Nghiên cứu nâng cao hiệu suất mẫu thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải của xe gắn máy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỔ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÔ TẤN PHÁT

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT MẪU THIẾT BỊ NHIỆT
ĐIỆN SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT THẢI CỦA XE GẮN MÁY
STUDY ON IMPROVING THE PERFORMACE OF A PROTOTYPE OF
THERMOELECTRIC GENERATION UTILIZING THE WASTE HEAT
ENERGY FROM MOTORCYCLES

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
MÃ SỐ: 60520116
LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒ A XÃ HỘI CHÚ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: VÕ TẤN PHÁT

MSHV:
1670305
Nơi
sinh: Bình

Định
Mã số :

Ngày, tháng, năm sinh: 08/03/1986
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
I.

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT MẪU THIẾT BỊ NHIỆT ĐIỆN
SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT THẢI CỦA XE GẮN MÁY
STUDY ON IMPROVING THE PERFORMACE OF A PROTOTYPE OF
THERMOELECTRIC GENERATION UTILIZING THE WASTE HEAT
ENERGY FROM MOTORCYCLES
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ chuyển đổi nhiệt điện đạt công suất lớn đủ để cung cấp
điện năng cho hệ thống điện trên xe gắn máy.

- Nghiên cứu thực nghiệm công suất và đặt tính phát điện của mẫu thiết bị chuyển đổi nhiệt
điện.

- Đánh giá sự ảnh hưởng của cánh thu nhiệt nguồn nóng và cánh thu nhiệt nguồn lạnh đến công suất,
hiệu suất của bộ chuyển đổi nhiệt điện để có cơ sở tính toán tối ưu và nâng cao công suất
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHỆM VỤ: 06/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HỒNG ĐỨC THÔNG

Tp. HCM, ngày.... tháng.. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Hồng Đức Thông

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Huỳnh Thanh Công

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS, Nguyễn Thành Tâm

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 19
tháng 07 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
2.
3.
4.
5.

PGS.TS. Nguyễn Lê Duy Khải: Chủ tịch
TS. Trần Đăng Long: Thư kí
PGS.TS. Huỳnh Thanh Công: PB1
TS. Nguyễn Thành Tâm: PB2

TS. Nguyễn Chí Thanh: ƯV

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lí chuyên ngành sau
khỉ luận văn đã được sửa chữa (nếu cố)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

LỜI CẢM ƠN
Trong cuộc sống không có thành công nào mà không phải qua những khó khăn
thử thách và trên con đường đầy chông gai ấy luôn có những hình bóng của những người
thân, bạn bè và những quý nhân luôn ở bên cạnh để hỗ trợ, giúp đờ, và động viên ta vượt
qua những thử thách khó khăn ấy.
Để có được những thành quả ngày hôm nay, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành
và sâu sắc nhất đến Thầy TS. Hồng Đức Thông đã luôn quan tâm, giúp đờ và tạo điều
kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn này. Thầy luôn bên cạnh để đóng góp và sửa
chữa những thiếu sót, khuyết điểm mà em mắc phải và đề ra hướng giải quyết tốt nhất
trong suốt quá trình làm luận văn. Xin chân thành cám ơn Thầy PGS.TS. Huỳnh Thanh
Công và Thầy TS. Nguyễn Thành Tâm đã có nhiều góp ý quý báu giúp em hoàn thiện
luận văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong trường Đại học Bách
Khoa TPHCM và đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Ô Tô Máy Động Lực đã truyền
đạt những kiến thức quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn trong
suốt thời gian qua.

Cuối cùng, tôi xin gởi lời cảm ơn đến những người bạn của tôi đã luôn ở bên cạnh,
quan tâm và giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi có được thành quả như ngày hôm nay.
Xin chân trọng cám ơn
TPHCM, ngày 16 tháng 7 năm 2018
Học viên

Võ Tấn Phát
TỐM TẤT

Theo những nghiên cứu gần đây, khoảng 40% năng lượng từ quá trình cháy trong buồng
đốt của động cơ đốt trong phát thải ra môi trường bên ngoài dưới dạng nhiệt năng của khói thải
gây ô nhiễm môi trường. Đây là nguồn năng lượng tiềm năng mà nếu thu hồi được để cung cấp
GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang 4


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

cho các hệ thống điện trên xe thì vừa tiết kiệm được nhiên liệu, vừa giảm được nhiệt lượng thải
ra môi trường. Đối với lượng lớn xe gắn máy ở việt Nam ngày càng tăng nhanh, đặc biệt ở các
thành phố lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh thì nhiệt năng phát thải qua đường ống xả động
cơ xe gắn máy là một nguồn năng lượng khá lớn còn đang bị bỏ phí. Vì vậy việc nghiên cứu thu
hồi nguồn năng lượng này là vấn đề cấp thiết cần được nghiên cứu phát triển.
Đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu suối mẫu thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt
thải của xe gắn máy” ứng dụng hiệu ứng seebeck chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn

nhiệt từ khí xả động cơ. Hệ thống máy phát nhiệt điện mắc nối tiếp 8 module TEG TEP1142T300 được chế tạo và thực nghiệm trên xe gắn máy Suzuki Sapphire 125. Nghiên cứu thiết
kế mặt nóng của module TEG có cánh thu nhiệt đặt vào bên trong ống khí thải và mặt lạnh của
module TEG có cánh tản nhiệt bên ngoài làm mát bằng không khí. Kết quả thực nghiệm với các
trường hợp khác nhau thay đổi số cánh thu nhiệt và tản nhiệt cho thấy bộ chuyển đổi nhiệt điện
phát ra công suất lớn nhất là 14,61 w, tương ứng mức điện áp 18,04 V với dòng điện 0,81 A (ở
trường hợp số cánh thu nhiệt là 21 cánh và số cánh tản nhiệt là 31 cánh, chế độ tải 2 người, tốc
độ xe 60km/h) hoàn toàn có thể cung cấp năng lượng cho hệ thống điện ttên xe gắn máy.
Tuy nhiên, vì nhiều lý do khác nhau nên đề tài chỉ chế tạo hệ thống thu hồi nhiệt với công
suất vừa đủ để cung cấp cho thiết bị chiếu sáng ttên xe. Đề tài chưa nghiên cứu tối ưu được quá
trình truyền nhiệt và trao đổi nhiệt. Dù vậy, đề tài đã chứng minh được việc thu hồi nhiệt thải
ừên xe gắn máy là khả thi, và là nền tảng cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn.

ABSTRACT

According to recent studies, about 40% of the energy from combustion engine emits into
the external envhonment in the form of heat generated by polluting exhaust fumes. This is a
potential source of energy. If we can recover this waste energy source to supply the vehicle's
electrical system, we can save fuel and reduces the heat emits to the envừonment. A large
volume of motorcycles in Vietnam is growing rapidly, especially in big cities like Hanoi and Ho
Chi Minh City, the heat generated through the engine waste gas is a great source of energy that

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang 5


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

is not usable yet. Therefore, research on the recovery of this energy source is needed to be
studied and developed.
The thesis of "Study on improving the performace of a prototype of thermoelectric
generation utilizing the waste heat energy from motorcycle" applying seebeck effect of
generating a thermoelectric generator using heat from engine’s exhaust gas. The generator
system has a series of 8 TEG TEP1-142T300 module was developed and tested on the Suzuki
Sapphire 125. Inside the exhaust pipe, heat sinks are developed to obtain heat and outside the
exhaust pipe an aừ-cooler system with heat sinks are developed. The initial test results show that
the generator can generate a 14.61 w output power with Voltage of up to 18.04V (with 21 heat
sinks inside the exhaust pipe to obtain heat and 31 heat sinks outside to cool the system, 2
persons load, speed of 60 km/h) can supply the power system of the motorbike.
However, for many different reasons, this thesis only focus on heat recovery system with
sufficient capacity to supply the vehicle lighting equipment. The subject has not studied the
optimization of heat ttansfer. However, this thesis has proved that the waste heat recovery on
motorcycles is feasible, and is the foundation for further research.
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số liệu
và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được cống bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong luận văn tốt
nghiệp của mình.
Học viên

Võ Tấn Phát
MỤC LỤC

GVHD: TS.Hồng Đức

Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang 6


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

4.3.1.
4.3.2.

Trường hợp 2 (số cánh mặt nóng là 21 cánh, mặt lạnh 11 cánh)...

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang 7


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

DANH MỤC HÌNH

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông

HVTH: Võ Tấn Phát

Trang 8


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

DANH MỤC BẢNG

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
9


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

MỞ ĐẰU

Thu hồi nhiệt thải là việc truyền và sử dụng nhiệt dư từ chu trình nhiệt động lực học, quy
trình công nghiệp hoặc nguồn nhiệt khác nếu không sẽ bị thải ra môi trường bên ngoài. Nhiệt
thải công nghiệp đề cập đến năng lượng được tạo ra trong các quá trình công nghiệp mà không
được đưa vào sử dụng thực tế. Nguồn nhiệt thải bao gồm khí đốt nóng thải vào khí quyển, các
sản phẩm gia nhiệt thoát khỏi các quá trình công nghiệp và truyền nhiệt từ các bề mặt thiết bị

nóng, số lượng chính xác nhiệt thải công nghiệp khó định lượng được chính xác, nhưng nhiều
nghiên cứu đã ước tính rằng khoảng 20 đến 50% tiêu thụ năng lượng công nghiệp cuối cùng
được thải ra dưới dạng nhiệt thải. Bảng 1 cho thấy tỷ lệ phần trăm năng lượng bị thất thoát trong
các hệ thống Năng lượng của một nhà máy sản xuất (1998).
Hệ thống năng lượng

Tỷ lệ năng lượng bị thất thoát

Hệ th'-'ng hơi nước (Sinh ra + phân phí'1 i)

30% - 35%

Phát điện

24% - 45%

Bảng 1. Năng lượng bị tiêu hao trong các hệ thống năng lượng chính của một nhà máy sản
xuất (1998). [1]
Trong giao thông vận tải, ô tô và xe máy là phương tiện giao thông quan trọng nhất,
động cơ của xe phát thải ra môi trường bên ngoài 40% năng lượng [2] từ quá trình cháy trong
động cơ đốt trong.

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
10

Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 0.1: Hiệu suất của động cơ đốt trong [2]
Theo Quyết định số 355/QĐ-TTg ngày 25 tháng 2 năm 2013 của Thủ tướng Chính phủ về
việc phê duyệt điều chỉnh chiến lược phát triển giao thông vận tải Việt Nam đến năm 2020, tầm
nhìn đến năm 2030 [3]; đến năm 2020 Việt Nam sẽ có 36 triệu xe máy và 3,2 triệu - 3,5 triệu xe
ô tô. Tuy nhiên, theo thống kê của Bộ Giao thông vận tải cho biết Việt Nam hiện có hơn 45 triệu
môtô, xe máy các loại (vượt xa 36 triệu xe như trong quy hoạch đến năm 2020). Với số lượng
lớn xe máy tham gia giao thông ngày càng tăng nhanh thì việc lãng phí thất thoát năng lượng
theo khí xả thoát ra ngoài dưới dạng nhiệt sẽ gây ra ô nhiễm môi trường, lãng phí năng lượng.
Việc tổn thất nhiệt thải là không thể tránh khỏi nhưng chứng ta có thể giảm các tổn thất này
bằng cách cải thiện hiệu quả thiết bị hoặc lắp đặt các công nghệ thu hồi nhiệt thải. Chính vì vậy
để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, hiệu quả kinh tế, chúng ta phải thu hồi sử dụng nguồn
nhiệt phát thải bằng cách chuyển đổi nhiệt từ khí thải thành điện năng, mang lại hiệu quả kinh
tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Nhóm nghiên cứu Nguyễn Văn Hĩu, “Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ
để phát ra điện - Luận văn thạc sĩ - Trường ĐH Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh”, năm 2016 [4] đã
nghiên cứu sơ khởi ứng dụng module TEG làm bộ thiết bị chuyển đổi nhiệt khí xả thành điện
năng cung cấp cho một số thiết bị ừên xe gắn máy và đã đạt được kết quả ban đầu: thiết kế và
chế tạo bộ chuyển đổi nhiệt điện tận dụng nguồn nhiệt khí xả động cơ. Tuy nhiên, máy phát
nhiệt điện tạo ra công suất tối đa chỉ đạt 2,75W còn hạn chế so với tiềm năng nhiệt lượng khí
thải phát ra do người nghiên cứu sử dụng vật liệu làm tấm thu nhiệt có hệ số truyền nhiệt thấp,
ống khí thải có thiết kế cồng kềnh không cung cấp nhiệt đủ cho tấm thu nhiệt và gây tổn thất
GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang

11


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

nhiệt do bức xạ ra môi trường xung quanh. Vì vậy, lượng điện tạo ra chỉ có thể cung cấp nguồn
điện cho một số thiết bị có công suất nhỏ như làm sáng dãy đèn led và tính thẩm mỹ của bộ
chuyển đổi chưa cao.
Do đó với mong muốn tạo ra một bộ chuyển đổi nhiệt điện có công suất lớn hơn đủ để
cung cấp cho hệ thống điện chiếu sáng trên xe và nạp điện cho bình ác qui, nâng cao hiệu suất
truyền nhiệt tản nhiệt và hiệu quả cao về kinh tế phù hợp với điều kiện ở Việt Nam. Chính vì
vậy tác giả quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất mẫu thiết bị nhiệt điện sử
dụng nguồn nhiệt thải của xe gắn máy” để làm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Ngành Kỹ Thuật Cơ

khí Động lực.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.1.

Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, ô tô và xe máy là phương tiện quan trọng nhất của giao thông vận tải, nhiệt theo
khói thải từ động cơ các xe xả ra ngoài môi trường theo nghiên cứu chiếm tới 40% [2]. Trong
đó, việc ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện của nhà vật lý Thomas Seebeck (1770-1831) [5] thu hồi
nhiệt từ khí xả để tạo ra điện gọi là máy phát nhiệt điện (thermoelectric generator gọi tắt là
TEG) được coi là một tiềm năng trong tương lai vì nó không có bộ phận chuyển động cho nên
không cần phải bảo tn, thu hồi nhiệt thải ở bất kỳ hệ thống nào. Với tình trạng số lượng xe máy
tăng cao đến mức báo động như hiện nay thì việc tái sử dụng nhiệt thải từ xe máy không chỉ

nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng hiện có, mà còn có thể làm giảm lượng khí thải và
cải thiện môi trường. Mặc dù hiệu suất chuyển đổi của TEG thấp hơn nhiều so với thiết bị điện
thông thường nhưng công nghệ nhiệt điện bán dẫn vẫn nhận được nhiều sự chú ý trên toàn thế
giới.
1.1.2.

Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

A.B.Neild (năm 1963) đã phát minh ra máy phát nhiệt điện đầu tiên của xe ô tô
(AETEG).

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
12


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

Birkholz (năm 1980) [6] lần đầu tiền áp dụng một modun TEG FeSi2 ữên một chiếc xe ô
tô và sản xuất thành công 1W điện. Bass et al (1995) [7] thu được 1 kw công suất đầu ra với
TEG được thiết kế để xả động cơ diesel 14 L.
Ikoma 1998 [8] ứng dụng một mảng với 72 phần module TEG cho các phương tiện chạy
bằng xăng. Bằng cách duy trì sự khác biệt nhiệt độ 563 K giữa các mặt nóng và lạnh của môđun, điện năng 35,6 w được tạo ra.
Dự án AETEG (năm 2004) [9] của Đại học Clarkson và một số công ty như Delphi
Harrison, GM Division Powertrain và Hi-Z Technology được tiến hành; mục đích của dự án

nhằm áp dụng máy phát nhiệt điện trên một chiếc xe tải pickup của GM, cũng như để phát ừiển
hệ thống AETEG nhằm tạo ra sản lượng điện tối đa sau khi chuyển đổi từ 140 w đến 225 w,
được cung cấp nhiệt từ khí thải và làm mát bằng nước ở tốc độ xe là 70 km/h.
Thacher et al (năm 2007) [10] phân tích hiệu suất của module TEG gắn trên ống khí thải
của một xe tải, tạo ra khoảng 180 w điện ở tốc độ 113 km/h.
T.Kajikawa và Onishi (năm 2007) [11] đã phát triển một hệ thống chuyển đổi nhiệt điện
tiên tiến từ khí thải của một xe tải nhẹ
Hệ thống nhiệt điện sử dụng chất thải thu hồi nhiệt từ xe gắn máy đã được chứng minh
bởi các tập đoàn Nagoya Institute of Technology, Atsumitec Co., Ltd, Aist (Phụ trách dự án:
Giáo sư Y. Nishino,NIT) và các công ty được hỗ trợ bởi MET. Hệ thống sử dụng 12 module
TEG lắp bề mặt của ống khí thải xe máy và được tản nhiệt bằng nước. Sản lượng điện năng thu
được khoảng 12 w, ố V trong điều kiện lái xe ở tốc độ 60 km/h để sạc bình ắc quy.

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
13


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

Hĩnh 1.1: Máy phát nhiệt điện xe máy dự án do Giáo sư Y. Nishino
Cùng năm 2011, Gregory p. Meisner hợp tác hãng GM [12] ứng dụng hiệu ứng nhiệt
điện trên xe Chevy-suburban, trong đó sử dụng 42 TEG công suất đạt được gần 30W.

GVHD: TS.Hồng Đức

Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
14


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

'■ ẼXIMkME 0Utl«l

Hình 1.2: Máy phát nhiệt đỉện của Gregory p. Meisner[12]
Năm 2012, Tạp chí Car and Driver nhận định “Thermalelectric generator ” là một trong
mười công nghệ hứa hẹn trong tương lai. [13]
Liu (năm 2012) [14] đã đưa ra những mẫu thiết kế của máy phát điện dựa trên hiệu ứng
nhiệt điện trên sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ.

Hình 1.3: Máy phát nhiệt điện của Liu [14]
Cuối năm 2012, có 2 công trình tiêu biểu đã được nghiệm thu: Thứ nhất, Douglas T và
cộng sự [15] đã chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực tiếp nhiệt thành điện
cung cấp cho phụ tải ừên ô tô. Công ừình này chủ yếu tập trung phát triển cơ chế thu hồi nhiệt
phát thải bằng cách chế tạo máy phát nhiệt điện đặt trên đường ống xả, sử dụng cặp vật liệu bán
dẫn và dùng chất lỏng làm mát và được thử nghiệm trên xe Ford Lincoln và BMW X6. Công
GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang

15


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

suất máy phát điện đạt 700W, nhiệt độ đầu nóng của cặp nhiệt độ đạt 500°C và hiệu suất tiết
kiệm nhiên liệu tăng 10%. Tuy nhiên, công trình này chỉ là thực nghiệm, kinh phí lớn và tuổi thọ
chỉ đạt 6 tháng; kết cấu của vật liệu bán dẫn phức tạp kéo dài theo sự phân bố nhiệt độ không
đồng đều trên đường ống khí thải.
Tạp chí Khoa Học Công Nghệ phát hành ngày 24 tháng 7 năm 2013 có đăng bài “Sản
xuất điện từ khói xe hơi”; theo tác giả: các nhà nghiên cứu thuộc Viện Kỹ thuật đo lường vật lý
Fraunhofer (Đức) đã thiết kế một loại máy phát nhiệt điện (TEG) để biến đổi nhiệt năng thành
điện năng bằng cách lợi dụng sự chênh lệch nhiệt độ trong quá trình vận hành xe. TS.Harald
Bottner, Trưởng ban Nhiệt điện của Viện Fraunhofer, giải thích: “ Nhiệt độ trong ống thải của xe
hơi có thể đạt đến 700°C hoặc hơn. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ống khói thải và ống chứa chất
lỏng làm mát động cơ có thể là vài trăm độ c. Do bị tác động bởi sự chênh lệch nhiệt độ, các hạt
tải điện sẽ di chuyển qua các chất bán dẫn đặc biệt của TEG; từ đó sản sinh ra dòng điện tương
tự như điện từ bình ắc-quy”. Ông cho biết: “Sự chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì điện được sản
xuất ra càng nhiều”.
Theo nhóm nghiên cứu, TEG có khả năng đáp ứng một phần đáng kể nhu cầu về điện
của xe hơi. Từ đó, theo TS.Bottner, “máy phát nhiệt điện này sẽ giúp tiết kiệm 5-7% lượng
xăng/dầu cần cung cấp cho xe”. Nhóm nghiên cứu đưa ra một phép tính đơn giản để minh họa
cho tính hiệu quả của loại TEG này:
Hiện nay có khoảng 50 triệu phương tiện vận chuyển có động cơ ở Đức, mỗi phương tiện
như thế được ước tính lăn bánh trên đường khoảng 200 giờ/năm. Neu trong khoảng thời gian đó,
TEG tận dụng lượng nhiệt phát ra để sản xuất điện ở mức bình quân 1.000 watt/giờ thì hàng
năm sẽ tạo ra một nguồn điện lên đến 100 tỷ watt/giờ (10 terawatt giờ). Nhóm nghiên cứu cho
biết họ đang thử nghiệm loại TEG này và sẽ nhanh chóng tạo ra mẫu TEG đầu tiên để đưa vào

sử dụng.

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
16


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

Nguyễn Hà Hiệp (năm 2013) [16] và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm và thu thập được
thông số của một mô-đun nhiệt điện như sau: Khi nhiệt độ chênh lệch giữa mặt nóng và mặt
lạnh của module TEG bắt đầu cho điện áp từ 4,0V đến 4,2V; như vậy chúng ta có thể mắc nối
tiếp nhiều module TEG để có được mức điện áp cao hơn sử dụng cho các phụ tải trên ô tô.
Lê Quang Vũ (năm 2014) [17] đã nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn
nhiệt từ khí xả động cơ đạt công suất gần 16W trên mô hình động cơ ô tô 5S-FE ở chế độ không
tải; trong đó, sử dụng 16 module nhiệt điện TEG.
Trường đại học kỹ thuật quân sự của Ấn Độ (năm 2014) [18] đã nghiên cứu sử dụng
nhiệt từ khí xả mô hình động cơ 4 kỳ 3 xilanh với số vòng quay động cơ 3.970 vòng/phút, công
suất đạt 15W.

Power Outp-Jt Vs
Engine Speed

Hìnhl.4: Máy phát nhiệt điện sử dụng TEG của Trường Đại Học An Độ [18]

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
17


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

Một bài báo khoa học được công bố trên trang New Journal of Physics vào tháng
12 năm 2014 có tựa đề là “Feasibility of large scale power plants based on
Thermoelectric effect” tạm dịch là “Tính khả thi của các nhà máy điện cỡ lớn dựa trên
hiệu ứng nhiệt điện” của Liu Liping thuộc Đại học Rutges - Hoa Kỳ. Trong bài báo này,
tác giả đã cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy biển có thể được dùng để
tạo ra điện năng trên quy mô lớn với giá thành rẻ và khả thi. Tuy nhiên trên thực tế vẫn
còn rất ít các mô hình phát điện sử dụng hiệu ứng này.
Nguyễn Văn Hĩu (năm 2016) [4] “Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động
cơ để phát ra điện ”, Trong nghiên cứu tác giả đã sử dụng mắc nối tiếp 8 mô đun TEG
SP1848-27145 với nhau tạo thành một tấm nhiệt điện. Kết quả thực nghiệm hệ thống
máy phát nhiệt điện cho công suất tối đa 2,75W và điện áp sau khi dùng bộ chuyển đổi
đạt mức điện áp ổn định 14V. Điện áp sau khi chuyển đổi ổn định có thể kết nối với hệ
thống điện xe máy.
D. T. Kashid, s. H. Barhatte and D. s. Ghodake (2016) nghiên cứu sản xuất điện
nhiệt bằng cách sử dụng năng lượng nhiệt thải từ động cơ đốt trong, với tốc độ động cơ
3736 rpm, sức mạnh được tạo ra là 13,11 w và hiệu quả của hệ thống là 5,28%.
1.1.3.

Những vấn đề còn tồn tại

HầuGVHD:
hết
các
đề
tài
nghiên
cứu
trong
và
ngoài
nước
về
việc
đã
dụng
đạt
được
nguồn
một
số
kết
từ
khí
quả
thải
khả
quan,
động

cơ
giúp
để
cho
tạo
việc
ra
điện
thu
đều
hồi
càng
lượng
phát
triển.
từ
nhiệt
Tuy
khí
nhiên,
thải
đa
đối
số
với
các
động
công
cơ
ừình

đốt
ừên
ừong
chỉ
ngày
điện
mà
chưa
ứng
dụng
khả
đưa
năng
vào
phát
thương
điện
mại
của
do
máy
điện
phát
năng
nhiệt
thu
được
công
còn
trình

khá
nghiên
thấp
so
cứu
với
ừên,
tiềm
tác
năng
giả
mà
có
nó
thể
mang
tận
lại.
dụng
Qua
một
các
số
kết
tiến
quả
hành
nghiên
thử
nghiệm

cứu
có
trên
liên
mô
quan
hình
đến
động
động
cơ
cơ
xe
đốt
gắn
trong
máy
như
để
cải
Nghiên
tiến
cứu
tối
quá
ưu
trình
bộ
thu
vận

nhiệt
hành
và
của
giải
xe
nhiệt
ảnh
hưởng
của
đến
module
tính
TEG.
năng
nhiệt
điện
điện.
thế,
Trên
dòng
thực
điện
tế
và
đã
công
có
nhiều
suất

các
phát
mô
ra
hình
của
phát
thiết
điện
bị
sử
TS.Hồng
Đức
Thông
HVTH:
Võ
Tấn
Phát

Trang
18


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

dụng hiệu ứng này và nó được coi là một trong những cách hứa hẹn nhất trong tương lai.
Tuy nhiên đến nay vẫn chưa có nghiên cứu nào được ứng dụng vào thương mại hóa.
1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.2.1.

Đối tượng nghiên cứu

Trong đề tài này, đối tượng cần nghiên cứu là bộ chuyển đổi nhiệt điện lắp trên ống
khí thải của động cơ trên xe gắn máy. Trong đó ta cần nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ thu
nhiệt và giải nhiệt hiệu quả cho module TEG. Từ đó tạo ra bộ chuyển đổi nhiệt điện đạt
hiệu suất cao và đưa vào ứng dụng thương mại hóa lắp trên xe gắn máy.
1.2.2.

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của cánh thu nhiệt nguồn nóng và cánh tản nhiệt nguồn lạnh
đến công suất và hiệu suất phát điện của thiết bị chuyển đổi nhiệt điện.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này kế thừa nghiên cứu của Nguyễn Văn Hĩu vào năm 2016 tại Trường
Đại học Bách Khoa, thành phố Hồ Chí Minh trong việc thu hồi nhiệt thải để sản xuất
điện trong xe máy. Mục tiêu chính của đề tài là tiếp tục phát triển và xây dựng thành
công một máy phát nhiệt điện được áp dụng trên hệ thống xe máy sử dụng nhiệt thải tạo
ra điện năng đủ cung cấp cho hệ thống điện trên xe gắn máy:
-

Tính toán sơ bộ, thiết kế, chế tạo hệ thống (ống khí thải, bộ thu nhiệt và bộ tản
nhiệt của module TEG, bộ thu tín hiệu và xử lí tín hiệu) bộ chuyển đổi nhiệt điện
để tạo ra điện năng cung cấp cho các thiết bị điện trên xe gắn máy.

-

Thấy được sự ảnh hưởng của cánh thu nhiệt nguồn nóng và cánh thu nhiệt nguồn

lạnh đến công suất, hiệu suất của bộ chuyển đổi nhiệt điện để có cơ sở tính toán
tối ưu và nâng cao công suất.

1.4.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.4.1.

Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu xây dựng các đường đặc tính công suất phát ra của bộ chuyển đổi nhiệt
điện khi thay đổi kết cấu cánh thu nhiệt của nguồn nóng và cánh tản nhiệt của nguồn
GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
19


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

lạnh. Góp phần làm rõ mối quan hệ giữa nhiệt độ, công suất điện phát ra. Từ đó ta có thể
dự đoán được ảnh hưởng của kết cấu nguồn nóng và nguồn lạnh đến công suất, có giá trị
rất lớn khi thiết kế tối ưu bộ chuyển đổi nhiệt điện.
1.4.2.

Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong quá trình nghiên cứu và phát
triển bộ chuyển đổi nhiệt điện ứng dụng trên xe gắn máy ở Việt Nam, giúp cho việc sử
dụng hiệu quả nguồn năng lượng hóa thạch hiện nay nhằm giảm ô nhiễm môi trường,
đảm bảo an ninh năng lượng và hiệu quả kinh tế.
1.5.

Phuong pháp nghiên cứu
1.5.1.

Phưong pháp phân tích tư liệu sẵn có

Thu thập, chọn lọc thông tin từ các công trình nghiên cứu trước; những bài tạp
chí, bài báo trong và ngoài nước có liên quan đến vấn đề nghiên cứu
1.5.2.

Phưong pháp đo thực nghiêm

Sử dụng một số thiết bị hỗ trợ việc đo lường lượng nhiệt độ khí thải của xe, nhiệt
độ cánh tản nhiệt theo vận tốc và đo điện áp, cường độ dòng điện phát ra.
1.5.3.

Phưưng pháp xử lý kết quả thực nghiệm

Dùng phương pháp thống kê
So sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả lý thuyết
1.5.4.

Phuong pháp chuyên gia

Đưa ý kiến đến thầy giáo hướng dẫn để nghe phân tích và nhận định.

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
20


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

CHƯƠNG 2: Cơ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết truyền nhiệt

Truyền nhiệt [20] là dạng truyền năng lượng khi có sự chênh lệch về nhiệt độ, có
ba dạng truyền nhiệt cơ bản là: truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt, truyền nhiệt đối lưu, truyền
nhiệt bức xạ.
2.1.1.

Dẩn nhiệt

Là một quá trình truyền nhiệt khi có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa các vùng trong vật
rắn hoặc giữa các vật rắn tiếp xúc. Định luật cơ bản về dẫn nhiệt được thực hiện đầu tiên
bởi Biot dựa trên cơ sở quan sát thực nghiệm nhưng mang tên sau này là tên của nhà toán
lý Joseph Fourier, ông là người đã ứng dụng các kết quả này vào sự phân tích lý thuyết
về nhiệt. Định luật này phát biểu: mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn
nhiệt theo phương quy định tỉ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và

gradient nhiệt độ theo phương ấy.

Tiết diện F
Coaler
WanTef
brd:,i

Hình 2.1 :MÔ tả dẫn nhiệt qua vách phẳng [20]
Dòng nhiệt ừuyền qua vật trong 1 (s) theo phương X được tính theo định luật
Fourier:
Qx=-XF^ [W]

(2.2)
OX

[W/m2]

Hoặc qx=Qx/F = -X

(2.3)

ổx
Ỏ đây:
Qx: dòng nhiệt truyền theo phương X trong thời gian Is (W)
GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
21

Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

qx: mật độ dòng nhiệt truyền theo phương X trong thời gian ls [W/m2]
F: diện tích tiết diện vuông góc với phương X [m2]
T: nhiệt độ tuyệt đối của vật (°C)
Ầ: hệ số dẫn nhiệt của vật [W/m.°C]
Do quy ước chiều dương của vectơ gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt độ còn
vectơ mật độ dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu trong
phương trình trên.
2.1.2.

Truyền nhiệt đối lưu

Là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi giữa bề mặt vật rắn tiếp xúc với môi trường
chất lỏng (khí)có nhiệt độ khác nhau.
Trong kỹ thuật để tính toán đơn giản quá trình trao đổi nhiệt đối lưu người ta
thường dùng công thức Newton:

,F(Tw-Tf)(W)
Trong đó:

(2.
4)

a: là hệ số tỏa nhiệt đối lưu (w/m2.°C)
F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2)

Tw: nhiệt độ trung bình của bề mặt (°C)
Tf: nhiệt độ trung bình của chất lỏng (khí) (°C)

Hình 2.2: Truyền nhiệt đối lưu giữa bề mặt kim loại và không khí [20]

GVHD: TS.Hồng Đức
Thông
HVTH: Võ Tấn Phát

Trang
22


2.1.3.

Truyền nhiệt bức xạ

Là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa các vật có nhiệt độ khác nhau đặt cách xa
nhau. Năng lượng bức xạ truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ.
2.2. Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện
2.2.1.

Hiện 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.
2.2.2.

Hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck)

Hiệu ứng Seebeck [19] là sự chuyển hóa chênh lệch nhiệt độ thành điện thế và được
đặt theo tên nhà vật lý người Đức, Thomas Seebeck (1770-1831), 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, ông không nhận ra sự có mặt của dòng 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 pV/K. Ví dụ: cặp đồng- constant có hệ
số Seebeck bằng 41pV/K ở nhiệt độ phòng. Mạch kín nói trên được gọi là cặp nhiệt điện.

Hĩnh 2.3: Hiệu ứng seebeck [19]
Điện áp tạo ra do hiệu ứng seebeck: Ưs = S.(Th -Tc) (2.1)
A, B: hai kim loại khác nhau, S: hệ số seebeck (V/K), Th: nhiệt độ mặt nóng (K),
Tc: nhiệt độ mặt lạnh (K)


2.3. Thiết bị nhiệt điện bán dẫn

Thiết bị nhiệt điện bán dẫn hiện nay gồm hai loại là TEG (thermoelectric generator)
[5] và TEC (thermoelectric cool) [5]. Trong đó, TEG là thiết bị bán dẫn chuyển đổi nhiệt
thành điện, TEC là thiết bị bán dẫn chuyển đổi điện thành nhiệt như hình được mô tả.
Trong đề tài này người nghiên cứu sử dụng thiết bị bán dẫn TEG để chuyển đổi nhiệt từ
khói xả động cơ thành điện.

Tb

Hĩnh 2.4: Thiết bị TEC [5]

Hình 2.5: Thiết bị TEG [5]

Module TEG được cấu tạo bởi hai loại bán dẫn n và p nối tiếp với nhau bởi các cầu
nối thường làm bằng kim loại đồng có vai trò dẫn điện và chuyển tải nhiệt. Để module
hoạt động ổn định, có độ bền cao đòi hỏi phải cách điện tốt; vì vậy, nhà sản xuất dùng vật
liệu ceramic để cách điện hai bề mặt. Vật liệu ceramic này có đặc tính dẫn nhiệt, cách
điện tốt và có độ bền cơ học cao. Tùy vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt
lạnh tạo ra sự dịch chuyển các electron mà ta nhận được các giá trị điện áp và dòng điện
do TEG phát ra. cấu tạo bền trong của TEG như hình 2.6 và được làm từ chất bán dẫn
BỈ2Te3 (bismuth tellure)
Neu một module TEG chuyển một nhiệt lượng Q hành điện năng có công suất p với
hiệu suất r| ta có:
P = n-Q

(2.5)

Hiệu suất r| phụ thuộc vào vật liệu làm nên module TEG, nhiệt độ bên nóng Th, bên
lạnh Tc.
n——

V1+Z7-1
(

“ Th yfl+ZT+Tc/Th

'

Trong công thức trên ZT là hệ số phẩm chất, phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt Ầ, hệ số
Seebeck s, độ dẫn điện o và nhiệt độ theo công thức:
ZT = „

(2.7)
Ẵơ

tnãt nớrií

, , .r - bảndần-p ban liitì- tì

Hình 2.6: cẩu tạo bên trong TEG [5]
Các cặp nhiệt điện bán dẫn hoạt động theo nguyên lý chung với các thiết bị nhiệt
điện kim loại, sự khuếch tán các hạt mang điện xảy ra khi có một sự chênh lệch nhiệt độ