Khóa luận thiết kế cải tạo động cơ ô tô toyota 3y thành động cơ tĩnh tại kéo máy phát điện chạy bằng biogas

Mục đích và ý nghĩa của đề tài 1.1 Mục đích của đề tài Thấy rõ được vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ Nghiên cứu, thiết kế, cải tạo động cơ ô tô cũ chạy xă

1.2 Ý 'nphĨa c1 TH TT TT TH TT TT TT TT Tư net 4

2 Chất khí gây hiệu ứng nhà kính và vẫn đề ấm dần lên toàn cầu 4

2.1 Chất khí gây hiệu ứng nhà kính ¿2 2s x2 3E EvErkererersered 4

2.1.1 Hiệu ứng nhà kính - + 1x S1 1111911 11110 0 01 ki ko khen 4 2.1.2 Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính - - + xxx £z£sz#xe£zrexvxe 5

2.2 Vấn đề ấm dẫn lên toàn cầu .- ¿5 tt 10

3 Các loại nhiên liệu thay thế và thế mạnh của biogas ở Việt Nam 12 3.1 Các loại năng lƯỢN - - s s9 ng ng ng h 12

3.1.1 Năng lượng mặt tỜI cc cv ng ng ng ren 12

3.1.3 Năng lượng địa nhIỆt - - c n1 ng ng ngư ve, 15

3.1.4 Thuỷ điện và thuỷ điện nhỎ - - c1 1111113 1 1x vn re 16

3.1.5 Năng lượng hạt nhân -sc c n1 1v vn ngư rên 17

3.1.6 Ngudn nang lwong kKhac vi cecscsescssscsessssesvevsvscsessssvevsvscsessssvevavsenes 17 3.2 Thế mạnh của nhiên liệu blogas ở Việt Nam Sex 19 3.2.1 Thành phần chủ yếu của biOas - -:- ¿5 2+ St EEkE tk rkrrrrkes 19 3.2.2 Các tính chất của biogas sử dụng làm động cơ đốt trong 20 3.2.3 Tình hình sử dụng biogas trên thế giới và nước ta hiện nay 21 3.2.4 Thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam 2: ¿ca 22

4 Yêu cầu đặt ra cho động cơ chạy bằng biogas 5c cac versrersree 23

5, Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu quả kinh tế của động cơ khi chạy

bằng nhiên liệu biO/g8s ¿S11 SEES3 31 131 3T TT TT TT ryp 24

5.1 Tinh toán suất tiêu hao nhiên liệu ¿+ 52v v‡yvvEvvrvvrvsrvsrrsrrd 24 5.1.1 Giới thiệu động cơ TOYOTA -3ÏY Q11 11H ng HH nh 24

5.1.2 Tính toán chu trình nhiệt của động CƠ . 5c S55 s2 25

5.2 Hiệu quả kinh tế khi chạy bằng biOgas G5 2 12x23 evekrvee 41

6 Tính toán lắp đặt bộ điều tốc vạn năng lên động cơ ¿: - 5: 55+ 45 6.1 Giới thiệu bộ điều tốc vạn năng GA TEC-20 ¿2 +2 +v+EvE+xsrrsrxra 45 6.2 Tính toán lắp đặt bộ điều tốc vạn năng lên động cơ - s5: 47 6.2.1 Phương án lắp đặt bộ điều tốc lên động cơ 2: 5c ccccvccecea 47

phát điện chạy băng Blogas

6.2.2 Thiết kế bộ hoà trỘn . - ¿- ¿SE S3 3E EEEESEEEEEEEEEEEEEEEEEErErtrrerrkrs 47 6.2.3 Thiết kế bộ truyén dai ec c cscs esesscscscscsssessssesssvsvsessssssvevsvscsessssevavsenes 53 6.2.4 Tính toán van cung cấp khí ¿+ ¿ + ¿5s Sẻ St ềESEEEEEESEeErErErkekrerkred 57 6.2.5 Tính toán thiết kế cơ cấu điều khiễn - s5 x2E3v2£E+xexrrerered 59

7 Tính toán thiết kế bộ truyền động từ động cơ sang máy phát điện 60

7.1 Các thông số ban đầu . ¿-¿- ¿+ tà SE Bề SE TH re rkryt 60 7.2 Thiết kế bộ truyền bánh răng trong hộp số . ¿5-5 2s +xszcsrxea 60 7.3 Thiết kế trục và tính then ¿- ¿1 tt 3EESEEEEEEEEEEkrkrkrrerrsrrrrrrkes 65

8 Nguyên lí sử dụng lưỡng nhiên liệu trên động cơ TOYOTA-3Y 69 8.1 Ưu, nhược điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu -. - 69 8.2 Đặc điểm liên quan đến quá trình cháy trong động cơ TOYOTA-3Y 70 8.3 Phương pháp cung cấp và vận hành hệ thống nhiên liệu trên động cơ

Thực nghiệm

1 Lắp đặt bộ điều tốc cho động cơ TOYOTA-3 Y -¿- ¿+ + * vs vscee 71

2 Thử nghiệm máy phát điện được kéo bằng động cơ sau khi cai tao 73 Kết luận

Tài liệu tham khảo

LOI CAM ON

Đề hoàn thành được đề tài đúng thời hạn, em xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo, cô giáo trong khoa Cơ Khí Giao Thông nói chung, bộ môn Động Cơ nói riêng

đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài được tốt nhất

Em xin bày tỏ sự cảm ơn đến thầy giáo GS-TSKH Bùi Văn Ga đã tận tình hướng dẫn và có những chỉ bảo quý giá để em có được sự thành công của đề tài như hôm nay

Bên cạnh đó, em xin được cảm ơn thầy giáo Nguyễn Quang Trung đã giúp

đỡ và có những đóng góp ý kiến quý báu giúp em nhận ra những thiếu sót và hoàn thành đề tài được hoàn hảo hơn nữa

Em xin được kính chúc xưởng Nhiệm Vụ Ươm Tạo Công Nghệ, bộ môn Động

Cơ - Khoa Cơ Khí Giao Thông -Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng ngày càng

phát triển và mong ước quý thầy cô có được sức khỏe thật dồi dao

Ngày 01 tháng 06 năm 2010

Sinh viên

Nguyễn Phước Huy

phát điện chạy băng Blogas

1 Mục đích và ý nghĩa của đề tài

1.1 Mục đích của đề tài

Thấy rõ được vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ

Nghiên cứu, thiết kế, cải tạo động cơ ô tô cũ chạy xăng thành động cơ tĩnh tại chạy băng Biogas với việc sử dụng bộ điều tốc Gatec để kéo máy phát điện Từ đó, sản xuất hàng loạt, áp dụng sử dụng phố biến trên động cơ xăng nhiều xy lanh nhằm khai thác hiệu quả nguồn năng lượng Biogas cho động cơ tĩnh tại góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

Nắm vững các thao tác trong quá trình lắp đặt, kiểm tra hiệu chỉnh cũng như chế tạo thay thế các chỉ tiết của hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ

1.2 Ý nghĩa khoa học của để tài

Nhiên liệu Blogas là nhiên liệu sạch nên khi sử dụng không gây ô nhiêm môi trường

Tận dụng động cơ ôtô cũ, những sản phẩm từ hoạt động nông nghiệp và chăn

nuôi nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế

2 Chất khí gây hiệu ứng nhà kính va van dé 4m dan lên toàn cầu

2.1 Chất khí gây hiệu ứng nhà kính

2.1.1 Hiệu ứng nhà kính

Dai hap thu các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí quyên và tác động của chúng đối với bức xạ mặt trời và bức xạ nhiệt từ mặt đất

Khi tia sáng mặt trời đến mặt đất một phần năng lượng được hấp thụ và làm

mặt đất âm lên Vì mặt đất có nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với mặt trời, bức xạ từ mặt đất trong vùng bước sóng dài hơn rất nhiều so với bức xạ mặt trời Khí quyên hấp thụ hiệu quả hơn đối với bước sóng dài so với bước sóng ngắn Chính sự bức xạ nhiệt bước sóng dài làm quả đất ấm lên, bầu khí quyền cũng ấm lên do truyền nhiệt,

do chênh lệch nhiệt độ do nhiệt ân từ bề mặt Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính cũng phát xạ ở bước sóng dài về phía không gian cũng như về phía mặt đất Phần bức xạ của khí quyển ứng với bước sóng dài về phía mặt đất này gọi là hiệu ứng nhà kính

“Hiệu ứng nhà kámh tại nhiên Hiệu ng nhà kính tặng cường áo

tốc đồng của con người

Hình 2 —- 1 Hiệu ứng nhà kính

2.1.2 Các chất khi gây hiệu ứng nhà kinh

Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính gồm hơi nước, CO,, C„Hy„ SO,, O;, CFC

- Khí COy

+ Cơ chế hình thành: Khí COx là chất khí không màu, không mùi và không vị COx được sản sinh trong quá trình hoạt động của con người, con người đã đốt rất nhiều nhiên liệu có chứa Cacbon, điển hình là trong sinh hoạt, công nghiêp, nông nghiệp

và giao thông

C+Ox 2 COx

+ Trữ lượng:

e Với CO có trữ lượng 250 tân/năm Hàm lượng CO trong không khí không Ổn

định, chúng thường biến thiên nhanh nên khó xác định chính xác

e© Tổng khối lượng CO; sinh ra do đốt cháy nhiên liệu là 2,5.10' tan/nam Ngoài ra hoạt động núi lửa hằng năm sinh ra lượng CO; bằng khoảng 40000 lần CO; hiện có

+ Hiệu ứng

e Khí CO xâm nhập vào cơ thê theo đường hô hap chúng sẽ tác dụng thuận nghịch với Hemoglobin tạo thành cacboxyhemoglobin là mất khả năng vận chuyển máu và gây ngại:

HbO; + CO 2 HbCO + O;

phát điện chạy băng Blogas

e Thực vật ít nhạy cảm với CO nhưng nồng độ cao 100 — 10000ppm sẽ gây

xoăn lá cây, chêt mâm non, rụng lá và kìm hãm sự sinh trưởng của cây côi

e _ Toàn bộ CO; sinh ra không phải lưu đọng mãi trong khí quyển mà nó được cây xanh và biên hấp thụ đi khoảng một nữa Lượng CO; lưu tồn trong khí quyền, thực vật hấp thụ để tồn tại và phát triển, nhưng hàm lượng CO; cao quá sẽ gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính

Theo G.N.Plass , nếu nông độ CO; trong khí quyền tăng gấp đôi thì nhiệt độ

trung bình của Trái Đất tăng 3,6” C

- Khí CvHr

+ Cơ chế hình thành: CxHy là hợp chất của hydro và cacbon, là khí không màu, không mùi, chủ yếu sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn, đặc biệt là tại các nhà máy lọc dầu, khai thác và vận chuyên xăng dầu, sự rò rỉ của ống dẫn khí đốt

Tùy vào hợp chất của chúng mà tạo ra các chất ô nhiễm khác nhau và gây tác hại khác nhau Trong các hợp chất CxHy thì khí CH¿ được xếp vào chất khí nhà

kính góp phần vào quá trình nóng lên của trái đất CHạ được sinh ra chủ yếu trong

quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện thiếu không khí

+ Trữ lượng: Từ năm 1999 đến năm 2006, CH, tang không đáng kể, xem như không đổi, nhưng trong năm 2007 và 2008, trên toàn cầu trung bình CH, bat dau

tang tro lai, CH, tang 90%

+ Hiệu ứng: khí CH¿ cùng khí CO; là khí nhà kính, chúng là thủ phạm chính gây

hiệu ứng nhà kính và hiện tượng âm lên toàn câu

+ Hiệu ứng: Tùy theo nồng độ mà NO; có tác hại khác nhau

e NOx sé lam phai màu thuốc nhộm vải, làm cứng vải tơ, nilông và gây han rỉ

kim loại

e Tuy theo nồng độ NO; mà người, cây cối sẽ bị ảnh hưởng ở mức độ khác

nhau Ở mức độ cao 100 ppm thì có thể gây chết người

e NO; là chất khí nhà kính gây nên hiện tượng ám dần lên của trái đất

phát điện chạy băng Blogas

325 Nitrous Oxide

+ Cơ chế hình thành: Ozon là sản phẩm của chất chứa oxy (SO;, NO¿, andehyt) khi

có tia tử ngoại mặt trời kích thích

O; +hv O+O;O+O; > O;

+ Trữ lượng: Ôzôn tập trung nhiều ở độ cao 25 km (tầng bình lưu) nông độ khoảng

10 ppm Còn ở sát mặt biển ozon còn chỉ khoảng 0,005 — 0,007 ppm

+ Hiệu ứng:

e_ Ozon có tác dụng như lá chắn cản trở tia tử ngoại của Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất, điều tiết khí hậu Nhưng nếu nồng độ trong khí quyển quá lớn sẽ

gây ô nhiễm ozon và sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến con người

e _ Ngoài ra Ozon còn ảnh hưởng đến quá trình phát triển của thực vật, chúng thường gây các bệnh đốm lá, khô héo mâm non

e© _ Nếu Ozon quá cao sẻ tham gia vào quá trình làm nóng lên của Trái Đất Khi nồng độ Ozon tăng 2 lần thì nhiệt độ trung bình của Trái Đất tăng 1” C gây

ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu.

Cl + O; 23 ClO + O, ClO + O; D> Cl + 20;

+ Trữ lượng: Người ta ước tính mỗi nguyên tử CI có thể phản ứng với 1000 phân tử Ozon Lượng CEC sẽ gia tăng tỉ lệ với sự phát triển công nghiệp

+ Hiệu ứng: Các chất CEFC khi bị phân hủy sẽ tạo ra Cl kết hợp với Ozon sé gây thủng tầng Ozon tạo điều điện cho các tia cực tím chiếu xuống Trái Đất gây các bệnh ung thư da và mắt cho con người, thực vật sẽ bị tôn thương và chết

- Hơi nước

Hơi nước gần mặt đất có thời gian tồn tại tính theo ngày, phần lớn các chất khí gây hiệu ứng nhà kính khác tồn tại khá lâu trong khí quyên Mặt dầu không dễ biết được chính xác bao lâu nhưng người ta cũng ước tính được thời gian ton tai, nghĩa là thời gian cần thiết dé chất khí đó biến mắt trong khí quyên

* Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể loại bỏ bằng nhiều giải pháp:

‹ Biến đổi vật lí (ngưng tụ hơi nước trong khí quyên)

° Do các phản ứng hoá học trong khí quyên Đó là trường hợp methane Nó bị

oxy hoá bởi phản ứng tự nhiên khi có gốc OH va sinh ra CO, va hơi nước ở cuối

dây chuyền phản ứng.

phát điện chạy băng Blogas

© Do trao đổi vật lí qua bề mặt khí quyển và các bộ phận khác của hành tỉnh

Ví dụ như trao đôi giữa các chất khí của khí quyên và đại dương thông qua lớp biên s© Do trao đôi hoá học qua mặt tiếp giáp giữa khí quyên và bộ phận khác của hành tỉnh Đó là trường hợp CO; bị giảm do diệp lục hoá của cây cỗi hoặc CO, hoa tan vào nước đại dương sau đó phản ứng sinh ra acid carbonic, bicarbonate va ion carbonate

Hai thang đo được dùng để mô tá ảnh hưởng của các chất khí khác nhau trong khí quyến Thang đo thứ nhất là tuổi đời của khí quyên diễn tá thời gian hệ thống đạt cân băng sau khi có một sự gia tăng nhỏ của một chất khí nào đó trong khí

quyên Những phân tử đơn lẻ có thê trao đối với những hệ thống khác như đất, đại

đương, hệ thống sinh học nhưng giá trị trung bình có tuổi đời khí quyển liên quan đến thời gian biến mắt khí dư thừa Đôi khi người ta có nhằm lẫn khi cho rằng thời gian tồn tại của CO; trong khí quyên chỉ vài năm vì thời gian trung bình đối với bat

kì phân tử CO; nào ton tại trong khí quyền trước khi bị lay đi do hoà trộn vào đại dương, bởi điệp lục hoá hay những quá trình khác Chính sự thay đỏi nồng độ của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính khác nhau bởi tất cả các nguồn phát sinh và biến mất xác định thời gian tồn tại của nó trong khí quyên chứ không chỉ có quá trình loại bỏ chúng

Thang đo thứ hai là khả năng âm lên toàn cầu (GWP) GWP phụ thuộc cả hiệu

quả phân tử của chất khí gây hiệu ứng nhà kính và thời gian tồn tại của nó trong khí quyên GWP được đo tương đối so với cùng một khối lượng CO; và được đánh giá đối với thang đo thời gian đặc biệt Vì vậy nếu một phân tử có GWP cao trên thang thời gian ngắn (20 năm) nhưng chỉ có thời gian tồn tại ngắn, nó sẽ có GWP lớn

trong thang đo 20 năm nhưng GWP nhỏ trong thang đo 100 năm Ngược lại, nếu

một phân tử có thời gian tồn tại lớn hơn CO; GWP của nó gia tăng theo thời gian 2.2 Vấn đề ấm lên toàn cầu

Sự ấm lên của trái đất dựa trên sự gia tăng nhiệt độ trung bình của không khí gần mặt đất

Nhiệt độ trung bình của không khí gần mặt đất đã tăng 0,74+0,18° (1,33+0,32°

F) trong thế ki qua Người ta nhận thấy rằng sự gia tăng nhiệt độ trên tỉ lệ với sự gia tăng nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính từ giữa thé ki XX dén nay

Các nhà khoa học dự báo của không khí gần mặt đất có thể tăng từ 1,1+6,4°C (2+11,5°F) trong khoảng thời gian từ 1990 đến 2100 Phạm vi gia tăng nhiệt độ phụ thuộc vào kịch bản phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong tương lai Mặc dù tất cả các nghiên cứu tập trung đến giai đoạn 2100, sự ấm dần lên của trái đât và mực nước biển dâng cao vẫn tiếp tục diễn ra hơn 1 thiên niên kỉ nữa ngay cả

khi nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính ôn định Điều này phản ảnh nhiệt dung lớn của các đại dương

Sự ấm dân lên của trái đất sẽ gây ra những thay đổi khác bao gồm sự dâng lên của mực nước biên, sự gia tăng cường độ cực đoan của thời tiết, bão lụt thất thường gây thiên tai ảnh hưởng xấu đến nông nghiệp

Hình 2 —- 6 Qua đất đang dân nóng lên

Những điều chưa chắc chắn về mặt khoa học bao gồm độ gia tăng nhiệt độ

chính xác trong tương lai và sự thay đổi này sẽ biến động như thế nào từ vùng này sang vùng khác trên hành tỉnh Có những tranh luận đang diễn ra ở quy mô toàn cầu

về hành động nào cần thực hiện để làm giảm hay đảo chiều sự ẫm dần lên của trái

đất trong tương lai Hầu hết các quốc gia đã kí nghị định thư Kyoto đặt mục tiêu giảm chất khí gây hiệu ứng nhà kính

Các nhà khoa học nghiên cứu sự gia tăng nhiệt độ trái đất bằng mô hình tính toán khí hậu Các mô hình này dựa trên nền tảng các nguyên tắc vật lí của động học chất lỏng, truyền nhiệt bức xạ và các quá trình khác với các giả thiết đơn gián hoá cho phù hợp với công suất máy tính Các mô hình này dự báo răng ảnh hưởng tực tế

của viéc gia tang nồng độ chất khí gây hiệu ứng nhà kính là việc khí hậu am dan

lên Tuy nhiên ngay cả khi cùng một giả thiết về mức độ tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch và mức độ phát thái CO; mức độ cảnh báo cũng thay đổi theo các mô hình và vấn còn phạm vi đáng kê về độ nhạy cảm thời tiết

Xét mức độ thiếu tin cậy về nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính và

mô hình khí hậu, dự báo độ gia tăng nhiệt độ mặt đất khoảng từ 1,1+z6,4°C (2+11,5°F) trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến 2100 Các mô hình này cũng

phát điện chạy băng Blogas

1945 đối với cả do tác động của thiên nhiên hay tác động của con người, tuy nhiên

các mô hình này dự báo sự âm dần lên của trái đất từ năm 1975 chủ yếu là do phát thải cá chất khí gây hiệu ứng nhà kính do con người gây ra

3 Các loại nhiên liệu thay thế và thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam 3.1 Cac loại năng lượng

3.1.1 Năng lượng mặt trời

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827x1026 joule

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng

lượng tái tạo quý báu Có thể trực tiếp thu lẫy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyên năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong

pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thê được hấp thụ để làm nóng các

vật thê, tức là chuyên thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc

làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ

thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời

Năng lượng của các photon có thê được hấp thụ và chuyên hóa thành năng

lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liu long (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí

quyên Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng

lượng có thể khai thác được Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống

bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và

không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật ly của các dòng chảy này

Thế năng của nước mưa có thê được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyên động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biên Dòng chảy của không khí, hay gió, có thê sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xoay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió cũng gây ra chuyên động sóng trên mặt biển Chuyển động này có thê được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển Đại đương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày Sự chênh lệch nhiệt

độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biến, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phan nang lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển

Hiện nay ở các trại chăn nuôi dùng năng lượng mặt trời với mục đích chủ yếu

là sấy thức ăn cho vật nuôi Muốn sử dụng rộng rãi năng lượng mặt trời cho nhiều mục đích khác nhau như các hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, điều hoà

phát điện chạy băng Blogas

không khí và cung cấp nước nóng ở mức độ cao, pin mặt trời thì đòi hỏi trước hết phải giải quyết những vẫn đề kỹ thuật cơ bản, công nghệ chế tạo cũng như khả năng

ứng dụng thực tế của chúng Ở nước ta việc ứng dụng khả thi của năng lượng mặt

trời là vào việc nẫu nước nóng và sây gỗ Có thể nói là khả thi vì công nghệ tương đối đơn giản, quá trình chế tạo dễ dàng và giá thành thì tương đối phù hợp với kinh

tế Việt Nam

3.1.2 Năng lượng gió

Năng lượng gió được con người sử dụng hàng trăm năm nay Con người đã sử dụng năng lượng gió để duy chuyển thuyền buồn hay kinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo ra công cơ học nhờ các cối xoay gió

Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đối nhỏ và thay vì là chuyển đối động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được

chế tạo đặc biệt hơn Ngày nay người ta gọi đó turbine gió, khái niệm cối xay gió

không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đây mạnh trên toàn thế giới, kê cả việc phát triển các turbine gió hiện đại

Hinh 3 —2 Cac turbine gid tai Ha Lan, phat điện nhờ sức gió, tận thu một

cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời

14

Vì gió không thôi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuéc bin gid chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục Tại châu Au, cac tuéc bin gió được nỗi mạng toàn châu Au, nhờ vào đó mà việc sản xuất điện có thé được điều hòa một phần Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành turbine khi không đủ gió Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thôi vào ban ngày

thường mạnh hơn vào đêm và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu

năng lượng nhiều hơn vào ban ngày Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện

Nếu cộng tất cả các chỉ phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường thí dụ như vì thải các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất

Đây là một loại năng lượng sạch chi phí để thu năng lượng khá thấp nhưng đòi hỏi phải phù hợp với điều kiện địa lý ở từng vùng Ở các nước khác việc sử dụng loại năng lượng này khá phổ biến Đặc biệt ở các vùng hải đảo

3.1.3 Năng lượng địa năng

Một báo cáo mới đây của Viện công nghệ Massachusetts (MIT) cho biết, câu trả lời cho cuộc khủng hoảng năng lượng của Mỹ lại nằm sâu trong lòng đất Công trình nghiên cứu trong 2 năm này cho thấy rằng nếu đầu tư hợp lý vào nghiên cứu địa năng thì có thể khai thác được nguồn năng lượng đủ để cung cấp cho 25 triệu hộ gia đình Đề thu được nhiệt năng của Trái đất, người ta phải khoan sâu vào lòng đất thu lẫy hơi nóng từ các nguồn phóng xạ, các luồng hơi nóng từ tâm Trái đất và lớp

vỏ ngoài Từ những năm 70 Mĩ đã nhận thấy đây là cách giúp họ thoát khỏi tình trạng phải phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khâu Tuy nhiên cho đến nay ngành công nghiệp non trẻ này mới chỉ cung cấp ít hơn 1% nhu cầu năng lượng của nước Mỹ Một phần là do ngay cả chỉ phí cho cách đơn giản nhất để khai thác nhiệt năng, đó là tập trung thắng vào các mạch, các nguồn như suối nước nóng hay núi

lửa, cũng là rất tốn kém Theo nghiên cứu của MIT vẫn còn một cách hiệu quả hơn,

là tập trung khai thác các nguồn nhiệt năng nằm sâu hơn trong lòng đất Công trình nghiên cứu này được Bộ năng lượng Mĩ (DOFE) tài trợ đã giới thiệu một công nghệ mới là chuyên hóa nhiệt năng Bảng cách này lưu chất (khí hay chất lỏng) được

bơm lên theo mạch đá granite sâu 1.500 mét (dưới bề mặt Trái đất), và sinh ra chất

lỏng, âm để rồi hơi nóng từ chất lỏng đó được dùng để vận hành các turbine Mặc

dù còn gặp những trở ngại về kĩ thuật như vẫn đề hơi nóng có nhiệt độ quá thấp

phát điện chạy băng Blogas

không đủ để chuyên hóa thành điện, nhưng một dự án khoan phá ở Soultz - Pháp,

đã thành công ngoài sự mong đợi trong việc tái tạo năng lượng hơi nước bằng việc

áp dụng những quan niệm mới, phương pháp khoan ít tốn kém và cách tận dụng hữu hiệu lưu chất (khí hoặc chất lỏng) được giữ ở áp suất thông thường của khí quyên Công trình nghiên cứu của MIT kêu gọi mức đầu tư 20 triệu USD/năm trong vòng 15 năm để tiếp tục nghiên cứu việc khai thác địa năng Nhóm nghiên cứu cho rang ho không tìm thấy trong tương lai, kĩ thuật khai thác này có khó khăn hay hạn chế đáng kế nào Theo bản báo cáo, khoản đầu tư tương đối của DOE có thê sẽ hỗ trợ được rất nhiều trong nghiên cứu phát triển kĩ thuật khai thác, xây dựng các nhà máy, hay thậm chí sử dụng CO; để thu hơi nóng từ lòng đất Năm ngoái, DOE đã

yêu cầu Quốc hội Mĩ lưu ý vào việc nghiên cứu phát triển địa năng, năng lượng mặt trời và nhiên liệu sinh học

3.1.4 Thuỷ điện và thuỷ điện nhỏ

Thuý điện hiện nay là nguồn năng lượng chính của nước ta, nhà nước ta đã chủ trương xây dựng các nhà máy thuỷ điện với công suất rất lớn để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong công nghiệp, nông nghiệp cũng như trong đời sống sinh hoát của người dân Với mật độ về thuý điện cao nhất thế giới, nước ta có rất nhiều lợi thế để xây dựng các nhà máy thuỷ điện, mặc dù vậy thuỷ điện là nguồn năng

lượng đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, để xây dựng một nhà máy thuỷ điện phải mất một

thời gian khá dài khối lượng công việc khảo sát, thăm giò rất lớn, phá hoại đất đai, làm biến đối trầm tích Thuý điện làm mắt đi một diện tích đất canh tác rất lớn, ảnh

hưởng đến chất lượng nguồn nước, phá rừng, biến động thời tiết, làm cản trở giao

thông vận tải thuỷ bộ có khi còn ảnh hướng đến việc di dân

Chính vì vậy để giám bớt các yếu điểm trên mà vẫn tận dụng có hiệu quả và thực tế nguồn năng lượng thuỷ năng ta nên tiến hành xây dựng những nhà máy thuỷ điện vừa và nhỏ, huy động nguồn vốn địa phương phối hợp với sự hỗ trợ của TW

Tuy nhiên việc xây dựng và sử dụng năng lượng từ thuỷ điện nhỏ đối với một

trại chăn nuôi là không khả thi vì cần một nguồn vốn đầu tư lớn và sự hồ trợ kỹ thuật để vận hành

3.1.5 Năng lượng hạt nhân

Nhà máy điện nguyên tử đầu tiên đi vào hoạt động năm 1954 tại Liên Xô, sau

đó các nước ở châu Âu, châu Mỹ và một số nước ở châu Á đã lần lượt xây dựng và khai thác các nhà máy điện nguyên tử Dự đoán đến năm 2020 nguồn năng lượng hạt nhân sẽ chiếm 60-65% tổng công suất điện năng trên thế giới

Việc sử dụng điện hạt nhân tránh được các dạng ô nhiễm thông thường, tại các nhà máy nhiệt điện nhưng lại là nguồn gây nguy hiểm lớn về môi trường đo các chât thải phóng xạ

Hình 3 - 4 Nhà máy điện hạt nhân lớn nhất ở Anh

3.1.6 Nguồn năng lượng khác

a Năng lượng từ khí sinh học (Blogas)

Việc sản xuất, sử dụng khí cần vốn đầu tư ít đo tận dụng được nguồn có sẵn từ trại chăn nuôi là chất thải hữu cơ của vật nuôi Ưu điểm của nguồn năng lượng này

là việc nó thay thế được các nguồn năng lượng khác nhau như: Than, củi, điện,

nhiên liệu khí hoá lỏng và dầu Sau khi phân động vật được phân huỷ thì nó cho chất lưỡng hữu cơ giàu chất dinh dưỡng và không có mùi được sử dụng để cải thiện

phát điện chạy băng Blogas

đất nông nghiệp tốt hơn phân bón tươi Bên cạnh đó ngăn ngừa nạn chặt phá rừng bảo vệ môi trường Chính vì vậy hiện nay, Blogas được sử dụng rộng rãi từ các trang trại nhỏ đến các trang trại lớn

Đề lắp đặt một hầm Biogas củng khá đơn giản không đòi hỏi kỹ thuật cao và chỉ phí lắp đặt thấp vì vậy rất nhiều các hộ gia đình chăn nuôi nhỏ và các trại chăn

nuôi sử dụng Biogas cho các nhu cầu đun nấu, thắp sáng

b Nhiên liệu hóa lỏng LPG

LPG là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí hóa lỏng có thể thu được từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tỉnh khiết khí thiên nhiên Chúng thường có trong phần còn lại (cặn) của quá trình chưng cất dầu hỏa, được hóa lỏng ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyên và ở nhiệt độ môi trường chúng thường là ở trạng thái khí Về mặt lý thuyết LPG chữa 50% propan và 50% butan Ô

tô su dung LPG it gay 6 nhiễm môi trường nhờ giảm một lượng lớn các chất độc hại

như HC, CO;, NO,, CO Lượng khí độc của động cơ chỉ bằng 10% đến 20% so với lượng khí độc thải ra do động cơ chạy bằng xăng và Diesel Do LPG có các đặc tính

kĩ thuật như tính chống kích nỗ cao, không có chì nên sản phẩm không có muội

than không có hiện tượng đóng màng của d6ng co, it gay mon xilanh, piston,

segment và các chỉ tiết kim loại khác trong động cơ Trữ lượng khí thiên nhiên trên thế giới để sản xuất ra LPG rất lớn, chỉ phí sản xuất ra LPG thấp và LPG có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn so với nhiên liệu truyền thống

c Nhiên liệu có nguồn gốc tư sinh khối Biofuel

Nhiên liệu có nguồn gốc sinh khối sử dụng làm nhiên liệu trên động cơ ô tô

chủ yếu là đầu thực vật và Biodiesel Dầu thực vật là loại đầu được chiết xuất từ các hạt các loại củ của cây chứa dầu với chiết xuất lớn như đậu phông, đậu nành, dầu

cải, hướng dương, hạt dừa, hạt cọ

Biodiesel là những mono ankylester, nó là sản phẩm của quá trình ester hóa của các Axit hữu cơ có nhiều trong dầu mỡ động thực vật Dưới tác dụng của chất

xúc tác được dầu thực vật + methanol hoặc enthanol cho sản phẩm là ester +

glycerine + axit béo, các ester chính là Biodiesel Thông thường biodIesel thường được sử dụng ở dạng nguyên chất hoặc ở dạng hỗn hợp với dầu diesel Ví dụ B20 là

hỗn hợp gồm 20% biodesel và 80% dầu diesel có nguồn gốc dầu mỏ

Dầu thực vật và biodesel được sử dụng trên động cơ Diesel Đối với dầu thực vật chỉ sử dụng trên động cơ có Buông cháy phân cách, với biodesel được sử dụng trên buồng cháy phân cách và buông cháy gián tiếp, đây chính là ưu điểm nỗi bật của biodesel Dầu thực vật và biodesl là loại nhiên liệu có chứa nhiều oxy nên có thể cháy với dư lượng không khí bé mà vẫn cháy hoàn toàn, do đó ít thải ra các chất

gây ô nhiễm môi trường Do có độ nhớt cao hơn dầu diesel nên khi sử dụng dầu

thực vật và biodesel thường sấy nóng nhiên liệu hay pha loãng với dau diesel, việc pha loãng này còn sử dụng với mục đích là tăng hệ số cetan khi sử dụng trên động

co diesel

d Hydro nguồn năng lượng trong tương lai

Hydro nguồn năng lượng an toàn, thân thiện với môi trường Vì trong thành phần hóa học của Hydro chỉ chứa các nguyên tố như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên khi cháy sản vật cháy chỉ là HạO, do đó Hydro là một nguồn nhiên liệu sạch lý tưởng

Hydro được sản xuất từ nước và năng lượng mặt trời Vì vậy hydro thu được

hay còn gọi là hydro từ năng lượng mặt trời (solar hydrogen) Nước và ánh nắng

mặt trời có vô tận trên khắp hành tinh Năng lượng mặt trời được thiên nhiên ban

cho hào phóng và vĩnh hang khoảng 3*1024 J/ngày, tức khoảng bằng 104 lần năng lượng thế giới tiêu thụ hang nam Vi vay hydro là nguồn năng lượng mặt trời là

nguồn nhiên liệu vô tận, sử dụng từ thế kỷ này qua thế kỷ khác bảo đảm an toàn

năng lượng cho loài người mà không sợ cạn kiệt, không thể có bảo đảm năng lượng cho mỗi quốc gia, không có quốc gia nào có quyền tranh giành năng lượng hydro như đã từng tranh giành năng lượng hóa thạch

Đề ta thu được năng lượng hydro có hai phương pháp sản xuất sau Điện phân nước thông qua các pin mặt trời và phương pháp quang điện hóa phân rã nước nhờ

năng lượng của ánh nắng mặt trời với sự có mặt của chất xúc tác quang, cả hai phương pháp đều có phương trình phản ứng xảy ra như sau:

HO > H,+1/20,

3.2 Thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam

3.2.1 Thành phân chủ yếu của biogas

Biogas được tạo thành từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí Các chất hữu cơ có thể là: cây cối, rơm rạ, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực phẩm, các chất thải từ quá trình chăn nuôi Biogas từ các nguồn khác nhau thì có chất lượng tương đối khác nhau và phụ

thuộc vào yếu nhất định Hỗn hợp này thông thường bao gồm CH¡¿ (50-70%) và

CO, (25-50%) va các tạp chất khác như HạS Hàm lượng H;S nói chung vào khoảng

từ 100ppm đến 2000 ppm Lượng Nitogen (đến 10%), Hyđrogen (đến 5%), Oxygen,

và các thành phân khác cũng có thể có mặt với nồng độ khác nhau

phát điện chạy bằng Biogas

3.2.2 Các tỉnh chất của Biogas sử dụng làm nhiên liệu động cơ đốt trong

Bảng 3 — 1 Một số tính chất của Biogas

Các tính chất vật lý Methane (CHụ„) Carbon Dioxide (CO;)

Nhiét dung C, (Lat) 6,962.10" J/kg-C 2,643.10" J/ kg-"C

* Nhiệt trị của nhiên liệu:

Giá trị nhiệt cao của methane, chất cháy cơ bản trong Biogas, là 1012 Btu/f (37,71.10°K1/m) Giá trị nhiệt thấp được định nghĩa bằng giá trị nhiệt cao trừ đi năng lượng cần thiết để làm bay hơi nước trong nhiên liệu và sản phẩm cháy Đối

với methane giá trị nhiệt thấp là 912 Btu/ff (33,98.10K])

* Các chất cơ bản trong biogas:

Ngoài hai thành phần chính là CH¿ và CO; còn có các tạp chất cơ bản dạng

khí có mặt trong Blogas được liệt kê dưới đây:

- Hydrogen sulfide HS

- Hơi nước HạO

- Sulfur dioxide SO,

- Nitrogen oxides NO,

- Hén hop fluorine bay hoi (vi du: HF, SiF,)

- Hop chat nitrogen

- Carbon monoxide CO

3.2.3 Tình hình sử dụng nhiên liệu Biogas trên thể giới và nước ta hiện nay

a Ngoài nước

Hiện nay ở quy mô toàn cầu, Biogas là nguồn năng lượng lớn Tổng sản lượng

ứng dụng chiếm 9 đến 10 % tổng năng lượng trên thế giới Theo tính toán, nếu tận

dụng xử lý được hết nguồn phế thải toàn cầu thì hàng năm người ta có thể tạo 200

tỷ mỶ khí sinh học, tương đương 150 đến 200 triệu tân nhiên liệu và kèm theo nó là khoáng 20 triệu tấn phân bón hữu cơ chất lượng cao Có thể nói rằng, Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia có sự phát triển nhanh chóng về công nghệ xây dựng các bê lên men mêtan

* Ấn Độ

Công nghệ khí sinh học bắt đầu ở Ấn Độ bắt đầu từ năm 1897 Ban đầu, các trạm Blogas chỉ có quy mô hộ gia đình Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình

Ấn Độ chuyền từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng Biogas Năm 1985, Ấn

Độ có khoảng 1 triệu bể với chỉ phí xây đựng khoảng 55 triệu đô la Tính tới năm

1999 đã có tới 2,9 triệu công trình hầm khí sinh học gia đình và 2700 công trình hầm khí tập thể xử lý phân người được xây dựng Ước tính số công trình này hàng năm tiết kiệm 3 triệu tấn củi và 0,7 triệu tấn Urê Tháng 3 năm 2000, Ấn Độ có 3 triệu công trình hầm khí sinh học

* Trung Quốc

Lịch sử phát triển khí sinh học ở Trung Quốc bắt đầu từ cuối thế kỷ XIX Năm

1978 đã xây dựng 7,5 triệu bể với hàng năm tạo ra khoảng 2,5 tỷ m' khí mêtan, tương đương 1,5 triệu tân đầu mỏ Cho đến năm 1979, trên lãnh thô Trung Quốc đã

có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng khí Blogas Riêng ở tỉnh Sichuan các trạm này

có tổng công suất là 1.500kW Đến 1985, Trung Quốc đã xây dựng được 70 triệu bể khí mêtan Từ những năm cuối thập kỷ 80 của thế ký trước, người ta đã tính toán

đến việc sử dụng năng lượng sinh học để thay thế các dạng năng lượng sử dụng

nhiên liệu hoá thạch và Biogas đã trở thành đối tượng cho chương trình nghiên cứu năng lượng phục vụ nông thôn của Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Năng lượng và Công nghệ mới - Bộ Nông nghiệp Trung Quốc (1994) Cuối năm 2003, Trung Quốc

có hơn 9,7 triệu hầm cho các hộ gia đình trên toàn quốc Trên 90% hầm đang hoạt động tốt, sản xuất ra khoảng 2.980.000 m/năm Biogas chủ yếu được sử dụng vào

mục đích đun nấu, thắp sáng và chạy các động cơ phát điện

b Trong nước

Công nghệ khí sinh học đã được nghiên cửu và ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 1960 Lịch sử phát triển công nghệ khí sinh học ở Việt Nam chia thành 4 thời

kỳ chính

phát điện chạy băng Blogas

Trong hai ké hoach 5 nam (1981-1985 va 1986-1990), céng nghé khi sinh hoc

đã trở thành một trong những lĩnh vực ưu tiên trong chương trình

Năm 1990, TP Hồ Chí Minh có trên 700 công trình, Đồng Nai có 468 công

trình, Hậu Giang có 240 công trình, Hà Bắc có 50, Lai Châu có 40, Quảng Ngãi có

43 công trình

Nói chung toàn quốc có khoảng 2000 công trình Đa số các công trình đều hoạt động tốt, với thé tích khoảng 2+200 m

* Thời kỳ 1991 toi nay

Những năm 1999 trở lại đây nhiều nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu, triển khai nhiều công trình xử lý chất thải bằng hệ thống khí sinh học Biogas (mô

hình hình cầu của Viện năng lượng với thê tích 5m, 7m’, 8m’, 10m, 15mỶ, mo

hình NL-6 ) đã tạo ra một nguồn phân bón đáng kể, khả năng giải quyết nguồn năng lượng sạch tại chỗ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Ở miền Trung, Tây Nguyên, hàng loạt các mô hình bể Biogas cũng được áp dụng cho các hộ chăn nuôi gia súc, các nông trường chăn nuôi trên địa bàn như mô hình của Trung tâm Năng lượng mới (Sở KHCN TP Đà Nẵng, mô hình bể Biogas phá váng tự động của Phân

Viện BHLĐ và Bảo vệ Môi trường miền Trung, Tây nguyên (Đề tài 203-02/VBH)

Nhiều tô chức quốc tế đang quan tâm phát triển công nghệ ở Việt Nam: họ tô chức

nhiều hội thảo, tài trợ nhiều dự án phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta Các dự

án NLSK có cơ hội tận dụng cơ chế phát triển sạch (CDM) để thu hút vốn đầu tư Nhiều công nghệ đã được hoàn thiện, ứng dụng thương mại nên Việt Nam có thê nhập và ứng dụng, tránh được rủi ro về công nghệ

3.2.4 Thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam

Nước ta có hơn 80% dân số sống ở nông thôn Trong những năm qua phong trào xây dựng các hầm biogas qui mô gia đình ở các hộ chăn nuôi gia súc, gia cầm

đã và đang được phát triển Tuy nhiên, biogas hiện nay chủ yếu được dùng để thay thế chất đốt Trong thực tế sản xuất và sinh hoạt ở nông thôn hiện nay, nhu cầu sử

dụng động cơ kéo các máy công tác thông thường như bơm nước, máy phát điện,

máy xay xác, máy lạnh, máy sấy để bảo quản sản pham nông nghiệp, bảo vệ gia súc, gia cầm là rất lớn

4 Vêu cầu đặt ra cho động cơ khi sử dụng nhiên liệu biogas

Khi sử dụng khí biogas cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, đo có chỉ số Octane

cao nên có khả năng chống kích nô tốt Mặc khác khí biogas cũng được sử dụng

trên động cơ có tỉ số nén cao được cải tạo từ động cơ Diesel nguyên thủy Trong trường hợp này người ta sử dụng phương pháp đánh lửa bằng cách phun môi một phần nhiên liệu để đảm bảo cho động cơ hoạt động Ôn định mặt khác lượng nhiên liệu phun môi phải ít nhất để giám chỉ phí sản xuất Kỹ thuật này có nhiều lợi thế khi sử dụng trên động cơ tĩnh tại nhưng lại rất hạn chế trên động cơ vận tải do việc điều chỉnh phức tạp ở chế độ quá độ Chính vì vậy sử dụng khí blogas trên các phương tiện giao thông vận tải hiện nay vẫn còn nhiều hạn chế

- Năng lượng tia lửa điện

Năng lượng tối thiểu của tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp Methane -

không khí cao hơn nhiều so với trường hợp các hydrocacbon khác Vì vậy yêu cầu của hệ thống đánh lửa của động cơ khi sử dụng nhiên liệu biogas phải có tính năng cao hơn để đám bảo tạo ra năng lượng đánh lửa lớn để phù hợp với từng chế độ tải của động cơ

- Quá trình cháy của động cơ

Tốc độ lan tràn màng lửa của hỗn hợp Methane — không khí tương đối thấp Đặc điểm này làm giảm tính năng của động cơ vì làm tăng truyền nhiệt từ môi chất công tác qua thành Để khắc phục nhược điểm này người ta tăng cường thêm vận động rỗi của hỗn hợp trong buồng cháy Tuy nhiên tốc độ lan tràn màng lửa thấp sẽ có ưu điểm là làm giảm độ ồn của quá trình cháy

- Ngoài ra để sử dụng được nhiên liệu Biogas thì động cơ phải thỏa mãn một số yêu

cầu sau đây:

+ Tý số nén lớn để có thê hoạt động được với nhiên liệu khí;

+ Có khả năng sử dụng lưỡng nhiên liệu để khi nhiên liệu thay thế không đủ cung cấp thì có thể chuyển sang hoạt động với nhiên liệu truyền thống:

+ Độ giảm công suất khi sử dụng nhiên liệu Biogas so với nhiên liệu xăng không lớn quá;

+ Lượng tiêu thụ Biogas phù hợp với năng suất sinh khí của hầm Biogas;

+ Mức độ phát thải ô nhiễm phải thấp hơn động cơ xăng;

+ Tuôi thọ cao, giá thành phù hợp

phát điện chạy băng Blogas

5, Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu quả kinh tế của động cơ khi chạy bằng nhiên liệu biogas

5.1 Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu

5.1.1 Giới thiệu động cơ Toyota 3Ÿ

Động cơ 3Y được hãng ô tô Toyota sử dụng phổ biến từ năm 1989 đến năm

1998 trên các đời xe Toyota Corona, Toyota Corola Đây là động cơ dùng nhiên liệu xăng, sử dụng bộ chế hòa khí 2 họng , hệ thống đánh lửa bán dẫn, cơ cầu phân phối khí kiểu xupap đặt Cùng với cơ cấu cân xích thủy lực và sử dụng con đội thủy lực trong cơ cấu phân phối khí nên có tính năng kỹ thuật vượt trội với các động

cơ thời bấy giờ

Máy khởi

động

Hình 5 - 1 Động cơ ô tô Toyota-3Y

Bang 1—5 Cac thông số cơ bán của động cơ

5.1.2 Tinh toan chu trình nhiệt của động cơ

5.1.2.1 Tính nhiệt khi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng

Bước 1 Xác định các thông số cho trước của động cơ

Bảng 5— 2 Các thông số động cơ

phát điện chạy băng Blogas

Bước 2 Chọn các thông số cần thiét trong quá trình tính toán

Bảng 5-3 Các thông số chọn

Buéc 3 Tinh toan qua trinh nap

+ Hé sé nap n,

11, Sr va, -aay{ Be) (5-1)

—

- = 7 Ta Ss | 8.8.1,02—1,17 I *” | 9.8155

Buéc 4 Tinh toan qua trinh nén

+ Tỷ nhiệt trung binh dang tich cia khong khi mc,

mC, =a,+ oT, = 19,806 + TT 297 = 20,43[KJ/Kmol.K]

+ Ty nhiét mol dang tich trung binh cia san pham chay mC"

=> mC" = 20,733 + 297 = 21,603(KJ/kmol.K)

phát điện chạy băng Blogas

=> mC! =a' + oT, = 19,8586 + a 349,21 = 20,6(KJ/kmol.K)

+ Chỉ số nén đa biến trung bình nụ

Chỉ số nén đa biến trung bình là nghiệm của phương trình

Chọn n;=1,38 thay vào phương trình trên ta được:

Giải phương trình trên ta được mị = 1,371

+ Áp suất cuối quá trình nén P,:

Bước 5 Tính toán quá trình cháy

+ cạn không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1Kg nhiên liệu

C „H O

Trong đó:

Bảng 5 - 4 Thành phân trong l kg nhiên liệu Khôi lượng Nhiệt trị

phát điện chạy băng Blogas

+ Áp suất cực đại của chu trình ly thuyết P,

Bước 6 Tính toán quá trình giãn nở

+ Tỷ số giãn nở sớm p: Động cơ xăng p = 1

+ Tỷ số giãn nở sauô: Động cơ xăng ồ =s= 8,8

+ Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở P,:

Bước 7 Tính toán các thông số chỉ thị

+ Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết P`;:

phát điện chạy bằng Biogas

" §314.M,.p,f, —_ 7, = 8314.0,46736.1,03463.297 _ 9 3396 (5-28)

+ Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g;

= 3600 1o; _ g= 0.0, 3600 43995.0,3396 _ igs = 240,9525[g / Kw.h| (5-29) Bước 6 Các thông số có ích

+ Áp suất tốn thất cơ giới trung bình P„

Bước 7 Kiém nghiém kích thước xi lanh

+ Thể tích công tác của một xi lanh Vụ

4.1.3 Tính toán nhiệt khi động co chay bang Biogas

- Thành phân các chât trong Blogas

CnH„O, - Thành phần phần trăm của các chất khí chứa một trong ba nguyên

t6 C, H, O

nm,r - Số nguyên tử cacbon (C), Hydro (H), Ôxy (O) trong cầu tạo phân tử

của các chất khí thành phần của khí biogas

—M

- Thành phần theo thể tích hỗn hợp nạp vào động cơ

Theo kinh nghiệm, đối với động cơ gas hệ số dư lượng không khí z nằm

trong khoảng 1,05 + 1,15 thì động cơ đạt N.„a¿„ Chọn ø = 1,05

- Lượng hỗn hợp ứng với 1 m° biogas 1a :

M; = 1+@.M,_,[m*h’/m*khi biogas] = 1 + 1,05.5,317 = 6,583 [m h”/m khí biogas |

M, = 6,583 [m*h’/m’khi biogas] = 0,288 [kmol hh/kgbiogs] (5-38)

Trong d6, 1m’ khi biogas va 5,9125 m”kÝ, khi tính toán giả thuyết thành phần Oxy va Nito trong không khí là 21% và 79% nên:

Thanh phần phần trăm của các khí thành phần trong hỗn hợp:

phát điện chạy băng Blogas

l ——DD_—- + 79.5,317

- N> =| 10

6,583 6,583 5,317

Nhiệt độ blogas trước cửa nạp

Hệ số dư lượng không khí

Hệ số lợi dụng nhiệt tại Z

Hệ số lợi dụng nhiệt tại b

Hệ số lợi dụng nhiệt tại b

Hệ số lợi dụng nhiệt tại z

Hệ số điền đây đồ thị

0,098

298

298 1,05 0,85 0,95 0,116

920

20 1,5

1,17 0,86 0,85 0,97

MN/n”

- Thông số tính toán

Tính toán nhiệt động cơ gas dựa trên cơ sở kết hợp giữa số liệu khí biogas đang được thí nghiệm ở trường và hướng dẫn làm đồ án môn học “Động cơ đốt trong”

phát điện chạy băng Blogas

mc,,: Ty nhiệt mol trung bình của khí thứ 1 thành phần

MCyy, = MCyo, = MCycq = 19,806 + — 1|KJ | Kmol’ K| (5-44)

+ Ty nhiét mol trung binh cua san vat chay

Thanh phan va s6 lwong san vat chay cua h6n hop khi a> 1

My = >m/2(C„H,O,) = 4,511 [m?/m’*khi biogas]

Mco2= šn(C„H„O,) = 0,132[m/mỶ khí biogas]

+ Chỉ số nén đa biến trung bình nụ

Sau khi thé s6 chon n, để cân bang 2 về ta chon được nị = 1,372

Sai số hai về A = 0,0005< 0,001 thỏa điều kiện

+ Nhiệt độ cuối quá trình nén

+ Áp suất cuối quá trình nén

Pc =P,.e"' ,[MN/m”] = 0,088.8,8°'”^“= 1,741[MN/nmiÏ] (5-49)

Bước 3 Quá trình cháy

+ Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1m” khí biogas (ở đktc)

+ Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết

phát điện chạy băng Blogas

+ Nhiệt độ cực đại của chu trình T;

Nhiệt độ cực đại của chu trình T;: T; là nghiệm của phương trình

Giải phương trình ta được T, = 2721,813[”K]

+ Áp suất cực đại của chu trình