VÀO MÁY PHÁT ĐIỆN
3.1./Tìm hiểu nguyên lý và một sốđặc điểm máy phát
3.1.1./Giới thiệu một số chủng loại máy phát
Máy phát để sử dụng chạy được khí Biogas thì có rất nhiều loại như máy phát chạy bằng xăng, dầu hay các nhiên liệu hóa lỏng…. thì đều được, tùy thuộc vào người thiết kế mong muốn. Ởđây máy phát được chọn để làm trong đề tài là loại máy phát chạy thuần túy bằng xăng được bán rộng rãi trên thị trường.
Máy phát điện sách tay loại công suất nhỏ
Máy phát điện công suất cỡ trung bình
Tất cả các chủng loại công suất máy phát như trên đều có thể hoạt động chính bằng khí Biogas để sản sinh ra điện năng. Tuỳ thuộc vào hãng sản xuất hoặc công suất của máy mà cơ cấu để đưa nguồn khí Biogas vào hoạt động chính sẽ có sự khác biệt về kích thước, đường kính và lỗ chân không của họng khí, nhưng tất cảđều nhằm mục đích hoà trộn tỷ lệ khí thiên nhiên và khí Biogas có tỷ lệ thích hợp nhất trước khi đưa vào buồng đốt.
Đặc điểm chủng loại máy phát được chọn
Trong đề tài này nhóm chọn loại máy phát dành cho gia đình có công suất cỡ nhỏ 550W và được thể hiện ở hình 3-1. Máy phát hiệu Honda của Nhật Bản, máy ban đầu chạy bằng xăng sau đó mới cải tạo chuyển sang chạy bằng khí Biogas. Điện áp ra là 220V và tần số là 50Hz, tốc độ làm việc ổn định của máy phát là 1500V/phút.
Trước tiên ta sẽ tìm hiểu về cơ cấu chế hoà khí của máy phát chạy ban
đầu bằng xăng.
3.1.2./Tìm hiểu hoạt động bộ chế hoà khí máy phát điện
Bộ chế hòa khí máy phát có nhiệm vụ trộn không khí với nhiên liệu theo một tỉ lệ thích hợp và cung cấp hỗn hợp này cho động cơ đốt trong, hoạt động theo nguyên tắc hoàn toàn cơ học. Nếu tỉ lệ nhiên liệu và gió được điều chỉnh không chuẩn sẽ dẫn đến hiện tượng khó khởi động cho máy hoạt động.
Bộ chế hoà khí máy phát, động cơ nổ, hay các xe máy hiện nay về nguyên lý hoạt động và cơ cấu của nó đều có điểm tương đồng như nhau. Về Nguyên lý cơ bản giải thích như sau [9]:
Đầu tiên, xăng được chuyển vào buồng phao (float chamber) thông qua
ống dẫn đầu vào (feed pipe)và đường dẫn nhiên liệu (fuel inlet). Khi khoang chứa đã nạp đầy đến một mức độ nhất định, phao và kim chỉ van nâng lên và việc nạp nhiên liệu được ngưng lại. Khi piston chuyển động xuống dưới xi lanh, áp suất trong xi lanh giảm xuống. Áp suất của khí quyển sẽ đẩy không khí vào trong bộ chế hòa khí. Đó là nơi mà không khí sẽ được trộn với một lượng xăng thích hợp từ buồng phao để tạo ra hổn hợp xăng + không khí, tỷ lệ xăng/không khí thông thường vào khoảng 1g xăng/14,7g không khí. Nếu lượng xăng> 1g/14,7g không khí hỗn hợp được gọi là hỗn hợp giàu, được dùng khi máy phát hay động cơ khởi động hoặc đang tăng ga, tăng tải. Nếu động cơ hay máy phát luôn hoạt động trong trạng thái hỗn hợp giàu sẽ sinh ra hiện tượng đống muội
đen trong buồng đốt, bugi và ống xả, hiệu suất sử dụng nhiên liệu giảm, "ăn xăng". Nếu lượng xăng< 1g/14,7g không khí hỗn hợp được gọi là hỗn hợp nghèo, sinh ra do điều chỉnh các thông số bị sai lệch, các đường nạp xăng bị bẩn hoặc tắt. Nếu động cơ hay máy phát hoạt động trong trạng thái hỗn hợp nghèo
công suất giảm, lực moment giảm (động cơ bị yếu) sinh ra hiện tượng đóng trắng trong buồng đốt và bugi.
Đó là nguyên lý hoạt động chính của bộ chế hoà khí hoạt động hoàn toàn bằng cơ học. Ngoài ra với tốc độ phát triễn các vi mạch hiện nay, một bộ điều chế hoà khí bằng điện tửđã ra đời [13](máy chạy bằng xăng).
Loại phun xăng bằng điện tử EFI đang có xu hướng phát triển mạnh những năm gần đây. Ưu điểm lớn nhất của phun xăng điện tử là tạo nên hòa khí có tỷ lệ lý tưởng ở tất cả các xi-lanh với mục tiêu của tất cả các chế hòa khí là tạo nên một hòa khí có tỷ lệ khối lượng tối ưu giữa không khí và nhiên liệu là 14,7:1. Với những hòa khí đạt tỷ lệ trên, nó sẽ cháy hoàn toàn. Một hỗn hợp nào
đó có tỷ lệ thấp hơn được gọi là "giàu" do có quá nhiều nhiên liệu so với không khí. Ngược lại, hỗn hợp đó được coi là "nghèo".
Hỗn hợp giàu sẽ không cháy hết do thừa nhiên liệu và gây hao xăng. Trong khi đó, hỗn hợp nghèo không sinh ra công tối đa, khiến động cơ làm việc yếu và thiếu ổn định. Để thực hiện điều này, bộ chế hòa khí phải kiểm soát được lượng không khí đi vào động cơ và thông qua đó cung cấp một lượng nhiên liệu phù hợp. Do vận hành tự động nên hệ thống EFI cần có các thông số để điều khiển kim phun đóng mở trong khoảng thời gian sao cho lượng nhiên liệu vừa
là góc quay và tốc độ trục khuỷu, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ
nước làm mát, tỷ lệ hỗn hợp, nồng độ oxy ở khí thải... Những số liệu này được thu thập từ các cảm biến đặt khắp nơi trong động cơ.[13]
Ưu nhược điểm phổ biến của phun xăng điện tử EFI đã chứng tỏ ưu điểm lớn của nó. Khác với chế hòa khí, EFI mà đặc biệt là loại đa điểm MFI có thể
tạo nên những hòa khí có tỷ lệ gần ngưỡng lý tưởng ở tất cả các xilanh, tùy theo
điều kiện vận hành của chúng. Điều này có nghĩa hòa khí ở các buồng đốt đều cháy hết, qua đó sinh công tối đa trong khi lượng nhiên liệu tiêu thụ ở mức vừa
đủ.
Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm khi hỏng hóc, người vận hành phải
đem đến nơi chuyên môn để xác định nguyên nhân và nếu hoạt động với xăng kém chất lượng sẽ làm ảnh hưởng đến đầu kim phun xăng.
Trên cơ sở nguyên lý hoạt động của bộ chế hoà khí chạy bằng xăng, ta cũng có thể hiểu được rằng trước khi nhiên liệu vào buồng cháy của động cơ thì tỷ lệ khí thiên nhiên và nhiên liệu đốt phải được hoà trộn với tỷ lệ thích hợp.
3.1.3/Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy phát
Để đưa được khí Biogas vào buồng cháy của máy phát ta có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau, có thể thay bộ chế hoà khí cũ bằng một bộ chế hoà khí khác dành riêng cho nguyên liệu Biogas hoặc ta có thể giữ nguyên bộ chế
hoà khí cũ, thiết kế thêm 1 số chi tiết đểđưa lượng khí vào phù hợp hoặc ta có thể sử dụng bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng có trên thị trường [3].
Để đơn giản hoá nhóm đã chọn phương án giữ nguyên bộ chế hoà khí của máy phát cũ, thiết kế thêm 1 chi tiết để đưa lượng khí Biogas vào họng máy, đường cung cấp xăng và các lỗ thông hơi cũ không cần thiết được bit kín nhằm giảm bớt lượng không khí thiên nhiên không cần thiết khi hoạt động đưa vào máy phát đồng thời tạo ra được áp suất mạnh hơn trong xylanh, và cho bướm ga điều khiển bằng cơ ban đầu mở cốđịnh là tối đa. Với phương pháp này ta cũng có thể
dễ dàng chuyển máy về chạy bằng xăng khi lượng khí Biogas ngặt nghèo.
Hoạt động của máy phát sau khi được cãi tạo có đặc điểm cung cấp nhiên liệu như sau:
- Khí Biogas sẽ là nguồn nguyên liệu chính quyết định đến hoạt động của máy phát.
- Nếu lượng khí cung cấp giảm, tốc độ máy phát sẽ giảm dẫn đến giảm
điện áp và giảm công suất của máy. Và ngược lại nếu lượng khí là dồi dào. - Ngoài ra để cho quá trình mồi máy được dễ dàng hơn, ta có thể cho 1 lượng nhỏ xăng vào bộ chế hoà khí của máy (bình xăng con của bộ chế hoà khí cũ).
Với đặc điểm cung cấp nhiên liệu như vậy, khi thiết kếđường dẫn khí đưa vào máy phát phải được tính toán nhằm cung cấp đủ lượng khí, đồng thời tỷ lệ
khí thiên nhiên và khí Biogas được thích hợp nhất.
Hình ảnh thiết kế chi tiết
Bộ chế hoà khí ban đầu của máy được giữ nguyên và họng của bộ chế hòa khí có đường kính bên trong đo được là Φ = 16mm.
Giữa bộ chế hoà khí với máy phát được liên kết với nhau thông qua 2 thanh ốc. Hai thanh ốc này được bắt cố định vào máy phát. Thanh ốc có chiều dài là 60mm, đường kính Φ = 6mm.
Với những đặc điểm đo được từ bộ chế hòa khí máy phát, nhóm đã thấy rằng bộ chế hòa khí liên kết với máy phát trên thanh ốc vẫn còn một khoảng cách. Tận dụng khoảng trống trên thanh ốc nhóm đã quyết định thiết kế thêm 1 chi tiết có dạng hình vuông được gia công từ nhựa cứng, có khả năng chịu nhiệt cao. Với họng vào buồng cháy bằng họng của máy là Φ = 16mm, bề dày chi tiết là Φ = 10mm, kèm thêm 2 lỗΦ = 6mm để cốđịnh chi tiết với thân máy. Các lỗ
và họng này phải được đồng tâm theo bộ chế hoà khí và thân của máy phát. Với chi tiết này thì bộ chế hòa khí của máy phát sẽ không có gì thay đổi và hoàn toàn
được giữ nguyên như lúc ban đầu. Và chi tiết lúc này có thể hiểu là một khớp nối giữa bộ chế hòa khí và máy phát.
Họng ống cung cấp khí Biogas được tính toán theo các số liệu sau [2]: GB = μh . fh . WB . pB Trong đó: GB là mối quan hệ giữa tiết diện họng và lưu lượng khí. μh là hệ số lưu lượng của họng, ta có thể chọn μh = 0,85. fh tiết diện của họng và fh = π.dh2/4.
pB là khối lượng riêng của khí biogas và pB = 0,8808kg/m2. WB tốc độ dòng khí Biogas và được tính theo biểu thức:
)( ( 2 B h B B p p p W = Δ + Với ∆ph là độ chân không tại họng. PB là áp suất của biogas và pB = 35mmH2O.
Trên cơ sở các số liệu trên [2] ta có thể tính toán họng cung cấp khí cho máy phát.
Trên thực tế lưu lựơng khí Biogas trước khi vào bộ chế hoà khí máy phát phải đi qua 1 van khí, lưu lượng khí sẽ phụ thuộc vào mức độ đóng mở của van này do đó nếu đường kính họng cung cấp khí Biogas lớn hơn theo tính toán cũng sẽ không làm ảnh hưởng đến quá trình cung cấp khí cho máy, ta có thể được chọn theo một số tài liệu đưa ra kinh nghiệm thiết kế như sau: đường kính cấp khí Φ = 6mm ứng với máy có họng khí Φ = 16mm (máy cỡ 1HP trở
xuống), Φ = 10mm với máy dưới 10HP, Φ = 12mm trở lên ứng với các máy trên 10PH.
Nhóm đã chọn thiết kếđường kính cung cấp khí biogas cho máy phát là Φ
Khi tính toán và thiết kế xong, chi tiết sẽ được kẹp giữa máy phát và bộ
chế hoà khí, trình bày như hình bên dưới.
Phần thiết kế chi tiết đưa khí Biogas vào máy phát 2 mặt tiếp xúc 2 bên phải được mài bằng và nhẵn đồng thời phải được ép cứng cố định giữa bộ chế
hoà khí và thân máy phát nhằm tránh lỗ hở gây nên giảm lực hút áp suất trong xylanh của máy phát, dẫn đến khó đạt được hiệu suất mong muốn.
3.2./Nguyên lý hoạt động hệ thống dẫn khí
Sơđồ bố trí các van, đường ống dẫn khí được bố trí như hình bên dưới.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Nhiên liệu từ hầm chứa khí Biogas, sau khi qua 2 tháp hấp phụ CO2 và H2S được đưa đến hệ thống trên, đến đây khí Biogas sẽđược chia thành 2 nhánh
đểđi vào máy phát. Với nhánh dẫn khí thứ 1 là nhánh đi qua van giảm áp, nhánh này nhằm phục vụ cho quá trình khởi động máy và chạy ổn định ở chếđộ không tải 220V-50Hz thông qua 1 van giảm áp được điều chỉnh trước với lượng khí phun một mức ổn định không đổi (tức mức cho máy chạy xấp xỉ bằng 220V). Nhánh 2 gồm 1 van điều khiển bằng điện (ban đầu trạng thái đóng) và làm việc theo đặc tính sự thay đổi của tải.
Khi có sự chuyển biến về tải, số lượng tải tăng lên, điện áp ra của máy lúc này sẽ không còn giữ ổn định với điện áp 220V như mong muốn. Dựa vào đặc tính: khi tải tăng, điện áp giảm kéo theo tốc độđộng cơ giảm theo, nhóm đã thiết
đo sẽ được trình bày phần bộ điều tốc). Tín hiệu tần số quay của máy phát sẽ được đưa đến 1 board điều khiển, board mạch này làm nhiệm vụ đọc tín hiệu vào, so sánh với tín hiệu điện áp chuẩn, điều khiển ngõ ra và hiển thị số vòng quay.
Khi tín hiệu đưa đến mạch điều khiển tín hiệu ngõ ra sẽ điều khiển độ đóng mở 1 van điện và hoạt động theo nguyên tắc sau:
- Nếu tần số quay của máy phát nhỏ hơn tần số quay chuẩn của mạch
điện thì tín hiệu ngõ ra sẽđiều khiển van sao cho tăng thêm lượng khí Biogas đi vào máy phát. (Xác định tần số chuẩn của mạch điện được trình bày trong chương 5 thực nghiệm).
- Nếu tần số quay của máy phát lớn hơn tần số chuẩn của mạch (lúc giảm dần tải) thì tín hiệu ngõ ra sẽ điều khiển đóng van, giảm bớt lượng khí Biogas vào máy.
- Khi tần số nằm trong phạm vi cho phép thì van giữ nguyên vị trí.
Như vậy nhánh thứ 1 cung cấp khí Biogas cho chế độ chạy không tải,
đồng thời là nguồn cung cấp ban đầu cho board điều khiển. Nhánh thứ 2 sẽ làm việc khi có sự thay đổi của tải. Do đó người vận hành chỉ cần mở van khí bằng tay, đề máy và nhấn nút trên board điều khiển để tựđộng điều áp.
Cơ cấu hoạt động xylanh trong máy phát
Ta có thể tìm hiểu thêm khi đưa khí vào và hoạt động bên trong xylanh 4 thì như sau [11]:
Máy phát đề tài sử dụng hoạt động theo nguyên lý động cơđốt trong. Nguyên liệu cháy (khí Biogas) đưa được đến bộ chế hoà khí máy phát, khi
đề ba (kéo dây đề hoặc mạch điện kích) làm pittong chuyển động tạo ra áp suất bên trong và pittong có xu hướng đi xuống hút khí vào. Hỗn hợp cháy sẽ được
đưa vào buồng cháy, khi pistông chuyển động đến điểm chết trên (chạm vào bugi) lúc này sẽ tạo ra tia lửa điện, tia lửa này gặp hỗn hợp cháy và đốt cháy nguyên liệu trong buồng cháy. Khi đốt cháy, nhiệt độ tăng lên làm cho khí đốt bị
giãn nở, tạo ra áp suất đủ lớn đểđẩy pistong hoạt động liên tục, từ chuyển động lên xuống của pistong được chuyển thành chuyển động quay tròn để quay trục rotor máy phát sinh ra điện năng.
Như vậy nếu hỗn hợp cháy (ở đây dùng khí Biogas) vào buồng cháy càng nhiều thì nhiệt độ sinh ra càng lớn, áp suất đẩy pistong càng nhanh, tốc độ máy phát sẽ cao và sinh ra điện áp lớn.
Và ngược lại nếu hỗn hợp cháy vào buồng cháy càng ít, thì nhiệt lượng sinh ra áp suất để đẩy pisttong sẽ giảm, lúc này máy phát quay chậm và điện áp giảm theo.
Trường hợp giả sử không có hỗn hợp cháy được đưa vào buồng cháy, khi kích bằng mạch điện hoặc dùng tay kéo, pistong vẫn tạo ra lực hút khí ban đầu nhưng không có chất tạo ra nhiệt trong buồng cháy, pistong sẽ không tiếp tục hoạt động được.
Như vậy khí Biogas là nguồn nhiên liệu quyết định đến tốc độ, điện áp ngõ ra của máy phát.
3.3./Thiết kế van điều tiết lượng khí Biogas cho máy phát
Nhằm mục đích điều tiết được lượng khí vào buồng cháy máy phát, ổn định
được tốc độ động cơ, giữ nguyên mức áp đặt đầu ra. Trên cơ sở lý thuyết nhóm
đã hình thành được 2 phương án sau: