GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Tính cần thiết của đề tài
Chuyển đổi sinh khối thành năng lượng, hay năng lượng sinh khối, bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, công nghệ chuyển đổi, hình thức ứng dụng và điều kiện kinh tế của từng địa phương và quốc gia.
Nguồn nguyên liệu sinh khối được sản xuất từ cây trồng năng lượng, cây chất đốt ngắn ngày, sản phẩm rừng và dư lượng nông nghiệp như thân cây, củi, rơm rạ, cũng như từ chất thải công nghiệp, hữu cơ và phân động vật Trước khi chế biến, các nguyên liệu sinh khối cần được thu thập, vận chuyển và lưu trữ Năng lượng sinh khối là một dạng năng lượng tái tạo, giúp giảm tác động tiêu cực từ việc khai thác nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, năng lượng sinh khối cũng có những hạn chế và phải cạnh tranh với nhiên liệu hóa thạch cũng như các nguồn năng lượng tái tạo khác như gió, năng lượng mặt trời và thủy triều.
Quá trình quang hợp của thực vật tạo ra sinh khối, trong đó năng lượng từ ánh nắng mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng hóa học, tạo thành các phân tử Carbohydrate Động vật ăn thực vật sử dụng năng lượng trong sinh khối thực vật để tạo ra sinh khối của chúng, trong khi động vật ăn thịt sử dụng sinh khối từ động vật khác Khi thực vật và động vật chết, năng lượng trong sinh khối của chúng vẫn tồn tại cho đến khi bị phân hủy tự nhiên, đốt cháy hoặc xử lý nhân tạo.
Năng lượng trong Biomass được giải phóng khi các phân tử bị đốt cháy hoặc tái cấu trúc Quá trình hô hấp cho phép động vật và thực vật phân hủy các phân tử để thu được năng lượng cần thiết cho sự sống.
Carbohydrate trong cơ thể được chuyển hóa thành CO2 và nước, giải phóng năng lượng cho các hoạt động sống Động vật tiêu thụ năng lượng và biomass, nhưng năng lượng chúng tích trữ ít hơn so với lượng năng lượng trong thức ăn Các chất hữu cơ thải ra từ động vật cũng chứa năng lượng và có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng Biomass, bao gồm cả động vật và thực vật, được xem là nguồn năng lượng tiềm năng.
Việt Nam, một quốc gia nông nghiệp, hàng năm thải ra hàng triệu tấn chất phế thải sinh khối như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, mùn cưa và rơm Việc sử dụng hợp lý nguồn sinh khối này để sản xuất nhiệt và điện năng không chỉ mang lại cơ hội mới cho ngành nông nghiệp mà còn cải thiện an ninh năng lượng, đồng thời mang lại lợi ích cho môi trường và xã hội Nghiên cứu này sẽ áp dụng kỹ thuật chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu cho máy phát điện sử dụng trực tiếp tại hộ gia đình.
Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Nghiên cứu hợp tác giữa Đại học Stanford và Viện Nghiên cứu Khoa học thuộc Đại học California đã chứng minh rằng chuyển đổi sinh khối thành năng lượng điện có hiệu quả vượt trội so với việc sử dụng các loại nhiên liệu khác.
Nghiên cứu gần đây cho thấy việc sử dụng sinh khối để sản xuất điện có hiệu quả hơn 80% so với chuyển đổi sang nhiên liệu sinh học Hơn nữa, việc chuyển đổi sang điện năng mang lại hiệu suất cao hơn đáng kể.
Nghiên cứu cho thấy rằng đầu tư vào công nghệ sản xuất ethanol, ngay cả khi dựa trên các quy trình hiệu quả nhất, có thể là một hướng đi sai lầm trong việc giảm phát thải khí nhà kính Mặc dù nhiên liệu sinh khối thải ra CO2 khi đốt, nhưng tổng thể quá trình này lại phát thải ít hơn so với nhiều phương pháp khác.
CO 2 hơn là đốt các nhiên liệu hóa thạch bởi vì nếu tốc độ khai thác cùng với tốc độ
9 tái tạo thì lƣợng sinh khối bổ sung sẽ hấp thụ những khí phát thải ra của quá trình trước
Hình 1.1 Chu trình sản xuất năng lƣợng sinh khối
Giáo sư Mark Jacobson từ Đại học Stanford đã thực hiện nghiên cứu sâu về tác động môi trường của các nguồn năng lượng khác nhau, nhấn mạnh rằng việc sử dụng năng lượng sinh khối, cả trong sản xuất điện và chuyển hóa thành Etanol, không phải là lựa chọn hiệu quả Ông chỉ ra rằng đốt cháy sinh khối không phải là phương pháp tốt nhất để sản xuất điện, và phương tiện chạy bằng điện có hiệu suất cao hơn ít nhất 4 đến 5 lần so với phương tiện chạy bằng động cơ đốt sử dụng Etanol Nghiên cứu của Đại học California, Berkeley, thông qua mô hình phân tích nhiên liệu sinh học (ERG Biofuel Analysis Meta-Model-EBAMM), cũng xác nhận rằng xe điện hoạt động tốt hơn xe động cơ đốt trong, dù trên cùng một lộ trình.
Từ những năm 1849 - 1850, con người đã bắt đầu chưng cất dầu mỏ để sản xuất dầu hỏa, trong khi xăng vẫn chưa được sử dụng và thường bị vứt bỏ Ban đầu, dầu hỏa chỉ được dùng để thắp sáng và nấu nướng Tuy nhiên, với sự tiến bộ của khoa học và kỹ thuật, con người đã phát triển động cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu diesel, thay thế cho những động cơ hơi nước cồng kềnh và kém hiệu quả Sự phát minh này đã góp phần thúc đẩy xã hội phát triển vượt bậc, mang lại cuộc sống ấm no và văn minh cho hàng tỷ người trên toàn cầu.
Dầu mỏ và động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng, chiếm ưu thế tuyệt đối trên toàn cầu Hầu hết các quốc gia đều mong muốn kiểm soát nguồn dầu mỏ để đảm bảo an ninh năng lượng Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 đã khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với các quốc gia Tuy nhiên, theo dự đoán của các nhà khoa học, với tốc độ khai thác hiện tại, trữ lượng dầu mỏ còn lại trên trái đất chỉ đủ cho khoảng 40 năm nữa.
Việc sử dụng dầu mỏ và động cơ đốt trong dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng, bao gồm ô nhiễm không khí, thủng tầng ôzôn và hiệu ứng nhà kính Các chất độc hại như CO, NOx và HC từ các loại động cơ là nguyên nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người Vì vậy, con người đang đối mặt với thách thức lớn trong việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế.
Hiện nay, xu hướng nghiên cứu đang chuyển hướng sang việc thay thế nhiên liệu truyền thống như xăng và dầu Diesel bằng các loại nhiên liệu mới "sạch" Những nhiên liệu tái sinh này được sử dụng cho các loại động cơ như năng lượng mặt trời, khí thiên nhiên và khí dầu mỏ hóa lỏng, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
Việc chuyển đổi sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như điện, khí sinh vật Biogas và năng lượng thủy điện đã trở thành một chiến lược quan trọng trong chính sách năng lượng của nhiều quốc gia phát triển.
Vào năm 2013, thạc sĩ Đào Văn Hân và tiến sĩ Trần Văn Vang từ trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã thực hiện nghiên cứu về công nghệ sản xuất Biogas từ chất thải của các đơn vị chăn nuôi gia súc và gia cầm Nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường tại trại chăn nuôi Hòa Phú – Hòa Vang, Đà Nẵng Dựa trên kết quả thực tế, nhóm nghiên cứu đã đề xuất các phương án cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả của hầm Biogas trong việc xử lý môi trường và sản xuất Biogas, từ đó tìm ra mô hình hầm Biogas tối ưu cho các trang trại chăn nuôi.
Mục đích đề tài
Mục tiêu của đề tài này là thiết kế một hệ thống máy phát điện nhỏ sử dụng Biogas, sau đó tiến hành thử nghiệm để so sánh mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải của động cơ xăng trước và sau khi lắp đặt bộ tiết kiệm nhiên liệu.
Nhiệm vụ của đề tài
Nhằm nâng cao hiệu suất phát ra dòng điện và điện áp ổn định của máy phát Các thử nghiệm cụ thể đƣợc tiến hành nhƣ sau:
Trong thử nghiệm này, chúng tôi so sánh điện áp và dòng điện của máy phát điện cùng với lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ sơ cấp sử dụng bộ chế hòa khí Thí nghiệm được thực hiện trong hai trường hợp: có và không có bộ tiết kiệm nhiên liệu Động cơ xăng được vận hành trên cùng một chu trình thử nghiệm với các điều kiện thay đổi tốc độ để đánh giá hiệu suất và hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu.
Đề xuất một giải thuật tối ưu nhằm đáp ứng các điều kiện làm việc của hệ thống phát điện sử dụng Biogas, bao gồm mức cung cấp Biogas, ảnh hưởng của sự thay đổi tải, và chi phí lắp đặt hệ thống.
- Khảo sát và thiết kế công nghệ hệ thống hầm Biogas
- Thiết kế máy phát điện sử dụng Biogas công suất nhỏ
Đánh giá đặc tuyến I-V và P-V của máy phát điện sử dụng biogas cho thấy sự phụ thuộc rõ rệt của các đặc tính này vào việc lắp đặt bộ tiết kiệm nhiên liệu trên động cơ sơ cấp Nghiên cứu chỉ ra rằng các điều kiện hoạt động ở tốc độ ổn định và không ổn định ảnh hưởng đến hiệu suất và tính khả thi của hệ thống, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về khả năng tối ưu hóa sử dụng biogas trong sản xuất điện năng.
- Đề xuất phương án sử dụng máy phát điện sử dụng nhiên liệu Biogas tối ƣu.
Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu
- Nghiên cứu các mô hình toán học của hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu Biogas
- Phân tích các kết quả thử nghiệm
- Đánh giá các kết quả thử nghiệm Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
Điểm mới của đề tài
Ứng dụng năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió để sản xuất điện phục vụ nhu cầu xã hội ngày càng trở nên phổ biến Trong số đó, nhiên liệu Biogas cũng được khai thác Đề tài này sẽ tập trung vào việc lắp đặt bộ tiết kiệm nhiên liệu cho hệ thống máy phát điện sử dụng Biogas với công suất nhỏ, một vấn đề chưa được nghiên cứu trước đây.
Nội dung nghiên cứu
Luận văn này gồm 4 chương
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống máy phát điện sử dụng Biogas
Chương 4: Kết quả thử nghiệm
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nhu cầu năng lƣợng sử dụng Biogas
Khí sinh vật là nguồn năng lượng rẻ tiền, có khả năng cải thiện đời sống con người, đặc biệt trong bối cảnh khan hiếm năng lượng hiện nay Tại các trại chăn nuôi và hộ gia đình có gia súc, gia cầm, việc sử dụng khí thiên nhiên để đun nấu không chỉ tận dụng nguồn năng lượng tại chỗ mà còn giúp giảm chi phí cho người dân Sản xuất và sử dụng khí sinh vật đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và các chuyên gia năng lượng trên thế giới Ở Việt Nam, nghiên cứu về khí sinh vật còn mới mẻ nhưng có ý nghĩa quan trọng trong việc giải quyết khó khăn về năng lượng Hiện tại, khí Biogas chủ yếu được sử dụng cho mục đích đun nấu.
Nhiệt lượng hữu ích từ 1m³ khí Biogas tương đương với 0,7 kg dầu, có khả năng thắp sáng đèn 60W trong 7 giờ, sản xuất 1,25 kWh điện, hoặc thay thế 4,37 kg củi, kéo xe 3 tấn trong 2 km, và sử dụng 6,1 kg rơm rạ Mỗi ngày, từ 10 kg phân lợn, có thể sản xuất từ 400 đến 500 lít khí Biogas Do đó, việc tận dụng nguồn nguyên liệu này là rất cần thiết trong các trại chăn nuôi.
2.1.2 Nhu cầu chạy các động cơ đốt trong
Máy công tác như bơm nước, máy xay xát và máy phát điện thường sử dụng khí sinh vật làm nguồn năng lượng Lượng khí tiêu thụ khoảng 4,05 m³/mã lực hoặc 0,76 m³/kWh Để vận hành động cơ một mã lực trong một giờ, cần khoảng 0,42-0,5 m³ khí sinh vật Đối với động cơ có công suất 12 mã lực hoạt động trong 8 giờ, lượng khí sinh vật tiêu thụ lên tới 40 m³.
Hiện nay, nhiều trại chăn nuôi vẫn sử dụng điện lưới để thắp sáng, dẫn đến việc không khai thác tối đa nguồn năng lượng tại chỗ, làm giảm hiệu quả kinh tế Trong trường hợp mất điện, khí sinh vật được sử dụng làm nguồn sáng thay thế, thường thông qua các loại đèn như đèn măng xông hoặc đèn mạng.
Đèn mạng có độ sáng tương đương với đèn điện sợi tóc 60 W và tiêu thụ khí từ 70 đến 80 lít mỗi giờ ở áp suất 40 cm nước Đặc biệt, độ sáng của đèn sẽ tăng khi áp suất được nâng cao.
Ngoài ra còn các nhu cầu khác như: Sưởi ấm khi gia súc sinh vào mùa đông, chạy tủ lạnh, sấy thức ăn cho vật nuôi …
Nguồn cung cấp năng lƣợng tái tạo hiện nay
Hiện nay, năng lượng mặt trời chủ yếu được sử dụng tại các trại chăn nuôi để sấy thức ăn cho vật nuôi Để mở rộng ứng dụng năng lượng mặt trời cho nhiều mục đích khác như hệ thống sưởi ấm, điều hòa không khí và cung cấp nước nóng, cần giải quyết các vấn đề kỹ thuật cơ bản và công nghệ chế tạo Tại Việt Nam, ứng dụng khả thi của năng lượng mặt trời chủ yếu là nấu nước nóng và sấy gỗ, nhờ vào công nghệ đơn giản, quy trình chế tạo dễ dàng và chi phí phù hợp với kinh tế địa phương.
Vào những năm 30 của thế kỷ 20, con người đã bắt đầu khai thác năng lượng gió để sản xuất điện với công suất lên đến 75 KW Nhiều quốc gia đã ứng dụng năng lượng gió trong các hoạt động như điều khiển thuyền buồm và cối xay gió, phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt gia đình như thắp sáng, nấu nướng, và quạt mát Ngoài ra, năng lượng gió còn được sử dụng để chạy tua bin, bơm nước phục vụ cho nông nghiệp, bao gồm trồng trọt và chăn nuôi.
2.2.3 Thuỷ điện và thuỷ điện nhỏ
Thuỷ điện hiện nay là nguồn năng lượng chủ yếu tại Việt Nam, với chính sách xây dựng các nhà máy thuỷ điện lớn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống dân sinh Việt Nam sở hữu mật độ thuỷ điện cao nhất thế giới, mang lại nhiều lợi thế trong việc phát triển nguồn năng lượng này Tuy nhiên, việc đầu tư cho thuỷ điện yêu cầu vốn lớn và thời gian dài cho khảo sát, thăm dò và các công việc liên quan, đồng thời có thể gây ảnh hưởng đến đất đai.
Thủy điện gây ra biến đổi trầm tích, làm mất diện tích đất canh tác lớn, ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước, phá hủy rừng, gây biến động thời tiết và cản trở giao thông thủy bộ, thậm chí có thể tác động đến việc di dân.
Để tối ưu hóa nguồn năng lượng thủy điện và khắc phục những nhược điểm hiện tại, việc xây dựng các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ là cần thiết Huy động nguồn vốn địa phương kết hợp với sự hỗ trợ từ trung ương sẽ giúp phát triển hiệu quả hơn nguồn năng lượng này.
Các loại năng lượng như than đá và dầu mỏ đã được sử dụng lâu dài với nhiều mục đích, từ việc chạy động cơ đến đốt trực tiếp, mang lại lợi ích to lớn cho con người và thúc đẩy sự phát triển xã hội Tuy nhiên, việc sử dụng những nguồn năng lượng này cũng gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng cho môi trường và sức khỏe con người Sự gia tăng ô nhiễm không khí từ sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch đã đặt ra những thách thức lớn về môi trường, với các chất độc hại như COx, HC và NOx có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người.
SO 2 , bồ hóng … và những chất gây tác động đến môi trường, đặc biệt là CO 2 , chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất, hơn nữa những loại nhiên liệu này có xu huớng ngày càng cạn kiệt Vì vậy cần có một loại năng lƣợng sạch thay thế, đó là năng lƣợng tái sinh và không truyền thống (Cồn, Biogas, ).
2.2.4.2 Năng lƣợng tái sinh và năng lƣợng không truyền thống
+ Năng lƣợng không truyền thống: Khí thiên nhiên (GNV), khí dầu mỏ hoá lỏng khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG), khí Hiđrô…
Năng lượng tái sinh từ thực vật như dầu biodiesel, dầu cọ, dầu dừa, dầu phụng và cồn đang trở thành xu hướng, mặc dù giá cả vẫn còn cao hơn so với dầu mỏ.
2.2.4.3 Năng lƣợng từ khí sinh học (Biogas)
Biogas là nguồn năng lượng khí dễ tiếp cận với vốn đầu tư thấp, có khả năng thay thế nhiều nguồn năng lượng khác như than, củi, điện, nhiên liệu khí hóa lỏng và dầu Sau khi phân hủy, phân động vật tạo ra chất lưỡng hữu cơ giàu dinh dưỡng, không mùi, giúp cải thiện đất nông nghiệp hiệu quả hơn phân bón tươi Việc sử dụng biogas cũng góp phần ngăn chặn nạn chặt phá rừng và bảo vệ môi trường Hiện nay, biogas được áp dụng rộng rãi từ các trang trại nhỏ đến lớn.
2.2.5 Tính toán chi phí năng lƣợng cho một tari chăn nuôi nhỏ
Nhu cầu năng lƣợng của trại chăn nuôi: Trại chăn nuôi 15 con bò, 20 con heo thịt, 8 con heo nái, 1 con heo đực
Mỗi ngày trại sử dụng năng lƣợng để phục vụ sản xuất nhƣ:
+ Bơm nước: mỗi ngày bơm 15 m 3 nước sử dụng hết 4 KW điện để chạy máy bơm nước
+ Dùng điện sinh hoạt: mỗi ngày dùng hết 7 KW
+ Bếp: Sử dụng nhiên liệu là củi chủ yếu, mỗi ngày dùng 50 kg củi
+ Phân bón cho cỏ để chăn nuôi: Mỗi ngày 3 Kg phân bón
Bảng 2.1 Tính chi phí năng lƣợng của trại chăn nuôi một ngày
TT Dạng năng lƣợng Số lƣợng Đơn giá Thành tiền
1 Điện dùng bơm nước 4 KW 700 đ/1KW 2.800 đ 84.000 đ
2 Điện sinh hoạt 7 KW 700 đ/1KW 4.900 đ 147.000 đ
Vậy về kinh tế hàng tháng trại chăn nuôi phải chi ra khoảng 471.000đ để chi phí năng lƣợng cho quá trình chăn nuôi của trại.
Sản xuất Biogas
2.3.1 Sơ đồ sản xuất Biogas
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống sản xuất Biogas
1- Bể lắng cát 4- Bể đựng chất thải
2- Ống dẫn phân 5- Hệ thống lọc H 2 S và CO 2
3- Ống dẫn bạ thải 6- Bình chứa khí Biogas sạch
Nguyên lý làm việc của hệ thống:
Phân tươi từ chuồng trại được chuyển vào bể lắng cát để loại bỏ đá và cát, sau đó được dẫn qua ống vào bể phân huỷ Tại bể phân huỷ, quá trình lên men diễn ra, tạo ra khí sinh học.
Hình 2.2 Quá trình lên men tạo khí sinh học
Sau quá trình lên men, khí Biogas được dẫn vào hệ thống lọc để loại bỏ H2S và CO2, với kết quả là hỗn hợp khí chứa chỉ một lượng nhỏ H2S và CO2, trong khi CH4 chiếm khoảng 97,9% Hỗn hợp khí này sau đó được chuyển vào bình chứa Biogas, trong khi các chất bã sau phân hủy được dẫn ra bể chứa chất thải và sử dụng làm phân bón cho cây trồng.
Khí Biogas, giống như dầu thực vật, là một loại nhiên liệu giúp trung hòa CO2 trong khí quyển Biogas được hình thành từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí, bao gồm thực vật như cây cối và rơm rạ, cũng như xác sinh vật và chất thải từ chế biến thực phẩm, cùng với các chất thải từ chăn nuôi Quá trình quang hợp của thực vật dưới ánh sáng mặt trời cũng góp phần vào việc hấp thụ khí này.
Khi đốt nhiên liệu có nguồn gốc từ thực vật, lượng CO2 trong khí thải sẽ được cân bằng Biogas chủ yếu được tạo ra từ hai nguồn chính: hầm khí sinh học và khí phát sinh từ bãi chôn lấp rác trong quá trình lên men hiếm khí của chất hữu cơ Thành phần chính của biogas bao gồm CH4 (50-70%) và CO2 (22-50%), cùng với một số tạp chất như H2S.
Biogas đƣợc sử dụng với nhiều mục đích khác nhau:
+ Dùng làm nhiên liệu đốt: đun nấu, sưởi ấm cho vật nuôi, sấy nông sản
Thay thế nhiên liệu truyền thống bằng các loại động cơ mới giúp nông dân tiết kiệm chi phí năng lượng và giảm giá thành sản xuất Việc sử dụng động cơ cho máy phát điện, máy bơm nước, máy xay xát và máy lạnh không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn cải thiện đời sống của người dân nông thôn.
2.3.3 Tình hình sử dụng Biogas hiện nay
Hiện nay, khí nhiên liệu thay thế, đặc biệt là biogas, đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu Sự phong phú trong các lựa chọn sử dụng nguồn năng lượng này ngày càng gia tăng Các xu hướng chính trong việc sử dụng nhiên liệu biogas trên toàn cầu đang được phát triển mạnh mẽ.
+ Làm nhiên liệu cho các loại động cơ
+ Bán cho các nhà cung cấp khí tự nhiên
Hình 2.3 Sơ đồ các ứng dụng Biogas
2.3.4 Khả năng ứng dụng Biogas chạy động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong sử dụng biogas từ hệ thống xử lý rác thải thành phố đã được ứng dụng trong nhiều thập kỷ và đạt được những thành công khác nhau Gần đây, công nghệ này ngày càng được áp dụng rộng rãi trong ngành nông nghiệp và công nghiệp, đặc biệt dưới áp lực của sự khan hiếm năng lượng hóa thạch trong tương lai.
Quạt, bơm, máy nén Động cơ Bán cho nhà cung cấp
Xe tải, Máy kéo Phát nhiệt điện
Turbin lỏng Turbin khí Điều hoà hay đun nước Phát điện Đốt trực tiếp
20 cƣỡng bức cố định có thể cung cấp năng lƣợng cho rất nhiều loại thiết bị tải bao gồm:
+ Bơm nhiệt, điều hòa không khí
Biogas là nguồn năng lượng tiềm năng cho phương tiện vận tải như xe khách, xe tải và các thiết bị công nghiệp như máy kéo Đánh giá hiệu quả ứng dụng của các hệ thống biogas nhằm tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng này, với các vấn đề cần quan tâm để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong thực tiễn.
Để tối ưu hóa hiệu quả cung cấp biogas cho động cơ, cần xem xét việc sử dụng hệ thống nén khí hoặc các hệ thống cung cấp đặc biệt khác Điều này là một yếu tố quan trọng cần được chú ý để đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hệ thống phát điện sử dụng biogas thường có chi phí lắp đặt cao hơn so với động cơ điện Ngoài ra, hệ thống này cũng cần đầu tư cho các chi phí liên quan đến hệ thống điều khiển và kết nối.
2.3.4.3 Chi phí vận hành, bảo dƣỡng
Các nhà máy phát điện lớn thường có chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp hơn so với các nhà máy nhỏ Do đó, việc ưu tiên lắp đặt các máy móc tiêu thụ tải lớn trước các máy tải nhỏ là rất quan trọng Ngoài ra, chi phí sửa chữa cũng cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả kinh tế.
Hệ thống cung cấp năng lƣợng sử dụng Biogas
Hình 2.4 Hệ thống cung cấp năng lƣợng cho trại chăn nuôi
2- Hệ thống thiết bị xử lý khí biogas 6- Máy bơm nước
3- Thiết bị phân phối khí biogas 7- Máy xay xát
Khí biogas từ hầm ủ chứa H2S và CO2 được dẫn vào hệ thống xử lý, nơi các thành phần này được tách ra Sau quá trình này, biogas chứa 97,9% CH4 được chuyển đến thiết bị phân phối Hỗn hợp khí biogas sau đó được sử dụng cho các thiết bị trong trại chăn nuôi như máy bơm nước, máy phát điện, máy xay xát và bếp nấu ăn.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG
Tính chọn động cơ
3.1.1.1 Giới thiệu động cơ Động cơ đang đƣợc dùng để thử nghiệm là loại động cơ do trung quốc sản xuất, nhiên liệu dùng cho động cơ này là xăng Động cơ có những đặc điểm: Kích thước của động cơ nhỏ, động cơ đặt thẳng đứng, hệ thống phối khí có 2 súp bắp nạp và xả đặt, hệ thống khởi động bằng dây nén, công suất cực đại động cơ 5,5 KW Động cơ đƣợc sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt gia đình, trong nông nghiệp, công nghiệp…
1- Nắp xăng 5- Khoá xăng BCHK 2- Bình xăng 6- Chén xăng BCHK 3- Đường xăng xuống BCHK 7- Cần khởi động
KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
Thiết kế cải tạo bộ hỗn hợp khí Biogas – Không khí
4.1.1 Cơ sở lý thuyết điều chỉnh thành phần hỗn hợp Để đảm bảo động cơ làm việc cân bằng, ổn định khi phụ tải bên ngoài thay đổi thì công suất động cơ phát ra phải cân bằng với công suất tiêu thụ Vì vậy bộ hỗn hợp phải điều chỉnh đƣợc thành phần hỗn hợp và khối lƣợng hỗn hợp sao cho công suất động cơ phát ra thỏa mãn được các đường đặc tính của nó như đặc tính tải, đặc tính tốc độ Muốn vậy cần đảm bảo tỷ số hòa trộn thích hợp giữa khí Biogas và không khí ứng với từng chế độ làm việc của động cơ, có nghĩa là nếu chế độ làm việc của động cơ thay đổi thì không những thay đổi về số lƣợng, mà còn thay đổi về chất lƣợng hỗn hợp nạp vào động cơ Khi động cơ chạy không tải hoặc chế độ tải nhỏ cần phải tăng lƣợng khí gas trong hỗn hợp, tức là phải làm đậm khí hỗn hợp Tăng dần phụ tải thì một mặt phải tăng số lƣợng hỗn hợp đƣa vào động cơ, mặt khác phải giảm bớt thành phần khí Biogas trong hỗn hợp tức là làm cho hỗn hợp loãng dần Khi động cơ chạy toàn tải tức là khi cần phát ra công suất lớn nhất phải làm cho hỗn hợp giữa khí Biogas và không khí đậm lên.
Hình 4.1 Động cơ và máy phát sử dụng khí Biogas
4.1.2 Phương pháp điều chỉnh thành phần hỗn hợp
4.1.2.1 Điều chỉnh chất lƣợng hỗn hợp Điều chỉnh chất lƣợng hỗn hợp là sự thay đổi công suất động cơ thực hiện bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp mà không thay đổi số lƣợng hỗn hợp
Bằng cách điều chỉnh khối lượng khí Biogas hoặc lượng không khí đưa vào bộ hỗn hợp, chúng ta có thể tối ưu hóa quá trình xử lý và sản xuất năng lượng hiệu quả hơn.
4.1.2.2 Điều chỉnh khối lƣợng hỗn hợp Điều chỉnh theo phương pháp này là thay đổi công suất của động cơ nhờ sự thay đổi lƣợng hỗn hợp đƣa vào động cơ mà không thay đổi thành phần hỗn hợp của nó Với phương pháp này có thể thực hiện bằng cách thay đổi độ mở bướm hỗn hợp Phương pháp này có nhược điểm là làm thay đổi sự tiết lưu của dòng nạp do đó tăng tổn thất lưu động của dòng khí hỗn hợp, làm giảm tính kinh tế của động cơ, giảm áp suất cuối quá trình nén
4.1.2.3 Điều chỉnh theo chất và lƣợng
Phương pháp điều chỉnh hỗn hợp nạp vào động cơ kết hợp hai phương pháp trên Tùy vào từng trường hợp, sẽ áp dụng phương pháp hiệu quả nhất để đạt được kết quả tối ưu.
Phương án thiết kế hệ thống nhiên liệu chỉ dùng khí biogas
Đây là phương án chuyển đổi hoàn toàn, động cơ chỉ dùng nhiên liệu khí biogas
Hệ thống nhiên liệu dùng khí biogas
- Bình chứa nhiên liệu khí biogas
- Các đường ống dẫn nhiên liệu
Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ sử dụng khí biogas
1- Bình chứa nhiên liệu khí 10- Đường ống thải
2- Đường ống dẫn khí biogas 11- Piston
3- Van tiết lưu 12- Thanh truyền
4- Bình điều hoà 13- Bướm gas
5- Lọc gió 14- Thân bộ hỗn hợp
6- Ống phun biogas 15- Bướm gió
7- Xú páp nạp 16- Lưu lượng kế
8- Xú páp thải 17- Bình tách ẩm
Khí biogas sau khi được lọc sạch sẽ được nạp vào bình chứa Từ bình chứa, biogas được dẫn vào buồng hỗn hợp, nơi mà tỷ lệ và thành phần hỗn hợp được điều chỉnh phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ, bao gồm không tải, có tải và toàn tải, nhằm đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu cho động cơ.
Chọn phương án điều chỉnh hỗn hợp
Công suất động cơ dùng khí Biogas đƣợc tính theo công thức sau:
- Số kỳ của động cơ v h - Thể tích công tác của xi lanh
Q h - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
- Hệ số dƣ lƣợng không khí
L 0 - Lƣợng không khí cần thiết lý thuyết tính theo kg để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu
k : Khối lượng riêng của khí hỗn hợp tại áp suất và nhiệt độ trước xú pap nạp
m : Hiệu suất cơ giới n : Số vòng quay của động cơ i : Số xi lanh
P m -Áp suất tổn thất cơ giới trung bình n B a C b a
Từ biểu thức trên rút ra nhận xét sau:
Đối với phương pháp điều chỉnh theo chất
Sự thay đổi v có phụ thuộc vào quá trình công tác của động cơ nhƣng ảnh hưởng này rất ít Do đó có thể bỏ qua
67 Áp suất cơ giới trung bình P m chủ yếu phụ thuộc vào số vòng quay của trục khuỷu
Khi tăng số vòng quay của trục khuỷu (n tăng), áp suất cơ giới trung bình (P m) tăng, dẫn đến hiệu suất cơ giới (η m) giảm Hiệu suất nội tại (η i) chủ yếu phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí (α) Mặc dù n tăng làm cho quá trình cháy diễn ra nhanh hơn và truyền nhiệt cũng giảm, nhưng η i chỉ tăng không đáng kể theo vòng quay trục khuỷu Trong trường hợp tải lớn, hệ số dư lượng không khí α giảm, thời gian ứng với góc quay của trục khuỷu không đổi, gây ra sự kéo dài của quá trình cháy Mặc dù áp suất nội tại (p i) có tăng nhưng không nhiều, dẫn đến η i tăng nhẹ.
tăng lên Ở trường hợp tải bé tăng sẽ làm cho hỗn hợp loãng, áp suất pi giảm làm tỉ số o i
giảm xuống rất nhanh làm xấu tính kinh tế của động cơ
Phương pháp điều chỉnh theo lượng trong trường hợp tải bé dẫn đến sự giảm nhiều của hiệu suất thể tích (ηv) do tiết lưu dòng khí nạp, gây ảnh hưởng đến áp suất cực đại của chu trình Khi giảm tải bằng cách đóng bớt bướm ga, áp suất (Pm) và ηv bị tác động, tuy nhiên, hiệu suất cơ (ηm) chỉ giảm không đáng kể.
Áp suất chỉ thị trung bình P i thay đổi liên tục, nhưng lại phụ thuộc vào chất lượng quá trình cháy của một loại nhiên liệu nhất định Điều này có nghĩa là P i bị ảnh hưởng bởi hệ số dư lượng không khí α, mức độ hòa trộn và góc đánh lửa sớm.
Thời gian cháy của nhiên liệu liên quan đến góc quay của trục khuỷu là không đổi, trong khi nhiệt độ và áp suất cuối quá trình cháy giảm dần theo chiều tăng của góc quay , dẫn đến hiệu suất i cũng giảm liên tục.
Cả hai phương pháp điều chỉnh đều có những lợi ích và hạn chế riêng Để tận dụng tối đa ưu điểm của cả hai, phương pháp điều chỉnh hỗn hợp được lựa chọn, cho phép điều chỉnh lượng nhiên liệu thông qua việc kiểm soát bướm ga, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
68 chất bằng cách thay đổi lƣợng khí Biogas vào hòa trộn trong buồng hỗn hợp Việc này được thực hiện nhờ van tiết lưu ở đường khí Biogas vào.
Xây dựng đường đặc tính hỗn hợp
Xây dựng đường đặc tính = f(P hh )
Hệ số dƣ lƣợng không khí đƣợc tính: o g kk
Trong đó: Gkk : lưu lượng không khí thực tế (kg/s)
G g : lưu lượng khí Biogas (kg/s)
L o : lƣợng không khí lý thuyết cần dùng để đốt cháy hết 1 m 3 khí Biogas (Kgkk/kg nl)
Gọi f g và α g là tiết diện cùng hệ số bóp của dòng khí biogas vào, trong khi w g và γ g đại diện cho tốc độ và mật độ khí biogas Tương tự, f kk và α kk là tiết diện và hệ số bóp của dòng không khí vào, còn w kk và γ kk là tốc độ và mật độ không khí.
G kk = kk f kk w kk kk (kg/s)
Phương trình Becnuli tại mặt cắt 11 - 22:
Trong đó: đ - tổn thất động năng dòng khí biogas do trở lực đường ống trong
Melăngzơ Bỏ qua tốc độ ban đầu và coi: wo= 0
Phương trình Becnuli tại mặt cắt 1’1’ - 22:
2 kk kk hh hh kk kk o g
Trong đó: kk - tổn thất động năng dòng không khí Bỏ qua tốc độ ban đầu:W 0 = 0
Suy ra: kk hh kk kk kk g P P
2 hh g g g g g g hh kk kk kk kk kk kk
Ta có: g hh hh g kk o g g kk kk o g kk
70 g kk o g g kk kk g hh hh
Nếu Phh thì C Điều này không có ý nghĩa thực tế vì P hh không thể tiến đến
Khi ΔP g < 0, đường cong sẽ có dạng lõm, điều này trái ngược với yêu cầu thực tế Hiện tượng này dẫn đến việc không khí sẽ xâm nhập vào đường ống dẫn gas.
Nếu P g >0 Điều này phù hợp với thực tế Dạng đường cong là đương cong lồi
Nếu P g =P hh thì 0 Đồ thị biểu thị quan hệ với P hh nhƣ sau:
Tính toán các kích thước của bộ hỗn hợp
4.5.1 Kiểm nghiệm lại đường kính buồng hỗn hợp
Trong đó: a n - Hệ số dao động của dòng chảy, phụ thuộc vào số xi lanh dùng chung một buồng hỗn hợp an= 24,2
V h - Thể tích công tác của xi lanh V h = 0,085 (dm 3 )
71 i - Số xi lanh i=1 n - Số vòng quay của động cơ n= 3500 (v/ph)
4 5.2 Kiểm nghiệm tốc độ không khí qua buồng hỗn hợp
- Hệ số quét khí, động cơ 4 thì =1
4.5.3 Chiều dài buồng hỗn hợp l b = (0,8 ÷ 1,8)d b = 1,2.d b =1,2.13,2= 15,83 (mm) (4.17 )
4.5.4 Xác định kích thước họng
Xác định sơ bộ đường kính: d h = (0,6 ÷ 0,8)d b = 0,8.d b = 0,8 13,2= 10 (mm) (4.18 )
Độ chân không tại họng
h - Hệ số lưu lượng của họng, phụ thuộc vào hình dáng, chất lượng của họng, số họng h = 0,85 ÷ 0,9 Chọn h = 0,9
k - Khối lượng riêng của không khí trước ống nạp k = 1,1 ÷ 1,2 (kg/m 3 ) Chọn: k = 1,2 (kg/m 3 )
Tốc độ thực tế không khí qua họng
Lưu lượng không khí qua họng
Đường kính chính xác của họng
4.5.5 Tính đường kính lỗ phun chính
nl : Khối lƣợng riêng khí biogas nl = 1,06 (kg/m 3 )
G nl : Lưu lượng biogas ứng với công suất cực đại
V t : Mức tiêu hao khí biogas khi động cơ đạt công suất cực đại
V nl : Tốc độ biogas qua lỗ phun
Chế tạo bộ hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ
4.6.1 Gia công các chi tiết
Các chi tiết được gia công bằng phương pháp: Tiện, khoan, mài với độ chính xác cao, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của bộ hỗn hợp
- Bình chứa khí: Có nhiệm vụ dự trữ biogas đảm bảo cho động cơ hoạt động
Hình 4.3 Hình bình chứa khí biogas
- Van nạp: Có nhiệm vụ để nạp vào bình khí khi áp suất trong bình thấp hơn áp suất sử dụng
- Van an toàn: Thực hiện chức năng an toàn khi áp suất trong bình chứa tăng cao vƣợt quá giới hạn cho phép
Van không tải có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh lưu thông khí biogas từ bình chứa đến bộ hỗn hợp khi động cơ ở chế độ không tải Để tối ưu hóa và hiện đại hóa động cơ, van này được thiết kế dưới dạng van chân không Khi động cơ khởi động, van sẽ mở ra, cho phép khí biogas di chuyển qua ống dẫn nhờ vào độ chân không sau bướm ga, từ đó cung cấp khí cho bộ hỗn hợp.
Van công suất đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp khí biogas cho động cơ khi có tải Nó có thể được điều khiển bằng cơ khí thông qua bộ điều tốc hoặc bằng điện dựa trên việc so sánh điện đầu ra của máy phát Việc điều khiển này không chỉ nâng cao tính tự động của động cơ mà còn đảm bảo điện thế phát ra ổn định, đồng thời giúp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.
Van 3 ngã đóng vai trò quan trọng trong việc phân nhánh hoặc nhập nhánh đường ống dẫn khí biogas vào động cơ, đảm bảo cung cấp khí biogas hiệu quả cho từng chế độ hoạt động của động cơ.
- Gíc lơ không tải: Có nhiệm vụ tiết lưu dòng khí biogas vào động cơ, đảm bảo lưu lượng khí vào động cơ ở chế độ không tải
Hình 4.4 Bộ hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ
- Bộ hoà trộn khí: Hòa trộn không khí với khí biogas ở tỉ lệ phù hợp tạo thành khí hỗn hợp nạp vào động cơ
Hình 4.5 Bộ hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ
Lắp đặt hệ thống
Chọn vị trí lắp đặt bình chứa, các van, bố trí đường ống dẫn, bảng điều khiển
- Bình chứa nhiên liệu biogas: Đƣợc đặt phía ngoài động cơ nhờ hệ thống đồ gá
- Van nạp: Đƣợc đặt trên bình chứa khí biogas
Van cấp biogas hai chế độ được lắp đặt gần bộ chế hòa khí của động cơ, giúp dẫn khí biogas qua đường ống và vào động cơ một cách hiệu quả.
Hình 4.6 Lắp bộ hỗn hợp Biogas – Không khí cho động cơ.
