2.6.1. Nguyên lý làm việc của Thermoelectric generator (TEG)
TEG làm việc khá đơn giản, với một thiết bị thì chúng ta chỉ cần làm nóng một mặt và mặt cịn lại làm mát thì sẽ suất hiện điện áp ra hai đầu dây của TEG , tùy vào mục đích sữ dụng và nhiệt lượng có được mà chúng ta có thể dùng nhiều kiểu và phương pháp khác nhau để có được điện áp và dòng điện mong muốn. Với một thiết bị TEG này theo datasheet của nó thì như Hình 2.26.
42
Hình 2.27. Data sheet của TEG
Tuy nhiên để tạo được chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt là trên 80oC là khó nên để muốn có được dịng điện và điện áp mong muốn người ta thương mắc nối tiếp nhiều thiếc bị TEG lại với nhau để đạt được như mong muốn .
43
Hình 2.28. Lắp nối tiếp nhiều thiết bị TEG
Với mục tiêu của đề tài là tận dụng nguồn nhiệt thải để tạo thành điện năng, hạn chế của việc tận dụng nguồn nhiệt thải là nhiệt lượng tỏa ra là không quá cao nên việc giải nhiệt mặt còn lại là khá quan trọng để thiết bị của chúng ta đạt dược hiệu suất cao. Ở đây bọn em dùng giải nhiệt bằng nhôm và dùng một phần năng lượng tự nó sinh ra để chạy quạt giải nhiệt. Tuy nhiên nhược điểm của loại này thì hiệu suất khơng cao lắm tại nhiệt độ thanh nhôm giải nhiệt sau thời gian hoạt động củng sẽ bị ảnh hưởng bởi mặt còn lại. nếu như điều kiện cho phép chúng ta có thể dùng nhiều phương pháp giải nhiệt khác như giải nhiệt nước, khơng khí lạnh… để chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt là cao từ đó cơng suất của máy phát nhiệt chúng ta lớn hơn. Nhưng bù lại chúng có ưu điểm là tự hành tốt, hoạt động liên tục không cần sự tác động của con người.
2.6.2. Giải thích nguyên lý làm việc của thermoelectric generator (TEG) 2.6.2.1. Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện
Hiên tượng nhiệt điện là sự chuyển đổi trực tiếp năng luợng nhiệt thành năng lượng điện và ngược lại. Hiện tượng này có thể được sử dụng để tạo ra điện, đo nhiệt độ hay làm thay đổi nhiệt độ của một vật. Có ba hiệu ứng nhiệt điện được biết đến là: hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng Peltier và hiệu ứng Thomson.
44
Hình 2.29. Hiệu ứng nhiệt điện Seebeck
Hiệu ứng Seebeck: Hiệu ứng Seebeck là sự chuyển hóa chênh lệch nhiệt độ thành
điện thế, và được đặt theo tên nhà vật lý người Đức, Thomas Seebeck, phát hiện vào năm 1821. Ông phát hiện ra rằng kim la bàn sẽ bị lệch hướng khi đặt cạnh một mạch kín được tạo bởi hai kim loại nối với nhau, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn. Điều này là do các kim loại phản ứng khác nhau với sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra dòng điện và một điện trường. Tuy nhiên, ơng khơng nhận ra sự có mặt của dịng điện. Điều khiếm khuyết này được nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Orsted chỉ ra và đặt ra khái niệm “nhiệt điện”. Điện thế tạo ra bởi hiệu ứng này cỡ µV/K. Ví dụ cặp đồng- constant có hệ số Seebeck bằng 41µV/K ở nhiệt độ phịng.
Điện thế V tạo ra có thể tính theo cơng thức:
Trong đó: SA, SB là hệ số Seebeck của kim loại A, B và là một hàm của nhiệt độ; T1, T2 là nhiệt độ của hai mối hàn. Hệ số Seebeck khơng phải là một hàm tuyến tính theo nhiệt độ, nó phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của vật dẫn, vật liệu. Nếu hệ số Seebeck không thay đổi trong dải nhiệt độ đo, cơng thức (1.1) có thể viết lại gần đúng như sau:
45
Hiệu ứng Seebeck được sử dụng trong cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ. Cặp nhiệt điện mắc nối tiếp tạo thành pin nhiệt điện do điện thế của từng cặp nhiệt điện là rất nhỏ.
Hiệu ứng Peltier: Hiệu ứng Peltier là nhiệt tỏa ra hoặc thu vào ở mối nối giữa hai
vật khác nhau khi có dịng điện chạy qua, và được đặt theo tên của nhà vật lý người Pháp, Jean Charles Peltier, người đã phát hiện ra hiện tượng này vào năm 1834. Khi có một dịng điện đi qua mối nối giữa hai kim loại A và B, sẽ có nhiệt tỏa ra hoặc thu vào ở mối nối. Nhiệt lượng Peltier Q tỏa ra bởi chỗ nhiệt độ T1 trong một đơn vị thời gian là:
Hình 2.30. Hiệu ứng nhiệt điện Peltier
Trong đó, ПAB là hệ số Peltier của cặp kết hợp giữa A và B; ПA, ПB là hệ số Peltier của vật A và B.
Các phần tử nhiệt điện ứng dụng hiệu ứng này làm bộ phận làm mát cho các thiết bị chuyên dụng và dân dụng.
2.6.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát nhiệt điện TEG
Máy phát nhiệt điện là động cơ nhiệt ở trạng thái rắn và hoạt động theo nguyên lý Seebeck Effect - một lý thuyết rằng tuyên bố một sự khác biệt nhiệt độ trên vật liệu nhiệt điện có thể được chuyển trực tiếp thành năng lượng điện.
Một máy phát điện nhiệt điện được làm bằng nhiều cặp bán dẫn loại p và loại n. Các bán dẫn p là loại được làm bằng vật liệu bán dẫn pha tạp chất và các hạt mang điện tích cực (lỗ trống) và hệ số Seebeck là tích cực. Cácbán dẫn loại n được làm bằng vật liệu
46
bán dẫn pha tạp chất như vậy mà các hạt mang điện là âm (electron) và hệ số Seebeck là tiêu cực.
Khi có một kết nối một bán dẫn p-type tới bán dẫn n-type, các lỗ trống di động trong các bán dẫn p-type "nhìn thấy" các điện tử di động trong các bán dẫn n-type và di chuyển chỉ về phía bên kia của đường giao nhau như Hình 2.30.
Hình 2.31. Đường di chuyển p-type tới bán dẫn n-type
Khi kết nối chất bán dẫn loại p với bán dẫn loại n sẽ tạo ra một điện áp tiếp giáp chỗ mặt tiếp xúc, ta gọi là điện áp tiếp giáp. Điện áp tiếp giáp được hình thành vì bán dẫn loại p mang điện tích dương, cịn bán dẫn n mang điện tích âm vậy nên khi tiếp xúc với nhau các electron ở miền n sẽ được khếch tán sang miền p và các lỗ trống ở miền p sẽ kết hợp với các electron ở miền n tạo thành một lớp tiếp giáp và điện áp tiếp giáp ở vùng này. Khi một electron từ bán dẫn n di chuyễn để kết hợp với một lỗ trống ở miền p thì khoảng trống mà electron vừa rời đi sẽ nhường chỗ cho một lỗ trống, quá trình tiếp tục cho đến khi sự đổi chổ giữa electron và lỗ trống đạt trạng thái cân bằng, nó cũng ngăn chặn electron và lỗ trống di cư đi. vùng này gọi là vùng khan hiếm.
Khi làm nóng khu vực vùng khan hiếm này và làm mát đầu còn lại của nguyên tố này có thể phá vỡ các khu vực suy giảm này. Các lỗ trống di động trong loại p được kích thích bởi nhiệt và di chuyển sâu hơn vào các phần tử với năng lượng động học thêm. Điều tương tự cũng xảy ra với các điện tử di động trong bán dẫn loại n. Ảnh hưởng thực: nhiều lỗ chồng chất lên ở cuối lạnh của bán dẫn loại p và rất nhiều các electron chồng chất lên ở cuối lạnh của bán dẫn loại n, do đó tạo ra một tiềm năng điện áp trên tiếp giáp pn khi đo từ cuối lạnh để kết thúc lạnh.
47
Bằng cách đặt một tải điện hoặc dây từ cuối lạnh của bán dẫn loại p tới đầu bán dẫn loại n, các electron từ các bán dẫn loại n "sẽ thấy" tất cả các lỗ chồng chất lên nhau ở phần cuối của bán dẫn loại p và tạo một chuyến đi dọc theo dây vào vật liệu loại p. ngược lại, một lỗ từ các phần tử p-type "sẽ thấy" một vị trí cịn trống trong các bán dẫn loại n và di chuyển theo hướng đó. Kết quả cuối cùng là dịng điện qua một điện thế (từ ngã ba pn), và năng lượng điện được tạo ra.Sức mạnh này là một chức năng của nhiều thứ như sự khác biệt nhiệt độ, hệ số Seebeck, và tải điện kết nối hai bên lạnh. Và tất nhiên, khái niệm này có thể được suy ra cho nhiều cặp bán dẫn pn mắc nối tiếp nhau.
48
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 3.1. Giới thiệu
- Mơ hình 1: Một máy phát nhiệt điện mini dùng nhiệt từ ngọn nến hoặc đèn dầu chuyển hóa thành điện năng để thắp sáng đèn led hoặc sạc điện thoại.
-Mơ hình 2: Bộ bếp thơng minh gồm một bếp và một nồi, điện năng được tạo trực tiếp trong quá trình đung nấu và được lưu vào acquy khi cần chúng ta có thể lấy ra sử sụng, bếp nấu được nghịch lưu ra 220v có thể sử dụng cho những thiết bị cần thiết.
3.2. Thiết bị, vật liệu
Thiết bị, vật liệu làm mơ hình gồm nhơm tản nhiệt:
Hình 3.1. Máy phát điện mi ni
+ Bếp nấu:
49
+ Máy phát nhiệt điện :
Hình 3.3 TEG
+ Keo tản nhiệt bơi vào mặt tiếp giáp giữa 2 mặt :
Hình 3.4. Keo để làm mặt cho tiếp xúc
+ Các phụ kiện cần thiết : Kiềm, kéo… + Quạt làm mát :
50
3.3. Thí nghiệm mơ hình
+ Phần mềm AZTEC : Mơ phỏng, thiết kế mơ hình máy phát của chúng ta.
51
Hình 3.7. Kết quả sau khi thí nghiệm sử dụng chiếu sáng
- Thí nghiệm 1: Mơ hình thí nghiệm dùng nến hoặc ngọn đèn để tạo nhiệt và phát điện và tiến hành đo dòng, áp và thử nghiệm chạy tải.
52
Hình 3.9. Mơ hình thí nghiệm nồi nấu có bộ phát điện
Hình 3.10. Kết quả khi thí nghiệm mơ hình nồi nấu có bộ phát điện
- Thí nghiệm 2: Mơ hình thí nghiệm dùng năng lượng nhiệt từ bếp gas để đốt nóng nồi tạo điện năng. Đo dòng và áp ra trong thử nghiệm.
53
- Thí nghiêm 3: Mơ hình bếp nấu thơng minh tạo điện năng và có thể lưu trử điện năng trực tiếp từ bản thân hoặc từ nồi đun nước qua cổng micro USB. Hệ thống có bộ nghịch lưu điện áp lên 220VAC công suất khoảng 30w để phục vị cho các mục đích khác.
Hình 3.12. Bếp nấu có tận dụng gắn bộ phát điện
Hình 3.13. Bếp nấu có tận dụng gắn bộ phát điện khi gắn tải bóng đèn 3.4. Phần mềm thiết kế chuyển đổi năng lượng
- Phần mềm có tên AZTEC do công ty LairdTech nghiên cứu và phát triển công ty có trụ sở tại Mỹ và chuyên nghiên cứu phát triển nguồn năng lượng mới.
- Khởi động phần mềm gồm hai hướng.
+ Thiết kế một thiết bị giải nhiệt từ thiết bị TEG. + Thiết kế một thiết bị nhiệt điện từ TEG.
54
Hình 3.14. Phần mềm thiết kế cho TEG
- Chọn mục thiết kế một bộ nhiệt điện (Thermoelectric power generation).
55
- Trong đó:
+ “Hot Side Temperature” là nhiệt độ mặt nóng dự kiến cho máy nhiệt điện.
+ “Ambient Temperature” là nhiệt độ bên mặt mát dự kiến cho máy phát nhiệt điện. + “Cold Side Thermal Resistance For Each TEG” Điện trở mặt lạnh cho mỗi TEG.
Hình 3.16. Giá trị dịng và áp
- Giá trị yêu cầu cho máy nhiệt điện
Hình 3.17. Giá trị yêu cầu cho máy nhiệt điện
- Cách sắp xếp theo dòng, áp, năng lượng ngõ ra cho các modul …
56
- Giá trị sau khi phần mềm đã tính tốn xong gồm số lượng TEGs cần để thiết kế, tổng trở kháng, hiệu suất, tổng nhiệt đã sinh ra…
- Các dạng modul khác nhau cua TEG để chúng ta có thể tùy chọn sang cho phù hợp
- Đồ thị và các hiển thị khác với mơ hình đang thiết kế
Ví dụ: chúng ta đang cần thiết kế một bộ máy phát nhiệt điện dành cho lò sưởi với với điện áp mong muốn là 12v để chạy inveter nghịch lưu, dòng điện yêu cầu khoảng 2A, nhiệt nóng từ lị sưởi có thể cung cấp cho máy nhiệt điện là khoảng 130oC, nhiệt mặt lạnh có thể giải nhiệt là khoảng 70 oC. vậy chúng ta có thể áp dụng với các thơng số trên để đưa vào tính tốn.
Hình 3.19. Ví dụ điển hình
- Với nhiệt độ, dịng và áp mong muốn chúng ta hồn tồn có thể thiết kế được một hệ thống nhiệt điện với số lượng và loại TEG. Về mặt cơ khí và thẩm mỹ thì tùy trường hợp và hồn cảnh mà ta có thể có các cách bố trí cũng như giải pháp khác nhau để máy phát nhiệt điện chúng ta hoạt động hiệu quả hơn.
57
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 4.1. Kết luận
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài “Mơ hình tận dụng nguồn nhiệt năng
chuyển đổi thành điện năng”, đề tài đạt được những kết quả chính như sau:
- Nêu lên tình hình năng lượng hiện nay của Việt Nam cũng như trên toàn thế giới xu
thế phát triển nguồn năng lượng mới khi nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, và đề tài này cũng đang là chủ đề nóng cho các nhà nghiên cứu cũng như nhận được sự quan tâm của các quốc gia phát triển.
- Các phương pháp tận dụng nguồn nhiệt thải lãng phí trong cơng nghiệp,có thể được
áp dụng và mang lại một công dụng khá lớn khi xã hội đang ngày càng phát triển, những phát minh nghiên cứu mới được đưa vào sản xuất. Tuy vậy, sản xuất công nghiệp vẫn là nguồn sử dụng nhiên liệu hóa thạch hàng đầu cũng như gây ra các vấn đề về ơ nhiễm tồn cầu hiện nay.
- Tận dụng thông minh việc sử dụng năng lượng nhiệt ở hộ gia đình cũng như mang
lại khá nhiều cơng dụng. việc tận dụng tốt nguồn nhiệt để tạo điện năng có thể mang đến nguồn năng lượng cho các khu vực vùng cao nơi mà điện lưới quốc gia chưa thể đi đến hoặc có thể cứu cánh chúng ta khi có sự cố bất ngờ hoặc thiên tai.
- Đưa ra phương pháp xây dựng một nhiệt điện tại nhà từ là Thermoelectric Generator
tên viết tắt là TEG, sau khi nắm bắt được nguyên lý hoạt động của TEG và sử dụng được phần mềm AZTEC thì mỗi người chúng ta hồn tồn có thể tự thiết kế một bộ nhiệt điện cho hộ gia đình từ nguồn nhiệt sinh ra trong quá trình sinh hoạt
- Mơ hình “Mơ hình tận dụng nguồn nhiệt năng chuyển đổi thành điện năng”
gồm một dụng cụ nhà bếp thơng minh gồm bếp và nồi, chúng có thể tạo ra điện khi nấu ăn và lưu trữ vào pin sẽ được sữ dụng khi gặp sự cố cho nhiều mục đích với điện áp ra là 220V và 5V. Mơ hình thứ hai là một bộ chuyển đổi trực tiếp nhiệt từ ngọn nến hoặc đèn dầu chuyển hóa trực tiếp ra điện năng chúng ta có thể khuếch đại ánh sáng nhờ sử dụng đèn led hoặc xạc điện thoại.
Do thời gian cũng như kiến thức có hạn nên mơ hình làm ra chưa hồn thiện về mặt thẩm mỹ và hiệu suất chưa cực đại. Việc tận dụng hiệu quả nguồn năng lượng là rất quan trọng nên cần nghiên cứu và xem sét kỹ hơn trước khi áp dụng vào thực tiễn và sản xuất đại trà . Tuy nhiên với đồ án về đề tài này sẽ một phương pháp mới và có thể áp dụng tốt vào thực tiễn giúp ích cho xã hội góp phần nhỏ vào việc tiết kiệm năng lượng.
4.2. Hướng phát triển
Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng với mơ hình có cơng suất lớn hơn để tận dụng được nguồn nhiệt thừa đa dạng trong cuộc sống.
58
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[11]. Lê Văn Doanh (chủ biên), Phạm Văn Bình, Phạm Hùng Phi, Trần văn Tớp, Nguyễn Xuân Hoàng Việt. 2010. Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Trường đại học Bách khoa Hà Nội. Hà Nội. Việt Nam
[12]. Trần Đình Long. 1999. Quy hoạch phát triển năng lượng và điện lực. NXB Khoa