khi chuyển đổi từ 140 W đến 225 W, được cung cấp nhiệt từ khí thải và làm mát bằng nước ở tốc độ xe là 70 km/h.

Thacher et al (năm 2007) [10] phân tích hiệu suất của module TEG gắn trên ống khí thải của một xe tải, tạo ra khoảng 180 W điện ở tốc độ 113 km/h.Kajikawa và Onishi (năm 2007) [11] đã phát triển một hệ thống chuyển đổi nhiệt điện tiên tiến từ khí thải của một xe tải nhẹ Hệ thống nhiệt điện sử dụng chất 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 thống sử dụng 12 module TEG lắp bề mặt của ống khí thải 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 để sạc bình ắc quy.1: Máy phát nhiệt điện xe máy dự án do Giáo sư Y.

Nishino Cùng năm 2011, Gregory P. Meisner hợp tác hãng GM [12] ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện trên xe Chevy-suburban, trong đó sử dụng 42 TEG công suất đạt được gần 30W.Hồng Đức Thông Trang 5 HVTH: Võ Tấn Phát Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ Hình 1.2: Máy phát nhiệt điện của Gregory P. Meisner[12] Năm 2012, Tạp chí Car and Driver nhận định “Thermalelectric generator ” là một trong mười công nghệ hứa hẹn trong tương lai. [13] Liu (năm 2012) [14] đã đưa ra những mẫu thiết kế của máy phát điện dựa trên hiệu ứng nhiệt điện trên sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ.3: Máy phát nhiệt điện của Liu [14] Cuối năm 2012, có 2 công trình tiêu biểu đã được nghiệm thu: Thứ nhất, Douglas T và cộng sự [15] đã chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực tiếp nhiệt thành điện cung cấp cho phụ tải trên ô tô.

Công trình này chủ yếu GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 6 HVTH: Võ Tấn Phát Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ tập trung phát triển cơ chế thu hồi nhiệt phát thải bằng 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. Công suất máy phát điện đạt 700W, nhiệt độ đầu nóng của cặp nhiệt độ đạt 500 0C và hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu tăng 10%. Tuy nhiên, công trình này chỉ là thực nghiệm, kinh phí lớn và tuổi thọ chỉ đạt 6 tháng; kết cấu của vật liệu bán dẫn phức tạp kéo dài theo sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trên đường ống khí thải. Tạp chí Khoa Học 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 quá trình vận hành xe.Harald Bottner, Trưởng ban Nhiệt điện của Viện Fraunhofer, giải thích: “ Nhiệt độ trong ống thải của xe hơi có thể đạt đến 7000 C hoặc hơn.

Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ống khói thải và ống chứa chất lỏng làm mát động cơ có thể là vài trăm độ C. Do bị tác động bởi sự chênh lệch nhiệt độ, 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 ắc-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 phần đáng kể nhu cầu về điện của xe hơi.

Từ đó, theo TS.Bottner, “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 để 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 tạo ra một nguồn điện lên đến 100 tỷ watt/giờ (10 terawatt giờ). 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 Trang 7 HVTH: Võ Tấn Phát Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ Nguyễn Hà Hiệp (năm 2013) [16] và cộng sự đã tiến 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 module TEG bắt đầu cho điện áp từ 4,0V đến 4,2V; như vậy chúng ta có thể mắc nối tiếp nhiều module TEG để có được mức điện áp cao hơn sử dụng cho các phụ tải trên ô tô.

Lê Quang Vũ (năm 2014) [17] đã nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ đạt công suất gần 16W trên mô hình động cơ ô tô 5S-FE ở chế độ không tải; trong đó, sử dụng 16 module nhiệt điện TEG. Trường đại học kỹ thuật quân sự của Ấn Độ (năm 2014) [18] đã nghiên cứu sử dụng nhiệt từ khí xả mô hình động cơ 4 kỳ 3 xilanh với số vòng quay động cơ 3.970 vòng/phút, công suất đạt 15W.4: Máy phát nhiệt điện sử dụng TEG của Trường Đại Học Ấn Độ [18] GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 8 HVTH: Võ Tấn Phát Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ 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 nhà máy điện cỡ lớn dựa trên hiệu ứng nhiệt điện” của Liu Liping thuộc Đại học Rutges - Hoa Kỳ. Trong bài báo này, tác giả đã cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy biển có thể được dùng để tạo ra điện năng trên quy mô lớn với giá thành rẻ và khả thi. Tuy nhiên trên thực tế vẫn còn rất ít các mô hình phát điện sử dụng hiệu ứng này.

Nguyễn Văn Hĩu (năm 2016) [4] “Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ để phát ra điện”. Trong nghiên cứu tác giả đã sử dụng mắc nối tiếp 8 mô đun TEG SP1848-27145 với nhau tạo thành một tấm nhiệt điện. Kết quả thực nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện cho công suất tối đa 2,75W và điện áp sau khi dùng bộ chuyển đổi đạt mức điện áp ổn định 14V. Điện áp sau khi chuyển đổi ổn định có thể kết nối với hệ thống điện xe máy.

Ghodake (2016) nghiên cứu sản xuất điện nhiệt bằng cách sử dụng năng lượng nhiệt thải từ động cơ đốt trong, với tốc độ động cơ 3736 rpm, sức mạnh được tạo ra là 13,11 W và hiệu quả của hệ thống là 5,28%. Những vấn đề còn tồn tại Hầu hết các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước về việc sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải động cơ để tạo ra điện đều đã đạt được một số kết quả khả quan, giúp cho việc thu hồi năng lượng từ nhiệt khí thải đối với động cơ đốt trong ngày càng phát triển. Tuy nhiên, đa số các công trình trên chỉ tiến hành thử nghiệm khả năng phát điện của máy phát nhiệt điện mà chưa ứng dụng đưa vào thương mại do điện năng thu được còn khá thấp so với tiềm năng mà nó mang lại. 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 đốt trong để tiến hành thử nghiệm trên mô hình động cơ xe gắn máy như cải tiến tối ưu bộ thu nhiệt và giải nhiệt của module TEG.

Nghiên cứu quá trình vận hành của xe ảnh hưởng đến tính năng điện thế, dòng điện và công suất phát ra của thiết bị nhiệt điện. Trên thực tế đã có nhiều các mô hình phát điện sử GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 9 HVTH: Võ Tấn Phát Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Luận Văn Thạc Sĩ dụng hiệu ứng này và nó được coi là một trong những cách hứa hẹn nhất trong tương lai. Tuy nhiên đến nay vẫn chưa có nghiên cứu nào được ứng dụng vào thương mại hóa.