Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ để phát ra điện

Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỔ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYÊN VĂN HĨU

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT TỪ KHÍ XẢ
ĐỘNG CƠ ĐỂ PHÁT RA ĐIỆN
Chuyên ngành : KỸ THUẬT Ô TÔ, MÁY KÉO
Mã ngành: 60 52 35

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2016

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

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

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. HỒNG ĐỨC THÔNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS.NGUYẺN NGỌC DŨNG

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. NGUYỄN VĂN TRẠNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Thành
Phố Hồ Chí Minh ngày 28 tháng 7 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ Tịch: TS. Nguyễn Lê Duy Khải
2. Uỷ Viên: TS.Trần Hữu Nhân
3. Thư ký: TS.Nguyễn Tuấn Anh
4. Phản biện 1: TS. Nguyễn Ngọc Dũng
5. Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Trạng

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

TRUỞNG KHOA

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập-Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Văn Hĩu

MSHV: 12054837

Ngày tháng năm sinh: 18/08/1985

Nơi sinh: TP.HÀ NỘI

Chuyên ngành: KT Ô tô, Máy kéo
Mã ngành: 60 52 35
1. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ để phát ra điện
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết hiệu ứng nhiệt điện của Seebeck để từ đó nghiên cứu phương án ứng
dụng trên xe gắn máy.
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống thí nghiệm phục vụ cho việc nghiên cứu thực nghiệm
các đặc tính của bộ chuyển đổi nhiệt điện (TEG) lấy nhiệt từ khí thải xe gắn máy.
- Nghiên cứu ảnh hưởng AT, nhiệt độ nguồn nóng Th và nhiệt độ nguồn lạnh Tc đến tính năng
điện thế, dòng điện và công suất phát ra của thiết bị nhiệt điện. Từ kết quả thu được đưa ra các kết

luận và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo.
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HỒNG ĐỨC THÔNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
( Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
( Họ tên và chữ ký)

Nội dung và đề cương Luận Văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày ...tháng....năm 2016
TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

LỜI CẢM ƠN

Xỉn chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm và các thầy, cô Khoa Kỹ Thuật Giao Thông đã
truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích trong suốt 3 năm học tại trường Đại học Bách Khoa

Thành phố Hồ Chí Minh.

Xỉn chân thành cảm ơn nhóm bạn sinh viên trường Đại học Bách Khoa đã sát cánh cùng
tôi tiến hành nghiên cứu thực nghiêm trong suốt thời gian tôi làm Luận văn.

Xin gởi lời tri ân đến TS. Hồng Đức Thông - người thầy đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn
thành tốt Luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn các Thầy phản biện đã dành thời gian và công sức để đọc và góp ý
kiến quý báu giúp em hoàn thiện nội dung của luận văn.

Và sau cùng là Cha mẹ - bậc sinh thành đã luôn âm thầm lặng lẽ theo dõi từng bước chân
tôi đi trên mỗi chặng đường. Xin gởi đến cha mẹ sự tôn kính cùng những tình cảm thương yêu nhất.

Nguyễn Văn IIĩu

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

TÓM TẮT
Trong một động cơ đốt trong; hiệu suất động cơ là khoảng 30%, khoảng 30% năng lượng
nhiên liệu làlãng phí trong khí thải, 30% cho nước làm mát và 10%là tổn thất do ma sát. Hiện nay,

trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu nhằm tái sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động
cơ.Nếu năng lượng nhiệt thải này được khai thác và chuyển đổi thành năng lượng sử dụng thì tổng
thểhiệu quả của một động cơ có thể được cải thiện.
Đề tài “Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải động cơ để phát ra điện” ứng dụng
công nghệ nhiệt điện để chế tạo máy phát nhiệt điện; đó là thiết bị công nghệ TEG được sử dụng để
chuyển đổi năng lượng nhiệt từ khí xả thành năng lượng điệnvà hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt
điện của Seebeck. Hệ thống máy phát nhiệt điện được thiết kế, chế tạo dạng mô hình và thực nghiêm
trên xe máy sirius (2008). Kết quả thực nghiêm, ở chế độ tải một người với tốc độ xe 40km/h máy
phát thu hồi được công suất 2.2W ở mức điện áp ổn định 14V; ở chế độ hai người, với tốc độ xe
40km/h máy phát thu hồi được công suất 2.75W ở mức điện áp ổn định 14V được sử dụng để kết
nối với hệ thống điện trên xe; đồng thời, hệ thống thu hồi nhiệt giảm bớt nhiệt từ khí xả gần 50°C.
Tuy nhiên, vì quá trình nghiên cứu có giới hạn nên đề tài chỉ chế tạo hệ thống máy phát nhiệt
điện với công suất không lớn, chưa thu hồi hết tiềm năng của nhiệt thải. Đề tài chưa nghiên cứu sâu
về quá trình tuyền nhiệt và trao đổi nhiệt .Nhưng thành công ban đầu của nghiên cứu này là tiền đề
quan trọng cho quá trình nghiên cứu thu hồi nhiệt trên xe máy, góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu
và giảm ô nhiễm môi trường.

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

ABSTRACT
A combustion engine usually has power efficiency about 30%. 30% of input fuel energy go

waste in exhaust gas, 30% go waste in cooling water system and 10% is lost by friction.
Currently, the world has a lot of work to reuse heat source from the engine’s exhaust gases.
If this waste energy is exploited and converted into energy, the overall efficiency of an combustion
engine can be improved.
The theme "Research funded from engine exhaust heat to generate electricity" applicates
thermalelectric technology to build a thermoelectric generator; TEG - or Thermal Electric Generator
- is used to convert the heat energy from the exhaust gases into electrical energy and based on the
Seebeck thermoelectric effect. Thermoelectric generator system is designed, manufactured and
experimented on motorcycles Sirius (2008). The experimental results, one-person load mode with a
vehicle speed of 40km I h, the generator power recovered 2.2W at 14V voltage stability; two-person
load mode, the vehicle speed is 40 km I h, the generator power recovered 2.75W at 14V voltage
stability. The generator is connected to the electrical systems on the bike; also, heat recovery system
reduces exhaust temperature down close to 50°C.
However, because the study is limited to fabricate a thermoelectric generator system with
humble capacity. The system didn’t fully recover waste heat potential. It’s not a research topic of
heat and heat exchanging process. But the initial success of this study is an important premise for
the researching of heat recovery on motorcycles, contribute to reduce fuel consumption and
envfronmental pollution.
Tôi xỉn cam đoan luận văn “Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải động cơ đốt
trong để tạo ra điện” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Hồng
Đức Thông

Các số liệu và tài liệu sử dụng trong luận văn này đều trung thực và có nguồn gốc xuất xứ

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu

Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

rõ ràng. Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn chưa từng được công bố tại bất kỳ công
trình nghiên cứu nào khác.

TP HCM, ngày 25 tháng 7 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Hĩu

MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................................... 1
1. .....................................................................................................................................
Lý do chọn đề tài ............................................................................................................................. 1
2. Tổng quan các công trình nghiên cứu ......................................................................................... 2
3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 8
4. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................................... 8
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ....................................................................................... 9
6. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................................ 9
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................................. 10
2.1 ...................................................................................................................................
.Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện ................................................................................................. 10
2.2. Lý thuyết truyền nhiệt ........................................................................................................... 13

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

2.3. Thiết bị nhiệt điện bán dẫn .................................................................................................... 15
2.4. Xây dựng mô hình toán Mô đun TEG ................................................................................... 19
2.5.

Đánh giá khả năng ứng dụng của TEG trong thu hồi nhiệt khí xả ........................................ 21

Chương 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN KIỂU NHIỆT ĐIỆN

24

3.1 ...................................................................................................................................
.Thiết kế phần cơ khí ....................................................................................................................... 24
3.1.1.

Bộ thu hồi nhiệt khói thải .................................................................................................. 24

3.1.2.

Bộ phận tản nhiệt cho thiết bị nhiệt điện TEG .................................................................. 25

3.1.3.

Bộ chuyển đổi nhiệt điện TEG .......................................................................................... 26

3.1.4.

Mô hình hệ thống máy phát nhiệt điện .............................................................................. 27

3.2.

Xây dựng mô hình toán máy phát nhiệt điện ........................................................................ 30

3.3. .......................................................................................................................................
Thiết kế hệ thống kiểm soát máy phát nhiệt .................................................................................... 33
3.3.1. ....................................................................................................................................T
hiết kế bộ ổn định điện áp DC-DC .................................................................................................. 33
3.3.2. ...............................................................................................................................T
hiết kế hệ thống thu thập dữ liệu của máy phát ............................................................................... 36
Chương 4: THựC NGHIỆM HỆ THỐNG MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN................................... 44
1. Mục tiêu thực nghiệm ............................................................................................................... 44
2. Thiết bị sử dụng quá trình thực nghiêm .................................................................................... 44
3. Mô tả thực nghiệm .................................................................................................................... 46
4. Kết quả Thực nghiệm ............................................................................................................... 50
4.1. Thực nghiệm thông số các cảm biến nhiệt độ ....................................................................... 50
4.2. Thực nghiệm hệ thống ổn định điện áp DC-DC .................................................................... 52
4.3.

Thực nghiệm các thông số máy phát nhiệt điện .................................................................... 52

4.4.

Kết luận thực nghiệm ............................................................................................................ 62

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................. 63

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

1. .....................................................................................................................................
Kết luận ........................................................................................................................................... 63
2. Những vấn đề còn tồn tại .......................................................................................................... 63
3 . Đề xuất hướng phát triển ............................................................................................................ 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 64

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Hiệu suất của động cơ đốt trong ................................................................................. 2
Hình 1.2:

Máy phát nhiệt điện xe máydự án do Giáo sư Y. Nishino ...................................... 3

Hình 1.3:

Máy phát nhiệt điện của Gregory p. Meisner .......................................................... 4

Hình 1.4:

Máy phát nhiệt điện của Liu ................................................................................... 4

Hình 1.5:

Máy phát nhiệt điện sử dụng TEG của Trường Đại Học Ấn Độ ........................... 7

Hình 2.1: Hiệu ứng seebeck ...................................................................................................... 10
Hình 2.2: Mô hình hiệu ứng Peltier ........................................................................................... 11
Hình 2.3: Mô hình hiệu ứng Thomson ...................................................................................... 12
Hình 2.4 : Mô tả dẫn nhiệt qua vách phẳng .............................................................................. 14
Hình 2.5 : Truyền nhiệt đối lưu giữa bề mặt kim loại và không khí ........................................ 15
Hình 2.6: Thiết bị TEG ............................................................................................................. 16
Hình 2.7: Thiết bị TEC .............................................................................................................. 16
Hình 2.8: Hình mô dun TEG SP1848-27145SA ....................................................................... 16
Hình 2.9: cấu tạo bên trong TEG............................................................................................... 18
Hình 2.10: Mô hình hoạt động của modun TEG ....................................................................... 18

Hình 2.11: Mô hình toán học của modun TEG ......................................................................... 19
Hình 2.12: Đồ thị ƯLtheo nhiệt độ ............................................................................................ 21
Hình 2.13: Đồ thị ILtheo nhiệt độ .............................................................................................. 22
Hình 2.14: Đặc tuyến PLtheo nhiệt độ ....................................................................................... 22
Hình 3.1: Bộ thu hồi nhiệt khói xả động cơ .............................................................................. 24
Hình 3.2: Mô hình thực tế bộ thu nhiệt khí thải ........................................................................ 25
Hình 3.3 Bộ phận cung cấp nhiệt .............................................................................................. 25
Hình 3.4: Kết cấu bộ phận tản nhiệt .......................................................................................... 26
Hình 3.5: Hình dạng thực tế cánh tản nhiệt ............................................................................... 27
Hình 3.6: Các mô dun TEG mắc nối tiếp với nhau ................................................................... 28
Hình 3.7: Các modun TEG ghép nối tiếp với nhau ................................................................... 28
Hình 3.8: Mô hình máy phát nhiệt điện ..................................................................................... 29
Hình 3.9: Mô hình thực tế máy phát nhiệt điện ......................................................................... 30
Hình 3.10: Mô hình máy phát nhiệt điện ................................................................................... 30

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 3.11: Đồ thị điện áp và công suất theo AT ...................................................................... 33
Hình 3.12: Các bộ biến đổi DC-DC ......................................................................................... 34
Hình 3.14 : Sơ đồ mạch điện chuyển đổi DC- DC .................................................................... 35
Hình 3.13: Mạch boost converter .............................................................................................. 34

Hình 3.15: Board mạch chuyển đổi điện áp công suất .............................................................. 36
Hình 3.16. Sơ đồ thu thập dữ liệu.............................................................................................. 36
Hình 3.17 Bộ xử lý dữ liệu ........................................................................................................ 37
Hình 3.18: Module NRF24L01 + PA LNA 24Ghz ................................................................... 37
Hình 3.19 Cảm biến wzp-ptioo ................................................................................................. 38
Hình 3.20: Vi điều khiển Atmega32.......................................................................................... 38
Hình 3.21: Mạch cung cấp nguồn cho bộ xử lý dữ liệu ............................................................ 39
Hình 3.22: Mạch đo nhiệt độ ..................................................................................................... 39
Hình 3.23: Khối mạch đo dòng và áp ........................................................................................ 40
Hình 3.24: Khối kết nối atmega - LCD - ƯART ....................................................................... 41
Hình 3.25 :BỘ nhận tín hiệu..................................................................................................... 42
Hình 3.26: ƯSB-ƯART............................................................................................................ 42
Hình 3.27: Sơ đồ mạch kết nối NRF24L01 và ƯSB-ƯART ..................................................... 43
Hình 4.1: Thử nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện ................................................................ 45
Hình 4.2: Sơ đồ thực nghiệm máy phát nhiệt điện .................................................................... 46
Hình 4.3 Vị trí cảm biến nhiệt độ khí xả vào ........................................................................... 48
Hình 4.4 Vị trí cảm biến nhiệt độ khí xả ra .............................................................................. 48
Hình 4.5: Vị trí cảm biến nhiệt độ mặt nóng TEG .................................................................... 49
Hình 4.6: Vị trí cảm biến nhiệt độ mặt nóng TEG .................................................................... 49
Hình 4.7: Đồ thị

các nhiệt độ trường hợp xe tải 1

người .......................................... 50

Hình 4.8: Đồ thị

các nhiệt độ trường hợp xe tải 2

người .......................................... 51

Hình 4.9: Đồ thị

điện áp chuyển đổi DC-DC ..................................................................... 52

Hình 4.10 : Đặc

tuyến máy phát chế độ 1 ......................................................................... 53

Hình 4.10: Đồ thị đặc tuyến máy phát chế độ 2 ........................................................................ 54
Hình 4.11: Đồ thị đặc tuyến máy phát chế độ 3 ........................................................................ 55
Hình 4.12: Đồ thị

đặc tuyến máy phát chế độ 4 ................................................................. 56

Hình 4.14: Đồ thị

đặc tuyến công suất máy phát của 4

chế độ ................................ 57

Hình 4.15: Đồ thị

thông số nhiệt độ máy phát ở chế độ

55km/h ................................ 58

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Hình 4.16: Đồ thị

Luận Văn Thạc Sĩ

thông số máy phát ở chế độ 55km/h ..................................................... 59

Hình 4.17: Pô xe làm kín bởi vải amiang .................................................................................. 60
Hình 4.18: Chế độ bao bọc pô xe bởi amiăng ........................................................................... 61
Hình 4.19: Các thông số máy phát chế độ bao bọc pô xe bởi amiăng ....................................... 62
Bảng 1.1: Kết quả thử nghiệm TEG trên động cơ Toyota 7KE .................................................. 6
Bảng 1.2: Thông số máy phát nhiệt điện ..................................................................................... 6
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của TEG-SP1848-27145SA ........................................................ 21

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

PHẦN NỘI DUNG
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Lí do chọn đề tài
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; đến năm 2020 Việt Nam sẽ có 36 triệu xe máy và 3,2 triệu - 3,5 triệu xe ô tô.
Tuy nhiên, từ qúy 1 năm 2013 theo thống kê của Bộ Giao thông vận tải cho biết tổng số xe máy của
cả nước trên 37 triệu xe (vượt qua 36 triệu xe như trong quy hoạch đến năm 2020). Các xe máy, xe
ô tô hiện nay đều sử dụng động cơ nhiệt; nhưng năng lượng nhiệt có ích (công có ích) từ động cơ
đốt trong rất nhỏ so với lượng nhiên liệu tiêu thụ do phần lớn năng lượng theo khí xả thoát ra ngoài
dưới dạng nhiệt. 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.
Trên cơ sở đó, với mong muốn nghiên cứu tận dụng một phần nguồn nhiệt thải từ động cơ xe
máy để tạo ra điện năng phục vụ cho những bộ phận khác trên động cơ xe như bình ắc quy và cung
cấp nguồn điện cho các thiết bị điện trên động cơ xe máy, tác giả quyết định chọn đề tài: “Nghiên
cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải động cơ đốt trong để phát ra điện” để làm Luận văn tốt
nghiệp Thạc sĩ Ngành Ô tô máy kéo.

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

1.2.

Luận Văn Thạc Sĩ

Tổng quan các công trình nghiên cứu

- Ngày nay,ô tô, 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% [1],

40%
Khí xã
■■ ________________ ị

Hình 1.1: Hiệu suất của động cơ đốt trong
Trong đó, việc ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện của nhà vật lý Thomas Seebeck (1770-1831) [2]
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 ừì, thu hồi nhiệt thải ở bất kỳ hệ thống nào. Hiệu quả tái sử dụng nhiệt thải từ ô tô, 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.
- Birkholz (năm 1980)[3] lần đầu tiên áp dụng một modun TEG FeSi2 ừên một chiếc xe ô tô và
sản xuất thành công 1W điện. Đen cuối những năm 1990,

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu

Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

Nissan Motors[4] công bố kết quả của hệ thống TEG vật liệu nhiệt điện silicongermanium (SiGe), sử
dụng 72 modun TEG thu được 35,6 w trong điều kiện thử nghiệm chạy của một động cơ xăng 3,0 lít
với chế độ leo đồi tại 60,0 km/h. Dự án AETEG (năm 2004)[5J 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 pick-up của GM, cũng như để phát triển
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 [6].
- 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 xả xe máy và được tản nhiệt bằng nước. Sản lượng điện năng thu được khoảng 12 w, 6 V trong
điều kiện lái xe ở tốc độ 60 km/h để sạc bình ắc quy [7],

Hình 1.2: Máy phát nhiệt điện xe máydự án do Giáo sư Y. Nishino

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

- Cùng năm 2011, Gregory p. Meisner hợp tác hãng GM [8] ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện
trên xe Chevy-suburban, trong đó sử dụng 42 TEG công suất đạt được gần 30W. Năm 2012, Tạp
chí Car and Driver [9] nhận định “ Thermalelectric generator ” là một trong mười công nghệ hứa
hẹn trong tương lai.

Ẽxhau«t yat outlet

Hình 1.3: Máy phát nhiệt điện của Gregory p. Meisner
- Liu (năm 2012)[10] 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 1.4: Máy phát nhiệt điện của Lỉu[10]
- Cuối năm 2012, có 2 công trình tiêu biểu đã được nghiệm thu: Thứ nhất, Douglas T và
cộng sự [11] đã chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực tiếp nhiệt thành điện
cung cấp cho phụ tải trên ô tô. Công trình này chủ yếu tập trung phát triển cơ chế thu hồi nhiệt
GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

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 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 đưòng ống xả.
- 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 quátrình vận hành xe. TS.Harald
Bõttner, 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.Bõttner, “ 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. Nếu 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.
- Nguyễn Hà Hiệp (năm 2013) và cộng sự [12]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 mô-đun TEG bắt đầu cho điện áp từ 4,0V đến 4,2V (bảng số liệu bên dưới); như vậy với nhiệt
độ này chúng có thể mắc nối tiếp nhiều mô - đun TEG để có được mức điện áp cao hơn sử dụng

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

cho các phụ tải trên ô tô.

Bảng 1.1: Kết quả thử nghiệm TEG trên động cơ Toyota 7KE
- Lê Quang Vũ (năm 2014)[13] 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 modun nhiệt điện TEG.

Bảng 1.2: Thông số máy phát nhiệt điện[13]

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

- Trường đại học kỹ thuật quân sự của Ấn Độ (năm 2014)[14] đã nghiên cứu sử dụng nhiệt
từ khí xả mô hình động cơ 4 kỳ 3 xilanh với số vòng quay động cơ 3.970vòng/phút, công suất đạt
15W.

Power Output vs Engirve Speed

Hinhl.5: Máy phát nhiệt điện sử dụng TEG của
Trường Đại Học Ấn Độ
- 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.
Kết luận: Hầu hết các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước về việc sử dụng nguồn nhiệt
từ khí thải động cơ để tạo ra điện đều đã đạt được một số kết quả khả quan, giúp cho công nghệ
ô tô ngày càng phát triển. Tuy nhiên, đa số các công trình trên chỉ tiến hành thử nghiêm khả

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

năng phát điện của máy phát nhiệt điện chưa đánh giá ảnh hưởng của AT cũng như nhiệt độ
nguồn nóng Th và nhiệt độ nguồn lạnh Tc đến công suất của máy phát. Qua các công trình
nghiên cứu trên, tác giả có thể tận dụng một số kết quả nghiên cứu có liên quan đến động cơ xe
ô tô để tiến hành thử nghiêm trên mô hình động cơ xe máy như xây dựng một hệ thống máy

phát nhiệt điện sử dụng các modun TEG. Đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng AT, nhiệt độ nguồn
nóng Th và nhiệt độ nguồn lạnh Tc đến tính năng điện thế, dòng điện và công suất phát ra của
thiết bị nhiệt điện.
1.3.
1.3.1.

ĐỐỈ tượng, phạm vỉ nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu

Trong đề tài này, đối tượng cần nghiên cứu là bộ chuyển đổi nhiệt điện từ nhiệt khí xả
động cơ trên xe máy.
1.3.2.

Phạm vi nghiên cứu

- Thiết kế, chế tạo máy phát nhiệt điện tận dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ trên xe
máy.
- Thực nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện trên động cơ xe máy.
- Xác định đặc tính chênh lệch nhiệt độ của thiết bị bán dẫn với hiệu điện thế, cường độ
dòng điện phát ra.
1.4.

Mục tiều nghiền cứu

Đề tài được tiến hành nghiên cứu với mục tiêu chính:
- Xác định được đặc tính của thiết bị bán dẫn theo sự chênh lệch nhiệt độ từ đó tối ưu
hóa công suất và hiệu suất của bộ chuyển đổi nhiệt điện.
- Là cơ sở để chế tạo thiết bị chuyển đổi nhiệt điện giá thành rẻ mang lại hiệu quả kinh
tế cao.
1.5.

1.5.1.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa khoa học

- Góp phần vào việc nghiên cứu sử dụng thiết bị nhiệt điện TEG tái sử dụng nguồn nhiệt
từ khí xả động cơ xe máy, cung cấp tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến vấn đề này.

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

- Đề tài này là một phần đóng góp cho nhu cầu sử dụng nguồn nhiệt thải từ xe gắn máy,
xe ô tô( vốn có nguồn rất dồi dào) chuyển đổi thành năng lượng có ích.
1.5.2.

Ỷ nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu việc tái sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải động cơ tạo năng lượng xanh,
không gây ô nhiễm môi trường là cơ sở để thiết kế chế tạo bộ chuyển đổi nhiệt điện, khi đưa
vào ứng dụng thực tiễn sẽ mang lại hiệu quả kinh tế;tái sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải của động
cơ xe máy để tạo ra năng lượng sạch, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu quả sử dụng
nhiên liệu.

1.6.
1.6.1.

Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích tư liệu sẵn có

Thu thập, chọn lọc thông tin từ các công trình nghiên cứu trước; những được đăng trên
tạp chí, bài báo trong và ngoài nước có liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
1.6.2.

Phương pháp đo thực nghiệm

Sử dụng một số thiết bị hỗ trợ việc đo lường lượng nhiệt độ pô xe, nhiệt độ cánh tản nhiệt
theo thời gian và đo điện áp, cường độ dòng điện phát ra.
1.6.3.

Phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm

- Dùng phương pháp thống kê
- So sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả lý thuyết
1.6.4.

Phương pháp chuyên gia

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

Chương II: cơ SỞ LÝ THUYẾT
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.Có ba hiệu ứng nhiệt điện được

biết đến là: Hiệu ứng Seebeck, Hiệu ứng Peltier và Hiệu ứng Thomson [3]:
- 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( 1770-1831), phát hiện vào
GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

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.

Hình 2.1: Hiệu ứng seebeck
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, Th: nhiệt độ mặt nóng, Tc: nhiệt độ mặt
lạnh
- Hiệu ứng Peltier: Khi cho dòng điện qua vật dẫn không đồng chất, ngoài nhiệt lượng
Joule - Lenz tỏa ra trong thể tích của vật dẫn, người ta còn quan sát thấy một hiện tượng nhiệt
phụ xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa hai vật dẫn kim loại khác nhau. Khi có dòng điện qua chỗ tiếp
xúc giữa hai kim loại thì ở đó sẽ có sự tỏa nhiệt hay hấp thụ nhiệt tùy theo chiều dòng điện. Nó

làm cho chỗ tiếp xúc hoặc nóng lên hoặc lạnh đi. Hiện tượng nhiệt điện này do Jean Peltier phát
hiện ra năm 1834.

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

Nhiệt lượng sinh ra do hiệu ứng Peltier được tính bởi công thức:
QK= 71 . I (2.2)
Trong đó, 71 là hệ so Peltier , I là cường độ dòng điện
- Hiệu ứng Thomson: Năm 1854, William Thomson(Lord Kelvin) đã phát hiện ra rằng
một vật dẫn đồng chất mà có biến thiên nhiệt độ thì khi có dòng điện chạy qua sẽ xuất hiện một
nhiệt lượng phụ tỏa ra hay hấp thụ trong vật

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

dẫn, độc lập với nhiệt lượng Joule - Lenz. Lượng nhiệt này bổ sung thêm hoặc hấp thụ bớt đi
làm cho nhiệt lượng của vật tăng lên hay giảm đi so với khi chỉ có nhiệt lượng Joule - Lenz.
Hiện tượng này được gọi là hiện tượng Thomson. Nguồn gốc của hiện tượng này có liên quan
chặt chẽ với các nguyên nhân làm xuất hiện các hiệu ứng nhiệt điện xảy ra tại chỗ tiếp xúc. Thí
nghiệm quan sát hiện tượng Thomson đã bố trí như sau: Hai vật dẫn a và b giống nhau, làm
bằng cùng một vật liệu được nối vào một mạch điện. Hai đầu của các vật dẫn được giữ ở các
nhiệt độ khác nhau. Khi đó, dọc theo các vật dẫn xuất hiện một biến thiên nhiệt độ nên xuất hiện
các dòng nhiệt. Trong vật dẫn b, chiều dòng nhiệt trùng với chiều dòng điện, còn trong vật dẫn
a, chiều của hai dòng đó ngược nhau.Trên hai vật dẫn chọn hai điểm a và b sao cho khi chưa có
dòng điện, nhiệt độ tại hai điểm đó bằng nhau.

Hình 2.3: Mô hình hiệu ứng Thomson

Neu có dòng điện I đi qua vật dẫn đồng nhất có tính đến hiệu ứng Thomson, nhiệt lượng
Q tỏa ra trên một đơn vị thể tích là:
(2.3)
X. X XZXX **-V • X x»x XXXXXVV XXV#

vx v» X ỊỊ ỊkV XM> XXV w -X XX V* XXX w XX y

• XM, M V* VZXVXX vxxxvxx
dx

nhiệt độ dọc theo vật dẫn, nhiệt lượng Peltier phụ thuộc vào chiều của dòng điện.
Năm 1854, Lord Kelvin đã tìm ra mối liên hệ giữa ba hệ số này. Biểu thức Thomson thứ
nhất như sau:
H = T.^

(2.4)

Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối, |X là hệ số Thomson, s là hệ số Seebeck.

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Luận Văn Thạc Sĩ

Biểu thức Thomson thứ hai có dạng sau:
71 = T.s

( 2.5)

Kết hợp công thức (1.2) và ( 1.5) ta được công thức nhiệt lượng Peltier
Qn= S.I.T
2.2.

(2.6)

Lý thuyết truyền nhiệt

Truyền nhiệt [16] 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.

- 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

Hủtìt HOT,

Xx
Qũũf(r
hnd;

Wsrrrf bcdy

----► X

Hình2.4 :MÔ tả dẫn nhiệt qua vách phẳng

Dòng nhiệt truyền qua vật trong l(s) theo phương X được tính theo định luật Fourier:
Qx= -À. F ÕT ™

(2.7)

HoặcqA^ -

[W/m2]

(2.8)

OX

Ở đây:
Qx: dòng nhiệt truyền theo phương X trong thời gian Is (W)

GVHD: TS.Hồng Đức Thông

VII

HVTH: Nguyễn Văn Hĩu