Việc thu hồi năng lượng thừa để cung cấp điện cho hệthống HHO làm việc bổ sung năng lượng cho xe nhằm tăng hiệu quả tính kinh tế nhiênliệu, ngoài ra còn có thể dùng để sử dụng các hệ thố
TỔNG QUAN
Hệ thống điện trên xe máy
Hệ thống khởi động (starting system): bao gồm ắc quy, máy khởi động điện (starting motor), relay điều khiển khởi động
Hệ thống cung cấp điện (charging system): gồm ắc quy, máy phát điện (bô bin đèn), bộ tiết chế (cục sạc)
Hệ thống đánh lửa (ignition system): gồm bô bin lửa, công tắc máy, IC (igniter), cảm biến điện từ (cục kích), bô bin sườn (biến áp đánh lửa), bougie (spark plugs)
Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu (lighting and signal system): gồm các đèn chiếu sáng, các đèn tín hiệu, còi, các công tắc và relay
Hệ thống đo và kiểm tra (gauging system): đồng hồ báo tốc độ xe, đồng hồ báo nhiên liệu và các đèn báo số.
Nguồn điện trên xe gắn máy
Trên xe gắn máy ngoài hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến dòng điện hạ thế thành dòng điện cao thế để làm cho động cơ sinh công, còn hệ thống điện đèn còi cũng có chức năng vô cùng thiết yếu.
1.2.1 Nguồn điện xoay chiều (AC)
Khi ta khởi động xe gắn máy bằng cần đạp hoặc bằng động cơ điện thì nguồn điện đầu tiên được sinh ra là nguồn điện xoay chiều Nguồn điện này được gọi là nguồn điện cảm ứng từ với một hiệu điện thế thấp, thường là 6V hoặc 12V.
1.2.1.1 Cấu tạo máy phát điện xoay chiều
Máy phát điện xoay chiều gồm các bộ phận sau đây:
Phần chuyển động là một volant hay một rotor có gắn các miếng nam châm, có thiết kế cho quay đồng tốc với trục cơ (cốt máy)
Phần cố định là một mâm nhôm bắt cố định vào catte máy, trên đó có các chi tiết sau: cuộn nguồn (bô bin lửa), cuộn đèn (bô bin đèn), cuộn khiển (có thể nằm trong mâm hoặn ngoài mâm tùy theo xe).
1.2.1.2 Nguyên lý sinh ra điện Đối với cuộn nguồn và cuộn khiển: khi volant hay rotor quay khiến từ trường của nam châm dao động và từ thông của nam châm bị biến thiên thì cuộn nguồn và cuộn khiển điều cảm ứng sự biến thiên của từ thông nam châm mà sinh ra những xung điện xoay chiều Các xung điện này được dẫn đến CDI để đổi thành điện một chiều và nạp vào bô bin sườn tăng thành điện cao thế rồi đến bugi nẹt ra tia lửa điện Đối với cuộn đèn: vẫn cùng nguyên lý trên cuộn đèn sinh ra những xung điện xoay chiều Một phần cung ứng cho mạch điện đèn đêm, một phần được đổi thành điện một chiều để nạp điện cho ắc quy và cung ứng cho mạch đèn tín hiệu và còi.
1.2.1.3 Nguồn điện xoay chiều được đổi thành điện một chiều
Các xung điện xoay chiều của cuộn đèn có thể là một phần hoặc tất cả các xung điện được dẫn đến diot thường hoặc diot ổn áp để nắn thành dòng điện một chiều để nạp cho ắc quy hoặc cung ứng cho hệ thống đèn, còi của xe.
Diot nắn dòng: là linh kiện điện tử được chế tạo bằng hai chất Germanium và Silicium có hai cực dương (+) và âm (-) Nhiệm vụ của diot nắn dòng là biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) khi đi qua nó Diot chỉ cho dòng điện đi theo một chiều nhất định từ dương (+) sang âm (-) gọi là chiều thuận và không cho dòng điện đi theo chiều ngược lại.
Diot ổn áp (Diot Zener): được cấu tạo như diot thường nhưng có đặc điểm sau đây: nếu cho tăng dần giá trị điện áp ngược vào diot đến một trị số giới hạn nào đó thì sẽ cho dòng điện đi theo chiều ngược lại, gọi là điện áp ổn định Nếu giảm điện áp ngược nhỏ hơn trị số ổn định thì diot sẽ khóa theo chiều ngược Với đặc tính trên, diot Zener được dùng theo chiều ngược trong các bộ điều chỉnh bán dẫn khi điện áp tăng. Điện trở (R): là một linh kiện tiếp nhận dòng điện chạy qua, có hai tác dụng: tăng hoặc giảm một hiệu điện thế
1.2.2 Nguồn điện một chiều (DC)
Một phần nguồn điện AC của bô bin đèn được chuyển đến diot (cục sạc) để nắn thành dòng điện DC và nạp vào bình ắc quy Nguồn điện DC cung ứng cho hệ thống khởi động, còi và hệ thống đèn tín hiệu gồm:
1.2.3 Ắc quy (nguồn) Ắc quy tức bình điện có tính năng: thu nạp dòng điện phóng dòng điện ra Dòng điện nạp vào ắc quy phải là dòng điện một chiều (DC) Như vậy dòng điện do máy phát điện xoay chiều của xe sinh ra phải qua một diot nắn dòng để thành điện một chiều rồi nạp vào ắc quy.
Công dụng của ắc quy: Điện của ắc quy dùng để cung ứng cho hệ thống đèn tín hiệu trên xe, còi, bộ khởi động bằng điện (demarreur) hay cho hệ thống đánh lửa ắc quy Ắc quy còn đóng vai trò là bộ lọc và ổn định điện thế trong hệ thống điện khi điện áp máy phát dao động.
Cấu tạo của ắc quy:
Hầu hết các ắc quy sử dụng trên xe gắn máy đều là loại ắc quy điện cực chì Các bản cực của ắc quy có dạng vỉ lưới, bản cực dương của ắc quy làm bằng ôxít chì(PbO2), còn các bản cực âm làm bằng chì (Pb), các bản cực dương và âm được bố trí xen kẽ nhau và giữa chúng có các vách ngăn Các vách ngăn có dạng tấm mỏng, có tính thẩm thấu cao và không được dẫn điện Một ắc quy thường có nhiều ngăn (hộc) nối tiếp nhau, tuỳ theo điện thế cần cung cấp ắc quy sẽ có số ngăn khác nhau Mỗi ngăn của ắc quy chỉ có thể sinh ra điện áp 2,1 - 2,2V, như vậy nếu điện áp ắc quy là6V thì có 3 ngăn; nếu điện áp khoảng 12V thì phải có 6 ngăn.
Các hệ thống sạc trên xe máy
Hệ thống sạc hay còn gọi là tiết chế/chỉnh lưu thực hiện 2 chức năng đó là biến điện xoay chiều từ cuộn điện thành điện một chiều để nạp cho ắc quy đồng thời ổn áp nguồn sạc Nguyên tắc hoạt động chung của hệ thống sạc đều là sử dụng cuộn dây đặt trong từ trường quay để phát điện xoay chiều, sau đó qua cục sạc để đổi điện và đưa về ắc quy Về phương pháp, chúng ta có thể chia làm 3 kiểu sạc như sau:
Mạch chỉnh lưu là mạch dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Linh kiện chính trong mạch chỉnh lưu là diot.
Diot là loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó 1 chiều mà không cho qua theo chiều ngược lại Do đó khi một dòng điện xoay chiều đi qua diot nó sẽ biến thành điện một chiều
1.3.1 Kiểu sạc một pha bán kỳ
Kiểu sạc này thường được dùng trên các dòng xe Dream, Wave phổ thông Điện xoay chiều sẽ được lấy từ dây trắng trên cuộn điện, đầu dây còn lại của cuộn (dây mass) sẽ được bắt vào sườn.
Hình 1.1 Bộ chỉnh lưu kiểu sạc một pha bán kỳ.
Kiểu sạc này sử dụng 1 diot để chỉnh lưu điện xoay chiều phát ra từ cuộn điện thành điện một chiều Kiểu sạc này chỉ cho một nửa chu kỳ dương đi ngang qua diot, nữa chu kì âm sẽ bị khóa (theo hình 1.2) Do đó, mạch chỉnh lưu một pha bán kỳ có hiệu suất sạc thấp
Hình 1.2 Cụm diot của bộ chỉnh lưu một pha bán kỳ.
Ngoài chức năng chỉnh lưu trong cục sạc còn có thêm mạch ổn áp để ổn định nguồn sạc cho ắc quy tránh điện áp sạc quá lớn gây hỏng ắc quy, đồng thời ổn áp nguồn cấp cho đèn.
Hình 1.3 Sơ đồ mạch điện kiểu sạc một pha bán kỳ.
1.3.2 Kiểu sạc một pha toàn kỳ
Kiểu sạc một pha toàn kỳ thường được biết đến với tên gọi là sạc ATILA hoặc sạc 2 pha theo cách gọi của người thợ Kiểu sạc này vẫn sử dụng nguồn sạc từ cuộn phát ra như xe phổ thông nhưng yêu cầu phải tách mass và đưa lên sạc 2 dây, tức là sử dụng toàn bộ điện xoay chiều phát ra từ cuộn.
Hình 1.4 Bộ chỉnh lưu kiểu sạc một pha toàn kỳ.
Hai đầu điện xoay chiều từ cuộn phát ra sẽ đưa vào hệ thống 4 diot để chỉnh lưu. Mạch chỉnh toàn kỳ thường dùng 4 diot mắc theo hình cầu (còn gọi là mạch chỉnh lưu cầu).
Hình 1.5 Sơ đồ mạch điện kiểu sạc một pha toàn kỳ.
Khi hoạt động, điện phát ra ở dây phía trên (ví dụ là dây trắng) phần điện dương sẽ đi qua diot D1 về đầu dương của R (ắc quy), phần điện âm sẽ đi qua diot D3 về đầu dây âm của R (Ắc quy) Tương tự, điện phát ra ở dây phía dưới (ví dụ là dây tách mass) phần điện dương sẽ đi qua diot D2 về đầu dương của R (Ắc quy), phần điện âm sẽ đi qua diot D4 về đầu dây âm của R (Ắc quy).
Như vậy toàn bộ điện xoay chiều phát ra từ cuộn sẽ được lấy hết và chỉnh lưu toàn bộ để nạp cho ắc quy Điều đó giải thích tại sao lên sạc ATILA lại mạnh hơn sạc thường.
Hiện nay trên các dòng xe đời mới, hệ thống điện trên xe đều sử dụng điện nguồn từ ắc quy Do đó, các dòng xe đời mới thường sử dụng kiểu sạc 3 pha để tăng hiệu quả và tốc độ sạc nhằm đảm bảo ắc quy luôn đủ điện
Hình 1.6 Cuộn điện và mạch chỉnh lưu kiểu sạc ba pha.
Cuộn điện lúc này chỉ có nhiệm vụ phát điện xoay chiều lên sạc, đặc điểm nhận dạng của sạc 3 pha là từ cuộn điện sẽ có 3 dây màu giống nhau (dây vàng) đưa lên cục sạc.
Mạch chỉnh lưu ba pha thường dùng 6 diot, mỗi đầu dây xoay chiều sẽ đi qua diot.
Hình 1.7 Cụm diot chỉnh lưu trong bộ chỉnh lưu kiểu sạc ba pha.
Mạch sạc 3 pha ngoài việc sử dụng các diot để chỉnh lưu ra còn có thêm một cụm khác đó cụm điều áp Cụm này có chức năng ổn áp nguồn sạc cấp cho ắc quy, mạch gồm các linh kiện như diot Zener, Transistor, Thysistor Nhiệm vụ của cụm điều áp là duy trì điện áp sạc ở mức quy định: Điện áp ắc quy < Điện áp sạc < 14,5V.
Hình 1.8 Sơ đồ mạch điện kiểu sạc ba pha.
Vấn đề về môi trường
Cùng với sự tăng trưởng về số lượng ô tô, xe máy một mâu thuẫn nảy sinh trong sự phát triển của xã hội là vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ xe ô tô, xe máy thải ra vào không khí quanh ta Nguồn ô nhiễm này trở thành mối đe dọa chính cho cuộc sống của con người, đặc biệt là ở các thành phố có mật độ xe cơ giới cao, mối nguy hiểm này càng lớn.
Hình 1.9 Vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ xe ô tô, xe máy thải ra vào không khí quanh ta ngày càng nghiêm trọng. Để biết được tại sao động cơ ôtô, xe máy lại gây ô nhiễm, phải xét đến quá trình cháy diễn ra trong buồng cháy của động cơ.
Theo nguyên lý, quá trình cháy lý tưởng chỉ sinh ra CO2, H2O và N2 Nhưng trong thực tế, thì quá trình cháy xảy ra trong buồng cháy của động cơ không lý tưởng như vậy Quá trình cháy thực tế sinh ra các chất độc nguy hiểm như: NOx , CO, CnHm,
SO2, và bụi hữu cơ,… Chính những chất này là nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường. Ô nhiễm được hiểu như sau: “Không khí được coi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi do có sự hiện diện của các chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được hay gây ra sự khó chịu đối với con người khi hít phải”. Đa phần những chất do động cơ thải ra là những chất gây ô nhiễm Tại TP Hồ Chí Minh, các nhà khoa học đã báo động về tình trạng ô nhiễm không khí, đặc biệt là sự gia tăng nồng độ các chất độc hại trong không khí như: benzene, nitơ oxit,… Nồng độ bụi đặc trưng PM10 có nơi đạt tới 80 microgam /m3 trong khi nồng độ cho phép nhỏ hơn con số này nhiều lần Nồng độ SO2 lên đến 30 microgam/m3, nồng độ benzene có nơi đạt 35-40 microgam/m3 Và hàng năm, Việt Nam các phương tiện giao thông đã thải ra sáu triệu tấn CO2, sáu mươi mốt nghìn tấn CO, ba mươi lăm nghìn tấn
NO2, mười hai nghìn tấn SO2 và hơn hai mươi hai nghìn tấn CnHm Nồng độ các chất có hại trong không khí ở các đô thị lớn vượt quá mức cho phép nhiều lần, riêng SO2 cao gấp 2-3 lần.
Ngoài những tác hại trên, khói xả từ động cơ còn gây ra những tác hại khác.Theo nghiên cứu của các nhà khoa học châu Âu, ô nhiễm không khí không chỉ gây ảnh hưởng đến phổi, mà còn làm suy yếu chức năng tim và mạch máu, từ đó tăng nguy cơ đau tim và tử vong Trong nghiên cứu này các nhà khoa học tập trung nghiên cứu động cơ diesel, vì hoạt động của loại động cơ này tạo ra những phần tử ô nhiễm cao hơn từ 10-100 lần so với động cơ xăng.
Cùng với lưu lượng xe ngày càng đông đúc như vậy thì cơ thể con người còn bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn Các nhà khoa học đã chứng minh được rằng, tiếng ồn làm cho con người bị mất ngủ, làm nghiêm trọng hơn các bệnh tim và cao huyết áp Tiếng ồn còn làm giảm thính lực, làm tăng các bệnh về thần kinh, loét dạ dày, giảm khả năng tập trung, khả năng làm việc,…
Ngoài những tác hại cho cơ thể người, khí thải từ động cơ còn gây ảnh hưởng xấu đến môi trường, cụ thể như:
Thay đổi nhiệt độ khí quyển: Với tốc độ gia tăng lượng CO2 trong không khí như hiện nay, người ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỷ XXII, nồng độ khí CO2 trong không khí có thể tăng gấp đôi Khi đó, theo dự định của các nhà khoa học, nhiệt độ sẽ tăng từ 2-3 o C, một phần băng ở Bắc Cực và Nam Cực sẽ tan ra làm tăng chiều cao mực nước biển, làm thay đổi chế độ mưa gió, làm sa mạc hóa trái đất Ảnh hưởng đến sinh thái: Sự gia tăng hàm lượng NOx, đặc biệt là protoxyde nito
N2O có khả năng làm tăng sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát ra từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến tạo ra các vi khuẩn có khả năng làm lây lan các bệnh lạ, có khả năng dẫn tới hủy hoại sự sống của các sinh vật trên trái đất, giống như điều kiện hiện nay trên sao hỏa
Mặt khác, các chất có tính axít như SO2, NO2, bị oxy hóa thành axít sunfuric, axít nitric hòa tan trong mưa, tuyết, sương mù,… làm hủy hoại thảm thực vật trên trái đất(mưa axít), và gây ăn mòn các công trình kim loại.
Bổ sung khí HHO cho động cơ đốt trong
Vấn đề tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính để hạn chế mức độ gia tăng nhiệt độ trái đất đã thôi thúc các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế và hoàn thiện thiết kế động cơ Trong số các giải pháp đó, giải pháp sử dụng nhiên liệu truyền thống bổ sung hydrogen như nhiên liệu thay thế có nhiều triển vọng Vì thế, phương án sử dụng hydrogen trong hỗn hợp khí với oxygen (gọi là khí hydroxyl, khí HHO) được giới khoa học quan tâm trong những năm gần đây
Nghiên cứu của nhóm tác giả Cao Văn Tài, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Văn Nhận tạiPhòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội khi bổ sung khí HHO vào hỗn hợp xăng và không khí trên đường ống nạp động cơ Honda 97cc kết quả tại vị trí mở bướm ga 30%, công suất động cơ tăng 3,68%; suất tiêu hao nhiên liệu giảm 7,14%, phát thải CO và HC giảm 13,21% và 11,68%.
Nhóm nghiên cứu Musmar và Al-Rousan đã thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thực nghiệm bộ sinh khí HHO trên động cơ xăng Kết quả cho thấy, mức độ phát thải NOx,
CO và mức tiêu hao nhiên liệu giảm tương ứng 50%, 20%, và 30%, khi bổ sung khí HHO Hydrogen trong khí HHO có tốc độ cháy cao nên khi hòa trộn với nhiên liệu truyền thống, hỗn hợp nhiên liệu với không khí đồng đều và cháy hoàn toàn Mặt khác, hydrogen có giới hạn cháy rộng nên nó có thể cháy với hỗn hợp nghèo Việc giảm thời gian lan tràn màn lửa và tăng tốc độ tỏa nhiệt là do hydrogen có năng lượng đánh lửa thấp và tốc độ cháy cao hơn các loại nhiên liệu truyền thống Do H2 có thể cháy với hỗn hợp rất nghèo nên có thể thay đổi thành phần hỗn hợp để điều chỉnh tải động cơ. Khi làm việc với hỗn hợp nghèo, nhiệt độ cháy thấp nên mức độ phát thải NOx giảm đáng kể [3]
Nghiên cứu của 2 nhóm sinh viên Phạm Tiến Dũng và Lê Văn Nguyên, Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật – Đại Học Đà Nẵng đã nghiên cứu chế tạo hệ thống sinh khí HHO có kích thước nhỏ gọn lắp đặt trên xe Lead 110cc Hệ thống này sản xuất khí HHO trực tiếp trên xe từ nước bằng phương pháp điện phân Khí HHO được bổ sung vào đường ống nạp của động cơ cùng với hệ thống nhiên liệu nguyên thủy của xe. [4,5]
Các công trình nghiên cứu cho thấy khi bổ sung khí HHO vào nhiên liệu truyền thống cải thiện được quá trình cháy, tăng hiệu suất động cơ, giảm phát thải CO, HC và
Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu đó chưa giải quyết được bài toán về nguồn năng lượng để cung cấp cho bộ sinh khí HHO mà chỉ lấy nguồn năng lượng từ ắc quy. Trong nghiên cứu này nhóm đồ án sẽ thực hiện nghiên cứu thu hồi nguồn năng lượng dư thừa từ máy phát của xe để cấp cho bộ sinh khí HHO.
Nguồn năng lượng dư thừa và mục đích thu hồi
Hiện nay các động cơ sử dụng nguồn năng lượng để động cơ làm việc là nhờ phần lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên nguồn nhiên liệu hóa thạch này đang dần cạn kiệt và lượng khí thải từ nhiên liệu này gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống.
Các quốc gia tiên tiến, phát triển đang ngày càng ráo riết tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thay thế và các giải pháp tối ưu hóa sử dụng và tái tạo năng lượng nhằm đảm bảo ổn định nguồn năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm trong tương lai Ta thấy rằng năng lượng trên ô tô hay xe máy là quá lớn, hàng ngày trên thế giới có hàng triệu xe chạy trên đường Năng lượng được sinh ra cũng như lãng phí đi thông qua động cơ máy phát, quá trình phanh, khí xả… là rất nhiều.
Nói về sự mất mát năng lượng trong quá trình sử dụng, dễ dàng nhận thấy rằng: trên xe máy khi động cơ hoạt động, máy phát làm việc dòng điện từ máy phát đi đến bộ chỉnh lưu, lúc này điện được chỉnh lưu thành dòng 1 chiều nạp vào bình ắc quy và cung cấp cho hệ thống đèn, còi của xe (các tải khác) Khi điện đủ mạnh hay xe ở tốc độ cao thì hiệu điện thế cũng tăng theo Khi HDT vượt quá 14.5V thì diot zener (diot ổn áp) sẽ mở ra cho dòng điện đi về mass, bằng cách tản nhiệt ra ngoài thông qua các cánh tản nhiệt trên bộ chỉnh lưu Khi điện đủ mạnh hay xe ở tốc độ cao thì điện về mass nhiều, nhiệt độ của các cánh tản nhiệt trên tiết chế dần cao hơn.
Chính vì lý do đó, năng lượng tổn hao trên được nghiên cứu để thu hồi và các hệ thống thu hồi năng lượng thừa để tái sử dụng được nghiên cứu và phát triển
Nghiên cứu này thực hiện trên xe Honda Lead 110cc đã được cải tạo thành xe chạy bằng xăng bổ sung khí HHO Với mục tiêu chính của hướng nghiên cứu này là thu hồi nguồn năng lượng còn bị lãng phí Tận dụng nguồn năng lượng dư thừa đó sử dụng cho hệ thống bổ sung khí HHO cho động cơ nhằm tiết kiệm nhiên liệu, và nguồn năng lượng đó có thể cung cấp cho các hệ thống khác trên xe Ngoài việc giải quyết bài toán năng lượng hướng nghiên cứu này còn góp phần vào việc nghiên cứu giảm khí thải ô nhiễm môi trường do các phương tiện này gây nên.
PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG BẰNG SIÊU TỤ ĐIỆN
Các phương pháp lưu trữ năng lượng thừa thu hồi
Đây là một trong những hệ thống quan trọng trong mục đích của đề tài nghiên cứu này Có nhiều loại thiết bị lưu trữ năng lượng đã được đề xuất để ứng dụng trên xe như: ắc quy kiềm, ắc quy chì-axít, siêu tụ, pin, Tuy nhiên, các nguồn lưu trữ năng lượng thông dụng nhất hiện nay là nguồn lưu trữ điện năng như: ắc quy chì-axít, pin Lithium-ion, siêu tụ Xét phạm vi và đối tượng của đề tài là xe máy Honda Lead 110cc, thì ở đây chúng em chỉ xét đến các phương pháp lưu trữ năng lượng bằng ắc quy chì-axít, siêu tụ.
2.1.1 Ắc quy axít– chì Ắc quy là một thiết bị điện hóa chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hóa học trong suốt quá trình nạp, và chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện trong quá trình phóng điện Ắc quy chì có năng lượng sạc, xả chỉ là 32Wh/kg, mật độ năng lượng thấp dòng xả nhỏ dẫn đến khả năng chịu tải kém không phù hợp với xe máy hay ô tô điện Ắc quy chì có khả năng tái tạo năng lượng chậm mất hàng giờ đồng hồ do dòng nạp tối đa nhỏ, nếu tăng dòng nạp có thể gây hỏng ắc quy Đồng thời nếu bị xả quá 50% mà không được sạc đầy ắc quy sẽ hỏng sau 1-2 tháng sử dụng Nếu bị xả tới tận đáy sẽ xuất hiện PbSO4 dạng tinh thể bám vào bản cực gây hỏng bản cực và chết ắc quy, đặc biệt muối PbSO4 này bám vào đầu cực có thể gây han gỉ đầu cực dẫn tới tự phóng điện và cháy nổ
Dải nhiệt hoạt động của ắc quy chì chỉ từ 0º-50ºC, tại nhiệt độ 50ºC tuổi thọ của ắc quy chỉ khoảng 1 năm
Do cấu tạo bởi chì và axít nên ắc quy gây ô nhiễm nghiêm trọng với môi trường và sức khỏe con người Lượng ắc quy phế thải là nguồn gây ô nhiễm môi trường với hậu quả hết sức nặng nề vì chì (Pb) được coi là chất thải cực kỳ độc hại, với hàm lượng vài ppm/kg trọng lượng cơ thể đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe
Về mặt hiệu quả kinh tế, ắc quy chì có tuổi thọ chỉ khoảng 1 năm do hiệu suất sử dụng thấp, nội trở cao làm cho tốn kém nhiên liệu khi vận hành, giảm tuổi thọ động cơ xe Chi phí để trang bị một bộ ắc quy ban đầu khá rẻ nhưng theo thời gian khai thác xe thì chi phí sẽ tăng lên do phải thường xuyên thay ắc quy Ắc quy có nhược điểm căn bản là tuổi thọ thấp, dung lượng hạn chế, thời gian nạp nhiều giờ, loại ắc quy hoàn hảo nhất hiện nay cũng chỉ làm việc không quá 5 năm, các sản phẩm của chúng không thân thiện với môi trường Đồng thời, chì là kim loại độc có thể gây tổn hại cho hệ thần kinh, rối loạn não và máu, gây sẩy thai ở phụ nữ và giảm khả năng sinh sản ở nam giới khi tiếp xúc lâu ngày với chì.
Thông thường, khi muốn lưu trữ điện năng chúng ta thường nghĩ đến pin hoặc ắc quy là những nguồn điện hóa quen thuộc Các nguồn điện hóa mặc dù rất phổ biến nhưng có nhược điểm chung là có dung lượng hạn chế, các sản phẩm phế thải của chúng không thân thiện với môi trường, thời gian nạp đòi hỏi nhiều giờ…
Công nghệ vật liệu tiên tiến nano cho phép khắc phục được những nhược điểm của ắc quy Ngày nay, người ta đã chế tạo được các siêu tụ điện có điện dung tới 5000 Fara với các đặc điểm là thời gian nạp rất nhanh, cho phép phóng nạp nhiều lần và có tuổi thọ cao.
Từ những nhược điểm của ắc quy chì và đặc điểm nổi bật của siêu tụ điện Nên trong đề tài “Nghiên cứu thu hồi năng lượng thừa từ máy phát để cấp cho bộ sinh khí HHO trên xe Honda Lead 110cc” Chúng em đã chọn siêu tụ điện để lưu trữ nguồn năng lượng thu hồi được.
2.2 Lý thuyết về tụ điện và siêu tụ điện [6]
Tụ điện: Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động …
2.2.1.1 Cấu tạo của tụ điện
Tụ điện là một linh kiện thụ động trong mạch điện tử, tụ điện có chữ viết tắt là C (Capacitor).
Tụ điện gồm có hai bản cực là bằng chất dẫn điện đặt song song nhau, ở giữa là một lớp cách điện gọi là điện môi Chất cách điện thông dụng để làm điện môi trong tụ điện là: giấy, dầu, mica, gốm, không khí…
Hình 2.1 Cấu tạo của tụ điện.
Chất cách điện được lấy làm tên gọi của tụ điện
Thí dụ: Tụ điện giấy, tụ điện dầu, tụ điện gốm, tụ điện không khí…
2.2.1.2 Đặc tính của tụ đối với dòng điện một chiều
Giữa hai bản cực của tụ điện là lớp cách điện nên không có dòng điện đi qua tụ điện Do I = 0 nên R = U I → ∞ Như vậy tụ điện có sức cản là vô cực Ohm đối với dòng điện một chiều.
Tuy nhiên, khi khảo sát hiện tượng tĩnh điện lúc tụ điện được nối vào nguồn điện
DC (hình 2.2 công tắc K ở vị trí số 1), người ta nhận thấy:
Hình 2.2 Tụ nạp điện Hình 2.3 Tụ xả điện. Điện tích âm ở cực âm của nguồn sẽ tích tụ ở bản cực bên dưới. Điện tích dương ở cực dương của nguồn sẽ tích tụ ở bản cực bên trên.
Hiện tượng này được gọi là tụ nạp điện Sau khi nạp đầy, ngắt công tắc K thì điện áp trên 2 bản cực của tụ đo được gọi là VC bằng với điện áp của nguồn UDC (UC UDC). a Điện dung
Khả năng chứa điện của tụ điện gọi là điện dung (viết tắt là C) Điện dung C của tụ tùy thuộc và cấu tạo và được tính bởi công thức:
C = ℰ S d (2.1) : hằng số điện môi tùy thuộc vào chất cách điện.
S: diện tích bản cực (m 2 ) d: bề dày lớp điện môi (m). Điện dung C có đơn vị là Fara Fara là một trị số điện dung rất lớn nên trong thực tế chỉ dùng các ước số của fara là:
Pico Fara: 1pF = 10 -12 F b Hằng số điện môi
Hằng số điện môi của một chất cách điện thông dụng để làm tụ điện có trị số như bảng sau:
Mica: = 4 ÷ 5ℰ c Điện tích tụ nạp
Nếu nối nguồn DC vào tụ với thời gian đủ dài thì tụ sẽ nạp đầy Điện tích tụ nạp được tính theo công thức:
U: điện áp nạp trên tụ (Vôn) d Năng lượng tụ nạp và xả
Sau khi tụ nạp đầy, thí nghiệm tiếp mạch điện hình 2.3 (công tắc K ở vị trí số 2) thì thấy bóng đèn sáng lên và sau một thời gian thì bóng đèn tắt Điều này cho thấy có dòng điện chạy qua bóng đèn do tụ điện cung cấp Hiện tượng này gọi là tụ xả điện. Dòng điện do tụ xả qua bóng đèn trong thời gian đèn sáng chính là năng lượng đã được nạp trong tụ điện và tính theo công thức:
U: điện áp trên tụ (Vôn – V) e Điện áp làm việc
Qua hai công thức cho thấy điện tích tụ nạp tỉ lệ thuận với điện áp và năng lượng điện tụ nạp tỉ lệ với bình phương của điện áp Tuy nhiên, ta không thể tăng điện áp nạp trên tụ lên quá cao vì khi điện áp đặt vào tụ tăng cao sẽ sinh ra một lực điện trường đủ mạnh làm cho các electron bị bức xạ thành các electron tự do và sẽ có dòng điện chạy qua điện môi Lúc đó, điện môi sẽ bị đánh thủng. Điện áp tạo ra điện trường đủ mạnh tạo ra dòng điện trong điện môi gọi là điện áp đánh thủng (Breakdown Voltage) Do đó, khi sử dụng tụ điện để nạp và xả điện thì điện áp đặt vào tụ phải nhỏ hơn điện áp đánh thủng Trên tụ người ta phải cho biết mức điện áp giới hạn của tụ điện gọi là điện áp làm việc (Working Voltage – WV).Điện áp làm việc phải nhỏ hơn điện áp đánh thủng vài lần. Điện áp đánh thủng của điện môi tỉ lệ theo bề dày d của điện môi nên thường người ta chỉ cho trị số điện trường đánh thủng theo công thức:
U: điện áp (kV) d: bề dày điện môi (cm) Điện trường đánh thủng của các chất điện môi thông thường như sau:
Không khí khô E = 32kV/cm
Giấy tẩm dầu E = 100 ÷ 250kV/cm
Mica E = 500kV/cm f Thông số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện
Khi sử dụng tụ điện phải biết hai thông số chính của tụ điện là: Điện dung C (đơn vị là F, àF) Điện áp làm việc - WV (đơn vị là V)
Phải chọn điện áp làm việc của tụ điện WV lớn hơn điện áp lên tụ điện UC theo công thức:
2.2.1.3 Phân loại tụ điện a Tụ điện được chia làm hai loại chính là:
- Tụ điện có phân cực tính dương và âm.
- Tụ điện không phân cực tính được chia làm nhiều dạng.
Tụ oxit hóa (thường gọi là tụ hóa).
Tụ tang b Các trị số điện dung tiêu chuẩn
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG THỪA TỪ MÁY PHÁT
Xe gắn máy thực nghiệm: xe Honda Lead 110cc
Hình 3.1 Xe gắn máy thực nghiệm.
Chú thích các bộ phận của xe: (1) chắn bùn trước, (2) ốp trước, (3) ốp trên trước, (4A) hệ thống đèn trước, (4B) hệ thống đèn sau, (5) ốp trước tay lái, (6) gương chiếu hậu, (7) ốp sau tay lái, (8) ổ khóa xe, (9) ốp trước trong, (10) ốp sàn xe, (11) ốp thân trước, (12) ốp thân xe, (13) yên xe, (14) tay dắt sau, (15) chắn bùn sau, (16) phuộc lò xo, (17) que thăm dầu, (18) két tản nhiệt, (19) ốp sườn xe, (20) ốp dưới, (21) ốp bền sàn xe.
Các thông số kỹ thuật của hệ thống điện xe gắn máy Honda Lead 110cc28 3.3 Vị trí các bộ phận và màu dây chuẩn trên xe Honda Lead 110cc
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của hệ thống điện xe gắn máy Honda Lead 110cc
Mục Thông số kĩ thuật Đèn Đèn pha Pha 13V - 35W
Cốt 13V - 30W Đèn phanh sau 12V - 21/5W Đèn báo rẽ 12V - 21W x 4 Đèn biển số 12V - 5W Đèn đồng hồ 12V - 1,7W x 2 Đèn báo rẽ 12V - 3W x 2 Đèn báo pha 12V - 1,7W Đèn báo lỗi hệ thống phun xăng
(MIL) LED (Diot phát quang)
Dòng điện rò Lớn nhất 0,1mA Điện áp
Dòng điện sạc Bình thường 0,6 A/5 - 10h
Dung lượng 0,22 kW/5.000 vòng/phút (rpm) Điện trở cuộn sạc (20 o C/68 o F) 0,1 - 1,0 Ω)
3.3 Vị trí các bộ phận và màu dây chuẩn trên xe Honda Lead 110cc [7]
Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện tổng thể của xe máy Honda Lead 110cc
3.3.1 Motor đề bắt liền với catte trái và ở phía trên 2 dây ra
Dây màu đỏ sọc trắng (R/W) → dây đỏ sọc trắng (R/W) cóc đề.
Dây màu xanh lá (Gr) motor đề → dây xanh lá (Gr) mass trực tiếp với bộ máy và sườn.
3.3.2 Khóa công tắc máy bố trí nách tay lái bên phải ra 4 dây
Dây màu xanh lá (Gr) là dây mass được nối với tất cả các mass của hệ thống và mass sườn xe.
Dây màu đen sọc trắng (Bk/W) là dây lửa nối với cụm CDI (chân số 3).
Dây màu đỏ ® nhận điện DC từ bình và diot sạc vào.
Dây màu đen (Bk) truyền tải điện DC đến các phụ tải.
3.3.3 Nút đề, công tắc đèn chính và công tắc thắng tay bố trí trên tay cầm bên phải ra 7 dây a Nút đề ra 2 dây
Dây màu vàng sọc đỏ (Y/R) nút đề → dây vàng sọc đỏ (Y/R) cóc đề.
Dây màu xanh lá (Gr) nút đề nối chung với tất cả các mass hệ thống. b Công tắc đèn chính ra 3 dây
Dây màu nâu (Br) công tắc → dây nâu (Br) hai bóng đèn đồng hồ → và dây nâu(Br) đèn phanh sau.
dây
Diot tiết chế ra 2 dây
Dây xanh lá (Gr) là dây mass.
Dây đỏ (R) diot → dây đỏ (R) công tắc máy dây đỏ (R) bình ắc quy.
Quy luật đi dây từng mạch của xe Honda Lead 110cc
Dây vàng (Y) của bô bin đèn nối với dây vàng của công tắc đèn chính Dây vàng của bô bin đèn lại có mạch rẽ nối với diot tiết chế (Regulator) để giảm bớt dòng điện khi xe làm việc tốc độ cao.
Dây nâu (Br) của công tắc đèn chính nối với dây nâu trong cuộn sườn để truyền tải đến 2 đèn soi sáng đồng hồ và đèn sau Các bóng đèn có dây mass xanh lá (Gr) nối với mass mâm điện và dây mass của diot tiết chế (cùng màu)
Dây nâu sọc trắng (Br/W) của công tắc đèn chính nối với dây nâu sọc trắng của đèn sương mù.
Dây xanh dương (Bl) của công tắc đèn pha cốt nối với dây xanh dương của tim đèn pha.
Dây trắng(W) của công tắc đèn pha cốt nối với dây trắng đèn cốt.
Các bóng đèn này cũng có dây mass màu xanh lá (Gr) nối liền với các bóng đèn (xem trên sơ đồ).
Khi ta bật công tắc đèn chính đến vị trí P, điện AC của bô bin đèn (dây vàng) đã sang dây nâu (Br) để cung cấp cho đèn soi sáng đồng hồ và đèn sau, và sang dây nâu sọc trắng (Br/W) để cung cấp cho đèn sương mù.
Ta bật công tắc sang vị trí HL: điện sang dây nâu (Br) để sang công tắc đèn pha cốt trên tay cầm trái.
Ta bật công tắc đèn pha cốt lên vị trí pha, điện từ dây nâu lên dây xanh dương(Bu) cung cấp cho tim đèn pha.
Ta bật công tắc đèn xuống vị trí cốt, điện từ dây nâu sang dây trắng cung cấp cho tim đèn cốt.
Dây công tắc máy qua trung gian dây sườn nối với dây đen của còi và dây đen công tắc đèn thắng tay nơi cần bóp thắng trước. Đuôi dây đen sườn nối với công tắc đèn thắng tay nơi cần bóp thắng sau.
Dây xanh nhạt (LG) của nút ấn còi nối với dây xanh lá của còi và xanh lá cuộn sườn là dây mass chung của hệ thống.
Dây còn lại của 2 công tắc đèn thắng màu xanh lá sọc vàng (G/Y) nối với dây cùng màu của tim đèn thắng.
Khi ta bật công tắc máy, điện DC từ bình ắc quy đã nạp đến nút còi và 2 công tắc đèn thắng Ta ấn nút còi, điện dương đến nút còi và ra dây mass của hệ thống nên còi kêu Ta bóp cần thắng trước hoặc thắng sau, điện từ dây đen sang dây xanh lá sọc vàng truyền tải đến đèn đuôi
Dây đen (Bk) từ khóa công tắc máy ra, nối với dây đen cuộn sườn và dây đen của hộp nháy.
Dây xám (Gr) của hộp nháy nối với dây xám của công tắc quẹo trên tay cầm trái. Dây xanh dương lợt (LBu) từ công tắc ra nối với dây xanh dương lợt đèn signal bên phải, đèn báo signal phải và qua trung gian dây sườn nối dây xanh dương đèn signal sau bên phải.
Dây cam (O) từ công tắc quẹo ra nối với dây cam đèn signal trước bên trái, đèn báo signal và qua trung gian dây sườn nối với dây cam đèn signal sau bên trái.
Khi ta mở công tắc máy, điện DC từ bình ắc quy vào khóa công tắc bằng dây đỏ và sang dây đen ra khỏi khóa công tắc điện vào hộp nháy và phát ra bằng dây xám để vào công tắc quẹo.
Từ công tắc quẹo ta bật về vị trí quẹo phải, điện từ dây xám qua dây xanh dương lợt để cung cấp cho đèn signal trước, sau và báo signal bên phải Các đèn có dây mass (xanh lá) nối với dây mass chung của hệ thống nên nhấp nháy lên.
Từ công tắc quẹo ta bật về vị trí quẹo trái, điện từ dây xám qua dây cam (O) để cung cấp cho đèn signal trước, sau và báo signal bên trái Các đèn có dây mass (xanh lá) nối với dây mass chung của hệ thống nên nhấp nháy lên
Dây đỏ (R) dây có tiết diện lớn nối với cọc dương của bình ắc quy và nối với công tắc máy.
Dây xanh lá (G) của công tắc máy nối với dây xanh dương của ắc quy.
Dây đen sọc đỏ (Bk/R) của cuộn nguồn trong mâm lửa nối với cọc 2 cụm CDI. Dây xanh dương sọc vàng (Bu/Y) của cuộn khiển nối với cọc 5 cụm CDI.
Cọc 1 cụm CDI nối với dây sơ cấp bô bin sườn (dây màu đen sọc vàng).
Cọc 3 cụm CDI nối với dây đen sọc trắng (Bk/W) của khóa công tắc máy.
Cọc 4 cụm CDI nối với dây xanh lá (G) là dây mass chung của mâm điện khóa công tắc máy và toàn bộ hệ thống.
Khi ta mở công tắc máy, dòng điện từ cuộn lửa phát ra dòng điện xoay chiều đi vào cổng số 2 và nạp điện vào tụ Vào cuối kỳ nén dòng điện từ cuộn kích vào cổng số
5, kích SCR Khi SCR được kích thì tụ điện đi qua cuộn sơ cấp của bô bin rồi về mass.Khi SCR không còn kích nữa thì dòng điện qua cuộn sơ cấp bị ngắt đột ngột Khi đó cuộn thứ cấp sinh ra dòng điện cảm ứng khoảng 15-30KV làm bugi đánh lửa Đồng thời dòng điện từ mâm lửa đi qua cổng số 2 qua SCR đến cổng số 4 rồi về mass.
Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng thừa từ máy phát
3.5.1 Năng lượng dư thừa của máy phát theo lý thuyết
Hình 3.7 Sơ đồ sạc điện trên xe Honda Lead 110cc.
Trường hợp 1: Công tắc đèn mở, khi động cơ hoạt động, máy phát làm việc dòng điện từ máy phát (dây vàng Y) đi đến bộ chỉnh lưu, lúc này điện được chỉnh lưu thành dòng 1 chiều nạp vào bình ắc quy và cung cấp cho hệ thống đèn, còi của xe (các tải khác) Khi điện đủ mạnh hay xe ở tốc độ cao thì hiệu điện thế cũng tăng theo Khi HDT vượt quá 14.5V thì diot Zener (diot ổn áp) sẽ mở ra cho dòng điện đi về mass, vì thế nó sẽ bảo vệ được bóng đèn và ắc quy khi máy ở tốc độ cao [8]
Trường hợp 2: Công tắc đèn tắt, khi động cơ hoạt động, máy phát làm việc dòng điện từ máy phát đi đến bộ chỉnh, lúc này điện được chỉnh lưu thành dòng 1 chiều nạp vào bình ắc quy Khi điện đủ mạnh hay xe ở tốc độ cao thì hiệu điện thế cũng tăng theo Khi HDT vượt quá 14.5V thì diot Zener (diot ổn áp) sẽ mở ra cho dòng điện đi về mass, nhờ vậy dòng điện nạp vào bình vừa phải không làm hại bình [8]
Nguồn điện thừa từ máy phát: Trong 2 trường hợp sạc ắc quy trên, khi điện đủ mạnh hay xe ở tốc độ cao thì hiệu điện thế cũng tăng theo Khi HDT vượt quá 14.5V thì diot Zener (diot ổn áp) sẽ mở ra cho dòng điện đi về mass bằng cách tản nhiệt ra ngoài thông qua các cánh tản nhiệt trên bộ chỉnh lưu Khi điện đủ mạnh hay xe ở tốc độ cao thì điện về mass nhiều, nhiệt độ của các cánh tản nhiệt trên tiết chế dần cao hơn.
3.5.2 Năng lượng dư thừa của máy phát theo tính toán
Từ bảng 3.1 và dựa trên cơ sở về thời gian sử dụng ta phân thành 2 loại tải tiêu thụ: Tiêu thụ điện của các tải liên tục và gián đoạn.
Bảng 3.2 Tiêu thụ điện của các tải liên tục.
Tải điện hoạt động liên tục Công suất (W) Đèn đầu Pha 35
Cốt 30 Đèn đồng hồ 1,7 x 2 Đèn biển số 5
Bảng 3.3 Tiêu thụ điện của các tải hoạt động gián đoạn.
Tải điện hoạt động gián đoạn Công suất (W) Đèn phanh sau 21 Đèn tín hiệu báo rẽ 21 x 4 Đèn tín hiệu báo rẽ trên đồng hồ 3 x 2 Đèn báo pha 1,7
Công suất của máy phát: 0,22kw/5000v/p
Giả sử xe di chuyển trong khoảng thời gian 10 phút Và ắc quy đã đầy, không cần sạc Ta tính toán lượng công suất dư thừa.
Hệ số sử dụng gián đoạn:
- Hệ số sử dụng đèn phanh sau Giả sử phanh 10 lần mỗi lần 6 giây nên tổng thời gian phanh là 1 phút
=> Hệ số sử dụng đèn phanh sau:10 1 = 0,1
- Hệ số sử dụng đèn tín hiệu báo rẽ Giả sử ta rẽ trái (hoặc phải) 6 lần mỗi lần 10 giây, nên tổng thời gian đèn tín hiệu báo rẽ làm việc là 1 phút.
=> Hệ số sử dụng đèn tín hiệu báo rẽ: 10 1 = 0,1
- Hệ số sử dụng đèn tín hiệu báo rẽ trên đồng hồ Giả sử ta rẽ trái (hoặc phải) 6 lần mỗi lần 10 giây, nên tổng thời gian đèn tín hiệu báo rẽ làm việc là 1 phút.
=> Hệ số sử dụng đèn tín hiệu báo rẽ trên đồng hồ: 10 1 = 0,1
- Hệ số sử dụng đèn báo pha Giả sử xe bật đèn pha suốt trong quá trình di chuyển.
=> Hệ số sử dụng đèn báo pha bằng 1
- Hệ số sử dụng của còi Giả sử ta bật còi 10 lần, mỗi lần 2 giây Nên thời gian còi làm việc là 1 3 phút.
=> Hệ số sử dụng của còi là:
10 = 0,033 a Trường hợp ban ngày Gồm các tải sau: Đèn đồng hồ + đèn phanh + đèn tín hiệu báo rẽ + đèn tín hiệu báo rẽ trên đồng hồ + còi.
Ta có công suất tiêu thụ ban ngày:
Công suất dư thừa ban ngày: Pdtbn = Pmp – Pbn = 220 – 10,594 = 209,406 (W)
Máy phát Chỉnh lưu/ bộ sạc Ắc quy
Công tắc cảm biến nhiệt độ
Hệ thống thu hồi năng lượng thừa b Trường hợp ban đêm Gồm các tải sau: Đèn đồng hồ + đèn phanh + đèn tín hiệu báo rẽ + đèn tín hiệu báo rẽ trên đồng hồ + còi + đèn đầu (pha) + đèn biển số + đèn báo pha.
Ta có công suất tiêu thụ ban đêm:
Pbđ = 1,7.2 + 21.0,1 + 21.2.0,1 + 3.0,1 + 18.0,033 + 35 + 5 + 1,7 = 52,294 (W) Công suất dư thừa ban đêm: Pdtbđ = Pmp – Pbđ = 220 – 52,294 = 167,706 (W)
3.5.3 Thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng thừa từ máy phát a Phương án 1
Trong 2 trường hợp sạc ắc quy, khi điện đủ mạnh hay xe ở tốc độ cao thì hiệu điện thế cũng tăng theo Khi HDT vượt quá 14.5V thì diot Zener (diot ổn áp) sẽ mở ra cho dòng điện đi về mass xả điện ra ngoài bằng cách tản nhiệt thông qua các cánh tản nhiệt trên bộ chỉnh lưu và làm nóng bộ chỉnh lưu Khi điện đủ mạnh hay xe ở tốc độ cao thì điện về mass nhiều, nhiệt độ của các cánh tản nhiệt trên tiết chế dần cao hơn
Từ đó chúng em đưa ra phương án, dùng công tắc cảm biến nhiệt độ gắn vào bộ chỉnh lưu Khi tới một nhiệt độ nhất định thì công tắt nhiệt sẽ mở, dòng điện đi qua hệ thống thu hồi nạp vào siêu tụ.
Hình 3.8 Sơ đồ khối phương án 1. b Phương án 2
Trường hợp này chúng em đưa ra phương án như sơ đồ hình 3.9 dưới đây Nguồn điện xoay chiều từ máy phát đi đến bộ chỉnh lưu rồi sạc vào ắc quy như thông thường.Thì từ nguồn điện xoay chiều từ máy phát đi ra đó, ta gắn thêm diot cầu 3 pha để chuyển đổi dòng điện AC thành DC (gắn song song với bộ chỉnh lưu) Rồi sẽ qua diotZener rồi về hệ thống thu hồi.
Máy phát Chỉnh lưu/ bộ sạc Ắc quy
Hệ thống thu hồi năng lượng thừa
Máy phát Diot cầu 3 pha
AC - DC Diot Zener Ắc quy Hệ thống thu hồi năng lượng thừa
Hình 3.9 Sơ đồ khối phương án 2.
Nguyên lý làm việc của phương án 2 là khi điện đủ mạnh hay xe ở tốc độ cao thì hiệu điện thế cũng tăng theo Khi HDT vượt quá 14.5V thì diot Zener trong cụm điều áp của bộ chỉnh lưu sẽ mở ra cho dòng điện đi về mass Vì mắc song song nên có thể điện áp của bộ chỉnh lưu bằng điện áp của diot cầu 3 pha Nên khi đó hiệu điện thế lớn hơn 14,5V diot Zener từ diot cầu 3 pha đi ra sẽ mở để dòng điện đi về hệ thống thu hồi năng lượng.
Nhưng khi ta đo đạc thực tế lắp đặt hệ thống như phương án trên thì hiệu điện thế đến diot cầu 3 pha luôn luôn dưới 10V (kết quả đo đạc thực tế) vì dòng điện từ máy phát đã đi về hết bộ chỉnh lưu Nên trường hợp này không thể thu hồi năng lượng dư thừa được. c Phương án 3
Thay thế bộ chỉnh lưu (bỏ luôn bộ chỉnh lưu của xe máy) Nguồn điện từ máy phát sẽ đến diot cầu 3 pha để chuyển đổi dòng điện AC thành DC Rồi qua cụm các diot Zener để vừa sạc cho ắc quy vừa thu hồi nguồn năng lượng thừa
Hình 3.10 Sơ đồ khối phương án 3.
Nhưng khi đo đạc thực tế ta có kết quả sau: Khi nổ máy dòng điện từ máy phát phát ra là 28V, khi roda máy ổn định thì hiệu điện thế dao động từ 22V đến 24V Còn ở trường hợp đi với tốc độ từ 0 đến 60km/h (đo đạc thử nghiệm đi trong giới hạn tốc độ cho phép tham gia giao thông) thì hiệu điện thế đạt đến 75V Hiệu điện thế giữa dòng AC và DC là bằng nhau, nên khi đó dòng điện đến cụm diot Zener rất lớn nên phương án này ta không thể sạc điện được cho ắc quy cũng như thu hồi lượng điện dư thừa. d Lựa chọn phương án, thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng thừa từ máy phát
Từ những phương án nghiên cứu trên, nhận thấy phương án 2 và 3 không phù hợp và không có thể thực hiện được Nên chúng em chọn phương án 1 để thu hồi năng lượng dư thừa từ máy phát.
Lắp đặt hệ thống thu hồi năng lượng thừa từ máy phát
Hình 4.1 Hệ thống thu hồi năng lượng thừa từ máy phát.
Hình 4.2 Hệ thống thu hồi năng lượng thừa từ máy phát để cấp cho bộ sinh khí HHO lắp đặt trên xe Honda Lead 110cc.
Thử nghiệm nguồn năng lượng thừa từ máy phát
4.2.1 Đo đạc nhiệt độ ban đầu của bộ chỉnh lưu qua các ngày a Cách tiến hành
Sử dụng đồng hồ cảm biến nhiệt độ.
Gắn đầu cảm biến nhiệt vào bộ chỉnh lưu. Đọc và ghi lại kết quả qua các ngày. b Kết quả
Bảng 4.1 Nhiệt độ ban đầu của bộ chỉnh lưu qua 10 ngày.
4.2.2 Thử nghiệm quá trình sạc đầy ắc quy a Chuẩn bị
Kiểm tra lại sự đấu dây của toàn bộ hệ thống điện trên xe gắn máy thử nghiệm. Đồng hồ đo nhiệt độ cảm biến. Đồng hồ đo dung lượng.
Khởi động máy cho động cơ làm việc.
- Ở chế độ roda máy khi có tải và không có tải.
- Ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h (thực nghiệm trong giới hạn tốc độ cho phép khi tham gia giao thông) khi có tải và không có tải. b Quy trình làm thử nghiệm
Gắn đầu cảm biến của đồng hồ đo nhiệt độ lên cánh của bộ chỉnh lưu, đọc kết quả nhiệt độ ban đầu khi động cơ chưa làm việc
Gắn đồng hồ đo dung lượng vào ắc quy để đo theo dõi mức năng lượng
Bắt đầu nổ máy, và theo dõi ghi lại số liệu. c Kết quả ở chế độ roda máy
Trong trường hợp này, nhiệt độ bình thường ban đầu của bộ chỉnh lưu là 25 o C. Ắc quy có giá trị điện áp khi chưa nổ máy 12,2V Dung lượng ắc quy ban đầu là 12,2V.
Bảng 4.2 Bảng giá trị các thông số sạc ắc quy ở chế độ roda máy khi không tải.
Thời gian sạc đầy ắc quy (giây) Nhiệt độ của bộ chỉnh lưu khi không tải ( o C) Điện áp ắc quy
Bảng 4.3 Bảng giá trị các thông số sạc ắc quy ở chế độ roda máy khi có tải.
Thời gian sạc đầy ắc quy (giây) Nhiệt độ của bộ chỉnh lưu khi có tải ( o C) Điện áp ắc quy
25,9 13,2 100 d Kết quả ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h (thực nghiệm trong giới hạn tốc độ cho phép khi tham gia giao thông).
Trong trường hợp này, nhiệt độ bình thường ban đầu của bộ chỉnh lưu là 25 o C. Ắc quy có giá trị điện áp khi chưa nổ máy 12,2V Dung lượng ắc quy ban đầu là 12,2V (cùng điều kiện nhiệt độ, điện áp và dung lượng ở chế độ roda máy).
Bảng 4.4 Bảng giá trị các thông số sạc ắc quy ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h khi không tải.
Thời gian sạc đầy ắc quy (giây) Nhiệt độ của bộ chỉnh lưu khi không tải ( o C) Điện áp ắc quy
Bảng 4.5 Bảng giá trị các thông số sạc ắc quy ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h khi có tải.
Thời gian sạc đầy ắc quy (giây) Nhiệt độ của bộ chỉnh lưu khi có tải ( o C) Điện áp ắc quy
Dựa vào kết quả thử nghiệm quá trình sạc đầy ắc quy Từ lúc chưa nổ máy dung lượng ắc quy là 66% tương ứng với nhiệt độ ban đầu của bộ chỉnh lưu là 25 o C đến lúc ắc quy được sạc đầy 100% tương ứng với nhiệt độ của bộ chỉnh lưu là 25,9 - 26 o C Có nghĩa là khi nhiệt độ của bộ chỉnh lưu tăng trong khoảng 0,9 - 1 o C thì ắc quy được sạc đầy Thời gian để sạc đầy ắc quy trong các trường hợp roda máy chậm hơn khi thử nghiệm chạy trên đường, và ở chế độ có tải thời gian sạc đầy ắc quy chậm hơn trong chế độ không tải.
Từ thí nghiệm đo đạc nhiệt độ ban đầu của bộ chỉnh lưu khi chưa nổ máy trong vòng 10 ngày, nhận thấy nhiệt độ của ngày cao nhất là 27,5 o C và nhiệt độ của ngày thấp nhất là 23,5 o C.
Trong các trường hợp thí nghiệm trong đồ án này, các thí nghiệm được làm trong cùng điều kiện nhiệt độ ban đầu của bộ chỉnh lưu là 25 o C Sau một thời gian nhiệt độ của bộ chỉnh lưu tăng trong khoảng 0,9 - 1 o C thì ắc quy được sạc đầy
Từ các thí nghiệm đó, nhóm đồ án lấy nhiệt độ ban đầu của bộ chỉnh lưu ngày cao nhất là 27,5 o C cộng với nhiệt độ của bộ chỉnh lưu tăng 1 o C thì ắc quy được sạc đầy để cài đặt nhiệt độ của công tắt nhiệt để thu hồi nguồn năng lượng dư thừa từ máy phát.
4.2.3 Thử nghiệm lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu khi chưa lắp đặt hệ thống thu hồi a Chuẩn bị
Kiểm tra lại sự đấu dây của toàn bộ hệ thống điện trên xe gắn máy thử nghiệm. Đồng hồ đo nhiệt độ cảm biến.
Khởi động máy cho động cơ làm việc.
- Ở chế độ roda máy khi có tải và không có tải.
- Ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h (thực nghiệm trong giới hạn tốc độ cho phép khi tham gia giao thông) khi có tải và không có tải. b Quy trình làm thử nghiệm
Gắn đầu cảm biến của đồng hồ đo nhiệt độ lên cánh của bộ chỉnh lưu, đọc kết quả nhiệt độ ban đầu khi động cơ chưa làm việc
Bắt đầu nổ máy, và theo dõi ghi lại số liệu. c Kết quả ở chế độ roda máy
Trong trường hợp này, nhiệt độ bình thường ban đầu của bộ chỉnh lưu là 25 o C. Ắc quy có giá trị điện áp khi chưa nổ máy 12,2V.
Bảng 4.6 Lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu khi chưa lắp đặt hệ thống thu hồi ở chế độ roda máy.
Thời gian (phút) Có tải ( o C) Không tải ( o C)
10 20 30 40 50 60 70 Đồ thị lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu khi chưa lắp đặt hệ thống thu hồi ở chế độ roda máy
Hình 4.3 Đồ thị lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu khi chưa lắp đặt hệ thống thu hồi ở chế độ roda máy. d Kết quả ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h (thực nghiệm trong giới hạn tốc độ cho phép khi tham gia giao thông).
Trong trường hợp này, nhiệt độ bình thường ban đầu của bộ chỉnh lưu là 25 o C (cùng điều kiện nhiệt độ ban đầu ở chế độ roda máy). Ắc quy có giá trị điện áp khi chưa nổ máy 12,2V.
Bảng 4.7 Lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu khi chưa lắp đặt hệ thống thu hồi ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h.
Thời gian (Phút) Có tải ( o C) Không tải ( o C)
10 20 30 40 50 60 70 Đồ thị lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu khi chưa lắp đặt hệ thống thu hồi ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h
Hình 4.4 Đồ thị lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu khi chưa lắp đặt hệ thống thu hồi ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h.
4.2.4 Thử nghiệm lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu sau khi lắp đặt hệ thống thu hồi a Chuẩn bị
Kiểm tra lại sự đấu dây của toàn bộ hệ thống điện trên xe gắn máy thử nghiệm. Đồng hồ đo nhiệt độ cảm biến.
Khởi động máy cho động cơ làm việc.
- Ở chế độ roda máy khi có tải và không có tải.
- Ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h (thực nghiệm trong giới hạn tốc độ cho phép khi tham gia giao thông) khi có tải và không có tải. b Quy trình làm thử nghiệm
Gắn đầu cảm biến của đồng hồ đo nhiệt độ lên cánh của bộ chỉnh lưu, đọc kết quả nhiệt độ ban đầu khi động cơ chưa làm việc
Bắt đầu nổ máy, và theo dõi ghi lại số liệu. c Kết quả ở chế độ roda máy
Trong trường hợp này, nhiệt độ bình thường ban đầu của bộ chỉnh lưu là 25 o C (cùng điều kiện nhiệt độ ban đầu ở chế độ thử nghiệm khi chưa lắp đặt hệ thống thu hồi). Ắc quy có giá trị điện áp khi chưa nổ máy 12,2V.
Bảng 4.8 Lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu khi đã lắp đặt hệ thống thu hồi ở chế độ roda máy.
Thời gian (phút) Có tải ( o C) Không tải ( o C)
0 10 20 30 40 50 60 Đồ thị lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu khi đã lắp đặt hệ thống thu hồi ở chế độ roda máy có tải không tải
Hình 4.5 Đồ thị lượng điện từ máy phát dư thừa làm nóng bộ chỉnh lưu khi đã lắp đặt hệ thống thu hồi ở chế độ roda máy. d Kết quả ở chế độ xe chạy từ 0 – 60km/h (thực nghiệm trong giới hạn tốc độ cho phép khi tham gia giao thông).
Đánh giá sự phóng, nạp của siêu tụ điện
4.3.1 Thử nghiệm thời gian nạp điện a Tiến hành thử nghiệm
Kiểm tra lại sự đấu dây của toàn bộ hệ thống điện trên xe gắn máy thử nghiệm. Kiểm tra sự chắc chắn vị trí lắp siêu tụ điện. Đồng hồ đo Vôn.
Chọn vị trí đo điện áp DC ở vị trí 20V hoặc 50V.
Khởi động máy cho động cơ làm việc.
Khi khởi động máy cho động cơ làm việc Tụ bắt đầu được nạp điện từ khi công tắc nhiệt bắt đầu đóng. b Kết quả Để nạp đầy được siêu tụ điện gồm 6 siêu tụ điện có điện dung 500 F với điện áp 2,7 V nối tiếp với nhau thì sau khoảng hơn 6 phút điện áp sẽ đạt được giá trị từ 0V – 16,2V.
Dòng điện nạp vào tụ là 5A.
4.3.2 Thử nghiệm thời gian tự phóng điện a Tiến hành thử nghiệm
Chuẩn bị: Đồng hồ đo Vôn.
Chọn vị trí đo điện áp DC ở vị trí 20 V hoặc 50 V.
Lắp siêu tụ vào hệ thống thu hồi năng lượng điện thừa từ máy phát.
Nạp đầy điện cho siêu tụ đạt 16,2V.
Chế độ thử nghiệm: Đo kiểm và ghi giá trị điện áp sau 12 giờ. b Kết quả
Bảng 4.10 Giá trị điện áp của siêu tụ điện tự phóng qua các giờ trong 1 ngày.
Thời gian (giờ) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Điện áp (V) 16.2 14.57 14.07 13.75 13.48 13.26 13.09 12.95 12.7
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Đồ thị thể hiện giá trị điện áp của siêu tụ tự phóng điện qua các giờ trong 1 ngày.
Thời gian (giờ) Đ iệ n áp (V )
Hình 4.7 Đồ thị thể hiện giá trị điện áp của siêu tụ tự phóng điện qua các giờ trong 1 ngày.
Bảng 4.11 Giá trị điện áp của siêu tụ điện tự phóng qua 10 ngày.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 Đồ thị thể hiện giá trị điện áp của siêu tụ tự phóng điện qua 10 ngày.
Thời gian (ngày) Đ iệ n áp (V )
Hình 4.8 Đồ thị thể hiện giá trị điện áp của siêu tụ tự phóng điện qua 10 ngày.
4.3.3 So sánh thời gian phóng, nạp của siêu tụ điện so với ắc quy
Bảng 4.12 So sánh thời gian phóng, nạp của siêu tụ điện so với ắc quy.
Siêu tụ điện Ắc quy
Thời gian xả 416,65 giây Thời gian xả là: 5Ah
Thời gian nạp 5 ÷ 15 phút Thời gian nạp lại khoảng 10 giờ
Phóng nạp nhiều lần (hàng vạn lần) Từ 200 đến 1000 lần
Dung lượng: 83,3 F Dung lượng: 12 V – 5Ah
Thân thiện môi trường Các sản phẩm phế thải không thân thiện với môi trường Năng lượng riêng: 5,9 Wh/kg Năng lượng riêng: 30 Wh/kg
Hiện tượng tự phóng nhanh hơn Hiện tượng tự phóng điện lâu hơn
Thời gian làm việc: 10 năm Thời gian làm việc: 02 năm
Trọng lượng: 0,46 kg Trọng lượng: 2,6 kg
THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT KHẢ NĂNG SINH KHÍ HHO
Thử nghiệm khả năng sinh khí HHO khi dùng siêu tụ cấp nguồn năng lượng cho bộ sinh khí
Chuẩn bị hệ thống sinh khí HHO với đầy đủ các đồng hồ đo dòng điện, đo điện áp, đo lưu lượng và bộ điều chỉnh điện.
Chuẩn bị dung dịch điện phân với các nồng độ 10g/l, 15g/l, 20g/l, 25g/l: (KOH hoặc NaOH) Trong thí nghiệm này chúng tôi sử dụng dung dịch NaOH.
Siêu tụ được nộp đầy 16,2V Cấp điện từ siêu tụ cho hệ thống sinh khí HHO.
Mở tối đa lưu lượng kế. Điều chỉnh thang đo trên bộ điều chỉnh đến điện áp cần đo (PWM), chờ cho hệ thống hoạt động ổn định sau đó đọc các giá trị của các đồng hồ đo.
Kết quả thử nghiệm với hai trạng thái của động cơ: siêu tụ nộp đầy khi động cơ không hoạt động và siêu tụ nộp đầy động cơ hoạt động không tải được thể hiện ở bảng (5.1).
Bảng 5.1 Thống kê số liệu thí nghiệm.
Trạng thái động Nồng độ 20g/l NaOH 25g/l NaOH ph)
Khả năng sinh khí theo điện năng tiêu thụ khi động cơ không hoạt động với chất điện phân là NaOH
Hình 5.1 Khả năng sinh khí theo điện năng tiêu thụ khi động cơ không hoạt động với chất điện phân là NaOH.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Người hướng dẫn: GVC ThS Nguyễn Lê Châu Thành 59
Hình 5.2 Khả năng sinh khí theo điện năng tiêu thụ khi động cơ hoạt động không tải với chất điện phân là NaOH.
Nhật xét kết quả và so sánh khả năng sinh khí HHO khi cấp nguồn năng lượng bằng siêu tụ với ắc quy
Khi điện áp cao thì khả năng sinh khí HHO tăng, đồng thời cường độ dòng điện cũng tăng lên Khi động cơ không hoạt động và siêu tụ đã được nộp đầy thì mức điện áp chỉ điều chỉnh được tối đa là 11.5V đối với nồng độ 10g/l, 15g/l, 20g/l NaOH, và 11V đối với nồng độ 20g/l NaOH Kết quả thử nghiệm cho thấy khi động cơ không hoạt động điện áp điều chỉnh tối đa là 11,5V, lưu lượng khí HHO sinh ra cao nhất là 0,40l/ph Khi động cơ hoạt động điện năng được bổ sung từ máy phát của động cơ nên mức điện áp điều chỉnh cao nhất là 12,5V, lưu lượng khí HHO sinh ra là 0,48l/ph.
Công suất tiêu thụ điện: P=U I (W), với: U điện áp (V), I Cường độ dòng điện (A), dựa vào kết quả thử nghiệm ở bảng 5.1 ta có các đồ thị khả năng sinh khí theo điện năng tiêu thụ là khác nhau Càng tăng nồng độ dung dịch điện phân thì lưu lượng khí HHO sinh ra càng nhiều.
Kết quả thử nghiệm cho thấy ở động cơ hoạt động để đạt được lưu lượng HHO cao nhất là 0,48l/ph cần nồng độ dung dịch điện phân là 25g/l, tiêu thụ một công suất điện là 211,25W Công suất của máy phát trên xe là 220W so với công suất tiêu thụ là 211,25W thì vẫn đủ lượng điện cung cấp cho xe khi hoạt động.
5.2.2 So sánh khả năng sinh khí HHO khi cấp nguồn năng lượng bằng siêu tụ với ắc quy có điện áp phù hợp để cung cấp cho các hệ thống điện trên xe máy và cấp năng lượng cho bộ sinh khí HHO Nhóm tác giả nhận thấy, khi dùng siêu tụ có điện áp phù hợp để cấp nguồn năng lượng cho bộ sinh khí HHO thì khả năng sinh khí nhiều hơn so với khi dùng ắc quy Cụ thể là khi động cơ không hoạt động điện áp điều chỉnh tối đa là 11,5V, lưu lượng khí HHO sinh ra cao nhất là 0,40l/ph so với khi dùng ắc quy điện áp điều chỉnh tối đa là 10V, lưu lượng khí HHO sinh ra cao nhất là 0,27l/ph Khi động cơ ở trạng thái hoạt động không tải điện áp điều chỉnh tối đa là 12,5V, lưu lượng khí HHO sinh ra cao nhất là 0,48l/ph so với khi dùng ắc quy điện áp điều chỉnh tối đa là 11V, lưu lượng khí HHO sinh ra cao nhất là 0,30l/ph [3]
Tuy nhiên khi dùng siêu tụ để cấp nguồn cho bộ sinh khí HHO, với tính chất phóng điện rất nhanh của siêu tụ Trong trường hợp siêu tụ được sạc đầy khi động cơ không hoạt động, lưu lượng khí sinh ra rất cao nhưng được trong một khoảng thời gian ngắn Trong trường hợp siêu tụ được sạc đầy khi động cơ hoạt động, điện năng được bổ sung từ máy phát của động cơ, nên lưu lượng khí sinh ra cũng rất cao Nhưng do sự phóng điện rất nhanh của siêu tụ nên trong trường hợp động cơ hoạt động, mức điện áp cao nhất siêu tụ cấp cho bộ sinh khí được một lúc đầu, và sau đó giảm đi.