Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng khí xả động cơ

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện từ khí xả động cơ, góp phần nâng cao hiệu suất năng lượng và bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Lê Quang Vũ
• Người hướng dẫn: PGS-TS Đỗ Văn Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Máy Phát Nhiệt Điện Từ Khí Xả Động Cơ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về máy phát nhiệt điện trên ô tô
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.4. Những vấn đề còn tồn tại
• 1.5. Mục đích của đề tài
• 1.6. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nhiệt phát thải trên động cơ đốt trong
• 2.2. Quá trình truyền nhiệt
• 2.3. Truyền nhiệt đối lưu
• 2.4. Hiệu ứng nhiệt điện và các mô-đun nhiệt điện
• 2.5. Hiệu ứng nhiệt điện
• 2.6. Mô-đun nhiệt điện
• 3. CHƯƠNG 3: ƯỚC LƯỢNG NHIỆT LƯỢNG PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG
• 3.1. Tính toán ước lượng khối lượng khí xả
• 3.2. Xác định các thông số cơ bản của khí xả
• 3.3. Xác định các thông số hoạt động của mô hình thí nghiệm
• 3.4. Thí nghiệm đánh giá mức độ phát thải nhiệt trên động cơ xăng 5S-FE
• 4. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TEG THU HỒI NHIỆT THẢI
• 4.1. Xây dựng mô hình toán mô-đun TEG
• 4.2. Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm
• 4.3. Thiết kế bộ trao đổi nhiệt cho 1 mô-đun TEG
• 4.4. Chế tạo và lắp đặt mô hình thí nghiệm
• 4.5. Thực nghiệm thu thập dữ liệu
• 4.6. Sơ đồ khối bố trí thí nghiệm
• 4.7. Thí nghiệm thu thập dữ liệu mô-đun TEG
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHÁT KIỂU NHIỆT ĐIỆN
• 5.1. Thiết kế phần cơ khí
• 5.2. Bộ thu hồi nhiệt khói thải
• 5.3. Bộ phận làm mát cho thiết bị nhiệt điện
• 5.4. Bộ phận chuyển đổi nhiệt điện
• 5.5. Chế tạo và thử nghiệm bộ thu hồi nhiệt
• 5.6. Xây dựng mô hình máy phát nhiệt điện
• 5.7. Mô hình hóa máy phát nhiệt điện
• 5.8. Mô phỏng hệ thống trên máy tính bằng phần mềm Matlab
• 5.9. Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển và kiểm soát máy phát điện
• 5.10. Thiết kế mạch điều khiển điện áp
• 5.11. Thiết lập hệ thống thu thập dữ liệu
• 6. CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN
• 6.1. Mục tiêu thực nghiệm
• 6.2. Thiết bị thực nghiệm
• 6.3. Kết quả thực nghiệm
• 6.4. Thực nghiệm các thông số chuyển đổi nhiệt điện
• 6.5. Thực nghiệm mạch chuyển đổi điện áp
• 6.6. Thực nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện
• 6.7. Kết luận của thực nghiệm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về máy phát nhiệt điện trên ô tô

Máy phát nhiệt điện từ khí xả động cơ là một công nghệ mới nhằm thu hồi năng lượng lãng phí từ khí thải. Nhiệt năng phát thải qua đường ống xả trên động cơ ô tô là một nguồn năng lượng lớn, ước tính khoảng 40% năng lượng từ quá trình cháy trong buồng đốt bị phát thải ra ngoài. Việc nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng. Theo nghiên cứu, việc thu hồi nhiệt từ khí xả có thể cung cấp năng lượng cho các hệ thống điện trên ô tô, giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Sự gia tăng sử dụng ô tô với động cơ đốt trong đã dẫn đến việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch ngày càng cao. Hiệu suất trung bình của động cơ chỉ đạt khoảng 30%, trong khi 40% năng lượng bị phát thải qua khí xả. Việc nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện từ khí xả động cơ là cần thiết để chuyển đổi năng lượng lãng phí thành điện năng, phục vụ cho các thiết bị điện trên ô tô. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các nghiên cứu hiện tại cho thấy tiềm năng lớn trong việc thu hồi nhiệt từ khí xả, mở ra hướng đi mới cho công nghệ năng lượng tái tạo trong ngành ô tô.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong nước, nghiên cứu về máy phát nhiệt điện từ khí xả động cơ còn hạn chế. Tuy nhiên, một số nghiên cứu trong lĩnh vực hàng hải đã chỉ ra khả năng thu hồi nhiệt từ khí thải. Các nghiên cứu quốc tế, như của PGS-TS Lê Viết Lượng, đã chứng minh khả năng thu hồi nhiệt từ động cơ tàu thủy. Gần đây, các công trình nghiên cứu tại Hoa Kỳ đã tập trung vào việc phát triển công nghệ thu hồi nhiệt từ khí xả ô tô, với nhiều dự án lớn được đầu tư. Các kết quả cho thấy khả năng thu hồi nhiệt có thể đạt hiệu suất cao, mở ra cơ hội cho việc ứng dụng công nghệ này trong ô tô.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của máy phát nhiệt điện dựa trên hiệu ứng Seebeck, cho phép chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng. Nhiệt phát thải từ động cơ đốt trong chủ yếu đến từ quá trình cháy nhiên liệu. Nhiệt độ khí xả có thể đạt đến 500°C, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu hồi năng lượng. Các mô-đun nhiệt điện được sử dụng trong hệ thống này thường được chế tạo từ vật liệu bán dẫn như Bi-Te, có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ cao. Việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và hiệu ứng nhiệt điện là rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế và hiệu suất của máy phát nhiệt điện.

2.1. Nhiệt phát thải trên động cơ đốt trong

Nhiệt phát thải từ động cơ đốt trong là một nguồn năng lượng lớn nhưng chưa được khai thác triệt để. Nhiệt độ khí xả có thể lên đến 500°C, và khoảng 40% năng lượng từ quá trình cháy bị phát thải ra ngoài. Việc thu hồi nhiệt này không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng máy phát nhiệt điện có thể thu hồi một phần năng lượng này, cung cấp điện cho các thiết bị trên ô tô, từ đó nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng.

2.2. Hiệu ứng nhiệt điện và các mô đun nhiệt điện

Hiệu ứng nhiệt điện là nguyên lý cơ bản cho việc chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng. Các mô-đun nhiệt điện thường được chế tạo từ vật liệu bán dẫn, có khả năng tạo ra điện áp khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu. Việc lựa chọn vật liệu và thiết kế mô-đun là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của máy phát nhiệt điện. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và độ bền của các mô-đun này, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe trong ứng dụng thực tế.

III. Đánh giá khả năng ứng dụng TEG thu hồi nhiệt thải

Việc đánh giá khả năng ứng dụng của máy phát nhiệt điện (TEG) trong việc thu hồi nhiệt thải từ động cơ là rất quan trọng. Các nghiên cứu cho thấy, hệ thống TEG có thể thu hồi được công suất khoảng 30W khi động cơ hoạt động ở chế độ không tải. Điều này cho thấy tiềm năng lớn trong việc sử dụng năng lượng lãng phí từ khí xả. Hệ thống này không chỉ giúp giảm nhiệt độ khí thải mà còn cung cấp điện cho các thiết bị trên ô tô, từ đó nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu sâu hơn về quá trình truyền nhiệt và tối ưu hóa thiết kế là cần thiết để khai thác hết tiềm năng của công nghệ này.

3.1. Xây dựng mô hình toán mô đun TEG

Mô hình toán của mô-đun TEG được xây dựng dựa trên các thông số nhiệt độ và hiệu suất hoạt động. Việc mô phỏng giúp dự đoán khả năng thu hồi nhiệt và điện năng của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy, với sự chênh lệch nhiệt độ lớn, mô-đun TEG có thể hoạt động hiệu quả, cung cấp điện cho các thiết bị trên ô tô. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ thu hồi nhiệt trong ngành ô tô.

3.2. Thiết kế chế tạo bộ thí nghiệm

Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm cho hệ thống TEG là bước quan trọng để kiểm tra hiệu suất thực tế. Bộ thí nghiệm được lắp đặt trên động cơ 5S-FE, cho phép thu thập dữ liệu về nhiệt độ và điện năng sản sinh. Kết quả thử nghiệm cho thấy, hệ thống có thể thu hồi nhiệt và chuyển đổi thành điện năng, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu. Việc tối ưu hóa thiết kế bộ thí nghiệm sẽ giúp nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của máy phát nhiệt điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhiệt năng phát thải qua đường ống xả trên động cơ ô tô là một nguồn năng lượng lãng phí rất lớn, chiếm khoảng 40% tổng năng lượng sinh ra từ quá trình cháy trong buồng đốt của động cơ đốt trong. Hiệu suất trung bình của động cơ ô tô hiện nay chỉ đạt khoảng 30%, trong khi 40% năng lượng bị thất thoát qua khí xả và 30% qua hệ thống làm mát. Điều này không chỉ gây lãng phí nhiên liệu hóa thạch mà còn góp phần làm tăng ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu. Do đó, việc nghiên cứu thu hồi nguồn nhiệt này để chuyển đổi thành điện năng cung cấp cho hệ thống điện trên ô tô là một vấn đề cấp thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ, ứng dụng hiệu ứng Seebeck để chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng. Mô hình thử nghiệm được thực hiện trên động cơ Toyota 5S-FE tại xưởng Điện ô tô của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả thử nghiệm cho thấy, khi động cơ chạy ở chế độ không tải, hệ thống có thể thu hồi được công suất khoảng 30W với điện áp ổn định 14V, đồng thời giảm nhiệt độ khí thải khoảng 100°C. Mô hình toán học của máy phát nhiệt điện cho kết quả tương đối chính xác so với thực nghiệm với sai số trong giới hạn chấp nhận được.

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm tiêu hao nhiên liệu hóa thạch, nâng cao hiệu suất động cơ và góp phần bảo vệ môi trường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ xăng 5S-FE, với các thử nghiệm thực hiện tại Việt Nam trong năm 2014, mở ra tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về thu hồi nhiệt phát thải trên ô tô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiệu ứng Seebeck: Là hiện tượng chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của vật liệu bán dẫn. Suất điện động sinh ra tỷ lệ thuận với hệ số Seebeck và độ chênh nhiệt độ.

• Quá trình truyền nhiệt: Bao gồm dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt. Trong đó, dẫn nhiệt và đối lưu cưỡng bức được nghiên cứu kỹ để thiết kế bộ thu hồi nhiệt hiệu quả.

• Mô-đun nhiệt điện (TEG): Thiết bị chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng dựa trên hiệu ứng Seebeck, gồm các cặp bán dẫn loại p và n được đặt giữa hai bề mặt trao đổi nhiệt nóng và lạnh.

• Mô hình toán học TEG: Mô hình điện tương đương của TEG gồm suất điện động, điện trở trong và điện trở tải, được sử dụng để mô phỏng đặc tính điện áp, dòng điện và công suất đầu ra.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt dung riêng đẳng áp của khí xả, hệ số Seebeck, hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện, và các thông số kỹ thuật của mô-đun TEG.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ thí nghiệm trên động cơ Toyota 5S-FE tại xưởng Điện ô tô, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Các cảm biến nhiệt độ, cảm biến lambda, cảm biến vị trí bướm ga và mạch thu thập dữ liệu vi điều khiển Atmega32 được sử dụng để đo các thông số hoạt động của động cơ và khí xả.

• Phương pháp phân tích: Kết hợp mô hình toán học và mô phỏng bằng phần mềm Matlab để dự đoán đặc tính của mô-đun TEG. Phương pháp hồi quy tuyến tính được áp dụng để xác định hệ số Seebeck theo độ chênh nhiệt độ.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2014, bao gồm các giai đoạn thu thập dữ liệu, thiết kế mô hình, chế tạo bộ thu hồi nhiệt và mô-đun nhiệt điện, thực nghiệm và phân tích kết quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thí nghiệm tập trung trên một động cơ 5S-FE, dung tích 2.2 lít, được chọn vì phổ biến trong các dòng xe phổ thông tại Việt Nam, phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật trong nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mức nhiệt phát thải và khả năng thu hồi: Thí nghiệm cho thấy nhiệt lượng phát thải qua khí xả chiếm khoảng 27-29% tổng năng lượng nhiên liệu đốt cháy, với nhiệt độ khí xả dao động từ 400°C đến 500°C. Đây là nguồn nhiệt có tiềm năng thu hồi lớn.

2. Hiệu suất và công suất của mô-đun TEG: Mô-đun HTG1-12710 hoạt động ổn định ở nhiệt độ mặt nóng từ 80°C đến 280°C, công suất đầu ra đạt từ 0,5W đến 4,5W, điện áp từ 1V đến 4V và dòng điện từ 0,3A đến 1A. Công suất và điện áp tăng theo độ chênh nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh.

3. Hiệu quả giảm nhiệt độ khí thải: Hệ thống thu hồi nhiệt có thể giảm nhiệt độ khí thải khoảng 100°C, góp phần giảm ô nhiễm nhiệt và cải thiện hiệu suất động cơ.

4. Mô hình toán học và thực nghiệm tương đồng: Mô hình toán học mô-đun TEG cho kết quả tương đối chính xác so với thực nghiệm, với sai số trung bình dưới 0,5% cho hệ số Seebeck theo độ chênh nhiệt độ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ việc tận dụng hiệu ứng Seebeck trong vật liệu bán dẫn để chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng. Nhiệt độ khí xả cao và ổn định tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu hồi nhiệt. Việc sử dụng hệ thống làm mát hiệu quả giúp duy trì độ chênh nhiệt độ lớn giữa hai mặt của mô-đun TEG, nâng cao công suất phát điện.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, công suất thu được trong nghiên cứu này còn nhỏ hơn nhiều so với các hệ thống công nghiệp (ví dụ công suất 700W của dự án tại Mỹ), nhưng phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật tại Việt Nam. Hạn chế hiện tại là hệ thống mới thử nghiệm ở chế độ không tải và công suất nhỏ, chưa khai thác hết tiềm năng nhiệt thải.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tuyến công suất theo nhiệt độ mặt nóng và mặt lạnh, biểu đồ điện áp theo độ chênh nhiệt độ, và bảng số liệu so sánh mô hình toán học với thực nghiệm, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và giới hạn của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng quy mô mô-đun TEG: Ghép nối nhiều mô-đun TEG để tăng công suất phát điện, hướng tới cung cấp đủ điện năng cho các phụ tải trên ô tô. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ ô tô.

2. Nâng cao hiệu quả làm mát: Thiết kế hệ thống làm mát tối ưu để duy trì độ chênh nhiệt độ lớn giữa mặt nóng và mặt lạnh, từ đó tăng hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện. Thời gian: 6-12 tháng. Chủ thể: Bộ phận kỹ thuật và thiết kế sản phẩm.

3. Thử nghiệm trong các điều kiện vận hành đa dạng: Mở rộng thử nghiệm trên các chế độ tải khác nhau của động cơ, bao gồm tải cao và tải thấp, để đánh giá hiệu quả thực tế và độ bền của hệ thống. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu và phòng thí nghiệm.

4. Nghiên cứu vật liệu nhiệt điện mới: Tìm kiếm và ứng dụng các vật liệu bán dẫn có hệ số Seebeck cao, độ bền nhiệt tốt để nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của mô-đun TEG. Thời gian: 2-3 năm. Chủ thể: Các trường đại học và viện nghiên cứu vật liệu.

5. Tích hợp hệ thống thu hồi nhiệt với hệ thống điện trên ô tô: Phát triển mạch điều khiển và hệ thống quản lý năng lượng để kết nối máy phát nhiệt điện với hệ thống điện chính của xe, đảm bảo ổn định và an toàn. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: Các công ty sản xuất ô tô và nhà cung cấp linh kiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về hiệu ứng nhiệt điện, truyền nhiệt và ứng dụng thực tiễn trong thu hồi nhiệt thải động cơ.

2. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển công nghệ ô tô: Thông tin về thiết kế, chế tạo và thử nghiệm máy phát nhiệt điện giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện môi trường.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và đánh giá tiềm năng thu hồi nhiệt thải, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững và giảm phát thải khí nhà kính.

4. Các viện nghiên cứu vật liệu và công nghệ nhiệt điện: Thông tin về mô-đun TEG, hiệu suất và đặc tính vật liệu giúp định hướng nghiên cứu vật liệu mới và cải tiến công nghệ.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy phát nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Máy phát nhiệt điện sử dụng hiệu ứng Seebeck, chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của vật liệu bán dẫn. Ví dụ, khi mặt nóng tiếp xúc khí xả và mặt lạnh được làm mát, điện áp sinh ra có thể cung cấp cho phụ tải.

2. Hiệu suất thu hồi nhiệt từ khí xả động cơ là bao nhiêu?
   Theo nghiên cứu, khoảng 27-29% năng lượng nhiên liệu bị thất thoát dưới dạng nhiệt khí xả có thể thu hồi được. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện của mô-đun TEG hiện tại chỉ đạt vài phần trăm, do đó công suất thu được còn hạn chế.

3. Hệ thống làm mát ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất máy phát nhiệt điện?
   Hệ thống làm mát giữ cho mặt lạnh của mô-đun TEG ở nhiệt độ thấp, tạo độ chênh nhiệt độ lớn với mặt nóng, từ đó tăng suất điện động và công suất phát điện. Ví dụ, giảm nhiệt độ mặt lạnh từ 60°C xuống 40°C có thể tăng công suất lên khoảng 20%.

4. Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại động cơ khác không?
   Có thể, nhưng cần điều chỉnh thiết kế bộ thu nhiệt và mô-đun TEG phù hợp với đặc tính nhiệt và kích thước của từng loại động cơ. Nghiên cứu hiện tại tập trung trên động cơ xăng 5S-FE, mở rộng sang động cơ diesel hoặc động cơ có dung tích khác cần thử nghiệm thêm.

5. Những thách thức chính khi ứng dụng máy phát nhiệt điện trên ô tô là gì?
   Bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao, tuổi thọ vật liệu bán dẫn hạn chế, hiệu suất chuyển đổi còn thấp, và khó khăn trong việc tích hợp hệ thống với các thiết bị điện trên xe. Ngoài ra, cần đảm bảo an toàn và độ bền trong điều kiện vận hành khắc nghiệt.

Kết luận

• Nhiệt lượng phát thải qua khí xả động cơ chiếm khoảng 27-29% tổng năng lượng nhiên liệu, là nguồn năng lượng tiềm năng để thu hồi và chuyển đổi thành điện năng.

• Mô-đun nhiệt điện HTG1-12710 cho công suất từ 0,5W đến 4,5W ở nhiệt độ mặt nóng từ 80°C đến 280°C, phù hợp để ghép nối thành hệ thống công suất lớn hơn.

• Hệ thống thu hồi nhiệt có thể giảm nhiệt độ khí thải khoảng 100°C, góp phần giảm ô nhiễm và nâng cao hiệu suất động cơ.

• Mô hình toán học và mô phỏng bằng Matlab cho kết quả tương đối chính xác so với thực nghiệm, hỗ trợ thiết kế và tối ưu hệ thống.

• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ thu hồi nhiệt thải trên ô tô tại Việt Nam, góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu và bảo vệ môi trường.

Next steps: Mở rộng quy mô thử nghiệm, nâng cao hiệu suất làm mát, nghiên cứu vật liệu mới và tích hợp hệ thống với điện ô tô.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực ô tô và năng lượng nên tiếp tục đầu tư phát triển công nghệ thu hồi nhiệt thải để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu tác động môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về máy phát nhiệt điện trên ô tô 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, ô tô sử dụng động cơ đốt trong là phương tiện di chuyển chủ yếu của con người với số lượng ngày càng phát triển. Điều đó có nghĩa là con người đang sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch với mức độ ngày càng tăng.

Nhưng nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới ngày càng cạn kiệt trong khi hiệu suất của động cơ ô tô chưa được cao. Theo ước tính trung bình hiệu suất động cơ chỉ đạt khoảng 30%, phần còn lại phát thải 40% qua khí xả và 30% qua hệ thống làm mát [4]. Như vậy, hằng ngày chúng ta uổng phí tới 40% tổng lượng nhiên liệu. Phần năng lượng phát thải này đã được đốt cháy hoàn toàn chuyển thành nhiệt năng và thải ra ngoài môi trường.

Bên cạnh đó, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, phụ tải điện trên ô tô ngày càng tăng và đòi hỏi tỷ lệ nhiên liệu hóa thạch chuyển thành điện năng khá lớn. Chính vì thế việc nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt phát thải từ động cơ khi xe vận hành để chuyển thành điện năng cung cấp cho phụ tải là một vấn đề cấp bách và hết sức cần thiết trong thời kỳ hiện nay. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trong nước hầu như chưa có công trình nào nghiên cứu chế tạo máy phát điện trên ô tô sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ. Tuy nhiên, trong lĩnh vực hàng hải đã có những công trình nghiên cứu thu hồi nhiệt khí thải sử dụng với mục đích cấp nhiệt cho nồi hơi và tính toán chạy máy lạnh.

Năm 2010, PGS-TS Lê Viết Lượng cùng cộng sự [1] đã nghiên cứu đề xuất sử dụng nồi hơi kiểu MODUYN thu hồi nhiệt phát thải trên động cơ tàu thủy. Kết quả thử nghiệm cho thấy với nồi hơi có kích thước 1750x1250x1100, khi động cơ hoạt động 15 phút, áp suất nồi hơi đã đạt 6 kg/cm2, nhiệt độ khí xả chênh lệch khi đi qua nồi hơi là 100oC. Như vậy, nhiệt độ khí thải có thể thu hồi tái sử dụng với tiềm năng khá cao. GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 1 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Năm 2013, Nguyễn Hà Hiệp và cộng sự [2] đã thí nghiệm và thu thập thông số của một mô-đun nhiệt điện với kết quả cho thấy như Bảng 1.1: Kết quả thử nghiệm TEG trên động cơ Toyota 7KE[2] tg,oC tw,oC ∆t = tg – tw,oC U,V I,A 185 38,7 146,3 3,2 0,26 190 39,0 151,0 3,4 0,28 200 39,5 160,5 3,5 0,30 210 40,0 170,0 3,6 0,31 220 41,2 178,8 3,8 0,32 224 42,0 182,0 3,9 0,33 230 45,0 185,0 3,9 0,33 260 47,5 212,5 4,0 0,35 270 49,0 221,0 4,1 0,37 282 51,0 231,0 4,2 0,39 Theo kết quả đã công bố, ta thấy rằng khi nhiệt độ chênh lệch giữa mặt nóng và mặt lạnh của mô-đun TEG đạt trên 200OC TEG bắt đầu cho điện áp từ 4,0V đến 4,2V.

Như vậy với nhiệt độ này chúng ta có thể mắc nối tiếp nhiều mô-đun TEG để có được mức điện áp cao hơn sử dụng cho các phụ tải trên ô tô. Gần đây, trên thế giới bắt đầu nghiên cứu các phương án thu hồi nhiệt phát thải trên ô tô nhằm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Năm 2004, bộ năng lượng Hoa Kỳ bắt đầu quan tâm đến lượng nhiệt phát thải trên ô tô. Chính vì thế họ đưa ra một chương trình phát triển công nghệ thu nhiệt từ khí xả động cơ ô tô kéo dài cho các phòng thí nghiệm, các trường đại học và viện nghiên cứu quốc gia.

Cuối năm 2012 đã nghiệm thu với hai công trình tiêu biểu. Thứ nhất, Douglas T. và cộng sự [3] đã chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực tiếp nhiệt thành điện cung cấp cho phụ tải trên ô tô. Cấu trúc của máy phát điện như Hình 1.1: Mặt cắt cấu trúc bộ thu nhiệt[3] GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 2 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Công trình này được đầu tư với kinh phí đến 12 triệu USD trong đó vốn từ DOE là 7 triệu USD, 5 triệu USD còn lại đến từ các nguồn đầu tư khác trong đó có BMW và Ford.

Kết quả thu được có đặc tính như Hình 1.2: Đặc tuyến kết quả nghiên cứu của Douglas T. [3] Công trình này chủ yếu 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. Kết quả như Hình 1.2 cho thấy, công suất máy phát điện đạt 700W, nhiệt độ đầu nóng của cặp nhiệt điện đạt 500oC và hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu tăng 10%. Tuy nhiên, công trình này chỉ mới nằm trong phòng thí nghiệm, tốn kinh phí lớn và tuổi thọ chỉ đạt khoảng 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 xả. Cùng nằm trong đề án này, Gregory P. Meisner [4] chế tạo bộ thu hồi nhiệt với các mô-đun nhiệt điện tách rời. Máy phát điện kiểu này có cấu trúc như Hình 1.3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện của Meisner [4] GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 3 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Công trình này tham gia hội thảo ứng dụng nhiệt điện lần thứ 3 ngày 21/03/2012 ở Baltimore, Maryland và bộ năng lượng Mỹ đầu tư với kinh phí 12 triệu USD.

Công trình này sử dụng một bộ thu hình hộp nhỏ, dẹt có bề rộng lớn đặt trên đường ống xả để làm chậm vận tốc khí xả tăng thời gian trao đổi nhiệt. Mặt ngoài của bộ trao đổi nhiệt được bố trí nhiều dãy các mô-đun nhiệt điện được chế tạo từ vật liệu Skutterudite và Bi-Te, mặt nóng tiếp xúc với bộ thu nhiệt, mặt lạnh tiếp xúc với nước làm mát như Hình 1. Các mô-đun nhiệt điện được chế tạo có thông số khác nhau bố trí theo giải phân bố nhiệt độ để bảo đảm thu được điện áp bằng nhau tránh sự chênh áp theo mật độ phân bố nhiệt độ trên bộ thu. Dọc theo chiều dài bộ thu nhiệt bố trí 2 vùng cặp nhiệt điện tùy theo đặc tính kỹ thuật của vật liệu bán dẫn.

Vùng gần cửa vào có nhiệt độ cao hơn nên bố trí các mô-đun vật liệu Skutterudite và vùng cuối gần cửa ra bố trí các mô-đun vật liệu Bi-Te có đặc tuyến làm việc như Hình 1.4: Đặc tuyến làm việc của các chất bán dẫn[4] Kết quả như trong Hình 1.5 cho thấy khi dòng khí vào bộ thu có nhiệt độ 550oC nhiệt độ bên nóng của bộ Skutterudite đạt 450 oC và 250 oC với bộ Bi-Te và tổng công suất của 24 cặp Skutterudite và 18 cặp Bi-Te đạt 250W.5: Bố trí cặp nhiệt điện và phân bố nhiệt độ khí xả[4] GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 4 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Tuy nhiên, Meisner chủ yếu tập trung nghiên cứu phát triển cặp nhiệt điện bán dẫn phù hợp với dải nhiệt độ khí xả mà chưa quan tâm nhiều tới phương án thu nhiệt. Kinh phí thực hiện cao, công suất máy phát chưa đủ cung cấp cho phụ tải điện ô tô, sản phẩm chỉ mới trong phòng thí nghiệm mà chưa thể sản xuất đại trà do quy trình công nghệ phức tạp. Haidar [5] nghiên cứu lý thuyết về vật liệu cặp nhiệt điện, khảo sát phân bố nhiệt lượng và hiệu suất sử dụng trong động cơ đốt trong như Hình 1. Đồng thời đưa ra thông số thực nghiệm trên động cơ Ruston Diesel 37kW.6: Phân phối năng lượng trên động cơ đốt trong[5] Kết quả đề tài này cho thấy nhiệt lượng ở dòng khí xả khá cao, chiếm 34- 45(%) với động cơ xăng và 22-35(%) với động cơ Diesel.7: Đặc tuyến công suất theo nhiệt độ[5] Nhiệt độ khí xả đạt trên 500oC với mức tải 88% cánh bướm ga và tốc độ 1.

Bộ thu nhiệt được thiết kế kiểu ống trụ, trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. Tuy nhiên, chỉ bố trí sử dụng 98 cặp nhiệt điện nên công suất mới đạt 45W ở mức điện áp 14V. Theo đó, các cặp nhiệt điện bố trí dài trên đường ống nên không đồng nhất về nhiệt độ làm việc. Srinivasan và cộng sự [6] sử dụng nguồn nhiệt khí xả cấp nhiệt cho nồi hơi chạy turbine kéo máy phát điện như được mô tả ở Hình 1.

GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 5 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Hình 1.8: Bố trí thí nghiệm và thông số kỹ thuật[5] Kết quả cho thấy với động cơ Diesel 10,6 kW chạy toàn tải ở tốc độ 2700 RPM, nhiệt độ vào bộ sinh hơi thu được là 550oC và ra khỏi bộ sinh hơi là 350 oC, Turbine đạt công suất 2kW. Mặc dù công suất thu được khá cao nhưng việc chế tạo Turbine cỡ nhỏ như vậy là rất khó và có hiệu suất thấp. Nhiệt lượng thu được từ khí xả không chuyển trực tiếp qua điện năng mà cần phải qua một chu trình trung gian là giảm hiệu suất thu được từ khí thải. Bên cạnh đó, Turbine hoạt động với áp suất cao trong khi ô tô chuyển động với những chấn động lớn hay va chạm gây nổ bình chứa hơi nên mức độ an toàn thấp.

Những vấn đề còn tồn tại Trong thời điểm hiện tại, mặc dù đã có một số đề tài trong và ngoài nước nghiên cứu về các vấn đề liên quan và đã đạt được một số thành công nhất định. Tuy nhiên, các đề tài đó còn có nhiều giới hạn mà chưa thể ứng dụng kết quả lên trên các xe hiện hành. Với các đề tài sử dụng mô-đun TEG của bộ năng lượng Hoa Kỳ mặc dù cho kết quả tương đối khả quan nhưng chỉ mang tính chất trong phòng thí nghiệm, vấn đề giải quyết chỉ là vật liệu TEG mà chưa có thông số ứng dụng trên các động cơ cụ thể và tỷ lệ thu hồi so với tiềm năng chưa cao. Bên cạnh đó kinh phí và thời gian nghiên cứu rất nhiều.

GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 6 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Với phương án sử dụng một chu trình hơi nước để thu hồi nhiệt mặc dù đạt được kết quả thu hồi cao nhưng vấn đề bảo đảm an toàn về cháy nổ trên xe không được đề cập.