Nghiên cứu điều chỉnh hệ số tương đương để nâng cao công suất động cơ sử dụng năng lượng tái tạo hybrid sinh khối năng lượng mặt trời

KHOA CƠ KHÍĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỂ NÂNG CAO CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID: SI

Trang 1

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỂ NÂNG CAO CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID: SINH KHỐI-NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Người hướng dẫn: ThS Bùi Văn Hùng

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Tấn Trường 1811504210450 18DL4 Nguyễn Văn Điệp 1811504210406 18DL4

Đà Nẵng, 06/2022

Trang 2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỂ NÂNG CAO CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID: SINH KHỐI-NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Người hướng dẫn: ThS.Bùi Văn Hùng Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Tấn Trường 1811504210450 18DL4

Nguyễn Văn Điệp 1811504210406 18DL4

Đà Nẵng, 06/2022

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Trang 4

Nghiên cứu điều chỉnh hệ số tương đương để nâng cao công suất động cơ sử dụng năng lượng tái tạo hybrid:

Sinh khối-Năng lượng mặt trời

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

Trang 5

Nguyễn Văn Điệp 1811504210406 18DL4

Nghiên cứu điều chỉnh hệ số tương đương để nâng cao công suất động cơ sửdụng năng lượng tái tạo hybrid: sinh khối-năng lượng mặt trời Việc điều khiển thờiđiểm phun, thời gian phun và thời điểm đánh lửa cũng như thời gian đánh lửa sẽ domáy tính đảm nhận Tốc độ động cơ sẽ được cảm biến Hall gửi tín hiệu về hộp điềukhiển, hộp điều khiển sẽ xử lý và tính toán để đưa ra lượng nhiên liệu được phun vàođộng cơ và góc đánh lửa theo hàm số chứa trong code đã được nạp cho hộp điều khiểntheo từng chế độ hoạt động của động cơ

Trang 6

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS Bùi Văn Hùng

Sinh viên thực hiện:

- Nguyễn Văn Điệp MSV: 1811504210406 Lớp: 18DL4

- Nguyễn Tấn Trường MSV: 1811504210450 Lớp: 18DL4

1 Tên đề tài:

- NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỂ NÂNG CAONĂNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠOHYBRID: SINH KHỐI-NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

[1] Bùi Văn Ga, “Nghiên cứu kỹ thuật tạo hỗn hợp phân lớp cho động cơ dùngnhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG” International Conference on AutomotiveTechnology ICAT’99, pp 101-107 Hà Nội, October 21-24, 1999

[2] Bùi Văn Ga, Nguyễn Ngọc Linh, Nguyễn Hữu Hướng, “Tạo hỗn hợp phân lớptrong buồng cháy động cơ phun LPG trực tiếp bằng cánh hướng dòng đặt trước

xú páp nạp”, Tạp chí Giao Thông Vận Tải, Số 7/2003, pp 55-58, 2003

[3] Khương Thị Hà, Nguyễn Cao Văn, Văn Đăng Cương, Bùi Văn Chinh: “Nghiêncứu quá trình cháy HCCI khi sử dụng hệ thống luân hồi khí thải - study onhomogenous charge compression ignition (hcci) by using exhaust gasrecirculation system”, Tạp chí Khoa Học và Công Nghệ, Tập số 56, số 5(10/2020)

[4] Đặng Thái Sơn, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ RCCI vào động cơ AVL 5402bằng phương pháp mô phỏng, Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP HồChí Minh, năm 2014

[5] Nguyễn Oanh: Giáo trình Ô tô thế hệ mới - Phun xăng điện tử EFI Nhà xuấtbản Tổng hợp TP Hồ Chí Minh, năm 2008

3 Nội dung chính của đồ án:

Trang 7

- Tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu

- Khái quát chung về phun nhiên liệu và đánh lửa điều khiển điện tử

- Cải tạo hệ thống phun nhiên liệu và bộ hòa trộn nhiên liệu

- Kết quả thử nhiệm và bàn luận

- Kết luận và kiến nghị

- Phương hướng phát triển đề tài

4 Các sản phẩm dự kiến

- Động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid-sinh khối điều khiển điện tử

- Bài báo cáo tổng kết

Trang 8

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng có vai trò rất quan trọng trong đời sống và sự phát triển kinh tế-xãhội trên thế giới Nhu cầu về năng lượng tăng cao và những lo ngại về ô nhiễm donhiên liệu hóa thạch gây ra đã khiến cho các quốc gia hướng về việc sử dụng nănglượng sạch hoặc năng lượng tái tạo

Các nguồn năng lượng tái tạo có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tươnglai do đặc tính phong phú, đa dạng và sạch của chúng Tuy nhiên, nhược điểm chínhcủa năng lượng tái tạo là nói chung là không ổn định, công suất nguồn phát nănglượng thay đổi theo thời gian trong ngành hay thay đổi ngẫu nhiên theo điều kiện khíhậu, thời tiết Vì vậy, để đảm bảo tính ổn định của hệ thống năng lượng, chúng ta cầnphối hợp sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau, gọi là hệ thống năng lượng táitạo Hybrid HRES

Trong đề tài này, nhóm đã nghiên cứu điều chỉnh hệ số tương đương để nângcao công suất của động cơ sử dụng năng lượng tái tạo hybrid: sinh khối-năng lượngmặt trời Thiết kế bộ hòa trộn nhiên liệu cho động cơ, điều chỉnh lượng khí hydrogenpha trộn với biogas Các cảm biến sẽ tiếp nhận các thông số đầu vào truyền tín hiệu về

bộ điều khiển, bộ điều khiển tiến hành mã hoá, tính toán và ra lệnh cho các cơ cấuchấp hành như họng phun đóng mở công tắt từ hay bô bin đánh tia lửa điện

Trong quá trình thực hiện đề tài này, nhóm cũng đã gặp rất nhiều khó khănnhưng với sự giúp đỡ tận tình từ các thầy, các bạn sinh viên của khoa cơ khí và đặcbiệt là từ thầy ThS.Bùi Văn Hùng với sự kiên trì, ham học hỏi của nhóm, cuối cùng đềtài cũng đã hoàn thành đúng thời hạn

Nhóm sinh viênNguyễn Tấn TrườngNguyễn Văn Điệp

Trang 9

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNGĐƯƠNG ĐỂ NÂNG CAO CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNGTÁI TẠO HYBRID: SINH KHỐI-NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” là kết quả nghiêncứu, thực hiện của nhóm chúng tôi Ngoài một số thông tin, tài liệu được trích dẫn từcác nguồn sách báo và từ sự hướng dẫn nhiệt tình của Giảng viên ThS Bùi Văn Hùng,

đề tài của nhóm tôi không có sự sao chép tài liệu, kết quả nghiên cứu và thực hiện đềtài của các nhóm khác Nếu hội đồng phát hiện bất kỳ sự sao chép, gian dối nào trongkết quả của đề tài, nhóm chúng tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chấp nhận mọiquyết định kỷ luật của hội đồng

Đà Nẵng, ngày 18 tháng 06 năm 2022

Sinh viên thực hiệnNguyễn Văn ĐiệpNguyễn Tấn Trường

Trang 10

MỤC LỤC

TÓM TẮT iii

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI NÓI ĐẦU vi

CAM ĐOAN vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ xi

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xiv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3

1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường và cạn kiệt năng lượng hóa thạch 3

1.2 Các nguồn năng lượng tái tạo 5

1.2.1 Năng lượng sinh học 5

1.2.2 Năng lượng thủy điện 6

1.2.3 Năng lượng địa nhiệt 7

1.2.4 Năng lượng mặt trời 8

1.2.5 Năng lượng gió 9

1.2.6 Năng lượng biển 10

1.3 Sử dụng năng lượng sinh khối kết hợp năng lượng mặt trời 11

1.3.1 Tổng quan về nhiên liệu biogas 12

1.3.1.1 Thành phần của nhiên liệu biogas 12

1.3.1.2 Một số đặc tính khí biogas 13

1.3.1.3 Ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng nhiên liệu Biogas 15

1.3.2 Tổng quan về nhiên liệu hydrogen 16

1.3.2.1 Nhiên liệu hydrogen là gì? 16

1.3.2.2 Sản xuất nhiên liệu hydrogen 17

1.3.2.3 Lưu trữ hydrogen 18

1.3.2.4 Ứng dụng của hydrogen 21

1.3.2.5 Ưu điểm và nhược điểm của hydrogen 22

1.3.3 Ưu điểm của việc sử dụng biogas kết hợp hydrogen 22

Trang 11

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN NHIÊN LIỆU VÀ ĐÁNH LỬA

CHO ĐỘNG CƠ 24

2.1 Động cơ Honda GX 160 24

2.1.1 Giới thiệu động cơ Honda GX 160 24

2.1.2 Thông số kỹ thuật của động cơ Honda GX160 24

2.2 Bộ điều khiển 25

2.2.1 Lựa chọn linh kiện bộ điều khiển 26

2.2.2 Lắp đặt hệ thống điều khiển điện tử cho động cơ 34

2.3 Tín hiệu đầu vào (cảm biến Hall đo tốc độ động cơ) 36

2.4 Cơ cấu chấp hành 37

2.4.1 Đánh lửa 37

2.4.1.1 Đặc điểm hệ thống đánh lửa của động cơ HONDA GX160 [9] 37

2.4.1.2 Phương án cải tạo hệ thống đánh lửa 38

2.4.1.3 Lắp đặt hệ thống đánh lửa 41

2.4.2 Phun nhiên liệu 42

2.4.2.1 Đặc điểm hệ thống nhiên liệu của động cơ HONDA GX160 42

2.4.2.2 Lựa chọn phương án cung cấp nhiên liệu 44

2.4.2.3 Bộ điều áp 48

2.4.2.4 Họng phun nhiên liệu 49

2.4.2.5 Lắp đặt hệ thống phun hỗn hợp khí 50

2.4.3 Lắp đặt hệ thống điều khiển tải 54

2.4.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ 56

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 58

3.1 Quy trình thực nghiệm 58

3.1.1 Địa điểm 58

3.1.2 Nội dung thực nghiệm 58

3.1.3 Các bước tiến hành thực nghiệm 58

3.2 Thực nghiệm điều chỉnh phun nhiên liệu, đo suất tiêu hao nhiên liệu và đặc tính ngoài của động cơ thực nghiệm 59

3.2.1 Dụng cụ thực nghiệm 59

3.2.2 Quy trình thực nghiệm 61

3.2.2.1 Quy trình hòa trộn nhiên liệu và quan hệ giữa lưu lượng không khí và nhiên liệu……….61

3.2.2.2 Kết nối động cơ với máy tính 63

Trang 12

3.2.2.3 Quan hệ giữa lưu lượng không khí và nhiên liệu 65

3.2.2.4 Điều khiển thời gian phun cho động cơ thực nghiệm 67

3.3 Thử nghiệm đo công suất điện sinh ra của động cơ sử dụng biogas và biogas kết hợp hydrogen 69

KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI VÀ KIẾN NGHỊ 71

A Kết luận 71

B Hướng phát triển đề tài 72

C Kiến nghị 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC I

Trang 13

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần khí biogas 12

Bảng 1.2: Một số tính chất của biogas 13

Bảng 1.3: Nhiệt độ tự cháy của các nhiên liệu 14

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của động cơ máy phát điện GX160 24

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560 27

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của màn hình LCD 31

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của module hạ áp 12/5/3,3V và LM2596-B3H13 32

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của Opto PC817 33

Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật của module B1212LS-1WR2 33

Bảng 2.7: Thông số kỹ thuật của động cơ Servo 34

Bảng 3.1: Các loại nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu 65

Bảng 3.2: Công suất điện sinh ra của động cơ sử dụng biogas và biogas kết hợp hydrogen 69

DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm và biến đổi khí hậu 3

Hình 1.2: Nhà máy thủy điện Hòa Bình 6

Hình 1.3: Mô hình hoạt động của nhà máy địa nhiệt 8

Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời 8

Hình 1.5: Cấu tạo cơ bản của 1 tua bin điện gió 9

Hình 1.6: Năng lượng biển 10

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống năng lượng tái tạo Hybrid: Sinh khối-Năng lượng mặt trời.12 Hình 1.8: Khí hydrogen 16

Hình 1.9: Quá trình tạo ra hydrogen 17

Hình 2.1: Động cơ Honda GX160 24

Hình 2.2: Sơ đồ mạch điện của hộp điều khiển 25

Hình 2.3: Arduino Mega 2560 27

Trang 14

Hình 2.4: Cấu tạo của Arduino Mega 2560 28

Hình 2.5: Module công suất HW532B-LR7843 30

Hình 2.6: Màn hình LCD 31

Hình 2.7: Module hạ áp 12V/5V/3,3V 32

Hình 2.8: Module hạ áp DC-DC 3A LM2596 - B3H13 32

Hình 2.9: Opto PC817 32

Hình 2.10: Module cách ly nguồn B1212LS-1WR2 33

Hình 2.11: Động cơ Servo 9G SG90 34

Hình 2.12: Hộp điều khiển thực tế 35

Hình 2.13: Sơ đồ bố trí hệ thống phun hỗn hợp khí trên đường ống nạp điều khiển điện tử 35

Hình 2.14: Cảm biến Hall NJK-5002CNPN 36

Hình 2.15: Hiệu ứng Hall 36

Hình 2.16: Hệ thống đánh lửa động cơ HONDA GX 160 37

Hình 2.17: Hệ thống đánh lửa điện tử 38

Hình 2.18: (a) IC tích hợp bobbin, (b) đầu chụp bugi đánh lửa 39

Hình 2.19: Cấu tạo bugi [9] 40

Hình 2.20: Hệ thống đánh lửa thực tế 41

Hình 2.21: Kiểm tra vị trí ĐCT 42

Hình 2.22: Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa 42

Hình 2.23: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ HONDA GX 160 43

Hình 2.24: Sơ đồ hệ thống tiếp vận nhiên liệu bằng trọng lực 43

Hình 2.25: phun nhiên liệu trên đường nạp động cơ 46

Hình 2.26: phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy động cơ 47

Hình 2.27: Cấu tạo của bộ điều áp 48

Hình 2.28: Cấu tạo của họng phun nhiên liệu 49

Hình 2.29: (a) van điều áp, (b) áp kế, (c) ống dẫnhỗn hợp khí, (d)công tắt từ, (e) lưu lượng kế, (f) các đầu nối 50

Hình 2.30: Sơ đồ bố trí hệ thống phun nhiên liệu 51

Hình 2.31: (a) giá đỡ cảm biến Hall; (b) cần điều khiển bướm ga 51

Hình 2.32: Lắp đặt vòi phun nhiên liệu 52

Hình 2.33: Sơ đồ mạch đo lưu lượng 53

Hình 2.34: Hệ thống đo lưu lượng thực tế 54

Hình 2.35: Sơ đồ mạch điện hộp điều khiển tải 54

Trang 15

Hình 2.36: Thiết bị gây tải 55

Hình 2.37: Hộp điều khiển tải 55

Hình 2.38: Sơ đồ cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ tĩnh tại phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử 56

Hình 3.1: Máy phát điện EP2500CX 59

Hình 3.2: Lưu lượng kế 60

Hình 3.3: Thiết bị gây tải 60

Hình 3.4: Bộ lưu thị U,I,P 60

Hình 3.5: Các bình hoà trộn 61

Hình 3.6: Bố trí thực nghiệm 63

Hình 3.7: Giao diện của phần mềm Arduino trên laptop [13] [14] 64

Hình 3.8: Điều chỉnh các mức tải động cơ 64

Hình 3.9: Sơ đồ tiết diện lưu thông trên đường nạp qua bướm ga 65

Hình 3 10: Biến thiên lưu lượng không khí và lưu lượng nhiên liệu theo góc đóng bướm ga để đảm bảo (ϕ =1 (kk=1,293kg/m3, p=1000Pa, dnap=30mm) 66

Hình 3 11: Biến thiên lượng không khí và lượng nhiên liệu nạp vào xi lanh động cơ trong mỗi chu trình theo góc đóng bướm ga 67

Hình 3.12: So sánh lý thuyết và thực nghiệm thời gian phun nhiên liệu 68

Hình 3.13: Đồ thị so sánh công suất điện sinh ra 70

Trang 16

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

12) T Nhiệt độ tuyệt đối

13) rkk Khối lượng riêng không khí

14) dnap Đường kính ống nạp

15) S(α) Diện tích lưu thông qua bướm ga

16) mkk(α) Lưu lượng không khí qua bướm ga

17) ϕ Hệ số tương đương

Trang 17

MỞ ĐẦU

1 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu về nhiên liệu tái tạo hybrid: sinh khối-năng lượng mặt trời,động cơ sử dụng nhiên liệu tái tạo Các tín hiệu đầu vào, bộ điều khiển,

cơ cấu chấp hành trên động cơ

- Tìm hiểu các phương án nâng cao hiệu quả, công suất động cơ

- Nâng cao các kỹ năng mềm: kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giao tiếp,

kỹ năng tìm kiếm thông tin, tài liệu…

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Chế tạo hệ thống hòa trộn nhiên liệu, lắp đạt các van chống cháy ngược

để đảm bảo an toàn

- Nâng cao hiệu quả hoạt động và công suất hoạt động của sản phẩm Tạo

ra sản phẩm có tính kinh tế, khả năng vận hành và giảm phát thải ổnhiễm môi trường

- Góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng thay thế cho động cơ và cảithiện môi trường

- Làm cơ sở nghiên cứu trong học tập và ứng dụng sản xuất

- Báo cáo tổng kết đúng với quy định của nhà trường

3 Phạm vi, đối tượng và giới hạn nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

- Đề tài nghiên cứu này nhóm tập trung nghiên cứu mô hình má phát điệnkéo bởi động cơ đốt sử dụng nhiên liệu tái tạo hybrid: sinh khối-năng

Trang 18

lượng mặt trời điều khiển bằng điện tử được cải tạo từ máy phát điệnchạy xăng sử dụng bộ chế hòa khí Chúng tôi chỉ dừng lại ở việc chế tạo

bộ hòa trộn và điều chỉnh hệ số tương đương để nâng cao công suất độngcơ

Giới hạn nghiên cứu

- Đề tài tập trung giải quyết về hệ thống phun nhiên liệu tái tạo hybrid:sinh khối-năng lượng mặt trời trên động cơ tĩnh tại loại nhỏ Tính toánlượng nhiên liệu tái tạo hybrid; sinh khối-năng lượng mặt trời để hòatrộn và cung cấp thích hợp cho các chế độ hoạt động của động cơ Đề tàichỉ thực hiện đánh giá động cơ qua các chỉ tiêu về công suất và tiêu haochứ không nghiên cứu quá trình cháy trong xylanh

- Đề tài được nghiên cứu dựa trên nguyên tắc kế thừa và phát triển tiếpnhững kết quả đã có được Nhóm thực hiện đề tài sẽ không tính toán,thiết kế lại kết cấu hệ thống nạp của động cơ này mà chỉ mô tả, thiết kế

và lắp đặt thêm một số bộ phận để hỗ trợ cho quá trình hoạt động của hệthống điều khiển phun nhiên liệu tái tạo hybrid: sinh khối-năng lượngmặt trời trên động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nhóm đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thựcnghiệm Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển phun nhiên liệu tái tạohybrid: sinh khối-năng lượng mặt trời và đánh lửa bằng điện tử Nghiêncứu thực nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại Học ĐàNẵng với các thiết bị hiện đại

5 Cấu trúc bài báo cáo: gồm có

- Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

- Chương 2: Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu và hệ thống đánh lửacho động cơ

- Chương 3: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Trang 20

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường và cạn kiệt năng lượng hóa thạch

Sử dụng than đá và các nguồn năng lượng hóa thạch chính là thủ phạm chínhgây nên các vấn đề biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu Vậy chúng có ảnh hưởnglớn như thế nào tới môi trường?

Việc sử dụng than đá và các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt

sẽ tạo ra một lượng lớn khí nhà kính, mang lại nhiều hệ quả xấu cho môi trường Cụthế như, quá trinh đốt nhiên liệu hóa thạch sẽ tạo ra một lượng lớn khí CO2 và các chấtgây ô nhiễm như NO2, SO2, bụi mịn, các kim loại nặng, [1]

Hình 1.1: Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm và biến đổi khí hậu

Vào mỗi năm, có đến khoảng 21,3 tỉ tấn CO2 được tạo ra từ việc đốt nhiên liệuhóa thạch, trong đó có đến 10,65 tỉ tấn (chiếm 50%) khí thải sẽ thải ra không khí gây

ra tình trạng nóng lên toàn cầu, ảnh hưởng rất lớn đến khí hậu và môi trường xungquanh Các chất như NO2 và SO2 là nguyên nhân chính gây nên mưa axit gây nên pháhoại mùa màng và các công trình đang xây dựng Trong tất cả các nguồn nguyên liệuhóa thạch thì than đá là nguồn thải ra lượng CO2 lớn nhất, nó lớn gấp đôi so với khí tựnhiên và nhiều hơn lên đến 30% so với xăng Trong quá trình sử dụng, việc khai thác

và xử lý, phân phối than đá sẽ ảnh hưởng tiêu cực rất lớn đến hệ sinh thái tự nhiên và

Trang 21

môi trường xung quanh Qúa trình khai thác than đá, dù bằng nhiều phương pháp khácnhau như lộ thiên hay phương pháp hầm lò đều tác động xấu đến tài nguyên đất vànước.

Đặc điểm của 2 cách khai thác này:

- Khai thác lộ thiên: Hủy hoại toàn bộ thảm thực vật, lớp đất mặt gây xóimòn đất, mất nơi cư ngụ của nhiều nguồn sinh vật có ích

- Khai thác than hầm lò: Khai thác bằng phương pháp này sẽ gây nên hiệntượng lún đất, ô nhiễm nguồn nước,

Khai thác dầu khí sẽ tạo ra các vấn đề ô nhiễm như ô nhiễm không khí, nước,dầu long, sự cố tràn dầu, gây lún đất,…

Ngoài tác động đến môi trường, khai thác nguồn năng lượng hóa thạch cũngảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người Ô nhiễm không khí do than chính làthủ phạm chính gây nên các bệnh về tim mạch và đường hô hấp Người thường xuyêntiếp xúc với bụi than sẽ bị mắc bệnh phổi đen hay còn gọi là bệnh bụi phổi, đây là mộtchứng bệnh đến nay vẫn chưa có cách điều trị triệt để

Trong quá trình phát triển kinh tế- xã hội toàn cầu, năng lượng hóa thạch đangchiếm phần lớn trong tổng cung năng lượng trên toàn thế giới Trong đó, than đá lànguồn năng lượng chính, nguồn năng lượng này được sử dụng chính cho các nhà máynhiệt điện, các nhà máy hơi nước, các nhà máy luyện kim,

Hầu hết các ngành công nghiệp đầu được sử dụng nguồn nguyên liệu chính lànăng lượng than đá nên chúng đang ngày càng bị cạn kiệt do đây là nguồn năng lượngkhông tái tạo, tốc độ hình thành phải mất đến hàng triệu năm Sự cạn kiệt của nguyênliệu hóa thạch cùng với nhận thức ngày càng tăng về tác động của việc tiêu thụ nhiênliệu hóa thạch đối với môi trường toàn cầu đã thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu tậptrung vào các nguồn năng lượng thay thế (hay năng lượng tái tạo) Bên cạnh đó, nhucầu về sử dụng năng lượng và các dịch vụ liên quan của nó để đáp ứng sự phát triểnkinh tế và xã hội của con người, phúc lợi và sức khỏe cũng đang ngày một gia tăng

Do đó, sử dụng năng lượng tái tạo chính là cách tiếp cận tuyệt vời để giảm thiểu biếnđổi khí hậu và đáp ứng nhu cầu năng lượng bền vững cho hiện tại và thế hệ tương lai

Trang 22

1.2 Các nguồn năng lượng tái tạo

Trước tiên, hiểu năng lượng tái tạo là gì? Năng lượng tái tạo bao gồm nhữngnguồn năng lượng nào? Và cách chúng được sử dụng như thế nào? Nguồn năng lượngtái tạo là nguồn năng lượng tạo ra từ các nguồn năng lượng thiên nhiên do đó nó lànăng lượng sạch, không gây ảnh hưởng đến môi trường và không bị cạn kiệt trên tráiđất Được biết, nghiên cứu về các nguồn năng lượng tái tạo có từ cuối những năm 90khi thế giới bắt đầu nhận được cú sốc từ việc giá dầu tăng cao Có thể thấy rõ trong tàiliệu rằng các nguồn năng lượng tái tạo thay thế các nguồn năng lượng dựa trên nhiênliệu hóa thạch bao gồm: năng lượng sinh học, thủy điện, năng lượng địa nhiệt, nănglượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng đại dương (thủy triều và sóng) [2]

1.2.1 Năng lượng sinh học

Năng lượng sinh học bao gồm năng lượng từ sinh khối, khí sinh học và chấtthải rắn

a Sinh khối: Nguồn sinh khối rắn cơ bản ở Việt Nam gồm củi; phụ phẩm từ sản xuất

đồ gỗ và chất thải từ nông nghiệp

- Củi: đây là nguồn năng lượng từ gỗ, như thân cây, cành cây, bụi cây, v.v.Củi được lấy từ rừng tự nhiên (phá rừng, cháy rừng, ), rừng sản xuất,trồng rừng, đất trống và cắt tỉa cây công nghiệp lưu niên (chè, cà phê, cao

su, điều ), cây ăn quả (cam, nhãn ) và các cây mọc rải rác Việc ước tínhkhối lượng củi dựa trên diện tích trồng một loại cây nào đó, khối lượng trênđơn vị diện tích, mức độ tăng trưởng và chỉ số phụ phẩm của loại này (giảmtheo khối lượng có thể sử dụng cho các mục đích không sản xuất nănglượng khác)

- Phế liệu từ sản xuất đồ gỗ: Phế liệu từ sản xuất đồ gỗ (nhà máy cưa, nhàmáy sản xuất nội thất) bao gồm mảnh bào gỗ, đầu mắt gỗ, vỏ cây, mạt cưa.Lượng phế liệu gỗ được tính dựa trên lượng gỗ sản xuất trong nước và gỗ đã

xẻ bao gồm cả lượng nhập khẩu hàng năm

- Bã nông nghiệp: Bã nông nghiệp hàng năm được chia thành 2 loại chính:các phế thải sau thu hoạch như rơm rạ, lá và ngọn mía, lá và thân và lõi ngô,

Trang 23

cây sắn, vỏ và xơ dừa , và chất thải từ chế biến thực phẩm như trấu, bãmía, vỏ lạc, vỏ cà phê, vỏ đậu

b Khí sinh học: Khí sinh học có thể thu được từ hai nguồn: chất thải chăn nuôi(phân), và nước thải từ chế biến thực phẩm

c Chất thải rắn: Chất thải rắn ở Việt Nam chủ yếu thuộc 4 nhóm: sinh hoạt, xâydựng; nông thôn, nông nghiệp và làng nghề; công nghiệp; và chất thải từ các cơ sởchăm sóc sức khỏe Ngoài ra, chất thải có thể được chia thành hai loại, chất thảinguy hại và chất thải bình thường Mỗi nhóm/loại có các đặc tính riêng về thànhphần và giá trị khối lượng

1.2.2 Năng lượng thủy điện

Năng lượng thủy điện, còn được gọi thủy điện hoặc thủy năng, là một dạngnăng lượng khai thác sức mạnh của nước trong chuyển động, chẳng hạn như nướcchảy qua thác, để tạo ra điện

Hình 1.2: Nhà máy thủy điện Hòa Bình

a Ưu điểm:

- Nguồn tài nguyên này đến từ nước mưa và tốt hơn hết là nước được sử dụngtrong quá trình này có thể được tái sử dụng

- Nhiên liệu không bị đốt cháy nên có thể giúp giảm ô nhiễm môi trường

- Các công trình thủy điện có thời gian sử dụng lâu dài

- Là nguồn năng lượng có tính bền vững khi giúp giảm phát thải khí nhà kính

Trang 24

- Hạn chế được giá thành nhiên liệu cũng như chi phí thuê nhân công

- Tính linh động cao: Nguồn thủy điện có thể đáp ứng nhu cầu thời gian caođiểm bằng cách sử dụng linh hoạt nước trong các hồ chứa

- Các hồ chứa đặc biệt hữu ích để kiểm soát dòng chảy của các con sông

để ngăn chặn lũ lụt nguy hiểm

- Chi phí vận hành thấp so với chi phí lắp đặt

- Các nhà máy linh hoạt này là nguồn bổ sung và dự phòng cần thiết cho cáccông nghệ phát điện tái tạo gián đoạn khác như năng lượng mặt trời quangđiện và năng lượng gió

- Với khu vực các nhà máy thủy điện, có rất nhiều cơ hội để phát triển cáchoạt động giải trí ngoài trời: chèo thuyền, câu cá, trượt nước, bơi, câu cá,chèo thuyền, trượt nước,…hay các hoạt động văn hóa và giáo dục, leo đồi,cắm trại,…

- Là một trong những nguồn năng lượng hiệu quả nhất trên thế giới Xem xétrằng điện mặt trời chỉ đạt hiệu suất tối đa 30-36%, điện gió chỉ hiệu quả 25-45% và điện than chỉ đạt hiệu suất 33-40% Tất cả các phương pháp này đềunhạt nhòa so với năng lượng thủy điện, có hiệu quả chuyển đổi nước thànhđiện lên đến 90%

b Nhược điểm

- Chi phí đầu tư cao

- Phụ thuộc thủy văn (lượng mưa)

- Gây ngập lụt đất và môi trường sống của động vật hoang dã, mất hoặc thayđổi môi trường sống của cá

- Gây ra những quan ngại về độ an toàn của đập thủy điện

- Người dân sống dọc theo các khu vực trũng thấp thường gặp nguy cơ lũlụt vì các khu vực này có thể bị cuốn trôi khi nước được xả hết sức từ đập

- Làm thay đổi chất lượng nước hồ chứa và suối

- Làm thay đổi cảnh quan thiên nhiên

Trang 25

Năng lượng địa nhiệt là dạng năng lượng tồn tại trong lòng đất ở dưới dạngnhiệt năng Năng lượng địa nhiệt, dạng nhiệt năng tự nhiên ở sâu trong lòng trái đất,phát sinh từ nguồn nhiệt sơ khai trong lòng trái đất, từ nhiệt ma sát do các phiến lụcđịa trượt lên nhau, và từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại tự nhiên với 1lượng nhỏ trong đá Năng lượng địa nhiệt được tạo ra do các quá trình phản ứng phóng

xạ hạt nhân của các nguyên tố phóng xạ nặng có trong lòng Qủa Đất như thori (Th),protactini (Pa), urani (U),… Đây là nguồn nhiệt chính Nhiệt năng cũng có thể tích tụdần thông qua sự hấp thụ năng lượng mặt trời của lớp vỏ trái đất Năng lượng địa nhiệtcòn được tạo ra do ma sát khi hai mảnh vỏ Qủa Đất dịch chuyển mà một mảnh chuyểnđộng trượt trên mảnh kia

Hình 1.3: Mô hình hoạt động của nhà máy địa nhiệt

1.2.4 Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là năng lượng bức xạ và nhiệt được tạo ra bởi mặt trời.Đây là nguồn năng lượng đầu tiên được con người sử dụng trước khi học bí quyết tạo

ra lửa Năng lượng mặt trời tạo nên nguồn năng lượng tái tạo trên địa cầu Con ngườicũng như tất cả các sinh vật trên trái đất sẽ chẳng thể tồn tại trong trường hợp không

có mặt trời và nguồn năng lượng mặt trời

Trang 26

Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt

trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo sạch, to lớn, vô tận, có ở khắpnơi mà chúng ta có thể khai thác Nó mang đến cho con người nhiều giá trị vì thếnhiều năm gần đây các nước trên thế giới đang cùng nhau khai thác và đưa nguồn nănglượng sạch này vào sử dụng Quá trình khai thác không gây ảnh hưởng tiêu cực nàođến môi trường mà ngược lại còn mang lại rất nhiều lợi ích khác.

1.2.5 Năng lượng gió

Gió là sự chuyển động của không khí từ khu vực có áp suất cao đến khu vực có

áp suất thấp Trên thực tế, gió tồn tại là do mặt trời làm nóng bề mặt Trái đất một cáchkhông đều Khi không khí nóng tăng lên, không khí mát hơn di chuyển vào để lấp đầykhoảng trống Chỉ cần có nắng thì gió sẽ thổi Và gió từ lâu đã đóng vai trò là nguồncung cấp năng lượng cho con người.

Con người đã khai thác năng lượng gió trong hàng nghìn năm, từ những chiếcthuyền buồm đầu tiên cho đến hệ thống thông gió có từ năm 300 trước Công nguyên.Đây là một nguồn năng lượng tái tạo và không phát thải, rất thích hợp cho việc sảnxuất năng lượng quy mô lớn Trên con đường hướng tới một tương lai không cócarbon, năng lượng gió sẽ ngày càng đóng một vai trò quan trọng

Dựa trên nguyên tắc hoạt động của cối xay gió, người ta nghiên cứu máy phátđiện gió để sản xuất điện năng Trên cơ sở áp dụng những thành tựu mới của khoa học

Trang 27

công nghệ, các cánh gió của cối xay gió cũng như các thiệt bị xây dựng được chế tạođặc biệt hơn thành tua bin gió.

Hình 1.5: Cấu tạo cơ bản của 1 tua bin điện gió

1.2.6 Năng lượng biển

Năng lượng biển (đôi lúc cũng được gọi là năng lượng đại dương hoặc nănglượng thủy động học và biển) là loại năng lượng được tạo ra bởi sóng biển, thủytriều, độ mặn, và sự chênh lệch về nhiệt độ đại dương Chuyển động của nước trongđại dương tạo ra một khối lượng dự trữ động năng khổng lồ, hay còn gọi là năng lượngchuyển động Loại năng lượng này có thể được khai thác để sản xuất điện để cung cấpđiện cho gia đình, vận tải và các nền công nghiệp

Trang 28

Hình 1.6: Năng lượng biểnTạo năng lượng trực tiếp từ sóng biển và thủy triều: Sóng và thủy triều được sửdụng để quay các turbin phát điện Nguồn điện sản xuất ra có thể dùng trực tiếp chocác thiết bị đang vận hành trên biển như hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêudẫn đường v.v…

Tạo năng lượng điện từ sóng biển bằng cột nước dao động (OWC): Nănglượng mặt trời tạo ra gió, gió thổi khắp đại dương biến năng lượng gió vào năng lượngsóng Sóng di chuyển hàng nghìn hải lý trên đại dương sẽ bị tổn thất một ít nănglượng Để biến năng lượng sóng biển vào điện năng người ta sử dụng một hệ thống gọi

là cột nước dao động OWC Hiện nay đây là công nghệ được coi là công nghệ tốt nhất

để biến sóng biển vào điện năng

1.3 Sử dụng năng lượng sinh khối kết hợp năng lượng mặt trời

Trong các nguồn năng lượng tái tạo sử dụng kết hợp với năng lượng mặt trời thìsinh khối rất đáng chú ý Sinh khối hiện là nguồn năng lượng lớn thứ tư trên toàn thếgiới Một số tác giả đã nghiên cứu kết hợp sử dụng sinh khối trong các hệ thống quy

mô nhỏ với các nguồn năng lượng tái tạo khác So sánh chi phí năng lượng của giảipháp sản xuất điện năng hybrid năng lượng mặt trời và sinh khối và kết luận rằng giải

Trang 29

pháp này cho giá thành thấp hơn khi sử dụng riêng rẽ sinh khối hay năng lượng mặttrời với pin lưu trữ Vì thế, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng các hệ thống laitạo sử dụng năng lượng mặt trời và sinh khối ở các vùng nông thôn để sản xuất điện.

Hệ thống điện hỗn hợp năng lượng mặt trời-biogas có thể cung cấp năng lượng

an toàn và hiệu quả cho các khu vực được kết nối lưới và không nối lưới điện Hệthống năng lượng kết hợp khí sinh học-năng lượng mặt trời bao gồm các tấm pinquang điện, bộ chuyển đổi điện, và máy phát điện chạy bằng nhiên liệu khí sinh học

Hệ thống sử dụng các thiết bị chuyển đổi điện để điều hòa công suất Hệ thống có thểhoạt động ổn định và hiệu quả khi được đấu lưới hay không đấu lưới Nhiều nghiêncứu đã được thực hiện để đánh giá hiệu quả kinh tế-kỹ thuật của hệ thống năng lượngtái tạo kết hợp điện mặt trời-biogas đã tiến hành nghiên cứu các tiêu chí khác nhau vềcác vấn đề kinh tế, môi trường và kỹ thuật của hệ thống năng lượng kết hợp Kết luậnrút ra từ nghiên cứu cho thấy hệ thống năng lượng tái tạo kết hợp tiết kiệm chi phí tốthơn so với năng lượng tái tạo đơn lẻ để phát điện Các nhà nghiên cứu đã thực hiệnthiết kế và tối ưu hóa hệ thống PV/sinh khối/diesel kết hợp cho các cấu hình tải trọngkhác nhau Kết quả của nghiên cứu chỉ ra rằng một hệ thống được kết nối với lưới điệnkhả thi hơn về mặt kinh tế so với hệ thống không nối lưới trong cùng một cấu hình phụtải đã tiến hành các nghiên cứu về khả năng kinh tế - kỹ thuật của các hệ thống kếthợp nối lưới và không nối lưới Các tác giả đi đến kết luận rằng kết nối lưới có hiệuquả kinh tế cao hơn so với hệ thống ngoài lưới Tuy nhiên, đối với các khu vực xa xôi

và dân cư thưa thớt, giải pháp không nối lưới có thể tiết kiệm chi phí hơn so với giảipháp nối lưới Tác giả đã phân tích hiệu quả kinh tế kỹ thuật của hệ thống điện hybridđiện mặt trời-biogas ngoài lưới và nhận thấy rằng hệ thống này đáng tin cậy và hiệuquả về chi phí vì nó có thể cung cấp điện ở mức giá năng lượng thấp nhất Hệ thốngphát điện năng lượng kết hợp điện mặt trời-biogas khả thi hơn về mặt kỹ thuật trongcung cấp nguồn năng lượng ổn định cho cộng đồng dân cư ở vùng sâu vùng xa Trongtrường hợp đó, hệ thống này cũng có lợi hơn về mặt kinh tế so với các giải pháp khác

Trang 30

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống năng lượng tái tạo Hybrid: Sinh khối-Năng lượng mặt

trời

1.3.1 Tổng quan về nhiên liệu biogas

1.3.1.1 Thành phần của nhiên liệu biogas

Khí biogas còn gọi là khí sinh học Thành phần chính của khí sinh học biogas làhỗn hợp khí Methane (CH4-50.60%), CO2 (>30%) và một số chất khác được phát sinh

từ sự phân hủy hợp chất hữu cơ như hơi nước, N2, O2, H2S, CO [3]

Ngoài hai thành phần chính là CH4 và CO2 còn có các tạp chất cơ bản dạng khí

có trong biogas được liệt kê dưới đây:

Bảng 1.1: Thành phần khí biogas

Methane, CH4 50-75Carbon dioxide, CO2 25-50

H2O 0-1

Trang 31

Hydrogen sulphide, H2S 0-3

Cơ chế hình thành khí Metan: 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ phân hủy thành các axit hữu cơ, CO2, H2 và cácsản phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase:

CxHyOz → các axit hữu cơ, CO2, H2

Giai đoạn 2: Các axit hữu cơ, CO2, H2 tiếp tục bị tác động bởi các vi khuẩnmetan:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

CO + 3H2 → CH4 + H2O4CO + 2H2 → CH4 + 3CO2

4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 3H2O4CH3OH → 3CH4 + 2H2O + CO2

Trang 32

Điểm sôi (1at) 144 0C 60,8 0C

Điểm đông (1at) -164,8 0C -38,83 0C

Khối lượng riêng 0,66 kg/m3 1,82 kg/m3

Nhiệt độ nguy hiểm 64,44 0C 48,89 0C

Áp suất nguy hiểm 45,8 at 72,97at

Nhiệt dung Cp (1at) 6,962.10-4 J/ kg-0C 2,643.10-4 J/ kg-0C

b Giới hạn cháy:

Giới hạn cháy của biogas là giới hạn dưới và giới hạn trên hàm lượng biogas (%thể tích biogas) trong hỗn hợp biogas/không khí mà hỗn hợp có thể cháy Giới hạncháy của biogas phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng CH4 trong khí biogas.

Nhiệt độ cháy là một thông số quan trọng trong việc thiết kế kết cấu buồngcháy, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống thải,…của thiết bị- động cơ nhiệt

c Nhiệt độ tự cháy và chỉ số octan

Nhiệt độ tự cháy là nhiệt độ mà ở đó vật chất tự cháy mà không cần sự hiệndiện của tia lửa hay ngọn lửa mồi CH4 là nhiên liệu khí có nhiệt độ tự cháy rất cao,nên biogas có nhiệt độ tự cháy cao khoảng 482-632 °C Với nhiệt độ tự cháy cao nhưvậy CH4 được đánh giá là nhiên liệu có khả năng cháy chống kích nổ cao với chỉ sốoctane 120

Trang 33

Bảng 1.3: Nhiệt độ tự cháy của các nhiên liệu

Nhiên liệu Nhiệt độ tự cháy Chỉ số octane Chỉ số cetane

e Ảnh hưởng của tạp chất đối với sự hoạt động của động cơ

Hai tạp chất quan trọng trong khí biogas là H2S và CO2 H2S sau khi cháy sẽ tạo

ra SO2, sau đó nó có thể chuyển một phần thành SO3 Phần lớn lượng khí này thoát rangoài cùng khí cháy, nhưng có thể một phần kết hợp với hơi nước (nếu có) để tạo raaxit H2SO4 gây ăn mòn các bề mặt chi tiết của động cơ và làm ô nhiễm môi trườngkhông khí Sự hiện diện của khí CO2 trong biogas làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu,mặc dù không phải là chất chiếm nhiều trong biogas như carbon dioxide, nhưng hơinước có thể có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp

và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của biogas Ngoài ra nó làm tăng nguy cơ ăn mòn thiết

bị, do đó cần thiết phải giảm lượng hơi nước có trong biogas Ngoài ra trong biogascòn có một số tạp chất khác nhưng hàm lượng của chúng bé, gây ảnh hưởng khôngđáng kể đến quá trình cháy, tuổi thọ của động cơ

Trang 34

Vì vậy để có thể sử dụng khí biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong,chúng ta cần khử hai chất H2S và CO2

1.3.1.3 Ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng nhiên liệu Biogas

a Ưu điểm:

- Chủ động được về nguồn nhiên liệu, trữ lượng của nhiên liệu này lớn

- Không phụ thuộc vào nguồn cung cấp và giá cả thị trường nhiên liệu dầumỏ

- Giảm đáng kể lượng ô nhiễm của khí thải động cơ, giảm hiện tượng hiệuứng nhà kính, cải thiện môi trường

- Cung cấp một loại nhiên liệu mới sử dụng cho động cơ đốt trong.

- Không tốn chi phí vận chuyển và thuế nhập khẩu, khuyến khích đầu tư pháttriển trong nước.

- Công nghệ chế biến biogas đơn giản, chi phí đầu tư cho thiết bị thấp, có thểsản xuất ở nhiều nơi

- Khí Biogas khi bị xì ra ngoài thì có mùi hôi khó chịu

1.3.2 Tổng quan về nhiên liệu hydrogen

1.3.2.1 Nhiên liệu hydrogen là gì?

Nhiên liệu hydrogen là nhiên liệu không phát thải khi đốt bằng oxy, nếu coinước không phải là khí thải Nó thường sử dụng các tế bào điện hóa, hoặc đốt trongđộng cơ nội bộ, để tạo nguồn điện cho xe điện và các thiết bị điện Nó cũng được sửdụng trong việc phóng tàu vũ trụ Và có thể được sản xuất hàng loạt Và được thươngmại hóa cho các phương tiện vận chuyển hành khách và máy bay [4]

Trang 35

Hình 1.8: Khí hydrogen

Hydrogen nằm trong nhóm đầu tiên và giai đoạn đầu tiên trong bảng tuần hoàn.Tức là nó là thành phần đầu tiên của bảng tuần hoàn Nó là nguyên tố nhẹ nhất Vì khíhydro rất nhẹ Nó bay lên trong không khí (như chúng ta vẫn hay bơm khí hydro

và khí heli vào bóng bay) Và do đó hiếm khi tìm được nó ở dạng tinh khiết, H2

Trong một ngọn lửa khí hydrogen tinh khiết, cháy trong không khí, hydrogen(H2) phản ứng với oxy (O2) để tạo ra nước (H2O) và giải phóng năng lượng

2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (g) + năng lượng

Hình 1.9: Quá trình tạo ra hydrogen

Nếu được thực hiện trong môi trường không khí thay vì oxy tinh khiết, sự đốtcháy hydro có thể tạo ra một lượng nhỏ các oxit nitơ, cùng với hơi nước

Năng lượng được giải phóng cho phép hydrogen hoạt động như một nhiên liệu.Trong một tế bào điện hóa, năng lượng đó có thể được sử dụng với hiệu quả tương đối

Trang 36

cao Nếu nó chỉ đơn giản được sử dụng cho nhiệt, giới hạn nhiệt động lực học bìnhthường giới hạn hiệu quả nhiệt được áp dụng

1.3.2.2 Sản xuất nhiên liệu hydrogen

Mặc dù hydrogen có rất nhiều trên trái đất như là một phần tử hydrogen luônluôn được tìm thấy như là một phần của hợp chất khác Chẳng hạn như nước (H2O),

và phải được tách ra khỏi các hợp chất có chứa nó trước khi nó có thể được sử dụngtrong xe cộ Một khi tách ra, hydrogen có thể được sử dụng cùng với oxy từ không khítrong một tế bào nhiên liệu để tạo ra điện thông qua một quá trình điện hóa

Hydrogen có thể được sản xuất từ các nguồn tài nguyên đa dạng, bao gồmnhiên liệu hóa thạch, sinh khối và điện phân nước Tác động môi trường và hiệu suấtnăng lượng của hydrogen phụ thuộc vào cách thức sản xuất ra nó

Các phương pháp sản xuất nhiên liệu hydrogen:

- Từ khí thiên nhiên: Khí tổng hợp, hỗn hợp của hydrogen, carbon monoxide,

và một lượng nhỏ carbon dioxide Được tạo ra bằng cách phản ứng khí tựnhiên với hơi nước nhiệt độ cao Carbon monoxide phản ứng với nước đểtạo ra thêm hydrogen Phương pháp này là rẻ nhất, hiệu quả nhất Và phổbiến nhất Cải cách khí tự nhiên bằng hơi nước chiếm phần lớn lượng khíhydrogen được sản xuất hàng năm

- Một loại khí tổng hợp cũng có thể được tạo ra bằng cách phản ứng thanhoặc sinh khối với hơi nước và oxy trong nhiệt độ cao trong máy nén khí ápsuất, được chuyển thành các thành phần khí Một quá trình gọi là khí hóa.Khí tổng hợp kết quả chứa hydrogen và carbon monoxide. Phản ứng với hơinước để phân tách hydrogen

- Điện phân: Dòng điện phân tách nước thành hydrogen và oxy Nếu điệnđược sản xuất bởi các nguồn năng lượng tái tạo Chẳng hạn như năng lượngmặt trời hoặc gió Hydrogen thu được sẽ được coi là tái tạo, và có nhiều lợiích phát thải

- Thay đổi chất lỏng tái tạo: Các nhiên liệu lỏng tái tạo, như ethanol, đượcphản ứng với hơi nước nhiệt độ cao để tạo ra hydrogen gần điểm sử dụngcuối cùng

Trang 37

- Quá trình lên men: Sinh khối được chuyển đổi thành các nguyên liệu giàuđường có thể lên men để tạo ra hydrogen.

Một số phương pháp sản xuất nhiên liệu hydrogen đang được phát triển:

- Nhiệt phân nước: Nhiệt độ cao do các bộ khuếch đại mặt trời hoặc lò phảnứng hạt nhân tạo ra phản ứng hóa học phân chia nước để tạo ra hydrogen

- Phân tách nước bằng photobiological: Các vi sinh vật, như tảo xanh, tiêu thụnước khi có ánh sáng mặt trời Tạo ra hydrogen như một sản phẩm phụ

- Phân tách nước: Các hệ thống quang điện hóa tạo ra hydro từ nước bằngchất bán dẫn đặc biệt và năng lượng từ ánh sáng mặt trời

Hiện nay, hydro được phân phối thông qua ba phương pháp:

- Đường ống dẫn: Đây là cách rẻ nhất để cung cấp khối lượng lớn hydrogen

a Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén

Hydrogen có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao Các loại bìnhchứa khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào.Phần lớn các bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn Trong khi đó, yêu cầu chocác ứng dụng di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ Đối vớicác ứng dụng này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càngnhiều hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn Các bình áp suất chứa khí nénthường làm bằng thép nên rất nặng Các bình áp suất hiện đại được làm từ những vậtliệu composite và nhẹ hơn nhiều

b Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng

Trang 38

Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm 2350C.Nén, làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất nănglượng hao hụt đến khoảng 30% khi dùng phương pháp này Tuy nhiên, ưu điểm củaviệc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là tốn ít không gian nhất, do hydrogen có tỉ trọngnăng lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợpvới các ứng dụng di động như các phương tiện giao thông Hiện tại người ta đã sảnxuất được những robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re-fuelling) Với các dạng lưu trữtĩnh, cách thức này chỉ được dùng khi hydrogen thực sự cần thiết phải ở dạng lỏng, ví

dụ như trong các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển hydrogen đường dài (bằngtàu biển chẳng hạn) Ngoài ra, với tất cả các ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưutrữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng

c Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học

Hydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học Và khicần thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó hydrogen được thuthập và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu Các phản ứng hóa học thay đổi tủy theohợp chất dùng để lưu trữ hydrogen Ví dụ như: với NH3BH3, hydrogen được giảiphóng nhờ nhiệt ở 100-3000C; hay hydrogen có thể được giải phóng qua quá trình thủyphân (tác dụng với nước) của các hydride như LiH, LiBH4, NaBH4 Với phương phápnày, ta có thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu

d Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride)

Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp phụhydrogen Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy,chúng “hút bám” hydrogen, tạo nên các hyđrua kim loại Khi một hyđrua kim loạiđược “lấp kín” dần với các nguyên tử khí hydrogen, nó sẽ tỏa nhiệt, do đó, khi muốngiải phóng hydrogen, ta sẽ phải cung cấp nhiệt cho nó Công thức tổng quát của quátrình hấp phụ và nhả hấp hyđrua kim loại: M + xH2 <=> MH2x

Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí hydrogen hấpphụ vào kim loại Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chỉ chiếm khoảng 1% - 2% tổngtrọng lượng bình chứa (kim loại) Vì thế mà các bình chứa dạng này khá nặng và vìvậy chúng không thể sử dụng trong các ứng dụng di động Ưu điểm của phương phápnày là hầu hết các hyđrua kim loại có thể hoạt động ở áp suất bình thường, do đó xét

Trang 39

về mặt sử dụng và an toàn, đây là những điểm thuận lợi của việc lưu trữ hydrogen nhờcác hyđrua kim loại Muốn giải phóng khí hydrogen cần cung cấp nhiệt, vì thế, trườnghợp các thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn thì hydrogen vẫn giữ kết nối trong kim loại màkhông bị hao hụt Lưu trữ hydrogen bằng các hyđrua kim loại hiện nay đang được ứngdụng nhiều trong các tàu ngầm.

e Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng:

Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hyđrua kim loại trong cơ chế lưugiữ và giải phóng hydrogen Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cáchmạng trong công nghệ lưu trữ hydrogen trong tương lai Cách đây vài năm, các nhàkhoa học đã khám phá được đặc tính hữu ích của carbon nano là có thể chứa đượcnhững lượng lớn hydrogen trong các vi cấu trúc than chì dạng ống Hydrogen có thểchui vào trong ống, cũng như vào khoảng trống giữa các ống Lượng hydrogen hấp thụphụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, nên về nguyên tắc, người ta có thể thay đổi áp suấthoặc nhiệt độ, rồi bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đẩy hydrogen ra để sử dụng Vấn

đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống nano carbon chứa được nhiều hydrogen Ngoài

ra, ta cũng cần vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụithan khác

Ưu điểm mang tính đột phá của công nghệ nano này chính là lượng lớnhydrogen mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thìống carbon nano cũng nhẹ hơn Ống carbon nano có thể chứa được lượng hydrogenchiếm từ 4% - 65% trọng lượng của chúng Hiện nay, công nghệ này đang được quantâm nghiên cứu rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ hydrogen đầytiềm năng, nhất là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tínhxách tay, máy ảnh, điện thoại di động v.v Ngoài ra, còn một phương pháp lưu trữhydrogen khác tuy ít phổ biến nhưng cũng khá thú vị, đó là chứa hydrogen trong các vicầu bằng kính

f Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere)

Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưutrữ hydrogen an toàn Những vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năngthấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với

áp suất cao Các khối cầu này sau đó được làm nguội, "khóa lại" hydrogen bên trong

Trang 40

khối thủy tinh Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và

sử dụng Phương pháp vi cầu này rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen

ở áp suất thấp, vì thế gia tăng giới hạn an toàn

1.3.2.4 Ứng dụng của hydrogen

Chúng ta đã khá quen thuộc với hình ảnh hydrogen như là nguyên liệu chonhiều ngành công nghiệp hóa học: chế tạo ammoniac, methanol, lọc dầu, phân bón,luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn v.v Thế nhưng, không chỉ có vậy, hydrogen còn làmột nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường vàkinh tế Hydrogen là nguồn năng lượng sạch, gần như không phát thải khí ô nhiễm màchỉ sinh ra hơi nước Từ nước qua quá trình điện phân ta lại có thể thu được hydrogen

Vì vậy, hydrogen là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được Hơnnữa, xét về mặt trọng lượng, hydrogen có tỉ trọng năng lượng cực kỳ cao Trên thực tế,nhờ hai đặc tính nhẹ và tỉ trọng năng lượng cao này, hydrogen đã được dùng làm nhiênliệu cho tên lửa từ những buổi ban đầu của công nghệ du hành không gian

Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơđốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổbiến hiện nay Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượngcho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng v.v

Mặt khác, hydrogen còn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấpcho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng Bên cạnhnhững ưu điểm của hydrogen như đã nêu trên (sạch, tái sinh ), pin nhiên liệu cònchạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong Do dựa trên

cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ởđộng cơ đốt trong, pin nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động

cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn Với những ưu thế vượt trội đó, pinnhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầytriển vọng, một thành phần chủ chốt của nền kinh tế hydrogen trong viễn cảnh tươnglai

1.3.2.5 Ưu điểm và nhược điểm của hydrogen

a Ưu điểm

Tiêu đề	Nghiên cứu điều chỉnh hệ số tương đương để nâng cao công suất động cơ sử dụng năng lượng tái tạo hybrid: sinh khối-năng lượng mặt trời
Tác giả	Nguyễn Tấn Trường, Nguyễn Văn Điệp
Người hướng dẫn	ThS. Bùi Văn Hùng
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Công nghệ kỹ thuật ô tô
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	10,59 MB