Tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ biogas hydrogen

Điều quan trọng và cấp bách hiện nay là định hình các mô đun hệ thống năng lượng hybrid tái tạo để người dân các vùng chưa được cấp điện có thể lắp đặt, sử dụng một cách đơn giản và hiệu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Đề tài:

TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH

HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM

ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS-HYDROGEN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, 2023

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Đề tài:

TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH

HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM

ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC

CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS-HYDROGEN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã ngành : 9520116

Đà Nẵng, 2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận án nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác!

Đà Nẵng, tháng năm

Nghiên cứu sinh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

DANH MỤC BẢNG xv

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT xvi

MỞ ĐẦU xviii

1 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU xviii

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU xxii

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU xxiii

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU xxiii

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI xxiv

6 CẤU TRÚC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU xxiv

7 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN xxv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Cơ cấu năng lượng toàn cầu trong chiến lược “Net Zero” 1

1.2 Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid 4

1.3 Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid điện mặt trời-sinh khối 7

1.4 Ảnh hưởng của hydrogen đến tính năng của động cơ 12

1.5 Kết luận 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 25

2.1 Hệ phương trình cơ bản 25

2.2 Mô hình rối 28

2.3 Mô hình cháy 31

2.3.1 Tính toán các đại lượng của quá trình cháy 31

2.3.2 Xác định vị trí màng lửa 36

2.3.3 Tốc độ màng lửa chảy tầng 37

2.3.4 Tốc độ cháy rối 40

2.4 Kết luận 42

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ PHUN NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN 43

3.1 Thiết lập mô hình 43

3.1.1 Xây dựng không gian tính toán và chia lưới 43

3.1.2 Trình tự thực hiện mô phỏng 46

3.2 Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp của động cơ 51

3.2.1 Diễn biến quá trình nạp 51

3.2.2 Ảnh hưởng của đường kính lỗ phun và áp suất phun 53

3.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen 57

3.2.4 Ảnh hưởng của hàm lượng CH4 trong biogas 59

3.2.5 Ảnh hưởng của độ mở bướm ga 60

3.2.6 Giản đồ phun nhiên liệu biogas-hydrogen 63

3.3 Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ 65

3.3.1 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm 65

3.3.2 Ảnh hưởng của hệ số tương đương 71

3.3.3 Ảnh hưởng của thành phần biogas 74

3.3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen 79

3.3.5 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ 83

3.3.6 Ảnh hưởng của chế độ tải 87

3.3.7 So sánh tính năng động cơ khi sử dụng biogas và biogas pha hydrogen 89 3.4 Kết luận 91

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ

PHỎNG 93

4.1 Điều khiển điện tử vòi phun nhiên liệu biogas-hydrogen 93

4.2 Điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ chạy bằng hỗn hợp biogas-hydrogen 97 4.2.1 Tốc độ cháy chảy tầng 97

4.2.2 Mô hình vật lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm 99

4.3 Thiết lập ECU điều khiển động cơ biogas-hydrogen 103

4.4 Cải tạo động cơ 108

4.4.1 Sơ đồ hệ thống cải tạo động cơ 108

4.4.2 Lắp đặt các bộ phận lên động cơ cải tạo 110

4.5 Nghiên cứu thực nghiệm 114

4.5.1 Chuẩn bị nhiên liệu 114

4.5.2 Bố trí hệ thống thí nghiệm 115

4.5.3 Trình tự thí nghiệm 117

4.6 Kết quả thí nghiệm 118

4.6.1 Điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu 118

4.6.2 Điều chỉnh góc đánh lửa sớm 124

4.6.3 Sơ đồ hệ thống tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas-hydrogen có thành phần thay đổi 128

4.7 Kết luận 131

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 132

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 138 PHỤ LỤC I

TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ BIOGAS-

HYDROGEN Tóm tắt: Do tác động của biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng trầm trọng, việc

chuyển đổi năng lượng đang là mối quan tâm hàng đầu của hầu hết các quốc gia trên thế giới Trong bối cảnh đó thì hệ thống năng lượng tái tạo hybrid (HRES) gồm năng lượng mặt trời và sinh khối là một lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm Động cơ đốt trong thường được thiết kế để làm việc với một loại nhiên liệu cho trước và trong điều kiện vận hành xác định Trong HRES thành phần nhiên liệu thay đổi thường xuyên theo nguyên liệu đầu vào và nguồn hydrogen do điện mặt trời cung cấp Mặt khác, chế

độ tải của động cơ cũng thay đổi thường xuyên để cung cấp tải bù cho hệ thống Do

đó, động cơ phải được điều chỉnh một cách linh hoạt các thông số vận hành, đặc biệt

là góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương của hỗn hợp Động cơ tĩnh tại truyền thống khó có thể đáp ứng được yêu cầu này Luận án tập trung xử lý hai vấn đề chính của động cơ trong HRES, đó là điều khiển quá trình cung cấp nhiên liệu để điều chỉnh hệ

số tương đương và điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu để đảm bảo cho động cơ hoạt động hiệu quả với nhiên liệu biogas-hydrogen với thành phần thay đổi trong phạm vi rộng

Từ khóa: Năng lượng tái tạo, biogas, hydrogen, ô nhiễm không khí, động cơ đánh lửa

cưỡng bức

AUTOMATIC CONTROL OF EQUIVALENCE RATIO AND ADVANCE IGNITION ANGLE TO IMPROVE THE PERFORMANCE OF BIOGAS-

HYDROGEN ENGINE Summary:Due to the increasing impact of climate change, the energy transition is a top concern for most countries in the world In that context, the hybrid renewable energy system including solar energy and biomass is an area of research interest Internal combustion engines are typically designed to work with a given fuel type and under defined operating conditions In a hybrid renewable energy system, the fuel

composition changes frequently according to the input material and the source of hydrogen provided by solar power On the other hand, the load mode of the motor also changes frequently to provide a compensating load for the system Therefore, the engine must be flexibly adjusted to the operating parameters, especially the ignition advance angle and the equivalence factor of the mixture Traditional stationary motors can hardly meet this requirement The thesis focuses on dealing with two main problems of the engine in the hybrid renewable energy system, that is controlling the fuel supply process to adjust the equivalence ratio and adjusting the optimal advance ignition angle to ensure efficient engine operation with biogas-hydrogen fuel with variable composition over a wide range

Keywords: Renewable energy, biogas, hydrogen, air pollution, SI engine.

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cơ cấu các nguồn năng lượng đến năm 2050 [41] 1

Hình 1.2: Cấu phần năng lượng tái tạo trên thế giới (a) và đặc tính của hệ thống năng lượng tái tạo (b) [43] 2

Hình 1.3: Các dạng hệ thống năng lượng tái tạo [49] 5

Hình 1.4: Sơ đồ HRES năng lượng mặt trời-năng lượng sinh khối 9

Hình 2.1: Quan hệ giữa nồng độ, nhiệt độ và khối lượng riêng theo tỉ hệ hỗn hợp 35 Hình 3.1: Xi lanh và đường nạp động cơ sau khi cải tạo 43

Hình 3.2: Chia lưới không gian tính toán 44

Hình 3.3: Chia lưới không gian tính toán khi piston ở ĐCT: 71.321 phần tử 44

Hình 3.4: Chia lưới không gian tính toán khi piston ở ĐCD: 107.395 phần tử 45

Hình 3.5: Chia lưới đường nạp: 48.866 phần tử tứ diện (a); Chia lưới buồng cháy: 20.333 phần tử tứ diện (b); Chia lưới xi lanh: 38.196 phần tử hình chêm (c) 45

Hình 3.6: Giao diện khởi động phần mềm ANSYS FLUENT 2021R1 47

Hình 3.7: Cài đặt các thông số của mô hình 47

Hình 3.8: Giải hệ phương trình và lưu kết quả mô phỏng 49

Hình 3.9: Đường đồng mức nồng độ CH4 trong quá trình phun biogas M7C3 được làm giàu 20% hydrogen ở vị trí 38TK 50

Hình 3.10: Trường tốc độ khi phun biogas M7C3 được làm giàu 20% hydrogen ở vị trí 38TK 50

Hình 3.11: Đường đồng mức nhiệt độ trong quá trình cháy biogas M7C3 được làm giàu 20% hydrogen ở vị trí 360TK 51

Hình 3.12: Bố trí các vòi phun mô phỏng 52

Hình 3.13: Phân bố nồng độ CH4 theo góc quay trục khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3-20H, φp=74TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) 53

phun có dp=4mm, pp=2,5bar, φp=140TK, n=3600v/ph 54 Hình 3.15: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=0,5bar, n=3600v/ph 55 Hình 3.16: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=1bar, n=3600v/ph 55 Hình 3.17: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5mm, pp=1,5bar, n=3600v/ph 56 Hình 3.18: Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp khi phun nhiên liệu M6C4-30H qua vòi phun có dp=5,5mm, pp=0,5bar, φp=81°TK, n=3600v/ph 56 Hình 3.19: Đường đồng mức hệ số tương đương (a), nồng độ CH4 (b) trên mặt cắt ngang buồng cháy tại thời điểm 340°TK, Biến thiên lưu lượng không khí, lưu lượng nhiên liệu và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3,

φp=70°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) 57 Hình 3.20: Phân bố hệ số tương đương (a), nồng độ CH4 (b) nồng độ H2 (c) trong buồng cháy và Biến thiên lưu lượng không khí, lưu lượng nhiên liệu và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (d) (n=3600 v/ph, M7C3-30H, φp=77°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) 58 Hình 3.21: So sánh biến thiên lưu lượng không khí, lưu lượng nhiên liệu và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu khi phun biogas M6C4 (a) và M8C2 (b) (n=3600 v/ph, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) 59 Hình 3.22: Diễn biến trường nồng độ H2 và trường tốc độ trong trường hợp α=40°,

dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph, φp=61°TK 60 Hình 3.23: Diễn biến trường nồng độ H2 và trường tốc độ trong trường hợp α=0°,

dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph, φp=77°TK 61 Hình 3.24: Phân bố hệ số tương đương trong buồng cháy trong trường hợp α=40° (a)

và α=0° (b) (dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) 61 Hình 3.25: So sánh biến thiên lưu lượng không khí (a), lưu lượng nhiên liệu (b) và hệ

số tương đương (c) theo góc quay trục khuỷu trong trường hợp α=0° và α=40°

(dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) 62 Hình 3.26: Sơ đồ tiết diện lưu thông trên đường nạp qua bướm ga 63 Hình 3.27: Giản đồ phun hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm,

pp=0,5 bar,  = 0°, n=3000 v/ph) 64 Hình 3.28: Giản đồ phun hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm,

pp=0,5 bar, M7C3-20H, n=3000 v/ph) 65 Hình 3.29: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất (a) và tốc độ tỏa nhiệt (b) khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 ở tốc độ 3600 v/ph và =1 66 Hình 3.30: Biến thiên nhiệt độ, phát thải NOx (a) và biến thiên áp suất cực đại, Wi (b) theo góc đánh lửa sớm 66 Hình 3.31: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu (a) và biến thiên áp suất cực đại, công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm (b) khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M8C2-40H ở tốc độ 3600v/ph,

=1 67 Hình 3.32: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ CO (a) và nồng

độ NOx (b) theo góc quay trục khuỷu; Biến thiên nhiệt độ khí thải, NOx (c) và CO,

HC (d) theo góc đánh lửa sớm khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M8C2-40H ở tốc độ 3600v/ph, =1 68 Hình 3.33: So sánh ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 (a) và M8C2-40H (b) ở tốc độ

3600 v/ph, =1 69 Hình 3.34: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M6C4 (a), M7C3 (b)

và M8C2 (c) đến biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo tốc độ khi động cơ 70 Hình 3.35: Giản đồ đánh lửa động cơ chạy bằng biogas-hydrogen ứng với biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) 71 Hình 3.36: Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp đến đồ thị công (a) và nhiệt độ cháy (b) 72

Hình 3.37: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến phát thải CO (a) và NOx (b) 72 Hình 3.38: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 v/ph với nhiên liệu M7C3 (a), M7C3-20H (b) và M7C3-40H (c) 73 Hình 3.39: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) 74 Hình 3.40: Ảnh hưởng thành phần biogas đến biến thiên áp suất trong xi lanh khi động cơ chạy bằng biogas pha 40% hydrogen ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) 75 Hình 3.41: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến tốc độ tiêu thụ nhiên liệu khi không pha hydrogen (a và b) và khi pha 40% hydrogen (c và d) 76 Hình 3.42: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph và 3600 v/ph bằng biogas (a) và bằng biogas pha 40% hydrogen (b) 77 Hình 3.43: Biến thiên các thông số đặc trưng quá trình cháy theo hệ số tương đương khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 v/ph với biogas M6C4 (a) và M8C2 (b) 79 Hình 3.44: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xi lanh khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và

3600 v/ph (b) 79 Hình 3.45: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph và

3600 v/ph 80 Hình 3.46: Biến thiên áp suất cực đại và công chỉ thị chu trình theo hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) 81 Hình 3.47: Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) với =1 82

Hình 3.48: Biến thiên các thông số đặc trưng quá trình cháy theo hệ số tương đương khi động cơ chạy ở tốc độ 3600 v/ph với nhiên liệu M7C3-20H 83 Hình 3.49: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đồ thị công (a) và đến biến thiên áp suất, tốc độ tỏa nhiệt (b) 84 Hình 3.50: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M6C4-40H (a), M7C3-40H (b) và M8C2-40H (c) với góc đánh lửa sớm 20°TK và hệ số tương đương =1 85 Hình 3.51: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên các thông số đặc trưng của quá trình cháy khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M7C3-15H (a) và M8C2-40H (b) với =1 và φs=20°TK 86 Hình 3.52: Đồ thị công ở các chế độ tải khác nhau (a) và ảnh hưởng của chế độ tải đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy (M7C3-0H, n=3600 v/ph, =1,

φs=32°TK) 87 Hình 3.53: Đồ thị công ở các chế độ tải khác nhau (a) và ảnh hưởng của chế độ tải đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy (M7C3-20H, n=3600 v/ph, =1,

φs=30°TK) 88 Hình 3.54: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất trong xi lanh (a)

và đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy (b) khi động cơ chạy ở tốc độ 3600 v/ph, 60% tải với nhiên liệu M7C3-20H 89 Hình 3.55: So sánh các đặc trưng quá trình cháy trong điều kiện tối ưu về góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương khi sử dụng biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) 90 Hình 4.1 Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm thay đổi thời gian phun của động cơ tĩnh tại 94 Hình 4.2 Ảnh chụp mô hình thí nghiệm điều chỉnh góc đánh lửa sớm (a) và hộp điều khiển, hộp công suất (b) 94 Hình 4.3 Tín hiệu điều khiển vòi phun khi chưa xử lý nhiễu (a, b) và các tín hiệu cảm

Hình 4.4 Tín hiệu Hall, tín hiệu đánh lửa và tín hiệu điều khiển vòi phun do chương trình điều tốc thực hiện khi tăng tải cản 96 Hình 4.5: Biến thiên tốc độ cháy chảy tầng theo hệ số tương đương  và thành phần

CO2 trong hỗn hợp với CH4 97 Hình 4.6: Tốc độ cháy chảy tầng của hydrogen, methane (a) và ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH4-H2 98 Hình 4.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm thay đổi góc đánh lửa sớm của động cơ tĩnh tại 99 Hình 4.8 Ảnh chụp mô hình thí nghiệm điều chỉnh góc đánh lửa sớm (a) và hộp điều khiển, hộp công suất (b) 100 Hình 4.9 Tín hiệu của cảm biến Hall và tín hiệu đánh lửa khi chưa xử lý nhiễu (a), tín hiệu khi xử lý nhiễu các cổng kết nối bằng tụ điện (b) và tín hiệu sau khi xử lý bằng nguồn cách ly quang học (c) 101 Hình 4.10 Lược đồ chương trình cài đặt vào vi điều khiển để điều chỉnh góc đánh lửa sớm (a) và độ lệch giữa xung tín hiệu Hall và xung đánh lửa (b) 102 Hình 4.11 Mô phỏng thay đổi góc đánh lửa sớm theo hàm lượng hydrogen pha vào hỗn hợp biogas 103 Hình 4.12: Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm thay đổi góc đánh lửa sớm, thời gian phun của động cơ tĩnh tại 104 Hình 4.13: Arduino Mega 2560 105 Hình 4.14: Tín hiệu ĐCT, tín hiệu điều khiển vòi phun và đánh lửa 106 Hình 4.15: Tín hiệu cảm biến Hall, tín hiệu đánh lửa và tín hiệu phun khi đã xử lý nhiễu mô phỏng theo nhiên liệu biogas M7C3 (a), hỗn hợp 80% biogas M7C3+20% hydrogen (b) 106 Hình 4.16: Sơ đồ nối dây hộp điều khiển công suất, khử nhiễu (a), Sơ đồ nối dây hộp điều khiển (b) 107 Hình 4.17: Sơ đồ cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động

cơ tĩnh tại phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử 108

Hình 4.18: Tín hiệu phun nhiên liệu (a) và tín hiệu đánh lửa (b) tương đối so với tín hiệu cảm biến Hall 109

Hình 4.19: Lắp đặt các bộ phận cải tạo động cơ 110

Hình 4.20: Cải tạo vòi phun LPG thành vòi phun biogas-hydrogen 111

Hình 4.21: Lắp đặt cụm cảm biến đo lưu lượng không khí và nhiên liệu 112

Hình 4.22: Sơ đồ đấu dây hộp điều khiển động cơ 113

Hình 4.23: Ảnh chụp mặt trước (a), mặt sau (b) hộp điều khiển động cơ 113

Hình 4.24: Sơ đồ pha trộn hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen 115

Hình 4.25: Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm 116

Hình 4.26: Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm 116

Hình 4.27: Điều chỉnh các mức tải động cơ 118

Hình 4.28: Biến thiên lưu lượng không khí và lưu lượng nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu (M7C3-20H, dp=5,5, pp=0,5bar, φp=100°TK, n=3600 v/ph) 118

Hình 4.29: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm biến thiên lưu lượng không khí (a) và lưu lượng nhiên liệu (b) theo vị trí bướm ga khi động cơ chạy ở tốc độ 3600 v/ph với nhiên liệu M7C3-20H (dp=5,5mm, pp=0,5bar) 119

Hình 4.30: So sánh biến thiên hệ số tương đương theo vị trí bướm ga cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (n=3600 v/ph, M7C3-20H, dp=5,5mm, pp=0,5bar) 121

Hình 4.31: Điều chỉnh thời gian phun (n=3600 v/ph, M7C3-20H, dp=5,5mm, pp=0,5bar) 121

Hình 4.32: Điều chỉnh thời gian phun (n=3600 v/ph, M6C4-30H, dp=5,5mm, pp=0,5bar) 122

Hình 4.33: Điều chỉnh thời gian phun (n=3600 v/ph, M8C2, dp=5,5mm, pp=0,5bar) 123

Hình 4.34: Giản đồ phun nhiên liệu M6C4-20H sau khi điều chỉnh (n=3600 v/ph, dp=5,5mm, pp=0,5bar) 123

Hình 4.35: Sơ đồ điều chỉnh góc đánh lửa sớm 124 Hình 4.36: Ảnh hưởng của thành phần hydrogen đến biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm trong trường hợp động cơ chạy bằng Biogas M7C3 (a), Biogas M6C4 (b) ở tốc độ 3000 vòng/phút, =1, 100% tải 125 Hình 4.37: Biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu s theo tỉ số H2/CH4 126 Hình 4.38: Giản đồ góc đánh lửa sớm tối ưu 128 Hình 4.39: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm động cơ biogas-hydrogen có thành phần nhiên liệu thay đổi 129 Hình 4.40: Sơ đồ cấu trúc chương trình điều khiển tự động hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm 130

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Các loại nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu 52

Bảng 3.2: Năng lượng do nhiên liệu mang vào động cơ trong mỗi chu trình 75

Bảng 3.3: Điều kiện tối ưu về hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm khi động cơ chạy bằng biogas và biogas pha 20% hydrogen 90

Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 105

Bảng 4.2: Thành phần mol của nhiên liệu 114

Bảng 4.3: Áp suất riêng phần của các chất trong nhiên liệu 114

Bảng 4.4: Thông số thực nghiệm 117

Bảng 4.5: Kết quả thực nghiệm đo lưu lượng không khí 120

Bảng 4.6: Kết quả thực nghiệm đo lưu lượng nhiên liệu 120

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

1 Các ký hiệu mẫu tự La Tinh

3 Các chữ viết tắt

FFV Xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt (Flexible-fuel vehicle)

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Để đảm bảo mức tăng nhiệt độ bầu khí quyển không quá 2°C (mong muốn dưới ngưỡng 1,5°C) so với thời kỳ tiền công nghiệp [1] theo thỏa thuận Paris 2015 thì lượng phát thải ròng CO2 hàng năm trên toàn cầu phải giảm xuống mức bằng 0 hoặc

âm ròng vào giữa thế kỷ này [2-3] Mức độ gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển tỉ lệ thuận với lượng khí thải CO2 tích lũy Vì vậy, xây dựng chiến lược để đạt được mục tiêu mức phát thải ròng bằng 0 ngày càng trở bức bách của các quốc gia trên khắp thế giới [2, 4, 5, 6] Trọng tâm của các chiến lược này là chuyển đổi nhanh chóng và sâu rộng các hệ thống năng lượng, bao gồm giảm mạnh việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng, điện khí hóa rộng rãi các lĩnh vực sử dụng năng lượng đầu cuối và khống chế mức phát thải carbon [7-9] Sự chuyển đổi hệ thống năng lượng này phải được hài hòa với cả các mục tiêu phát triển bền vững [10-11] cũng như tiềm lực kinh tế để thay thế cơ sở hạ tầng năng lượng hóa thạch hiện có [12]

Mới đây, tại cuộc họp Đại hội đồng Liên hiệp quốc tháng 11-2021, Tổng thư

ký Liên hiệp quốc đã nói hiện chưa quá muộn để thực hiện mục tiêu này nhưng cánh cửa đang khép lại nhanh chóng Tháng 11-2021, tại Hội nghị thượng đỉnh thường niên về chống biến đổi khí hậu COP 26 ở Glasgow, lãnh đạo các quốc gia đã đề ra chiến lược Net-Zero (tức chiến lược trung hòa carbon, mức độ phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính thấp hơn mức độ loại bỏ chúng từ môi trường) Tại hội nghị này, nước ta cũng cam kết giảm phát thải CO2, CH4 để đạt mục tiêu Net-Zero vào năm 2050 [13] Đến nay đã có 74 quốc gia và vùng lãnh thổ cam kết thực hiện lộ trình Net Zero tương tự Có khoảng 10 quốc gia cam kết thực hiện lộ trình Net Zero trước ngưỡng thời gian đó Việc sử dụng năng lượng tái tạo thay thế năng lượng hóa thạch

là trụ cột trong chiến lược Net Zero của hầu hết các quốc gia trên thế giới Tuy nhiên nhược điểm chính của năng lượng tái tạo nói chung là chúng phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện thời tiết và môi trường khó có thể đoán trước và không thể kiểm soát,

gây khó khăn cho việc đảm bảo độ tin cậy của hệ thống Do đó sử dụng một nguồn năng lượng tái tạo duy nhất sẽ không đảm bảo tính liên tục của hệ thống cung cấp năng lượng Bên cạnh đó, sự không cân bằng giữa sản xuất và tiêu thụ gây ra tình trạng thiếu hoặc thừa năng lượng của hệ thống Do đó hệ thống sử dụng một nguồn năng lượng tái tạo luôn đòi hỏi hệ thống lưu trữ năng lượng hay nguồn năng lượng

dự phòng Điều này làm tăng chi chi phí cho hệ thống

HRES kết hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo có thể xử lý được bất cập nêu trên Phụ thuộc vào chiến lược năng lượng của mỗi quốc gia mà nguồn năng lượng phối hợp có thể khác nhau Ở các vùng khí hậu nhiệt đới, năng lượng mặt trời và sinh khối là những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng rất cao Hai loại năng lượng này

có thể được sử dụng trong HRES, trong đó biogas được làm giàu bằng hydrogen được tạo ra bởi năng lượng mặt trời [14] HRES phù hợp với việc cung cấp điện không tập trung Nó là một lựa chọn khả thi cho sản xuất điện bền vững, đặc biệt là ở các vùng nông thôn

Biogas thô chứa chủ yếu methane (CH4) và tạp chất carbon dioxide (CO2) nên nhiệt trị của nó thấp hơn khí thiên nhiên Biogas có trị số octan khoảng 130 tương đối cao, nên có khả năng chống kích nổ Vì vậy biogas sử dụng thích hợp cho động cơ có

tỷ số nén cao [15] Để làm giàu loại nhiên liệu này chúng ta cần bổ sung các loại nhiên liệu có nhiệt trị cao và tính năng cháy tốt Theo yêu cầu đó thì hydrogen có thể xem là nhiên liệu bổ sung lý tưởng nhất Hydrogen là nhiên liệu không chứa carbon, sản phẩm cháy chứa chủ yếu là hơi nước [16] Hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau nhưng sản xuất hydrogen từ điện phân nước bằng năng lượng mặt trời là giải pháp mang tính bền vững và khả thi Hydrogen có thể sử dụng để cung cấp năng lượng cho phương tiện giao thông cơ giới thông qua pin nhiên liệu Tuy nhiên, phương án này đắt tiền, yêu cầu hydrogen có độ tinh khiết cao so với sử dụng hydrogen trong động cơ đốt trong [17] Với công nghệ hiện nay, để ô tô có thể hoạt động được trên cùng quãng đường thì khối lượng cụm động cơ-hệ thống cung cấp nhiên liệu của xe chạy bằng pin nhiên liệu nặng gấp ba lần động cơ đốt trong chạy bằng hydrogen

Mặc dù CO2 có trong biogas làm giảm phát thải NOx, tăng tính chống kích nổ nhưng tạp chất này lại có xu hướng làm tăng thời gian cháy trễ và giảm tốc độ lan truyền màng lửa nên sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt động cơ [18] Làm giàu biogas bằng hydrogen (H2) là giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này Công trình nghiên cứu của Ilbas và cộng sự [19] cho thấy khi tăng nồng độ hydrogen trong hỗn hợp H2-CH4

thì vận tốc cháy tăng và mở rộng giới hạn cháy Điều này cho phép tăng tốc độ tỏa nhiệt và tăng áp suất cực đại Chung và cộng sự [20] nghiên cứu hiệu suất cháy của nhiên liệu hydrogen/biogas trong động cơ đánh lửa cưỡng bức bằng mô phỏng số Nghiên cứu cho thấy rằng giá trị cực đại của áp suất và tốc độ tỏa nhiệt tăng lên và thời gian cháy trễ được rút ngắn khi tăng hàm lượng hydrogen trong nhiên liệu Porpatham và cộng sự [21] nghiên cứu ảnh hưởng của các tỉ lệ tương đương khác nhau đến hiệu suất của động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng biogas trộn với 5%, 10% và 15% hydrogen Nghiên cứu cho thấy rằng khi tăng hàm lượng hydrogen thì tốc độ cháy cũng tăng theo Rakopoulos và cộng sự [22] đã sử dụng mô hình đa khu vực để nghiên cứu quá trình cháy biogas-hydrogen trong động cơ một xi lanh và phân tích nhiệt động lực học một cách chi tiết Kết quả cho thấy khi bổ sung hydrogen vào biogas thì thời gian phát triển ngọn lửa rút ngắn Silvana Di Iorio và cộng sự [23] đã nghiên cứu quá trình cháy hỗn hợp hydrogen-methane trong động cơ đánh lửa cưỡng bức cỡ nhỏ, phun trực tiếp và thấy rằng áp suất cực đại trong xi lanh tăng và di chuyển gần tới TDC, thời gian cháy hoàn toàn được rút ngắn khi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas Yong Qian và cộng sự [24] đã tiến hành nghiên cứu đánh giá quá trình cháy của biogas trong động cơ đốt trong và thấy rằng, khi bổ sung một tỉ lệ hydrogen nhất định vào biogas thì quá trình cháy được cải thiện Các tác giả cũng cho rằng để xác định tỉ lệ hydrogen trong biogas phù hợp cần có các nghiên cứu sâu hơn

về tính hiệu quả quá trình cháy và phát thải ô nhiễm trong các điều kiện khác nhau Nói chung, hydrogen có thể được coi là một chất phụ gia để tăng hiệu suất và giảm phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng biogas [25] Tuy nhiên, H2 có thể gây

ra các kết quả không mong muốn như tăng lượng phát thải NOx vì nhiệt độ cháy cao

và giảm hiệu suất nhiệt do tổn thất nhiệt Việc pha trộn một tỉ lệ thích hợp H2 vào

biogas sẽ cải thiện được tính năng của động cơ đồng thời không làm tăng phát thải các chất ô nhiễm Wang và cộng sự [26] đã khảo sát quá trình cháy của động cơ phun trực tiếp methane-hydrogen với các thành phần khác nhau Các tác giả đề xuất tỉ lệ thể tích hydrogen tối ưu trong hỗn hợp methane-hydrogen khoảng 20% để đạt được

sự hài hòa giữa tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải của động cơ

Nhiệm vụ quan trọng nhất khi cải tạo động cơ chạy bằng xăng, dầu truyền thống sang chạy bằng biogas là thiết kế, chế tạo bộ tạo hỗn hợp đảm bảo cho động cơ có thể hoạt động ở các chế độ tải và tốc độ khác nhau Tính toán mô phỏng để xác định kết cấu và kích thước cơ bản của bộ tạo hỗn hợp đã được công bố [27-32] Trong các công trình này, cung cấp nhiên liệu biogas được thực hiện bằng van cơ khí Kim van

có liên hệ cơ khí với cơ cấu điều khiển tải hay bộ điều tốc của động cơ Lưu lượng biogas cung cấp vào động cơ phụ thuộc vào độ mở của van Do khoảng dịch chuyển của kim van hạn chế nên rất khó điều chỉnh chính xác lưu lượng biogas theo chế độ công tác của động cơ Điều này có nghĩa là khi sử dụng van cơ khí thì phạm vi thay đổi hệ số tương đương sẽ nằm trong một dải rộng Van cung cấp biogas kiểu cơ khí chỉ phù hợp với động cơ tĩnh tại làm việc thường xuyên với tốc độ và chế độ tải ổn định và với một loại nhiên liệu cho trước [33]

Để tăng hiệu quả của việc cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, giải pháp cung cấp nhiên liệu khí bằng 3 van chức năng đã được đề xuất [34] Giải pháp này đã được áp dụng thành công với nhiên liệu khí giàu như LPG Trong trường hợp này chỉ cần thay đổi chút ít lượng nhiên liệu thì chế độ tải của động cơ đã thay đổi đáng kể Đối với nhiên liệu khí nghèo như là biogas, việc kiểm soát tỉ lệ không khí-nhiên liệu phức tạp hơn Trong trường hợp này, để điều chỉnh công suất đầu ra của động cơ, phải cung cấp một lượng lớn nhiên liệu Mặt khác, nhiên liệu được phun trong một thời gian ngắn, đặc biệt là khi động cơ chạy ở tốc độ cao, thực

sự là một thách thức trong việc kiểm soát tỉ lệ không khí-nhiên liệu của động cơ chạy bằng nhiên liệu khí nghèo

Do tác động của biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng trầm trọng, việc chuyển

đổi năng lượng đang là mối quan tâm hàng đầu của hầu hết các quốc gia trên thế giới Trong bối cảnh đó thì HRES gồm năng lượng mặt trời và sinh khối là một lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm [35] Trong những thập kỷ qua, các nghiên cứu về HRES chủ yếu tập trung tính năng kinh tế-kỹ thuật, tính toán kích thước và và giải pháp phối hợp tối ưu các nguồn năng lượng trong hệ thống [36] Điều quan trọng và cấp bách hiện nay là định hình các mô đun hệ thống năng lượng hybrid tái tạo để người dân các vùng chưa được cấp điện có thể lắp đặt, sử dụng một cách đơn giản và hiệu quả

Trên thị trường hiện nay có sẵn phần lớn các bộ phận để lắp ráp hệ thống năng lượng tái tạo hybrid, trừ động cơ đốt trong kéo máy phát điện phù hợp với yêu cầu của hệ thống Động cơ đốt trong thường được thiết kế để làm việc với một loại nhiên liệu cho trước và trong điều kiện vận hành xác định Trong HRES, thành phần nhiên liệu thay đổi thường xuyên theo nguyên liệu đầu vào và nguồn hydrogen do điện mặt trời cung cấp Mặt khác, chế độ tải của động cơ cũng thay đổi thường xuyên để cung cấp tải bù cho hệ thống Do đó, động cơ phải được điều chỉnh một cách linh hoạt các thông số vận hành, đặc biệt là góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương của hỗn hợp Động cơ tĩnh tại truyền thống khó có thể đáp ứng được yêu cầu này

Luận án tập trung xử lý hai vấn đề chính của động cơ trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid, đó là điều khiển quá trình cung cấp nhiên liệu để điều chỉnh hệ số tương đương và điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu để đảm bảo cho động cơ hoạt động hiệu quả với nhiên liệu biogas-hydrogen với thành phần thay đổi trong phạm vi rộng

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Cải tạo động cơ tĩnh tại truyền thống cung cấp xăng bằng bộ chế hòa khí thành động cơ tĩnh tại điều khiển điện tử quá trình phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và chế độ vận hành trong HRES sinh khối-năng lượng mặt trời

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ tĩnh tại Honda

GX200 nguyên thủy với nhiên liệu biogas được làm giàu bởi hydrogen với thành phần thay đổi để mô phỏng điều kiện cung cấp nhiên liệu trong HRES sinh khối-năng lượng mặt trời

Phạm vi nghiên cứu:

- Cải tạo động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí truyền thống thành động cơ tĩnh tại điều khiển điện tử có tốc độ thay đổi trong phạm vi hẹp tương ứng với điều kiện làm việc của động cơ tĩnh tại

- Đánh giá bằng thực nghiệm tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ ở một số điểm xác định trên đường đặc tính điều tốc với thành phần nhiên liệu xác định

- Mô phỏng được thực hiện ở nhiều chế độ công tác và nhiều thành phần nhiên liệu để mở rộng kết quả nghiên cứu

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm

• Phần lý thuyết: Tập trung nghiên cứu cơ sở quá trình cháy rối của hỗn hợp

nhiên liệu khí, cơ sở hình thành các chất ô nhiễm, tập trung phân tích ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen đến tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiêm của động cơ

• Phần mô phỏng: Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để mô phỏng quá trình

cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ chạy bằng hỗn hơp nhiên liệu biogas-hydrogen Về quá trình cung cấp nhiên liệu tập trung phân tích ảnh hưởng của kỹ thuật cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen hòa trộn trước (blend)

và cung cấp nhiên liệu biogas/hydrogen riêng rẽ (dual) Về quá trình cháy, tập trung mô phỏng ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp và góc đánh lửa sớm đến tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ

• Phần thực nghiệm: Thực hiện việc cải tạo động cơ tĩnh tại chạy xăng, cung cấp

nhiên liệu bằng bộ chế hòa khí thành động cơ phun nhiên liệu khí và đánh lửa điều khiển điện tử, cụ thể xây dựng giản đồ cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen trên đường đặc tính điều tốc và thiết kế mạch điều khiển điện tử để thực hiện việc cung cấp nhiên liệu và điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu theo chế độ công tác của động cơ Tiến hành đo đạc thực nghiệm công suất và mức độ phát thải

ô nhiễm của động cơ ở một số chế độ công tác và thành phần nhiên liệu xác định để đánh giá kết quả mô phỏng

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học: Động cơ tĩnh tại truyền thống thường được thiết kế để sử

dụng một loại nhiên liệu xác định, do đó chúng không phù hợp khi vận hành trong điều kiện nhiên liệu thay đổi Việc nghiên cứu điều chỉnh linh hoạt quá trình cung cấp nhiên liệu và góc đánh lửa sớm của động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức theo thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành mang ý nghĩa khoa học không chỉ cho HRES mà còn cho sự phát triển động cơ sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt

Ý nghĩa thực tiễn: Nước ta ở vùng nhiệt đới, sản xuất nông nghiệp nên có tiềm

năng lớn về sinh khối và năng lượng mặt trời Việc kết hợp sử dụng hai nguồn năng lượng này trong HRES sẽ khắc phục được các bất cập khi sử dụng một nguồn năng lượng tái tạo duy nhất Động cơ tĩnh tại sử dụng biogas-hydrogen có vai trò quan trọng trong HRES Nó thay thế cho thiết bị lưu trữ năng lượng phức tạp và đắt tiền

Do đó việc nghiên cứu phát triển động cơ tĩnh tại sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt sẽ tạo điều kiện để phát triển rộng rãi việc ứng dụng năng lương tái tạo Đó là một trong những giải pháp thiết thực góp phần thực hiện các mục tiêu chiến lược Net Zero mà nước ta đã cam kết với thế giới

6 CẤU TRÚC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của đề tài, nội dung chính được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình tạo hỗn hợp và quá trình cháy trong động

cơ đánh lửa cưỡng bức

Chương 3: Mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp và quá trình cháy của động cơ phun nhiên liệu biogas-hydrogen

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả mô phỏng

7 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng nhiên liệu xăng đánh lửa cưỡng bức thành động cơ tĩnh tại phun nhiên liệu biogas-hydrogen, đánh lửa điều khiển điện tử

- Xác định thành phần nhiên liệu hybrid biogas-hydrogen để đạt được sự hài hòa tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ

- Xây dựng giản đồ phun nhiên liệu và giản đồ đánh lửa động cơ sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen

- Kiểm soát quá trình phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và chế độ công tác của động cơ để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ

sử dụng nhiên liệu biogas-hydrogen

- Chế tạo ECU điều khiển động cơ sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt, góp phần phát triển HRES năng lượng sinh khối-năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Cơ cấu năng lượng toàn cầu trong chiến lược “Net Zero”

Theo Stefano Mandelli thì có khoảng 2,4 tỷ người trên thế giới được cung cấp năng lượng hạn chế với hệ thống năng lượng không đáng tin cậy [37], trong đó hơn 1,6 tỷ người không được sử dụng điện [36] Hầu hết những cộng đồng dân cư này sống ở các vùng nông thôn của các nước đang phát triển [38] Cung cấp năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong cả sự phát triển kinh tế và cải thiện chất lượng cuộc sống của họ [38] Để đáp ứng nhu cầu năng lượng tối thiểu của mình, người dân ở những vùng này, thường sử dụng nhiên liệu hóa thạch để chạy máy phát điện, do mật

độ năng lượng của nhiên liệu cao, thiết bị dễ sử dụng và lắp đặt [39-40] Thực tế này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phát triển các hệ thống phát điện thay thế để đáp ứng nhu cầu của người dân trong khi chờ đợi các quốc gia có đủ năng lực kinh tế để mở rộng mạng lưới cấp điện của mình

Hình 1.1: Cơ cấu các nguồn năng lượng đến năm 2050 [41]

Mặc dù dân số thế giới gia tăng nhưng Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA)

dự báo tổng cung cấp năng lượng giảm xuống 550 exajoules (EJ) vào năm 2030, thấp hơn 7% so với năm 2020 (hình 1.1) Năm 2020, dầu mỏ cung cấp 30% tổng nguồn cung năng lượng, trong khi than đá cung cấp 26% và khí thiên nhiên cung cấp 23%

Vào năm 2050, năng lượng tái tạo cung cấp 2/3 năng lượng sử dụng Cơ cấu năng lượng toàn cầu từ nay đến 2050 như hình 1.1 Năng lượng hạt nhân năm 2050 tăng lên gần gấp đôi so với năm 2020 Năng lượng hóa thạch giảm từ 80% hiện nay xuống chỉ còn hơn 20% vào năm 2050 Điều này có nghĩa là vẫn còn một lượng đáng kể nhiên liệu hóa thạch được sử dụng sau năm 2050 trong sản xuất hàng hóa và vận tải đường dài Sự phát thải CO2 của chúng sẽ được bù trừ bởi những hoạt động phát thải

CO2 âm

Nhu cầu về năng lượng tăng cao và những lo ngại về ô nhiễm do nhiên liệu hóa thạch gây ra đã khiến cho các quốc gia hướng về việc sử dụng năng lượng sạch hoặc năng lượng tái tạo khi phát triển các mạng điện mới hay mở rộng mạng điện hiện tại [42] Ngày nay, nhiều quốc gia và khu vực đã đưa ra các chính sách ưu tiên, thực hiện các biện pháp tích cực và hiệu quả để tăng công suất lắp đặt hệ thống năng lượng tái tạo (RES) [43-47] Tỉ lệ các loại RES khác nhau trên thế giới được trình bày trong Hình 1.2a Thủy điện chiếm tỉ trọng cao nhất trong các loại RES, sau đó là điện gió

và năng lượng mặt trời Hơn 80% RES là hệ thống không đấu lưới (Hình 1.2b) [43]

Hình 1.2: Cấu phần năng lượng tái tạo trên thế giới (a) và đặc tính của hệ thống

năng lượng tái tạo (b) [43]

Các nguồn năng lượng tái tạo có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai do đặc tính phong phú, đa dạng và sạch của chúng [48] Sản xuất điện năng trên toàn thế giới từ các nguồn năng lượng tái tạo tăng đều đặn hàng năm [49] Tuy nhiên, không giống như năng lượng hóa thạch, nhược điểm chính của năng lượng tái tạo

trong hầu hết các trường hợp là sự phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện thời tiết và môi trường không thể đoán trước và không thể kiểm soát, gây khó khăn cho việc đảm bảo độ tin cậy của hệ thống [50-51]

Rõ ràng là một nguồn năng lượng tái tạo duy nhất không đủ để hỗ trợ hệ thống cung cấp năng lượng liên tục [52] Việc sử dụng một nguồn năng lượng duy nhất thường dẫn đến kích thước hệ thống quá lớn để bù đắp năng lượng do tính ngẫu nhiên

và không liên tục của các RES [53] Điều này làm tăng chi phí vốn của hệ thống [43] Bên cạnh đó, sự không cân bằng giữa sản xuất và nhu cầu sẽ gây ra tình trạng thiếu hoặc thừa điện của hệ thống [54] Khi công suất điện của hệ thống nhỏ hơn nhu cầu thì cần phải có nguồn điện bổ sung vào hệ thống Ngược lại khi công suất điện của

hệ thống vượt công suất sử dụng thì cần tích trữ năng lượng dư Do đó, việc quản lý tải cũng như các công nghệ lưu trữ phải được xem xét [55] Pin là thiết bị lưu trữ được sử dụng phổ biến nhất Chúng lưu trữ điện và được kích hoạt khi hệ thống năng lượng tái tạo không đủ đáp ứng nhu cầu phụ tải Giá thành của pin chiếm tỉ lệ quan trọng trong hệ thống năng lượng tái tạo do tuổi thọ của chúng thấp, cần được thay thế thường xuyên trong quá trình vận hành hệ thống [51] Điều này làm tăng chi phí năng lượng của RES

Để hướng tới mục tiêu Net-Zero, trong lĩnh vực sản xuất năng lượng, từ nhiều năm qua, các quốc gia đã có xu hướng chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo thay cho các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống [56] Nhiều quốc gia đã đưa ra các chính sách ưu tiên và khuyến khích để tăng công suất lắp đặt của các hệ thống năng lượng tái tạo Sản lượng điện trên toàn thế giới từ các nguồn năng lượng tái tạo tăng đều hàng năm [57] Tuy nhiên, không giống như năng lượng hóa thạch, nhược điểm chính của năng lượng tái tạo trong hầu hết các trường hợp là phụ thuộc trực tiếp vào điều kiện thời tiết và điều kiện khí hậu [58-59] Nếu chỉ sử dụng một nguồn năng lượng tái tạo đơn lẻ theo kiểu truyền thống thì không đảm bảo được việc cung cấp năng lượng liên tục [60] Ngược lại, khi công suất điện của hệ thống vượt quá công suất sử dụng thì cần có hệ thống tích trữ năng lượng dư thừa Do đó, hệ thống quản

lý phụ tải và các thiết bị lưu trữ năng lượng phải được tích hợp vào hệ thống năng

lượng tái tạo Điều này làm tăng chi phí năng lượng của nhà máy nói chung

1.2 Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid

Để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, các nước cần dừng triển khai các dự án than mới, cũng như đưa ra lộ trình tiến tới loại bỏ các dự án điện than hiện tại và thay vào đó là phát triển các dự án điện tái tạo Tuy nhiên, như trên đã nêu, nhược điểm chính của năng lượng tái tạo nói chung là không ổn định, công suất nguồn phát năng lượng thay đổi theo thời gian trong ngành hay thay đổi ngẫu nhiên theo điều kiện khí hậu, thời tiết Vì vậy, để đảm bảo tính ổn định của hệ thống năng lượng, chúng ta cần phối hợp sử dụng nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác nhau, gọi là HRES [61-65] Hệ thống năng lượng tái tạo kết hợp có thể bao gồm nhiều loại nguồn khác nhau và nói chung, bao gồm hai hoặc nhiều nguồn tái tạo cũng như không tái tạo [66] Kết nối các nguồn năng lượng gián đoạn khác nhau với các nguồn năng lượng có thể chuyển đổi được như pin nhiên liệu, biogas và accu hoặc kết nối với hệ thống điện lưới là giải pháp hữu hiệu để khắc phục những hạn chế của RES HRES

có thể làm giảm dao động công suất phát điện và tăng sản xuất năng lượng tổng thể, giúp giảm nhu cầu lưu trữ năng lượng

Giá thành năng lượng của hệ thống năng lượng tái tạo kết hợp rẻ hơn khoảng 30% so với giá thành năng lượng chạy bằng nhiên liệu hóa thạch [67] Mặt khác, các

hệ thống này còn có thể tối ưu hóa kích thước của các thành phần hệ thống, do đó có thể giảm giá thành và giảm chi phí vận hành để đảm bảo giá thành năng lượng hấp dẫn người tiêu dùng [68-69] Nhiều tài liệu cũng đã tập trung vào việc sử dụng hệ thống điện kết hợp dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo Các HRES có thể hoạt động ở các chế độ hòa lưới và không nối lưới một cách bền vững, giảm thiểu các tác động môi trường như khí thải carbon dioxide từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch,

hạ giá thành điện và cải thiện độ tin cậy của hệ thống Nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng hệ thống năng lượng kết hợp là phù hợp với việc phát triển điện ở nông thôn, đặc biệt là cho các vùng sâu vùng xa [70]

Hình 1.3 minh họa các loại HRES

khác nhau và cách sử dụng đầu ra

đa dạng Năng lượng mặt trời có

thể được tích hợp vào nhiều

HRES khác nhau Chi phí của pin

năng lượng mặt trời PV đã giảm

trực tiếp vào bức xạ mặt trời nên

việc sử dụng phối hợp năng lương

mặt trời với các nguồn năng

và kết luận rằng giải pháp này cho giá thành thấp hơn khi sử dụng riêng rẽ sinh khối hay năng lượng mặt trời với pin lưu trữ Vì thế, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng các hệ thống lai tạo sử dụng năng lượng mặt trời và sinh khối ở các vùng nông thôn để sản xuất điện

Việc sản xuất điện từ các nhà máy sinh khối, đặc biệt là từ các nhà máy biogas không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, do đó, cho phép cung cấp năng lượng linh hoạt và có thể điều chỉnh theo nhu cầu của phụ tải [74] Việc vận hành linh hoạt các công trình hybrid năng lượng mặt trời-biogas giúp nâng cao chất lượng nguồn điện

và hiệu quả sử dụng năng lượng, dẫn đến giảm giá thành năng lượng, mang lại lợi ích cho toàn bộ nền kinh tế [74] Ngoài ra, tỉ lệ các công trình khí sinh học linh hoạt ngày càng tăng sẽ làm giảm nhu cầu của các nhà máy điện truyền thống, được đặc trưng bởi chi phí vận hành tương đối cao và phát thải ô nhiễm [74] Do đó, biogas có thể xem là một giải pháp giúp ổn định hệ thống điện mặt trời vỗn dĩ phụ thuộc vào sự thay đổi ngẫu nhiên của bức xạ [74-76]

Hệ thống phát điện kết hợp năng lượng mặt trời/biogas đang trở thành một lựa chọn phổ biến cho các vùng sâu vùng xa hoặc những nơi mạng lưới điện chưa vươn tới với phụ tải điện nhỏ [77] Việc sản xuất điện từ các nhà máy sinh học không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, do đó, chúng ta có thể kiểm soát được sự cân bằng giữa nguồn điện sản xuất và nhu cầu tiêu thụ Trên thế giới, những công trình sản xuất biogas qui mô lớn tập trung ở Châu Âu, Bắc Mỹ [78] Ở các nước đang phát triển, biogas được sản xuất với qui mô nhỏ ở hộ gia đình, cơ sở sản xuất, chăn nuôi nhưng với số lượng hầm biogas rất lớn, đặc biệt ở các vùng nông thôn Mặt khác, những vùng dân cư chưa tiếp cận được với nguồn điện hiện nay phần lớn ở châu Phi và Nam

Á, nơi có bức xạ mặt trời lớn Việc kết hợp sử dụng biogas và điện mặt trời là một lựa chọn hấp dẫn để điện khí hóa các vùng này [77-79]

Hệ thống điện hỗn hợp năng lượng mặt trời-biogas có thể cung cấp năng lượng

an toàn và hiệu quả cho các khu vực được kết nối lưới và không nối lưới điện [80]

Hệ thống năng lượng kết hợp khí sinh học-năng lượng mặt trời bao gồm các tấm pin quang điện, bộ chuyển đổi điện, và máy phát điện chạy bằng nhiên liệu khí sinh học

Hệ thống sử dụng các thiết bị chuyển đổi điện để điều hòa công suất Hệ thống có thể hoạt động ổn định và hiệu quả khi được đấu lưới hay không đấu lưới Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá hiệu quả kinh tế-kỹ thuật của hệ thống năng lượng tái tạo kết hợp điện mặt trời-biogas Nixon và cộng sự [81] đã tiến hành nghiên cứu các tiêu chí khác nhau về các vấn đề kinh tế, môi trường và kỹ thuật của hệ thống năng lượng kết hợp Kết luận rút ra từ nghiên cứu cho thấy hệ thống năng lượng tái tạo kết hợp tiết kiệm chi phí tốt hơn so với năng lượng tái tạo đơn lẻ để phát điện

khối/diesel kết hợp cho các cấu hình tải trọng khác nhau Kết quả của nghiên cứu chỉ

ra rằng một hệ thống được kết nối với lưới điện khả thi hơn về mặt kinh tế so với hệ thống không nối lưới trong cùng một cấu hình phụ tải Ahmad và cộng sự [83], Rajbongshi và cộng sự [82] đã tiến hành các nghiên cứu về khả năng kinh tế-kỹ thuật của các hệ thống kết hợp nối lưới và không nối lưới Các tác giả đi đến kết luận rằng kết nối lưới có hiệu quả kinh tế cao hơn so với hệ thống ngoài lưới Tuy nhiên, đối với các khu vực xa xôi và dân cư thưa thớt, giải pháp không nối lưới có thể tiết kiệm chi phí hơn so với giải pháp nối lưới Shahzad và cộng sự [84] đã phân tích hiệu quả kinh tế kỹ thuật của hệ thống điện hybrid điện mặt trời-biogas ngoài lưới và nhận thấy rằng hệ thống này đáng tin cậy và hiệu quả về chi phí vì nó có thể cung cấp điện ở mức giá năng lượng thấp nhất Hệ thống phát điện năng lượng kết hợp điện mặt trời-biogas khả thi hơn về mặt kỹ thuật trong cung cấp nguồn năng lượng ổn định cho cộng đồng dân cư ở vùng sâu vùng xa Trong trường hợp đó, hệ thống này cũng có lợi hơn về mặt kinh tế so với các giải pháp khác [85]

1.3 Hệ thống năng lượng tái tạo hybrid điện mặt trời-sinh khối

Việt Nam là một nước nông nghiệp, có nguyên liệu để sản xuất năng lượng sinh học khá dồi dào Những sản phẩm từ chăn nuôi, trồng trọt sẽ cung cấp nguyên liệu khổng lồ cho sản xuất khí sinh học Theo báo cáo tiềm năng và tình hình khai thác,

sử dụng năng lượng tái sinh ở Việt Nam, sản phẩm phụ của nông nghiệp có khả năng cung cấp nhiên liệu cho điện sinh khối từ 8-11 triệu tấn Riêng sản lượng trấu có thể thu gom ở Đồng bằng sông Cửu Long lên tới 1,4 đến 1,6 triệu tấn Bên cạnh đó, rác thải sinh hoạt nếu được xử lí tốt cũng là nguồn nhiên liệu đầu vào để sản xuất khí biogas Tổng sản lượng biogas có thể sản xuất mỗi năm ở nước ta có thể lên đến 4 tỷ

m3

Khó khăn trong khai thác biogas để phát điện của chúng ta là nguồn nhiên liệu không tập trung và qui mô không đều Những nơi có sản lượng biogas lớn như các bãi chôn lấp rác, các trạm xử lý nước thải có thể sử dụng động cơ cỡ lớn để kéo máy phát điện Các trại chăn nuôi trung bình và nhỏ, nếu sử dụng động cơ cỡ lớn thì

không đủ biogas để chạy liên tục, nếu dùng động cơ cỡ nhỏ thì không đảm bảo được công suất cần thiết cho sản xuất Vì thế để có thuận lợi trong việc áp dụng năng lượng tái tạo trong thực tế chúng ta cần có giải pháp phối hợp sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo phù hợp

Tuy được thiên nhiên ưu đãi về bức xạ mặt trời, gió và sinh khối nhưng theo báo cáo thường niên của Tập đoàn Điện lực Việt Nam năm 2019 thì hơn 45% tổng năng lượng của nước ta vẫn được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, khí đốt )

Để thúc đẩy việc khai thác tiềm năng năng lượng tái tạo, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25-11-2015 về chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 Chính phủ đã đặt

ra mục tiêu tăng tỉ lệ năng lượng tái tạo trong tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp đạt khoảng 31,0% vào năm 2020; khoảng 32,3% vào năm 2030 và đạt khoảng 44,0% vào năm 2050; tỉ lệ điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo trong tổng điện năng sản xuất toàn quốc tăng từ khoảng 35% vào năm 2015 tăng lên khoảng 38% vào năm 2020, đạt khoảng 32% vào năm 2030 và khoảng 43% vào năm 2050 Đồng thời tăng quy

mô sử dụng công nghệ khí sinh học với thể tích xây dựng từ khoảng 4 triệu m3 vào năm 2015 lên khoảng 8 triệu m3 vào năm 2020; khoảng 60 triệu m3 vào năm 2030 và khoảng 100 triệu m3 vào năm 2050

Quyết định 2068 cũng chỉ rõ, trong giai đoạn từ nay đến 2030 tập trung phát triển và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo độc lập nhằm đáp ứng mục tiêu điện khí hóa nông thôn: Xây dựng các chương trình phát triển hệ thống điện độc lập từ năng lượng tái tạo và điện quy mô gia đình cho khu vực khó khăn và đặc biệt khó khăn, vùng sâu, vùng xa, miền núi, hải đảo nhằm mục đích xóa đói giảm nghèo và phát triển kinh tế xã hội để đạt mục tiêu đến năm 2020 hầu hết các hộ dân nông thôn có điện, năm 2030 hầu hết các hộ dân nông thôn được sử dụng nguồn năng lượng sạch

Để đạt được mục tiêu này, Quyết định 2068 đưa ra giải pháp tập trung nguồn lực cho nghiên cứu phát triển và chuyển giao công nghệ năng lượng tái tạo, đầu tư khảo sát và xây dựng cơ sở dữ liệu của các nguồn năng lượng tái tạo cho mục đích

dài hạn; tăng cường hỗ trợ hoạt động đầu tư, nghiên cứu, phát triển và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo cho mục đích sử dụng nhiệt nhằm giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường; tập trung nguồn lực, khai thác và sử dụng tối đa tiềm năng năng lượng tái tạo trong nước bằng những công nghệ tiên tiến, phù hợp với điều kiện thực tế của từng vùng miền, mang lại hiệu quả cao về kinh tế, xã hội và môi trường; phát triển mạnh mẽ thị trường công nghệ năng lượng tái tạo, ngành công nghiệp sản xuất máy móc thiết bị, cung cấp dịch vụ năng lượng tái tạo trong nước; tăng cường mạnh tiềm lực cho nghiên cứu, phát triển, chuyển giao và ứng dụng các dạng năng lượng tái tạo mới

Hình 1.4: Sơ đồ HRES năng lượng mặt trời-năng lượng sinh khối

Việt Nam là nước nông nghiệp thuộc vùng nhiệt đới nên tiềm năng về năng lượng sinh khối và năng lượng mặt trời rất lớn Sự phối hợp sử dụng hai nguồn năng lượng này là một thế mạnh ở nước ta Hình 1.4 trình bày HRES phối hợp năng lượng

mặt trời và năng lượng sinh khối

Nguyên lý làm việc của HRES như sau: các chất thải rắn khó phân hủy trong sinh hoạt và sản xuất ở nông thôn được chế biến thành viên nén nhiên liệu RDF Từ

đó, RDF được chuyển thành khí tổng hợp syngas qua lò khí hóa Các chất thải hữu

cơ dễ phân hủy được sử dụng để sản xuất biogas Khi công suất của điện mặt trời cao hơn công suất phụ tải thì phần công suất dư được sử dụng để sản xuất hydrogen qua

hệ thống điện phân Biogas và hydrogen được lưu trữ chung trong túi chứa nhiên liệu khí Khi công suất tải yêu cầu lớn hơn công suất của hệ thống điện mặt trời thì cụm máy phát điện do động cơ chạy bằng nhiên liệu khí hoạt động để cung cấp năng lượng

Do tính ngẫu nhiên của nguyên liệu sản xuất nhiên liệu khí nên thành phần của hỗn hợp khí biogas-hydrogen thay đổi Vì vậy hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ

sử dụng nhiên liệu khí cũng phải được điều chỉnh linh hoạt để nâng cao hiệu quả quá trình cháy và giảm phát thải ô nhiễm

Trong các công trình [41, 86, 87], tác giả đã nhấn mạnh chất lượng quá trình cháy được cải thiện đáng kể khi bổ sung hydrogen vào biogas Hệ số tương đương tối

ưu của hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen thấp hơn hệ số tương đương khi chạy bằng biogas hoàn toàn nên mức độ phát thải các chất ô nhiễm CO, HC giảm so với khi động cơ chạy bằng biogas Tuy nhiên khi tăng hàm lượng hydrogen thì phát thải

NOx tăng do tăng nhiệt độ cháy [41] Cùng chế độ vận hành và hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu, khi thành phần biogas thay đổi thì qui luật cung cấp nhiên liệu cũng cần được điều chỉnh [87-89] Do đó, khi động cơ chạy bằng hỗn hợp biogas-hydrogen với thành phần thay đổi trong phạm vi rộng như trong HRES, việc cung cấp nhiên liệu cần được điều chỉnh để đảm bảo hệ số tương đương nằm trong giới hạn tối ưu Việc điều chỉnh linh hoạt quá trình cung cấp nhiên liệu như vậy khó có thể được thực hiện bằng bộ chế hòa khí thông thường Trong công trình này chúng tôi sẽ trình bày hệ thống điều chỉnh thời gian phun bằng vi điều khiển để cải tạo động

cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ có thể sử dụng phù hợp trong HRES Trong số các dạng năng lượng tái tạo khác nhau, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ 4 [90] Sinh khối có thể lưu trữ được nên công suất phát điện có

thể điều chỉnh được để đáp ứng nhu cầu của phụ tải [91] Hệ thống phát điện năng lượng mặt trời-sinh khối tích hợp đang trở thành một lựa chọn phổ biến cho các vùng sâu vùng xa hoặc các vùng thiếu điện lưới [92] Các nước vùng nhiệt đới có nguồn sinh khối và năng lượng mặt trời dồi dào Do đó, sự kết hợp hai nguồn năng lượng năng lượng này trong hệ thống HRES có tiềm năng phát triển rất lớn trong bối cảnh các nước thực hiện chiến lược Net-Zero

HRES năng lượng mặt trời-sinh khối cơ bản bao gồm các tấm pin mặt trời PV, một bộ chuyển đổi điện năng và một máy phát điện chạy bằng nhiên liệu khí Hệ thống có thể hoạt động ổn định và hiệu quả trong điều kiện đấu lưới hay ngoài lưới điện Mặc dù hệ thống năng lượng này có nhiều lợi thế nhưng các nghiên cứu chuyên sâu vẫn còn hạn chế [93] Các công trình nghiên cứu về HRES chủ yếu tập trung vào các tính năng kinh tế-kỹ thuật, tính toán kích thước và các giải pháp điều phối tối ưu các nguồn năng lượng trong hệ thống [94] Điều quan trọng và cấp bách hiện nay là nghiên cứu phát triển các mô-đun của HRES để người sử dụng có thể lắp đặt thuận lợi mà không cần hỗ trợ kỹ thuật đặc biệt

Hiện tại, các thành phần cơ bản để lắp đặt HRES năng lượng mặt trời-sinh khối như pin mặt trời PV, biến tần, máy điện phân hydrogen đã được thương mại hóa rộng rãi trên thị trường Tuy nhiên, động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu khí linh hoạt (tương tự như động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng linh hoạt trên ô tô FFV) chưa được phổ biến Trong thực tế, đặc tính của động cơ phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành Trong HRES năng lượng mặt trời-sinh khối, việc lưu trữ năng lượng mặt trời có thể được thực hiện thông qua hydrogen thay vì dùng accu Sinh khối có thể chuyển thành biogas đối với những chất hữu cơ dễ phân hủy hay thành syngas (khí tổng hợp) thông qua quá trình khí hóa đối với những chất hữu cơ khó phân hủy Do đó, động cơ kéo máy phát điện của hệ thống có thể chạy bằng hỗn hợp syngas-biogas-hydrogen với thành phần nhiên liệu thay đổi Mặt khác, do máy phát điện chỉ cung cấp năng lượng bổ sung cho HRES nên chế độ tải của động cơ thường xuyên thay đổi Các đặc tính này của động cơ cần được nghiên cứu để nâng cao hiệu quả tổng thể của HRES

Các công trình nghiên cứu của Bùi Văn Ga và cộng sự [95-97] cho thấy góc đánh lửa sớm ảnh hưởng đáng kể đến tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen Khi tăng hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp với biogas thì góc đánh lửa sớm tối ưu giảm [95-96] Trên các động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức, góc đánh lửa sớm của động cơ thường được

cố định nên không thể điều chỉnh linh hoạt theo thành phần nhiên liệu Các nghiên cứu được công bố gần đây cho thấy động cơ tĩnh tại truyền thống có thể cải tạo thành động cơ điều khiển điện tử nhờ sử dụng ECU mở và bộ cảm biến của xe gắn máy phun xăng [98-99] Hệ thống như vậy phức tạp, khó có thể bố trí trên động cơ tĩnh tại

có sẵn

1.4 Ảnh hưởng của hydrogen đến tính năng của động cơ

Một trong những tính chất cơ bản của nhiên liệu ảnh hưởng đến tính năng công tác của động cơ là giới hạn cháy và tốc độ cháy cơ bản [100] Biogas chứa 50-70% methane và 30-50% carbonic và một ít tạp chất khác [101-102] Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của các tạp chất đến quá trình cháy của nhiên liệu Kết quả của các nghiên cứu này cho thấy tạp chất ảnh hưởng mạnh đến chất lượng quá trình cháy

CO2 trong biogas thu hẹp giới hạn cháy và làm giảm tốc độ lan tràn màn lửa 105] Nghiên cứu gần đây cho thấy hỗn hợp biogas-không khí chí có thể bén lửa khi hàm lượng CO2 trong biogas nhỏ hơn 62,5 % theo thể tích [106]

[103-Khi thay đổi hàm lượng hydrogen pha vào biogas thì tính năng quá trình cháy của động cơ được cải thiện Kết quả nghiên cứu của Ilbas et al [107] cho thấy khi tăng thành phần hydrogen trong hỗn hợp với methan thì tốc độ lan tràn màn lửa tăng

và giới hạn cháy mở rộng Điều này cho phép rút ngắn thời gian từ lúc đánh lửa đến khi áp suất đạt cực đại khiến áp suất cực đại gần điểm chết trên hơn dẫn đến gia tăng tốc độ tỏa nhiệt Chung et al [108] nghiên cứu hiệu quả quá trình cháy của hỗn hợp hydrogen/biogas trong động cơ đánh lửa cưỡng bức bằng mô phỏng và thấy rằng khi tăng hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu thì áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt cực đại đều tăng Porpatham et al [109] cũng nhận được kết quả tương tự khi

nghiên cứu động cơ cưỡng bức chạy bằng biogas được làm giàu bởi 5%, 10% và 15% hydrogen ở các hệ số tương đương khác nhau Silvana Di Iorio et al [110] nghiên cứu quá trình cháy của hydrogen-methane trong động cơ đánh lửa cưỡng bức cỡ nhỏ bằng phương pháp quay phim kỹ thuật số tốc độ cao và thấy rằng áp suất cực đại tăng, tiến gần đến ĐCT, thời gian cháy giảm khi tăng hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu

Về mức độ phát thải ô nhiễm, động cơ chạy bằng biogas có mức độ phát thải ô nhiễm thấp [111] Động cơ chạy bằng hydrogen có mức độ phát thải ô nhiễm nói chung còn thấp hơn động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống hay nhiên liệu thay thế [112] Khi pha hydrogen vào biogas thì mức độ phát thải NOx phụ thuộc vào hàm lượng hydrogen Với hàm lượng hydrogen thích hợp thì NOx giảm nhưng khi hàm lượng hydrogen cao thì NOx lại tăng do tăng nhiệt độ cháy [113-114] Mức độ phát thải NOx có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất cực đại trong xi lanh, áp suất cực đại càng cao, mức độ phát thải NOx càng lớn [115] Khi động cơ làm việc với =1, với hàm lượng hydrogen thích hợp thì tính năng kinh tế, kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ được cải thiện Tuy nhiên khi hàm lượng hydrogen tăng vượt quá 10% thì lượng nhiệt truyền cho nước làm mát tăng làm giảm hiệu suất nhiệt đồng thời phát thải NOx tăng [116] Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, do hydrogen cho phép mở rộng giới hạn cháy nên cả tính năng kinh tế kỹ thuật lẫn mức độ phát thải

NOx đều được cải thiện khi tăng hàm lượng hydrogen [117-119] Sự hiện diện của hydrogen trong hỗn hợp với biogas không những làm giảm phát thải ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức mà nó còn góp phần làm giảm phát thải bồ hóng trong khí thải động cơ dual fuel biogas-diesel [120-121] Wang et al [122] đề xuất hàm lượng thể tích hydrogen trong hỗn hợp với methane khoảng 20% là tối ưu cả về hiệu suất nhiệt và mức độ phát thải ô nhiễm Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng làm việc của động cơ biogas được làm giàu bằng hydrogen [123] Nói một cách tổng quát, hydrogen có thể xem là một chất pha trộn vào biogas để cải thiện hiệu suất và giảm phát thải ô nhiễm nhờ những đặc tính ưu việt của nó như giới hạn cháy

mở rộng, tốc độ cháy cao, hệ số khuếch tán lớn, nhiệt độ đoạn nhiệt cao [124]