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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.1.2. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.3. Những vấn đề còn tồn tại
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.2.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Phương pháp phân tích tư liệu sẵn có
• 1.5.2. Phương pháp đo thực nghiệm
• 1.5.3. Phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm
• 1.5.4. Phương pháp chuyên gia
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết truyền nhiệt
• 2.1.1. Truyền nhiệt đối lưu
• 2.1.2. Truyền nhiệt bức xạ
• 2.2. Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện
• 2.2.1. Hiện tượng nhiệt điện
• 2.2.2. Hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck)
• 2.3. Thiết bị nhiệt điện bán dẫn
• 2.3.1. Ưu điểm của thiết bị nhiệt điện bán dẫn so với các thiết bị nhiệt điện khác
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ CHUYỂN ĐỔI NHIỆT ĐIỆN LÀM THỰC NGHIỆM
• 3.1. Tính toán ban đầu
• 3.1.1. Tính toán ước lượng lưu lượng khí thải
• 3.1.2. Xác định các thông số cơ bản của khí thải
• 3.1.3. Tính toán truyền nhiệt qua bộ thu nhiệt
• 3.1.4. Tính toán truyền nhiệt qua bộ tản nhiệt
• 3.2. Thiết kế phần cơ khí
• 3.2.1. Thiết kế bộ thu nhiệt khí thải
• 3.2.2. Thiết kế bộ tản nhiệt
• 3.2.3. Thiết kế bộ phận chuyển đổi nhiệt điện
• 3.3. Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu
• 3.3.1. Hệ thống thu thập dữ liệu
• 3.3.2. Bộ xử lí tín hiệu
• 3.3.3. Bộ nhận tín hiệu
• 3.4. Hoàn thiện thiết bị thử nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG BỘ CHUYỂN ĐỔI NHIỆT ĐIỆN TRÊN ỐNG KHÍ THẢI
• 4.1. Mục tiêu thực nghiệm
• 4.2. Thiết bị sử dụng quá trình thực nghiệm bộ chuyển đổi nhiệt lắp lên xe nguyên thủy
• 4.3. Kết quả thực nghiệm hệ thống bộ chuyển đổi nhiệt điện
• 4.3.1. Trường hợp 1 (Số cánh của tấm thu nhiệt mặt nóng là 21 cánh, mặt lạnh 31 cánh)
• 4.3.2. Trường hợp 2 (số cánh mặt nóng là 21 cánh, mặt lạnh 11 cánh)
• 4.3.3. Trường hợp 3 (mặt nóng là 12 cánh, mặt lạnh 31 cánh)
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ đốt trong phát thải ra môi trường bên ngoài khoảng 40% năng lượng dưới dạng nhiệt năng theo đường khí xả. Đồng thời, theo ước tính trong các ngành sản xuất công nghiệp, khoảng 20% đến 50% tổng năng lượng tiêu thụ cuối cùng cũng bị thất thoát dưới dạng nhiệt dư thừa. Tại Việt Nam, Quyết định số 355/QĐ-TTg ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Thủ tướng Chính phủ từng đặt mục tiêu quy hoạch đến năm 2020 đạt 36 triệu xe máy, song số liệu thống kê thực tế từ Bộ Giao thông Vận tải cho thấy số lượng phương tiện đã vượt ngưỡng 45 triệu xe. Mật độ phương tiện khổng lồ tại các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh tạo ra nguồn nhiệt thải vô cùng lớn, gây lãng phí nhiên liệu và gia tăng hiệu ứng đảo nhiệt đô thị.

Trước thực trạng đó, nghiên cứu của tác giả Võ Tấn Phát dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Hồng Đức Thông tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thu hồi năng lượng nhiệt. Đề tài kế thừa và khắc phục hạn chế từ nghiên cứu năm 2016 của Nguyễn Văn Hĩu (vốn chỉ đạt công suất tối đa 2,75 W do thiết kế ống xả cồng kềnh và truyền nhiệt kém). Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công bộ máy phát nhiệt điện (TEG) ứng dụng trên xe gắn máy Suzuki Sapphire 125 cc, nâng cao công suất phát điện lên mức đủ cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng và sạc ắc quy.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 02/2018 đến tháng 06/2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, hướng tới mục tiêu tiết kiệm 5% đến 7% lượng xăng tiêu thụ và cắt giảm lượng nhiệt phát thải trực tiếp ra môi trường đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng ba trụ cột lý thuyết và mô hình tính toán nhiệt động lực học chuyên sâu:

Lý thuyết truyền nhiệt phức hợp: Quá trình truyền nhiệt từ dòng khí xả qua thành ống và ra môi trường bao gồm dẫn nhiệt theo định luật Fourier và truyền nhiệt đối lưu theo định luật làm nguội của Newton. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu nhôm làm cánh thu nhiệt đạt 148 W/m.K, đảm bảo tốc độ truyền dẫn dòng nhiệt cao. Các tiêu chuẩn không thứ nguyên như Reynolds, Grashof, Nusselt và Prandtl được ứng dụng để xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu của dòng khí thải ở nhiệt độ 240°C và không khí làm mát ở nhiệt độ 30°C.

Nguyên lý hiệu ứng nhiệt điện Seebeck: Hiệu ứng Seebeck mô tả hiện tượng xuất hiện suất điện động tỷ lệ thuận với độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu mối nối của các vật liệu bán dẫn khác nhau. Khi duy trì chênh lệch nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh, các hạt tải điện khuếch tán từ vùng nhiệt độ cao sang vùng nhiệt độ thấp, tạo ra dòng điện liên tục.

Hệ thống khái niệm và mô hình module bán dẫn: Nghiên cứu sử dụng 8 module nhiệt điện TEG TEP1-142T300 (cấu tạo từ vật liệu bán dẫn Bismuth Telluride Bi2Te3, kích thước 44 mm x 40 mm x 3,8 mm, dải nhiệt độ làm việc từ -40°C đến 300°C và hoạt động bền bỉ ở 250°C). Tác giả thiết lập mô hình tính toán so sánh giữa mô hình ống trụ tròn và mô hình tấm phẳng. Kết quả tính toán lý thuyết chỉ ra rằng mô hình tấm phẳng tạo ra độ chênh lệch nhiệt độ 133,64°C với công suất lý thuyết 54,42 W, vượt trội hoàn toàn so với mô hình ống tròn (chênh lệch nhiệt độ 91,83°C, công suất 21,85 W), làm cơ sở then chốt để chế tạo cụm thu nhiệt dạng phẳng.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp phương pháp tính toán giải tích với phương pháp thực nghiệm đo đạc định lượng trực tiếp trên đường:

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Cỡ mẫu thử nghiệm gồm 8 module TEG TEP1-142T300 mắc nối tiếp, lắp đặt trên mẫu xe thực tế Suzuki Sapphire 125 cc (động cơ 1 xi-lanh, dung tích công tác 125 cc). Phương pháp lấy mẫu thực nghiệm khảo sát 3 cấu hình kết cấu cánh khác nhau tại 3 dải vận tốc vận hành cố định: 25 km/h (tương ứng tốc độ động cơ 3600 vòng/phút), 40 km/h (4490 vòng/phút) và 60 km/h (6000 vòng/phút) dưới điều kiện tải trọng chở 2 người.

Hệ thống đo lường và lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Dữ liệu được thu thập qua hệ thống 9 kênh cảm biến đồng bộ gồm 6 kênh nhiệt độ sử dụng cảm biến WZP-PT100, 2 kênh đo điện áp và dòng điện, cùng 1 kênh cảm biến đo vận tốc bánh xe. Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển Atmega32 kết hợp module truyền thông không dây NRF24L01 tần số 2,4 GHz, truyền dữ liệu thời gian thực về máy tính với tần số lấy mẫu đạt 10 Hz và tự động xuất ra bảng tính. Lý do lựa chọn hệ thống này là đảm bảo dữ liệu ghi nhận liên tục, loại bỏ rung nhiễu cơ học khi xe di chuyển trên đường và cung cấp cơ sở thống kê chính xác tuyệt đối.

Timeline nghiên cứu: Toàn bộ quá trình tính toán nhiệt, thiết kế cơ khí ống xả hộp thép C45 dày 2 mm, gia công cánh nhôm, lập trình mạch nhúng và thực nghiệm vận hành trên đường được hoàn thành từ tháng 02/2018 đến tháng 06/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chạy thực nghiệm trên xe Suzuki Sapphire 125 mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, đạt công suất phát điện cực đại 14,61 W: Ở Trường hợp 1 (21 cánh thu nhiệt mặt nóng kích thước 160 mm x 68 mm x 1 mm và 31 cánh tản nhiệt mặt lạnh kích thước 215 mm x 68 mm x 1 mm), khi xe chở 2 người di chuyển ở vận tốc 60 km/h, hệ thống đạt mức điện áp 18,04 V và cường độ dòng điện 0,81 A, sinh ra công suất đầu ra cao nhất là 14,61 W.

Thứ hai, nâng cao hiệu suất gấp 5,31 lần (tăng 431%) so với nghiên cứu tiền nhiệm: Mẫu thử nghiệm năm 2016 của Nguyễn Văn Hĩu chỉ sản sinh công suất 2,75 W. Cải tiến cấu trúc buồng khí thải dạng hộp phẳng cùng việc tối ưu hóa diện tích cánh nhôm tiếp xúc đã giúp tăng thêm 11,86 W công suất hữu ích, khẳng định bước tiến kỹ thuật vượt bậc.

Thứ ba, sự suy giảm công suất khi thu hẹp diện tích tản nhiệt: Tại Trường hợp 2 (giữ nguyên 21 cánh nóng nhưng giảm cánh lạnh xuống 11 cánh), nhiệt độ mặt lạnh tăng cao làm giảm độ chênh lệch nhiệt độ delta T, kéo theo công suất giảm mạnh. Tương tự, ở Trường hợp 3 (giảm cánh nóng xuống 12 cánh và duy trì 31 cánh lạnh), nhiệt lượng hấp thụ từ dòng khí xả 240°C không đủ cung cấp cho 8 module TEG, khiến công suất cực đại giảm khoảng 28% so với Trường hợp 1.

Thứ tư, tương quan tuyến tính thuận giữa vận tốc xe và khả năng sinh điện: Khi vận tốc tăng từ 25 km/h lên 60 km/h, lưu lượng khí nạp và khí thải tăng mạnh theo vòng tua máy từ 3600 vòng/phút lên 6000 vòng/phút, đồng thời vận tốc gió làm mát cưỡng bức bề mặt ngoài cũng tăng tương ứng. Yếu tố này làm độ chênh nhiệt giữa hai mặt module TEG tăng từ khoảng 45°C lên hơn 90°C, giúp công suất điện tăng trưởng hơn 300%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt hiệu suất cao là việc thay đổi toàn diện hình học ống xả từ dạng trụ tròn sang dạng hộp bằng thép C45 dày 2 mm, kết hợp bôi lớp keo tản nhiệt chuyên dụng tại các bề mặt tiếp xúc cơ khí. Cấu tạo này cho phép 21 cánh thu nhiệt đặt trực tiếp trong dòng khí xả tiếp nhận lượng nhiệt đối lưu tối đa mà không gây cản trở dòng khí thải, trong khi 31 cánh tản nhiệt bên ngoài tiếp xúc trực tiếp với luồng không khí mát 30°C.

Khi so sánh với các công bố khoa học quốc tế, mức công suất 14,61 W trên động cơ xe máy 125 cc của luận văn tương đương với kết quả thử nghiệm của Trường Đại học Kỹ thuật Quân sự Ấn Độ năm 2014 (đạt 15 W trên động cơ 3 xi-lanh ở 3970 vòng/phút), và vượt trội hơn nghiên cứu của liên minh Viện Công nghệ Nagoya cùng Tập đoàn Atsumitec Nhật Bản năm 2011 (đạt 12 W ở tốc độ 60 km/h bằng hệ thống tản nhiệt nước phức tạp).

Trong báo cáo kỹ thuật, dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa thông qua hệ thống đồ thị đặc tính thể hiện mối quan hệ đa biến giữa thời gian vận hành, công suất phát điện P, điện áp U, dòng điện I, độ chênh lệch nhiệt độ delta T và vận tốc xe. Bảng số liệu tổng hợp giữa 3 trường hợp cánh thu - tản nhiệt làm nổi bật quy luật truyền nhiệt, cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng cho việc thiết kế các hệ thống thu hồi năng lượng nhiệt trên phương tiện giao thông.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đề xuất 4 giải pháp trọng tâm nhằm hoàn thiện và nâng cao hiệu suất thiết bị:

Nâng cấp vật liệu dẫn nhiệt tiên tiến: Thay thế vật liệu nhôm truyền thống bằng các ống dẫn nhiệt (heat pipe) hoặc vật liệu composite nền đồng - hạt nano graphene có hệ số dẫn nhiệt trên 380 W/m.K. Mục tiêu nâng hiệu suất truyền nhiệt từ dòng khí xả vào mặt nóng TEG thêm 20% đến 25%, triển khai nghiên cứu trong lộ trình 12 tháng do các nhóm nghiên cứu cơ khí động lực tại các trường đại học kỹ thuật phụ trách.

Tích hợp mạch chuyển đổi điện áp Buck-Boost thông minh: Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển sạc thông minh ứng dụng thuật toán dò điểm công suất cực đại (MPPT) với hiệu suất chuyển đổi đạt trên 92%. Bộ mạch duy trì điện áp đầu ra ổn định ở mức 14 V, đảm bảo nạp an toàn cho bình ắc quy 12 V và cấp nguồn trực tiếp cho hệ thống đèn LED 10 W đến 15 W, thực hiện trong vòng 6 tháng bởi các kỹ sư điện tử ô tô.

Tối ưu hóa thủy khí động lực học ống xả: Ứng dụng phần mềm mô phỏng dòng chảy động lực học chất lưu (CFD) để thiết kế biên dạng cánh thu nhiệt khí động học bên trong buồng giảm thanh. Mục tiêu duy trì áp suất cản ngược của ống xả dưới mức 5%, đảm bảo không làm tổn hao công suất cơ học của động cơ ở dải tốc độ cao trên 6000 vòng/phút, hoàn thành trong thời gian 9 tháng do các viện nghiên cứu chuyên ngành cơ khí động lực thực hiện.

Chuẩn hóa module nhiệt điện thương mại dạng tháo lắp nhanh: Phát triển cấu trúc vỏ bọc bảo vệ chống rung lắc và chống nước đạt chuẩn IP67, tạo thành bộ phụ kiện chuyển đổi nhiệt điện thương mại có chi phí sản xuất ước tính dưới 500.000 VNĐ/bộ. Tiến hành thử nghiệm độ bền vận hành liên tục trên quãng đường 10.000 km trong vòng 18 đến 24 tháng với sự phối hợp của các doanh nghiệp sản xuất phụ tùng xe gắn máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng:

Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Năng lượng: Tiếp cận phương pháp luận chi tiết về tính toán truyền nhiệt phức hợp qua vách phẳng, quy trình thiết kế mô phỏng nhiệt điện bán dẫn Seebeck và phương pháp xây dựng hệ thống đo lường động lực học thời gian thực trên phương tiện xe máy 125 cc.

Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp xe hai bánh: Khai thác bản vẽ kết cấu ống xả giảm thanh dạng hộp thép C45 tích hợp 8 module TEG TEP1-142T300 để phát triển các module thu hồi năng lượng nhiệt, hướng tới mục tiêu cắt giảm 5% đến 7% tiêu hao nhiên liệu trên các dòng xe máy thế hệ mới.

Chuyên gia hoạch định chính sách năng lượng và môi trường: Sử dụng các số liệu thực chứng về tiềm năng thu hồi 40% nhiệt khí xả trên tổng số hơn 45 triệu xe máy tại Việt Nam để xây dựng các báo cáo định lượng về giảm phát thải khí nhà kính và chương trình hành động sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả.

Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ điện tử: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang hướng dẫn thực hành chế tạo mạch thu thập dữ liệu đa kênh tần số 10 Hz với vi điều khiển Atmega32, cảm biến nhiệt độ WZP-PT100 và module vô tuyến NRF24L01 phục vụ đồ án tốt nghiệp và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên lý hoạt động cốt lõi của thiết bị chuyển đổi nhiệt điện trên xe máy là gì? Thiết bị vận hành dựa trên hiệu ứng Seebeck, chuyển đổi trực tiếp chênh lệch nhiệt độ thành dòng điện. Mặt nóng của 8 module TEG hấp thụ nhiệt từ khí xả 240°C qua 21 cánh nhôm, trong khi mặt lạnh được 31 cánh nhôm làm mát bằng gió ở 30°C. Sự chênh lệch nhiệt độ làm các hạt mang điện khuếch tán, tạo ra suất điện động phát điện liên tục.

Mức công suất 14,61 W có đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng điện thực tế trên xe máy không? Mức công suất 14,61 W ở điện áp 18,04 V và dòng điện 0,81 A hoàn toàn đủ năng lượng cấp cho cụm đèn chiếu sáng LED công suất 5 W đến 10 W hoặc sạc bù cho bình ắc quy 12 V. Khi tích hợp mạch ổn áp 14 V, hệ thống giúp giảm tải trực tiếp cho máy phát điện xoay chiều trên động cơ.

Vì sao nghiên cứu lựa chọn mô hình truyền nhiệt tấm phẳng thay vì ống trụ tròn? Tính toán nhiệt động lực học trong luận văn chứng minh mô hình tấm phẳng đạt độ chênh lệch nhiệt độ 133,64°C và công suất lý thuyết 54,42 W, cao hơn nhiều so với mô hình ống tròn (91,83°C và 21,85 W). Cấu trúc phẳng còn tạo diện tích tiếp xúc phẳng hoàn hảo với các module TEG, tối ưu hóa độ dẫn nhiệt tiếp xúc.

Hệ thống cánh thu nhiệt đặt trong ống xả có làm giảm công suất kéo của động cơ không? Hệ thống sử dụng 21 cánh nhôm mỏng 1 mm với khe hở 3 mm đặt trong thân ống xả hộp thép C45 dày 2 mm có khoang mở rộng, kết hợp lưới tiêu âm mạ kẽm. Kết cấu này duy trì lưu thông khí thải ổn định ở tốc độ 6000 vòng/phút, không làm gia tăng áp suất cản ngược và không ảnh hưởng công suất động cơ.

Độ bền nhiệt và khả năng chịu rung động của module TEG trên xe máy được đảm bảo như thế nào? Module TEG TEP1-142T300 có dải nhiệt độ làm việc đến 300°C và chịu nhiệt lâu dài ở 250°C, cao hơn nhiệt độ mặt nóng thực tế từ 138°C đến 178°C. Bề mặt bọc ceramic cách điện vững chắc, kết hợp liên kết cơ khí siết bulông chắc chắn trên thân ống xả thép C45, giúp thiết bị chống chịu rung động cơ học xuất sắc khi xe vận hành.

Kết luận

• Luận văn hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công máy phát nhiệt điện thu hồi nhiệt khí xả gồm 8 module TEG TEP1-142T300 trên xe máy Suzuki Sapphire 125 cc.
• Hệ thống phát ra công suất điện cực đại 14,61 W tại điện áp 18,04 V và dòng điện 0,81 A ở tốc độ xe 60 km/h với tải trọng 2 người.
• Nâng cao công suất gấp 5,31 lần (tăng 431%) so với mẫu thiết bị nghiên cứu trước đây (2,75 W), minh chứng rõ nét tính khả thi của giải pháp.
• Khẳng định vai trò quyết định của cấu hình 21 cánh thu nhiệt mặt nóng kết hợp 31 cánh tản nhiệt mặt lạnh trong việc tối đa hóa chênh lệch nhiệt độ delta T.
• Xây dựng hoàn chỉnh mạch đo lường không dây 9 kênh tần số lấy mẫu 10 Hz ứng dụng vi điều khiển Atmega32 và sóng vô tuyến NRF24L01.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp thực nghiệm vững chắc để thu hồi nguồn nhiệt thải 40% trên hơn 45 triệu xe máy tại Việt Nam. Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, việc phát triển vật liệu dẫn nhiệt mới và mạch sạc MPPT thông minh là bước đi cần thiết. Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp chế tạo phụ tùng hãy ứng dụng ngay kết quả này để cùng phát triển các giải pháp giao thông xanh và bền vững.

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.