Bộ ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG NHIÊN LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG MỚI NÀY giúp các bạn sinh viên chuyên ngành cơ khí động lực học dễ dàng hơn trong việc học và ôn thi của mình. Đề cương được sắp xếp theo trình tự bài giản của giản viên và bám sát vào nội dung của bài học, các chủ đề quan trọng trong quá trình học tập.
ĐỀ CƢƠNG BÀI GIẢNG HỆ CAO1 ĐẲNG NGHỀ MƠN: NHIÊN LIỆU VÀ NĂNG LƢỢNG MỚI TRÊN Ơ TƠ (Thời gian: 30 tiết) - - Phân bổ thời gian: Lên lớp: 30 tiết T h c: 60 tiết Hình thức thi: Giữa kỳ - T luận (60p) Cuối kỳ - T luận (60p) Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ CHƢƠNG :TỔNG QUAN Số tiết: (Lý thuyết tiết, tập tiết) A MỤC TIÊU: Trình bày nguồn lượng truyền thống ưu nhược điểm Trình bày loại lượng sử dụng tơ Phân tích xu hướng sử dụng nguồn lượng B NỘI DUNG 1.1 Các nguồn lƣợng truyền thống 1.1.1 Khái qt lƣợng truyền thống Năng lượng truyền thống sử dụng tơ lượng nhiệt đốt cháy nhiên liệu lỏng có nguồn góc từ dầu mỏ xăng, dầu Diesel Dầu mỏ: có nguồn góc hữu hóa thạch, hình thành s phân hủy xác động th c vật lớp trầm tích đáy biển lòng đất tác dụng phá hủy vi khuẩn hiếu khí Dầu khí: tên g i dầu mỏ (dầu thơ) hỗn hợp khí thiên nhiên Dầu khí nguồn khống sản lớn q người, dầu khí cung cấp: 1.1.2 Ƣu điểm việc sử dụng lƣợng truyền thống Xe tơ chạy nhiên liệu truyền thống có ưu việt sau: Có hiệu suất sử dụng nhiên liệu tương đối cao Có độ ổn định độ tin cậy làm việc cao Động xe có đường đặc tính cơng suất moment thích hợp với sử dụng th c tế, đáp ứng linh hoạt chế độ hoạt động thường xun thay đổi xe Kích thước, khn khổ tr ng lượng tương đối nhỏ nên dễ dàng bố trí, lắp đặt xe, góp phần làm giảm tr ng lượng thân xe làm tăng tải tr ng có ích xe Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Dễ sử dụng sử dụng thời gian dài nên tạo “thói quen” cho người sử dụng Nạp nhiên liệu nhanh an tồn, lưu trữ bảo quản đơn giản Chi phí sử dụng thấp do: + Giá thành động thấp + giá nhiên liệu thấp + Mạng lưới phân phối rộng khắp Dễ bảo trì sửa chữa có giá thành bảo trì sửa chữa thấp q thơng dụng Do lợi điển mà động đốt chạy nhiên liệu lỏng truyền thống nguồn động l c cho ơtơ 1.1.3 Những hạn chế lƣợng truyền thống Q trình cháy khơng hồn tồn, tạo sản phẩm cháy : CO, CO2, HC, NOx, SOx, PM, … gây nhiễm mơi trường cân t nhiên Nhiên liệu sử dụng khơng tái tạo được, Nguồn nhiên liệu ngày cạn dần Bị lệ thuộc hồn tồn vào nhiên liệu lỏng - Ở mức độ quốc gia, quốc gia khơng sản xuất lượng, phương tiện vận chuyển hồn tồn phụ thuộc vào s độc quyền nhiên liệu, bị ảnh hưởng giá nhiên liệu s đảm bảo lượng lượng d trữ thị trường quốc tế - Ở mức độ tồn cầu, khoảng thời gian dài sau này, nguồn nhiên liệu để chạy động nhiệt bị hạn chế S cạn kiệt khơng thể tránh nguồn tài ngun việc tìm kiếm khai thác mỏ dầu, mỏ khí ngày khó khăn Ơ nhiễm mơi trường (CO, CO2, Nox, HC) Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Bảng 1.1 Sự gia tăng chất nhiễm khí quyển( sau 50 năm) 1.2 Các nguồn lƣợng 1.2.1 Xu hƣớng sử dụng nguồn lƣợng - Giải vấn đề cạn kiệt lượng truyền thống - Giảm nhiễm mơi trường 1.2.2 Các nguồn lƣợng - Sản phẩm xăng Ethanol (tiết kiệm giảm bớt khí thải CO2): Đây loại xăng pha cồn sinh h c, làm giảm bớt khí thải CO2 khơng khí, loại nhiên liệu thân thiện với mơi trường, đồng thời người tiêu dùng tiết kiệm 500 đồng/lít xăng so với giá xăng thơng thường (A92) - Biodiesel: Biodiesel g i Diesel sinh h c loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel khơng phải sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu th c vật hay mỡ động vật Biodiesel, hay nhiên liệu sinh h c nói chung, loại lượng Mặt khác chúng khơng độc dễ phân giải t nhiên - Biogas: Là loại khí sinh h c, sản xuất từ việc lên men yếm khí loại phân hữu hay xác động, th c vật Hiện quy mơ tồn cầu, Biogas nguồn lượng lớn Tổng sản lượng ứng dụng chiếm 9% đến 10 % tổng lượng giới Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ - Khí hố lỏng LPG (Liquefied Petrolium Gas), Khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas):Thành phần hóa h c chủ yếu LPG Propan (C3H8) Butan (C4H10), thành phần hóa h c CNG chủ yếu Metan (CH4) Hydrocacbon khác Etan, Propan - Hydro: nguồn lượng thay dầu - khí tương lai: Hydro loại khí có nhiệt cháy cao tất loại nhiên liệu thiên nhiên, sử dụng làm nhiên liệu phóng tàu vũ trụ Đặc điểm quan tr ng hydro phân tử khơng chứa ngun tố hóa h c khác, cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy chúng nước (H2O), g i nhiên liệu lý tưởng - Năng lượng gió động khơng khí di chuyển bầu khí Trái Đất Hình 1.2.Tuốc bin gió bờ biển Đan Mạch Hình 1.1 Tuốc bin gió Tây Ban Nha - Năng lượng mặt trời lượng thu nhận từ ánh sáng mặt trời + Tấm lượng mặt trời thiết bị để thu nhận lượng từ ánh sáng mặt trời Thuật ngữ sử dụng để chung lượng mặt trời để nung nước nóng (cung cấp nước nóng dùng nhà) hay quang điện (cung cấp điện năng) Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Hình 1.3 Một phòng giặt California sử dụng lượng mặt trời + Pin lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn diod p-n, duới s diện ánh sáng mặt trời có khả tạo dòng điện sử dụng S chuyển đổi g i hiệu ứng quang điện Hình 1.4 Một tế bào quang điện Năng lượng thủy triều hay điện thủy triều lượng điện thu từ lượng chứa khối nước chuyển động thủy triều Hiện số nơi giới triển khai hệ thống máy phát điện sử dụng lượng thuỷ triều, ví dụ điển hình hệ thống Limpet Hệ thống hoạt động theo ngun lý sau: + Lúc thuỷ triều thấp: chu trình nạp Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ + Thuỷ triều lên cao: chu trình nén + Thuỷ triều xuống thấp: chu trình xả, kết thúc nạp cho chu kỳ S thay đội chiều cao cột nước làm quay turbine tạo điện năng, máy Limpet đạt từ 250 KW đến 500 KW Hình 1.5 Hệ thống lượng thủy triều Bắc Ireland - Pin nhiên liệu ( Fuel-Cell) thiết bị dùng Hydro (hay nhiên liệu giàu Hydro) Oxy để tạo điện q trình điện hóa Hình 1.6 Pin nhiên liệu hydro Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ CHƢƠNG NHIÊN LIỆU CỒN Số tiết: (Lý thuyết tiết, tập tiết) A MỤC TIÊU: Hiểu khái niệm nhiên liệu tái sinh, nhiên liệu khơng tái sinh Giải thích Ethanol sử dụng phổ biến nhiên liệu Methanol Trình bày thay đổi kỹ thuật động sử dụng nhiên liệu cồn Trình bày quy trình sản xuất nhiên liệu Ethanol Trình bày quy trình sản xuất nhiên liệu Ethanol B NỘI DUNG: 2.1 Giới thiệu nhiên liệu cồn lịch sử phát triển 2.1.1 Giới thiệu nhiên liệu cồn Cồn loại nhiên liệu lỏng, có trị số octan cao Hiện nay, có loại cồn sử dụng cho động đốt cồn Methanol cồn Ethanol Cồn Methanol có nguồn gốc từ than đá khí thiên nhiên số octan 106 thích hợp động sử dụng chế hòa khí Cồn Ethanol sản xuất từ gốc th c vật loại nhiên liệu phục hồi trị số ốctan 106 Ethanol dùng làm nhiên liệu cho động đốt hỗn hợp xăng pha cồn Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Hình 2.1 Quy trình sản xuất sử dụng nhiên liệu cồn - Giới thiệu nhiên liệu tái sinh Ethanol loại nhiên liệu sản xuất chủ yếu từ mía, bắp, củ cải đường, rác thải nơng nghiệp,…Sản phẩm Ethanol sau bị đốt cháy bao gồm H2O CO2 Khí CO2 cối hấp thụ q trình quang hợp để phát triển Các loại mía, bắp, củ cải đường,… người trồng tiếp tục lại sử dụng để sản xuất nhiên liệu ethanol Và vòng tuần hồn tiếp tục thế, cho nên, người ta g i ethanol loại nhiên liệu tái sinh Dầu mỏ Hình 2.2 Nhiên liệu khơng tái sinh - Giới thiệu nhiên liệu khơng tái sinh Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Hầu hết nhiên liệu xăng, diesel dùng giao thơng sản xuất từ dầu mỏ Các sản phẩm dầu xem nhiên liệu khơng tái sinh (non–renew able) Khi dầu đốt cháy, khí CO2 thải mơi trường khơng khí, t nhiên khơng tái tạo CO2 quay trở lại thành dầu Vì vậy, số lượng khí CO2 khơng khí ngày gia tăng số lượng dầu mỏ đất ngày cạn kiệt 2.1.2 Lịch sử phát triển Khoảng kỷ 19, cồn methanol dùng Pháp loại nhiên liệu dùng để nấu ăn sưởi ấm Năm 1937, nước Đức tiêu thụ 70.000 metylic tổng hợp Năm 1971, Viện nghiên cứu dầu mỏ Mỹ tiếp tục xem xét vấn đề sử dụng Methanol, năm quan bảo vệ mơi trường giới thiệu cơng trình nghiên cứu hãng ESSO (nay hãng EXXON CORP) nhiên liệu thay Mùa hè 1974 Tổ chức kỹ thuật Mỹ tổ chức hội nghị chun đề vấn đề sử dụng Methanol làm nhiên liệu thay Cùng năm 1974, Bộ nghiên cứu cơng nghệ Đức giới thiệu cơng trình nghiên cứu sản xuất, phân phối, sử dụng, tính kinh tế s nguy hiểm Methanol Hydrơ dùng làm nhiên liệu Năm 1981, Ấn Độ nghiên cứu ứng dụng Methanol cách bổ sung thêm vào nhiên liệu diesel 2.2 Các tiêu kỹ thuật nhiên liệu cồn 2.2.1 Tính chất nhiên liệu cồn 2.2.1.1 Nguồn gốc, tính chất Methanol Nguồn gốc Methanol sản xuất chủ yếu từ khí t nhiên than đá Methanol dạng chất lỏng sử dụng cho động đốt tế bào nhiên liệu Tính chất Cơng thức hóa h c: CH3OH 10 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Pin nhiên liệu oxit rắn hoạt động nhiệt độ từ 600 đến 10000C, hiệu suất pin đạt khoảng 60%, cơng suất đầu pin đạt 100 kW Mỗi pin đơn tạo điện áp từ 0,8 đến 1,0 V Cũng giống pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy, vận hành nhiệt độ cao nên dạng pin nhiên liệu thường ứng dụng giới hạn hệ thống tĩnh lớn nhiệt thừa tái tận dụng để tạo thêm nguồn điện bổ sung Năm 2007, Giáo sư Shriram Ramanathan, chun ngành Khoa h c vật liệu phát triển thuộc Trường Đại h c Harvard (Mỹ) qua chế tạo chất điện phân ơxít rắn chất lượng cao, giúp cho đời pin nhiên liệu kiểu với khả sử dụng loại nhiên liệu sẵn có thay cho hyđro Mẫu pin hoạt động ổn định so với loại SOFC trước sử dụng số nhà máy phát điện hay ứng dụng cố định khác Theo đó, c c điện phân có độ dày vào khoảng 25 nanomét (bằng khoảng 1/1000 bề dày c c điện phân mẫu SOFC thời), cho phép pin nhiên liệu kiểu hoạt động tốt nhiệt độ 300oC, thấp nhiều so với 600oC – 1000oC SOFC thơng thường Sử dụng mẫu pin giúp giảm chi phí sản xuất, vận chuyển phân phối hydro dễ tạo thành khối pin nhỏ g n để sử dụng cho phương tiện giao thơng cho máy phát điện cầm tay Bảng 8.1 Tóm tắt đặc điểm loại pin nhiên liệu PE MFC AF C PAFC MCF SOFC C Dun Ch ất điện phân Màng g dòch polymer kiềm trao đổi (thường proton Muối Axit phosphoric carbonate nóng chảy Oxit kim loại rắn KOH) Vậ Carb Car Carbo Nick Nickel 118 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ t liệu on bon n el điện Nickel cực Oxide Ch ất xúc tác Plati n Vật Plat Platin in liệu điện cực Cobalt Perovs kites Hạ t mang điện H OH H CO32 O 2 60 - 65- 150- 6500 600- tích Nhi ệt độ hoạt 800C 2200C 2050C 10000C C động Hie äu suất 4050% 70 % 40- 60- 80% 80% 60% 8.3 Ứng dụng pin nhiên liệu tơ 8.3.1 Khái qt ơtơ pin nhiên liệu 8.3.1.1 Giới thiệu số ơtơ pin nhiên liệu Cũng giống ơtơ sử dụng lượng điện từ accu, ơtơ pin nhiên liệu dùng motor điện để vận hành bánh xe Do đó, hai loại ơtơ thiết kế với đặc tính hoạt động giống Tuy nhiên, pin nhiên liệu ơtơ pin nhiên liệu phát dòng điện từ hydro nhiên liệu giàu hydro, thời gian nạp nhiên liệu nhiều so với thời gian nạp điện cho accu 119 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Hình 8.16 Một ơtơ sử dụng pin nhiên liệu hãng Honda Ơtơ pin nhiên liệu có phạm vi hoạt động (qng đường chạy hai lần tiếp nhiên liệu) dài nhiều so với ơtơ chạy accu s giới hạn dung lượng accu (ơtơ chạy accu có phạm vi hoạt động khảng 80-160 km) Tuy nhiên, hai loại ơtơ cần phải nâng cao khoảng cách qng đường chạy để so sánh với ơtơ xăng diesel (480 – 640 km) Một ưu điểm khác ơtơ chạy pin nhiên liệu so với ơtơ chạy accu hệ thống phân phối nhiên liệu lỏng dễ dàng thiết lập nhờ vào trạm xăng Các trạm xăng chuyển đổi sang nhiên liệu giàu hydro cung cấp cho pin nhiên liệu, đó, trạm nạp điện cho accu phải xây d ng từ đầu chạy ơtơ điện Việc sử dụng pin nhiên liệu để tạo dòng điện cung cấp cho động điện ơtơ bước phát triển cho cơng nghệ ơtơ điện Tuy nhiên, ơtơ trang bị pin nhiên liệu cách đơn độc có nhược điểm cồng kềnh, thời gian khởi động dài, khả tăng tốc kém,…Vì vậy, loại ơtơ sử dụng cơng nghệ lai hóa hai nguồn lượng S lai hệ thống pin nhiên liệu với nguồn lượng khác xem cách có hiệu việc khắc phục bất lợi xe trang bị pin nhiên liệu Thơng thường, người ta thường sử dụng accu siêu tụ điện kết hợp với pin nhiên liệu để làm nguồn lượng cho ơtơ Cấu hình cho phép tận dụng ưu điểm hai nguồn lượng gây nhiễm mơi trường Accu siêu tụ dùng loại ơtơ g i chung nguồn cơng suất c c đại (peaking power source, viết tắt PPS) chức chúng hỗ trợ ơtơ cần 120 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ đạt cơng suất c c đại Nguồn cơng suất c c đại dùng để hỗ trợ pin nhiên liệu xe khởi động tăng tốc Trong số trường hợp, nguồn cơng suất c c đại t vận hành xe lúc pin nhiên liệu đóng vai trò máy sạc điện cho nguồn cơng suất c c đại Hệ thống truyền động ơtơ pin nhiên liệu điển hình mơ tả hình 4.3 Nó chủ yếu gồm phận sau: hệ thống pin nhiên liệu, nguồn cơng suất c c đại (PPS), motor điện điều khiển motor điện, điều khiển xe, giao tiếp điện tử hệ thống pin nhiên liệu PPS (bộ chuyển đổi DC/DC) Tùy theo cơng suất moment xoắn u cầu từ tín hiệu bàn đạp ga bàn đạp phanh tín hiệu vận hành khác, điều khiển xe điều khiển dòng lượng hệ thống pin nhiên liệu, PPS hệ thống truyền động để cơng suất moment xoắn đầu motor đạt u cầu tài xế Khi u cầu cơng suất cao, ví dụ gia tốc đột ngột, hai hệ thống pin nhiên liệu PPS cung cấp lượng đến motor điện Khi phanh, motor điện làm việc máy phát chuyển đổi phần lượng phanh thành lượng điện d trữ PPS PPS phục hồi lượng từ hệ thống pin nhiên liệu cơng suất tải thấp cơng suất thiết kế hệ thống pin nhiên liệu Như vậy, với thiết kế chiến lược điều khiển thích hợp, PPS khơng cần nạp lại từ nguồn điện bên ngồi xe 1-Bàn đạp ga; 2-Bàn đạp phanh; 3-Bộ điều khiển xe; 4-Hệ thống pin nhiên liệu; 5Nguồn cơng suất c c đại; 6-Bộ giao tiếp điện tử; 7-Bộ điều khiển motor; 8-Motor điện; 9Hộp số; 10-Các bánh xe 121 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ (1)-Tín hiệu điều khiển kéo; (2)-Tín hiệu điều khiển phanh; (3)-Tín hiệu lượng PPS; (4)-Tín hiệu cơng suất pin nhiên liệu; (5)-Tín hiệu điều khiển giao tiếp điện tử; (6)Tín hiệu điều khiển motor; (7)-Tín hiệu tốc độ xe Hình 8.17 Cấu hình hệ thống truyền động ơtơ pin nhiên liệu điển hình 8.3.1.2 Ơtơ pin nhiên liệu General Motors (GM) (tham khảo) 8.3.1.3 Ơtơ pin nhiên liệu Pininfarina (tham khảo) 8.3.2 Phân loại ơtơ pin nhiên liệu Hiện nay, có nhiều cách phân loại ơtơ pin nhiên liệu, chủ yếu phân loại theo nhiên liệu cung cấp cho pin nhiên liệu Theo cách phân loại này, ơtơ pin nhiên liệu có hai loại: ơtơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp (hình 9.20a) ơtơ pin nhiên liệu sử dụng hydro tr c tiếp (hình 9.20b) (a) (b) Hình 8.18 Ơtơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp (a) Ơtơ pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp (b) 8.3.2.1 Ơtơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp Trong loại này, nhiên liệu thứ cấp hệ thống biến đổi nhiên liệu xe chuyển thành hydro, sau hydro đưa đến điện c c pin nhiên liệu Sử dụng nhiên liệu hydrocarbon có ưu điểm ơtơ sử dụng trạm nhiên liệu có, nhược điểm đòi hỏi phải phát triển hệ thống tinh chế nhỏ g n, 122 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ hiệu suất cao để có khả xử lý nhiên liệu hydrocarbon xe Điều làm tăng tính phức tạp chi phí chế tạo tăng theo 8.3.2.2 Ơtơ pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp Trong loại này, ơtơ sử dụng hydro cung cấp tr c tiếp cho pin nhiên liệu mà khơng thơng qua chuyển đổi nhiên liệu Ơtơ pin nhiên liệu cung cấp nhiên liệu hydro tr c tiếp cần phải có trạm nạp nhiên liệu hydro đặc biệt thay cho trạm nhiên liệu truyền thống Ngồi ra, chúng cần kỹ thuật nhằm d trữ lượng lớn hydro xe để chạy qng đường dài 8.3.3 Các thành phần ơtơ pin nhiên liệu 8.3.3.1 Hệ thống pin nhiên liệu Qua q trình phát triển lâu dài, nay, pin nhiên liệu có nhiều loại, loại có đặc trưng riêng Tùy vào ứng dụng cụ thể mà người ta l a ch n loại pin nhiên liệu phù hợp Thơng thường, để l a ch n loại pin nhiên liệu cho ứng dụng cụ thể, người ta thường d a vào tiêu như: điều kiện làm việc ứng dụng, nhiệt độ làm việc pin nhiên liệu, nguồn nhiên liệu sử dụng cho pin nhiên liệu, tính kinh tế so với nguồn lượng khác, kích thước khối lượng pin nhiên liệu, độ tin cậy hệ thống pin nhiên liệu,… Cũng ứng dụng khác, ơtơ sử dụng pin nhiên liệu đòi hỏi phải có s cân nhắc việc l a ch n kiểu pin nhiên liệu, cho vừa phù hợp với điều kiện làm việc ơtơ, vừa mang lại hiệu kinh tế cao, đồng thời phải đáp ứng u cầu mà ơtơ đòi hỏi, đủ sức cạnh tranh với ơtơ sử dụng nguồn lượng khác Hiện nay, đa số ơtơ sử dụng cơng nghệ l a ch n pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) lý sau: - Do màng điện phân chất rắn nên tránh vấn đề rò rỉ - Nhiệt độ hoạt động thấp nên nhanh chóng tạo lượng điện để đáp ứng u cầu xe - Khơng có chứa chất ăn mòn nên tuổi th cao 123 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ 8.3.3.2 Thùng chứa nhiên liệu Đối với ơtơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp thùng chứa nhiên liệu tương t ơtơ sử dụng nhiên liệu truyền thống Còn ơtơ pin nhiên liệu sử dụng hydro tr c tiếp đòi hỏi phải có thiết bị để tích trữ hydro Hình 8.19 Bình chứa Quantum chứa khí hydro nén đến áp suất 1000 psi Có nhiều cách khác để tích trữ hydro tinh khiết ơtơ Tuy nhiên, có hai loại phổ biến bình tích trữ khí hydro nén áp suất cao bình cách ly tốt dùng cho hydro lỏng Hình 8.20 Cấu tạo bình chứa hydro lỏng 8.3.3.3 Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bị tạo hydro) Cấu tạo chyển đổi nhiên liệu thể hình 4.7 Ngun lý hoạt động sau: 124 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Hỗn hợp nhiên liệu nước theo đường ống đưa vào chuyển đổi Hỗn hợp nhiên liệu thơ chuyển đổi lớp chất xúc tác để tạo hỗn hợp khí có chứa khí hydro Hỗn hợp khí tiếp tục qua ống hấp thụ hydro (là loại ống kiểu màng) để khí hydro tách riêng Tiếp theo, khí hydro đưa ngồi theo đường ống 3; CO2, CO, H2O nhiên liệu khơng phản ứng khơng xun qua ống hấp thụ mà chúng đưa ngồi theo đường khác (khơng thể hình vẽ) Lớp chất xúc tác ống hấp thụ hydro kiểu màng đặt xilanh xilanh đặt bên lớp vỏ 10 Mặt khác, chuyển đổi nhiên liệu có ngòi đốt Ngòi đốt đặt tâm lớp vật liệu chịu nhiệt hình vẽ Ngòi đốt đốt nhiên liệu đưa vào thơng qua ống khơng khí đưa vào thơng qua ống Bằng cách tạo lượng nhiệt cần thiết để tạo nước cho phản ứng chuyển đổi Hơi nước cung cấp đến lớp chất xúc tác để giữ cho lớp chất xúc tác nhiệt độ xác định trước - Ống vào nhiên liệu thơ; - Ống nhiên liệu hydro; - Lớp chất xúc tác - Ống hấp thụ hydro 125 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du – Xilanh; Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ - Lớp vật liệu chịu nhiệt; - Ngòi đốt - Đường đưa nhiên liệu vào để đốt; 10 - Vỏ chuyển đổi; - Đường nạp khơng khí 11 - Đường ống thải Hình 8.21 Cấu tạo chuyển đổi nhiên liệu Ở chuyển đổi này, loại nhiên liệu khí thiên nhiên, loại hydrocacbon nhẹ sử dụng Tuy nhiên khí ga t nhiên nén (CNG) phù hợp tốt cho loại chuyển đổi Chất xúc tác chuyển đổi dùng từ nhiều loại chất xúc tác khác để tạo hydro từ loại nhiên liệu kể trên, với q trình chuyển đổi nước Ống hấp thụ hợp thành từ màng kim loại hấp thụ hydro Nó cho phép hydro qua cung cấp hydro đến pin nhiên liệu Hydro qua ống màng kim loại có s l a ch n, hydro có độ tinh khiết cao qua Thêm vào đó, ống hấp thụ hydro l a ch n tách hydro từ sẩn phẩm q trình phản ứng, làm giảm áp suất cục hydro sản phẩm Vì vậy, phản ứng đẩy mạnh bề mặt chất xúc tác lượng khí hydro tăng lên Bằng việc sử dụng ống màng hấp thụ nhiệt độ vùng phản ứng cần đạt 500 oC đến 600 oC Trong trường hợp khí chuyển đổi khí methane nhiệt độ vùng phản ứng u cầu khoảng 800 oC Do hydro hút xun qua màng hấp thụ nên phản ứng hóa h c dịch chuyển vào bên lớp chất xúc tác, điều làm cho hydro tăng lên mà nhiệt độ vùng phản ứng lại giảm xuống khoảng 200oC đến 300oC Vì vậy, lượng nhiệt cấp cho khí phản ứng tiết kiệm làm cho hiệu suất nhiệt tăng lên đáng kể Bởi nhiệt độ phản ứng thấp nên vật liệu rẻ tiền, chịu nhiệt độ thấp sử dụng cho thiết bị dẫn đến chi phí cho thiết bị giảm xuống Đây lí đặc biệt phù hợp để ứng dụng xe chạy pin nhiên liệu 8.3.3.4 Nguồn cơng suất cực đại 126 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Hai loại thiết bị l a ch n làm nguồn cơng suất c c đại cho ơtơ pin nhiên liệu accu siêu tụ Accu (battery) Hiện nay, có nhiều loại accu sử dụng ơtơ pin nhiên liệu như: accu chì-axit, accu nikel-hydrua kim loại (NiMH), accu Lithium-ion,… Bảng 9.4 so sánh vài thơng số số accu thường ứng dụng ơtơ Qua thấy accu Li-ion có ưu điểm bật loại accu khác lượng riêng, cơng suất riêng giá ban đầu,… Ngồi ra, accu Li-ion có khả sạc nhanh loại accu khác sạc accu đầy mà khơng làm “chai” accu Vì vậy, loại accu ngày ứng dụng rộng rãi ơtơ điện Bảng 8.2 Các thơng số tiêu biểu vài loại accu ứng dụng ơtơ L oại Năn Cơ g lượng ng suất riêng riêng accu (Wh /kg) C – hì axit 50 N iMH 95 Li -ion 15 - 400 70 - 20 - 300 80 130 lần phóng nạp ( W/kg) 25 - Số (lầ n) lệ t Giá phóng (%/ (USD/k Wh) 48 giờ) 50 - 0,6 1000 - 1200 >1 000 0,7 120 - 200 - 150 75 20 - 300 Tỷ 350 200 Siêu tụ (super-capacitor hay ultra-capacitor) 127 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Siêu tụ loại tụ điện, ngun lý hoạt động minh h a hình 9.24 Khi hai carbon nhúng vào dung dịch axit sulfuric lỗng, ngăn cách với nạp với điện áp tăng từ -1,5V, khơng có tượng xảy điện áp lên đến 1V Nhưng điện áp 1.2 V thấy xuất b t khí nhỏ hai c c, s phân ly nước Như vậy, carbon phía c c âm thu thập electron sau ion dương chất điện phân; carbon phía c c dương thu thập điện tích dương ion âm chất điện phân Lớp ngăn cách khơng cho hai điện c c chạm cho phép ion dương ion âm di chuyển điện c c Điều làm hình thành “lớp lưỡng c c điện” vùng tiếp xúc c c chất điện phân, làm cho tụ điện giống hai tụ điện mắc nối tiếp Hình 8.22 Ngun lý hoạt động siêu tụ Thiết kế làm cho điện tích điện c c gần tăng diện tích tiếp xúc tương đối c c, từ làm tăng điện dung siêu tụ lên lớn 128 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Có ưu điểm lớn việc sử dụng lớp lưỡng c c điện thay plastic hay oxit nhơm tụ điện lớp lưỡng c c điện mỏng điện dung diện tích bề mặt lớn ( 2,5 5F / cm ) Mặt khác, c c làm vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn ( 1000 3000m / g ) Như vậy, với 1g vật liệu điện c c có diện tích bề mặt riêng 1000m / g , điện dung siêu tụ lên đến 50F Siêu tụ thiết bị có cơng suất riêng cao so với accu, lại có lượng riêng thấp Năng lượng riêng nằm phạm vi vài Wh/kg Tuy nhiên cơng suất riêng đạt kW/kg, cao nhiều so với loại accu 8.3.3.5 Động điện Động điện chiều đòi hỏi chuyển mạch đảo chiều, cổ góp chổi than làm cho tuổi th độ tin cậy so với động điện xoay chiều Tuy nhiên, điều khiển đơn giản cộng với với cơng nghệ phát triển nay, động điện chiều l a ch n làm thiết bị truyền động cho ơtơ Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện Người ta thường d a vào tiêu sau để đánh giá việc điều chỉnh tốc độ động điện: - Dải điều chỉnh tốc độ (hay phạm vi điều chỉnh tốc độ) tỉ số giá trị tốc độ làm việc lớn nhỏ động điện ứng với mơmen tải cho D Trong đó: max (4-1) D - dải điều chỉnh tốc độ động điện max - tốc độ làm việc lớn động điện - tốc độ làm việc nhỏ động điện Như vậy, dải điều chỉnh tốc độ lớn tốt - Độ trơn điều chỉnh tốc độ: Độ trơn điều chỉnh tốc độ biểu thị tỷ số hai giá trị tốc độ hai cấp dải điều chỉnh: i 1 i (4-2) 129 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ i - Tốc độ ổn định cấp i Trong đó: i 1 - Tốc độ ổn định cấp i+1 Trong dải điều chỉnh tốc độ, số cấp tốc độ lớn s chênh lệch tốc độ hai cấp ít, độ trơn tốt Khi số cấp tốc độ lớn độ trơn điều chỉnh Trường hợp hệ điều chỉnh g i hệ điều chỉnh vơ cấp có m i giá trị tốc độ tồn dải điều chỉnh - Độ ổn định tốc độ (độ cứng đặc tính cơ): Để đánh giá so sánh đặc tính cơ, người ta đưa khái niệm độ cứng đặc tính tính: Trong đó: M (4-3) M - Độ biến thiên moment - Độ biến thiên tốc độ Đặc tính có độ cứng lớn tốc độ bị thay đổi mơmen thay đổi Nói cách khác, đặc tính cứng s thay đổi tốc độ phụ tải thay đổi nhiều Do sai lệch tốc độ nhỏ hệ làm việc ổn định, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng - Tính kinh tế: Hệ điều chỉnh có tính kinh tế vốn đầu tư nhỏ, tổn hao lượng ít, phí tổn vận hành khơng nhiều,… - Sự phù hợp đặc tính điều chỉnh đặc tính tải Hiện nay, động điện xoay chiều ba pha khơng đồng rotor ngắn mạch (rotor lồng sóc) thay đổi tốc độ vơ cấp điều chỉnh tốc độ phương pháp thay đổi tần số nguồn điện xoay chiều (sử dụng biến tần), đồng thời, tổn hao lượng hạn chế đến mức nhỏ Vì vậy, loại động thường l a ch n để làm thiết bị dẫn động ơtơ điện nói chung ơtơ pin nhiên liệu nói riêng 8.3.3.6 Bộ chuyển đổi điện Có hai chuyển đổi điện sử dụng ơtơ pin nhiên liệu chuyển đổi DC/DC chuyển đổi DC/AC (bộ nghịch lưu) 130 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ Bộ chuyển đổi DC/DC dùng để điều khiển dòng cơng suất cung cấp hệ thống pin nhiên liệu nguồn cơng suất c c cung cấp cho motor dòng cơng suất thích hợp Cơng suất cung cấp từ hệ thống pin nhiên liệu từ nguồn cơng suất c c đại từ hai thiết bị Nó biến đổi trị số điện áp cấp cho tải lớn điện áp nguồn Bộ chuyển đổi DC/AC dùng để chuyển đổi nguồn điện chiều khơng đổi thành nguồn điện xoay chiều có điện áp tần số thay đổi Ngồi ra, đóng vai trò chỉnh lưu để chỉnh lưu dòng xoay chiều phát từ motor để nạp trở lại cho nguồn cơng suất c c đại 8.3.4 Bố trí hệ thống truyền lực ơtơ pin nhiên liệu Cũng ơtơ điện thơng thường, hệ thống truyền l c ơtơ pin nhiên liệu có C: Ly hợp D: Vi sai GB: Hộp số FG: Hộp bánh cố đònh PGS: Bộ bánh hành tinh M: Motor điện Hình 8.22 Các phương án bố trí hệ thống truyền lực ơtơ pin nhiên liệu 131 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du Đề cương giảng mơn nhiên liệu lượng tơ (a) Trong phương án motor điện thay cho động đốt ơtơ thơng thường với hệ thống truyền l c giữ ngun Nó bao gồm motor điện, ly hợp, hộp số thường, vi sai Ly hợp dùng để kết nối ngắt dòng cơng suất từ motor điện đến bánh xe chủ động Ly hợp hộp số thường thay hộp số t động (b) Với motor điện có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt, hệ bánh cố định thay cho hộp số đa cấp khơng cần thiết có ly hợp Cấu trúc khơng giảm kích thước tr ng lượng hộp số khí mà làm cho việc điều khiển hệ thống truyền l c đơn giản (c) Hệ thống truyền l c tương t với phương án (b), motor điện, hệ bánh cố định vi sai tích hợp thành một cụm hai đầu trục hai bên dẫn động bánh xe hai bên tương ứng Cả hệ thống truyền l c trở nên đơn giản g n gàng (d) Trong hình (d), vi sai khí thay hai motor kéo độc lập Mỗi motor dẫn động bên bánh xe hoạt động tốc độ khác xe chạy quay vòng (e) Để làm đơn giản cho hệ thống truyền l c, motor kéo đặt bánh xe S bố trí g i dẫn động bánh xe Một hệ bánh hành tinh mỏng dùng để giảm tốc độ tăng mơmen xoắn cho motor Hệ bánh thành tinh có ưu điểm cho tỷ số giảm tốc cao s bố trí thẳng hàng từ trục vào tới trục (f) Loại bỏ hồn tồn cấu khí motor điện bánh xe chủ động, thay vào đầu rotor motor điện tốc độ thấp đặt bánh xe chủ động nối tr c tiếp tới bánh xe dẫn động Điều khiển tốc độ motor điện tức điều khiển tốc độ bánh xe điều khiển tốc độ xe Tuy nhiên, s bố trí u cầu motor điện phải có mơmen xoắn cao để khởi động tăng tốc xe 132 Biên soạn: ThS Hồ Tr ng Du