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.