Máy phát điện sử dụng khí Biogas phần 1

1
Hình 2.1.1. Phoi sắt
b
ị oxi hoá
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY PHÁT
ĐIỆN CHẠY BẰNG KHÍ BIOGAS

Bùi Kim Cường – Phan Minh Hoàng
(*)
05ĐCN1 – Đại Học Lạc Hồng

Tóm tắt :
“Nghiên cứu thiết kế máy phát điện chạy bằng khí biogas” là một giải pháp tối ưu, đề tài
được nghiên cứu và chế tạo dựa trên kiến thức tổng hợp: hoá học, cơ khí động lực, máy điện,
điện - điện tử và lập trình điều khiển ...... nhằm mục đích giảm bớt lượng khí thải gây hiệu
ứng nhà kính thải ra môi trường, đồng thời giải quy
ết được cuộc khủng hoảng năng lượng
như hiện nay, giúp các hộ chăn nuôi tăng gia sản xuất, giảm chi phí giá thành và góp phần
tích cực vào việc cải thiện đời sống người dân.

1. SƠ LƯỢC KHÍ BIOGAS VÀ MÔ
HÌNH HẦM CHỨA : [7]
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí
methane (CH4) và một số khí khác phát
sinh trong môi trường kỵ khí từ sự phân
huỷ các vật chất hữu cơ như rác thải (rơm,
rau củ..), quá trình xử lý nước hay chất
thải động vật.
Về thành phần chính: thành phần chính
của Biogas là CH4 (50-60%) và CO
2

(>30%) còn lại là các tạp chất khác như
N
2
, O
2
, H
2
S, CO… Trong đó CH
4
tạo ra sự
cháy khí tiếp xúc với oxi, H
2
S là khí độc
hại gây mùi khó chịu, ăn mòn các chi tiết
kim loại, CO
2
làm giảm khả năng đốt
cháy. Còn lại là các khí khác chiếm tỷ lệ
thấp và ít ảnh hưởng đến môi trường.

Mô hình xây dựng hầm chứa:
Mô hình gồm các bộ phận:
- Đường ống dẫn các chất thải động vật
hay chất thải hữu cơ.
- Bể chứa kín để lên men quá trình kỵ
khí.
- Đường ống dẫn đến nơi tiêu thụ.
- Các thiết bị đo và mở sử dụng khí.

2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG LỌC KHÍ
BIOGAS CHO MÁY PHÁT:
Biogas chứa khí Mêtan (CH
4
) có khả
năng sinh ra sự cháy nên được dùng làm
nhiên liệu thay thế cho xăng, dầu diesel để
chạy động cơ đốt trong và máy phát điện.
Khí H
2
S và CO
2
là hai tạp chất quan trọng
ta cần loại bỏ. Khí H
2
S sau khi đốt cháy
sinh ra khí SO
x
gây ăn mòn các chi tiết
kim loại của động cơ, máy phát và làm ô
nhiễm môi trường không khí. Sự hiện diện

của khí CO
2
trong biogas làm giảm nhiệt
trị nhiên liệu cháy.
Do đó vấn đề được đặt ra ta phải loại
bỏ khí H
2
S và CO
2
trước khi đưa đến máy
phát.
2.1 VẬT LIỆU LỌC KHÍ BIOGAS:
Việc lọc tạp chất được thực hiện bằng
phương pháp hấp phụ [5].
Hấp phụ loại bỏ khí H
2
S:
Để khử tạp chất H
2
S ta dùng các phoi
sắt đã bị ôxi hoá [2].
Và quá trình phản ứng diễn ra như sau:
Fe
2
O
3
+ 3H
2
S Æ Fe
2

S
3
+ 3H
2
O
Fe
3
O
4
+ 4H
2
S Æ FeS+Fe
2
S
3
+ 4H
2
O
FeO + H
2
S Æ FeS + H
2
O

Phản ứng trên diễn ra tốt nhất ở
điều kiện nhiệt độ 28–30
0
C, độ ẩm vật
liệu 30% [5]

Hấp phụ loại bỏ khí CO
2
:
Việc tách CO
2
ra khỏi biogas được
thực hiện vào tính chất hấp phụ của khí
cacbornic của than hoạt tính. Than hoạt
tính ta có thể lấy từ các nguyên liệu gần
Hình 1. Mô hình xây dựng hầm tạo khí
Biogas
2
Hình 2.1.2. Than hoạt tính
gũi và thông dụng như: than bùn, than đá,
các thực vật (gáo dừa, mùn cưa, gỗ…).






Ngoài ra việc hấp phụ khí CO
2
ta có
thể cho khí đi qua hơi nước [2].
2.2 THIẾT KẾ THÁP VÀ QUY TRÌNH
XỬ LÝ KHÍ :
Khí biogas khi qua tháp hấp phụ phải
khử được lượng tạp chất đồng thời họng
khí phải đáp ứng đủ nhiên liệu cho hoạt

động máy phát.
Việc tính toán thiết kế tháp dựa trên
[5]: đường hấp phụ đẳng nhiệt, tính cân
bằng vật chất, tỷ số truyền khối, tổn thất áp
suất …..
Trên cơ
sở tính toán nhóm thiết kế tháp
như sau:
- Vật liệu tháp được làm từ nhựa ống
PVC.
- 2 ống tháp có đường kính Φ = 90mm,
ống cấp khí Φ = 10mm và chiều cao là
0.8m.
- Vật liệu than hoạt tính và phoi sắt được
chứa đầy trong 2 ống tháp.

3. THIẾT KẾ CHI TIẾT CUNG CẤP
KHÍ BIOGAS CHO MÁY PHÁT :
3.1. ĐẶC ĐIỂM BAN ĐẦU:
Máy phát được sử dụng là loại máy có
công suất 550W của hãng Honda, điện áp
ra 220V-50Hz, nguyên thuỷ máy chạy
bằng xăng sau đó được cải tiến chạy bằng
khí biogas.





3.2. THIẾT KẾ CHI TIẾT CUNG CẤP

KHÍ BIOGAS CHO MÁY PHÁT :
Chi tiết được thiết kế phải kín tạo được
độ chân không cần thiết để hút khí, đồng
thời cung cấp đủ lượng khí đưa vào h
ọng
máy phát. [3]
Chi tiết có bề dày Φ = 10mm, đường
kính hút khí thiên nhiên lớn nhất bằng
đường kính họng đưa vào xylanh Φ =
16mm và được lấy đồng tâm nhau, một lỗ
Φ = 6mm được khoan bên hông nhằm mục
đích luồn một ống bằng kim loại để ta có
thể gắn ống khí dễ dàng đến máy phát. Chi
tiết phải cứng, có khả năng chịu nhiệt cao.

Chi tiế
t thiết kế xong được kẹp giữa bộ
chế hoà khí và thân máy phát thông qua
một thanh ốc cố định được bắt sẵn trên
thân máy.


















Hình 2.2.1. Quy trình xử lý khí biogas
Hình 3.1. Máy phát cải tiến sang
Biogas
Hình 3.2.1. kích thước chi tiết cung cấp khí
Hình 3.2.3. Chi tiết đặt giữa bộ chế hoà khí và
họng máy phát
Hình 3.2.2. Chi tiết cấp khí sau khi hoàn thành

Hình 3.2.4. Bộ chế hoà khí, chi tiết cấp khí và
thân máy bắt cố định nhau
3
12VDC
C9
33pF
0
P2.0
5VDC
P2.6
PWM_2
C15
2200uF
P0.1
C12
1uF
R25
330
R9
1K/1W
0
P3.6
P1.5
LS1
RELAY 8 CHAN
7
5
6
2
4

3
1
8R23
1K
SW3NUT 2
ISO1
PC621
12
43
ISO2
OPTO PC621
12
43
D6
LED
D4
Led Phat
5VDC
P3.3
5VDC
P3.5
R18
330
C5
2200uF
P2.3
R21
1K
P1.3
D20

LED
Q8
D468
-
+
U3A
LM324
3
2
1
411
R24
1K
D12
DIODE
J5
DIEN TRO THANH
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Q3
A10 15
0
HI

P0.5
P3.2
P2.3
0
P2.0
J4
DIEN TRO THANH
1
2
3
4
5
6
7
8
9
5VDC
U8
Led 7 Doan
1
2
4
5
7
10
9
3
6
8
e

d
c
.
a
g
f
Vcc
b
Vc
PWM_1
P2.7
P0.0
ISO3
PC621
12
43
5VDC
P2.5
R8
1K
12VDC
12VDC
P3.1
P3.0
C11
1uF
R28
330
HI
P2.5

P0.4
P0.3
P1.7
P2.1
0
D2
LED
C8
33pF
5VDC
D8
YELLOW
RST
R13
1K
5VDC
0
P0.7
P0.5
Q5
A10 15
C10
1uF
D5
Led Thu
P3.7
-+
D19
5A
2

1
3
4
R12
1K
0
P2.6
P3.6
P2.6
P2.2
P1.2
5VDC
P0.1
U6
Led 7 Doan
1
2
4
5
7
10
9
3
6
8
e
d
c
.
a

g
f
Vcc
b
Vc
J3
DIEN T RO THANH
1
2
3
4
5
6
7
8
9
P2.3
P2.2
EA
P1.6
PWM_2
U7
Led 7 Doan
1
2
4
5
7
10
9

3
6
8
e
d
c
.
a
g
f
Vcc
b
Vc
P1.0
RST
P3.1
P1.2
12VDC
P1.7
D9
GREEN
P2.2
J6
12VAC
1
2
R20
330
C4
2200uF

Q6
IRF540
LO
P2.2
R1
330
R7
1K
P2.0
R17
330
P0.7
P2.6
D7
RED
0
R29
1K
Q9
D468
R15
1K
R10
1K
P0.6
P2.0
C16
104
P2.6
SW1

RESET
P0.2
P3.7
R16
1K
P2.0
P2.1
C17104
R11 1K
5VDC
SW2 NUT 1
D13
LED
C7
10uF
P2.7
5VDC
P0.0P1.0
U9
Led 7 Doan
1
2
4
5
7
10
9
3
6
8

e
d
c
.
a
g
f
Vcc
b
Vc
P1.4
P2.6
5VDC
5VDC
P0.2
P1.3
12VDC
5VDC
0
P0.4
Q2
A1015
LO
P2.4
P3.5
D14
LED
P2.5
J7
NOÁI COM 9

1
2
3
D3
LED
D18
DIODE
P1.1
P1.2
P2.1
P3.3
P0.1
5VDC
Q1
B688
LO
P3.1
R6
1K
HI
P3.0
R4
1K
R19
330
C2
104
C1
104
P0.0

P0.5
P2.4
P2.2
0
5VDC
EA
P2.3
P2.2
P2.4
Q7
IRF540
Q4
A1015
PWM_1
P0.4
P2.4
P2.1
P2.5
P2.1
P1.6
J9
Motor D C 2
1
2
C3
2200uF
R27
1K
P3.2
5VDC

R2
1K
D16
LED
J8
Motor D C 1
1
2
12VDC
U4
89V51
29
30
4020
31
19
18
9
39
38
37
36
35
34
33
32
1
2
3
4

5
6
7
8
21
22
23
24
25
26
27
28
10
11
12
13
14
15
16
17
PSEN
ALE
VCCGND
EA
X1
X2
RST
P0.0/ AD0
P0.1/ AD1
P0.2/ AD2

P0.3/ AD3
P0.4/ AD4
P0.5/ AD5
P0.6/ AD6
P0.7/ AD7
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P2.0/A8
P2.1/A9
P2.2/A10
P2.3/A11
P2.4/A12
P2.5/A13
P2.6/A14
P2.7/A15
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7/RD
LS2

RELAY 8 CHAN
7
5
6
2
4
3
1
8
P1.4
P3.4
D11
LED
P3.7
J1
12VAC
1
2
Y1
12M
P2.3
P2.3
P0.3
R26
1K
C14
104
HI
P3.2
P0.7

5VDC
U5
MAX232
1
3
4
5
1615
2
6
12
9
11
10
13
8
14
7
C1+
C1-
C2+
C2-
VCCGND
V+
V-
R1OUT
R2OUT
T1IN
T2IN
R1IN

R2IN
T1OU T
T2OU T
U1
7805
1
2
3
VIN
GND
VOUT
R14
1K
P0.6
R22
330
-+
D1
DIODE CAU 5A
2
1
3
4
ISO4
PC621
12
43
P2.4
R3
1K

HI
D17
DIODE
0
P2.4
P3.5
P2.5
R30
1K
D15
DIODE MAX
0
P3.0
C13
1uF
P0.6
5VDC
P2.5
C6
104
0
P1.4
P3.4
P2.1
P1.0
P1.1
-+
D10
DIODE 5A
2

1
3
4
J2
DIEN TRO T HANH
1
2
3
4
5
6
7
8
9
P2.0
P0.2
P1.6
J10
24VAC
1
2
R5
10K
P1.5
U2
7812
1
2
3
VIN

GND
VOUT
Hình 4.1. Sơ đồ mạch thiết kế
3.3 HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG:










Ï Quy trình hoạt động:
Khí biogas sau khi qua hai tháp hấp
phụ ta có thể đưa đến cho hoạt động máy
phát, đến đây khí biogas được chia làm 2
nhánh. Với nhánh thứ nhất đi qua đi qua
van giảm áp, làm giảm bớt lưu lượng khí,
lượng khí vào máy phát sẽ cung cấp vừa
đủ để hoạt động sinh ra điện áp 220V
nhưng với điều kiện không tải đồng thời
tạo nguồn cho board mạch hoạt động.
Nhánh hai được giới hạn b
ởi một van điện.
Ở quá trình khởi động máy van vị trí đóng,
khi có sự thay đổi về tải, bộ đo tần số quay
của máy phát sẽ đưa tín hiệu đến một
board điện tử để so sánh với tín hiệu chuẩn

của máy (220V) và suất tín hiệu ra để điều
khiển độ đóng mở họng cung cấp khí của
van. Độ đóng mở họng van sẽ
tuỳ thuộc
vào số lượng tải lớn hay bé để đưa lượng
khí vào nhiều hay ít cho phù hợp.
4. THIẾT KẾ BOARD ĐIỀU KHIỂN:
Để đáp ứng điều khiển các ngõ vào/ra
một cách cách thích hợp và tham khảo [6],
nhóm đã chọn IC89V51 của hãng Phillip
được lập trình và điều khiển hệ thống.
Mạch sẽ nhận tín hiệu tần số quay, so sánh
tín hiệu, xuất tín hiệu điều khiể
n van, quét
led cho hiện thị thông số.












5. LỢI ÍCH SỬ DỤNG:
Sử dụng khí biogas kết hợp với hoạt
động chăn nuôi sản xuất là một giải pháp

tối ưu nhất.
- Giúp giữ cảnh quan tự nhiên, tránh
các chất thải nông nghiệp, xử lý nước
hay chất thải chăn nuôi không mong
muốn thải ra môi trường. [4]
- Khí biogas còn được mệnh danh là
nguồn nhiên liệu sạch cho hoạt động của
động cơ đốt trong, máy phát điện. Giúp
giảm bớt lượng khí CO
2
gây hiệu ứng
nhà kính thải ra môi trường, phòng tránh
tác hại không mong muốn trong tương
lai. [4]
- Ngoài mục đích sử dụng khí biogas
cho việc đun nấu sinh hoạt, khí biogas
còn được dùng làm nhiên liệu chạy động
cơ, máy phát. Giúp người dân giảm được
chi phí chăn nuôi, tăng hiệu quả sản suất,
cải thiện được đời sống và giúp tiết kiệm
điện cho mạng lưới điện quốc qia. [1]
6. HẠN CHẾ ĐỀ TÀI :
Nhiệt độ môi trường xung quanh giảm
làm ảnh hưởng đến chất lượng khí
Biogas(mùa lạnh) công suất máy phát
không đạt được theo yêu cầu, hệ thống
phải chạy lại bằng xăng.

(*) KHOA : CƠ ĐIỆN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

:
[1] Bùi Văn Ga, Ngô Văn Lành, Ngô
Kim Phụng, Venet Cederic: Thử
nghiệm khí biogas trên động cơ xe
gắn máy. Tạp chí Khoa học và
Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số
1(18), pp. 1-5, 2007.
[2] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến,
Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn
Anh: Hệ thống cung cấp biogas
cho động cơ Dual-Fuel
biogas/diesel. Tạp chí Khoa học và
Công nghệ, Đại học Đà Nẵng-
2(25), 2008.
[3] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang,
Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi
Quang: Tối ưu hóa quá trình cung
cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử
dụng hai nhiên liệu biogas-dầu mỏ.
Tạp chí Khoa học và Công nghệ,
Đại học Đà Nẵng- số 5(28), 2008.
Hình 3.2.5. Sơ đồ hệ thống cung cấp khí cho
máy phát
4
[4] Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích
Trâm, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn
Đông: Khả năng giảm phát thải
CO
2
ở Việt Nam nhờ sản xuất điện

năng bằng Biogas. Tạp chí Khoa
học và Công nghệ, Đại học Đà
Nẵng-số 1(30).2009.
[5] Đề tài nghiên cứu khoa học:
Nghiên cứu tinh chế Biogas bằng
phương pháp hấp phụ của nhóm
sinh viên khoa Công Nghệ Sinh
Học – Môi Trường, Đại học Lạc
Hồng.
[6] VI ĐIỀU KHIỂN 8051 –TỐNG
VĂN ON.
[7] www.Google.com.vn , www.
vi.wikipedia.org
Keyworlds : biogas, máy phát điện,
bộ chế hoà khí.