Đề tài thiết kế, chế tạo mô hình xe điện sử dụng pin mặt trời phục vụ học tập

Tóm tắt kết quả nghiên cứu: Thiết lập được cơ sở thiết kế hệ thống truyền động và điều khiển ô tô điện cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời, chế tạo được mô hình tạo tiền đề cho việc nghi

Trang 1

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE ĐIỆN SỬ DỤNG PIN

MẶT TRỜI PHỤC VỤ HỌC TẬP

Mã số: T2019 - 06 - 120

Chủ nhiệm đề tài: ThS Hồ Trần Ngọc Anh

Đà Nẵng, 09/2020

Trang 2

3

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE ĐIỆN SỬ DỤNG

PIN MẶT TRỜI PHỤC VỤ HỌC TẬP

Mã số: T2019 - 06 - 120

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)

ThS Hồ Trần Ngọc Anh

Trang 3

NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

- Trực tiếp nghiên cứu, tính toán lý thuyết, thiết kế và chế tạo mô hình

- Trình bày báo cáo

đề tài trước hội đồng

Trang 4

Chủ nhiệm đề tài: ThS Hồ Trần Ngọc Anh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1- TỔNG QUAN 3

1.1 TÌNH HÌNH NHIÊN LIỆU HIỆN NAY 3

1.1.1 Tổng quan tình hình năng lượng 3

1.1.2 Tình hình ô nhiễm không khí 6

1.1.3 Tình hình phát triển xe sạch trong và ngoài nước 12

1.2 KHẢO SÁT Ô TÔ ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 21

1.2.1 Giới thiệu chung 21

1.2.2 Nhu cầu sử dụng xe điện trong đời sống 21

1.2.3 Hệ thống điện và điều khiển trên xe điện 25

1.2.4 Ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời 27

Chương 2: PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 30

2.1 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 30 2.1.1 Cấu tạo 30

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 32

2.1.3 Ứng dụng của năng lượng mặt trời 34

2.2 TÍNH TOÁN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 40

2.2.1 Tính chọn pin năng lượng mặt trời 40

2.2.2 Tính chọn bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời 41

Chương 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC MÔ HÌNH Ô TÔ CỠ NHỎ 42

3.1 XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN 42

Trang 5

3.2 PHÂN TÍCH, CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN 44

3.3 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CHO BỘ NGUỒN ẮC QUY 48

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 50

4.1 CHẾ TẠO MÔ HÌNH 50

4.2 THỬ NGHIỆM, ĐO ĐẠC THÔNG SỐ 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

Trang 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu đồ tỉ lệ R/P [Năm] theo khu vực năm 2017 và biểu đồ lịch sử thay đổi

giai đoạn 1997 – 2017 4

Hình 1.2 Tổng lượng dầu tiêu thụ theo khu vực trên thế giới [tỉ tấn] giai đoạn từ 1992 – 2017 5

Hình 1.3 Nguồn khí thải do cháy rừng 7

Hình 1.4 Nguồn khí thải từ ô tô 8

Hình 1.5 Ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người 10

Hình 1.6 Dị thường nhiệt độ mặt đất trung bình thời gian 1999-2008 so với 1940-1980 12

Hình 1.7 Xu hướng phát triển ô tô sạch 13

Hình 1.8 Mẫu xe Mercedes-Benz E320 CDI Bluetec 14

Hình 1.9 Động cơ Skyactiv của Mazda 15

Hình 1.10 Xe buýt sử dụng nhiên liệu LPG 16

Hình 1.11 Xe taxi chạy bằng LPG của hãng taxi Cửu Long 17

Hình 1.12 Xe buýt chạy bằng CNG tại Thành phố Hồ Chí Minh 18

Hình 1.13 Mẫu xe điện Tesla model S 19

Hình 1.14 Toyota Prius, mẫu xe hybrid bán chạy nhất trên thế giới 20

Hình 1.15 Mẫu xe Immortus đang được nghiên cứu phát triển 21

Hình 1.16 Ô tô điện của hãng Nissan 22

Hình 1.17 Ô tô điện sử dụng ở Chicago 22

Hình 1.18 Xe đạp điện của Vinfast sản xuất 22

Hình 1.19 Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris – Lyon 23

Hình 1.20 Tàu điện ngầm tiện dụng ở Pháp 23

Hình 1.21 Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt 24

Hình 1.22 Xe điện sử dụng trong sân golf 24

Hình 1.23 Hệ thống điện và điều khiển trên ô tô điện hiện đại 25

Hình 1.24 Nguyên lý làm việc của ô tô sử dụng năng lượng mặt trời 28

Trang 7

Hình 2.1: Một cell pin mặt trời 30

Hình 2.2 Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời 31

Hình 2.3 Các vùng năng lượng 33

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời 34

Hình 2.5 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời và sơ đồ điển hình lắp đặt hệ thống điện pin mặt trời nối lưới 36

Hình 2.6 Tháp năng lượng mặt trời 37

Hình 2.7 Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời 38

Hình 2.8 Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 39

Hình 2.9 Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời 39

Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống năng lượng mặt trời trên mô hình 40

Hình 2.11 Hình ảnh cách bố trí 2 tấm pin mặt trời 40

Hình 2.12 Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời 41

Hình 3.1: Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên xe 42

Hình 3.2 Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện 45

Hình 3.3 Động cơ điện 48V-350W 45

Hình 0.4 Kết cấu của động cơ điện MY1020ZX 46

Hình 0.5 Bộ điều khiển động cơ điện 46

Hình 0.6 Sơ đồ đấu nối mạch điện bộ điều khiển động cơ điện 47

Hình 0.7 Sơ đồ đấu nối tiếp 2 bình ắcquy (12V- 35AH) 49

Hình 4.1 Sơ đồ tổng thể mô hình 50

Hình 4.2 Sơ đồ các bước thược hiện lắp ráp mô hình 51

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần cơ bản của khí thải động cơ Diesel 9 Bảng 2.1 Cơ cấu nguồn điện năng lượng mặt trời theo Quy hoạch điện VII 35 Bảng 2.2 Tiềm năng lý thuyết của năng lượng mặt trời 36

Trang 9

4

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo mô hình xe điện sử dụng pin mặt trời phục vụ học

tập

- Mã số: T2019 - 06 - 120

- Chủ nhiệm: ThS Hồ Trần Ngọc Anh

- Thành viên tham gia: Không

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng

- Thời gian thực hiện: Từ tháng 8 năm 2019 đến tháng 8 năm 2020

2 Mục tiêu:

- Chế tạo hoàn chỉnh mô hình ô tô sử dụng năng lượng mặt trời

- Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả của hệ thống

3 Tính mới và sáng tạo:

Kết hợp hai nguồn năng lượng từ ắc quy và pin mặt trời để cung cấp cho hệ

thống điều khiển mô hình ô tô phục vụ học tập

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

Thiết lập được cơ sở thiết kế hệ thống truyền động và điều khiển ô tô điện cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời, chế tạo được mô hình tạo tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo xe ô tô cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời

số 06, 2020 - Đại học Thái Nguyên

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp

dụng:

Đề tài đã thiết lập được cơ sở thiết kế hệ thống truyền động và điều khiển ô

tô điện cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời, chế tạo được mô hình tạo tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo xe ô tô cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời

Đề tài hướng đến việc ứng dụng các thiết bị thực tế trong quá trình giảng dạy thực hành cho sinh viên chuyên ngành, đồng thời tăng cường số tín chỉ học thực hành trong chương trình môn học

Trang 10

5

7 Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính

Pin năng lượng mặt trời

MOTOR IC

Cần đảo chiều

Khóa điện

? C QUY 12V 20AH

Bàn đạp ga

Công tắc phanh điện

Sơ đồ hệ thống điều khiển và truyền động mơ hình xe điện sử dụng năng lượng mặt trời

Trang 11

Coordinator: MSc Ho Tran Ngoc Anh

Implementing institution: University of Technology and Education, The University of Danang

Duration: from August 2019 to August 2020

2 Objective(s):

- Complete manufacturing of automobile models using solar energy

- Run tests and evaluate the results of the system

3 Creativeness and innovativeness:

- Combining two sources of energy from batteries and solar cells to supply

the car model control system for learning

4 Research results:

- Establishing the basis for designing the power transmission and control

system of small electric cars using solar energy, creating a model to create a premise for the research and manufacture of small cars using solar energy

5 Products:

- Drive system model of small cars using solar energy

- Final Report;

- Article published in scientific journal

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

The project has established the basis for designing the powertrain and control system of small electric cars using solar energy, creating a model to create a premise for the research and manufacture of small cars using Solar

The thesis aims to apply practical equipment in hands-on teaching process for specialized students, while increasing the number of hands-on credits in the subject curriculum

Trang 12

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài:

Tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường là hai vấn đề được quan tâm hiện nay Tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm môi trường chính là từ các ngành công nghiệp và khí thải từ động cơ đốt trong Vì thế ngày nay hàng loạt các công ty sản xuất ô tô, xe máy, động cơ đốt trong khi sản xuất phải đảm bảo thành phần khí xả đáp ứng được tiêu chuẩn bảo vệ môi trường Một số giải pháp được nhiều nhà khoa học nghiên cứu là sử dụng nhiên liệu thay thế, đặc biệt là các loại nhiên liệu sạch Xe chạy bằng điện chính là giải pháp tốt để giảm ô nhiễm môi trường và nguồn năng lượng điện là nguồn năng sạch lấy từ các tấm pin năng lượng mặt trời Tuy nhiên xe điện sử dụng năng lượng mặt trời chưa phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới vì giá thành quá đắt Bên cạnh đó các mô hình xe điện sử dụng pin năng lượng mặt trời để cho sinh viên thực tập tại các trường đại học còn nhiều hạn

chế Chính vì thế đề tài Thiết kế, chế tạo mô hình xe điện sử dụng pin mặt trời phục vụ

học tập là thực sự cấp thiết về trang thiết bị thực tập, đáp ứng về xu thế phát triển nguồn

nhiên liệu mới và giảm ô nhiễm môi trường

Mục tiêu đề tài:

- Chế tạo hoàn chỉnh mô hình ô tô sử dụng năng lượng mặt trời

- Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả của hệ thống

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu:

- Nghiên cứu mô hình ô tô điện cỡ nhỏ phục vụ học tập

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm trên mô hình tự chế

Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận:

- Tiến hành nghiên cứu lý thuyết

Trang 13

- Chế tạo mô hình để nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

Trang 14

Chương 1- TỔNG QUAN

Sự phát triển của các loại ô tô sử dụng động cơ đốt trong là một trong những thành tựu lớn nhất của công nghệ hiện đại Ngành công nghiệp ô tô đã có những đóng góp to lớn vào sự phát triển của xã hội, đáp ứng nhu cầu đi lại và vận tải trong cuộc sống hàng ngày Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp ô tô, không giống như của bất kỳ ngành công nghiệp khác, để lại dấu ấn sự tiến bộ của xã hội con người từ những thời kỳ đầu công nghiệp đến một xã hội công nghiệp phát triển như ngày nay Ngành công nghiệp ô tô và các ngành công nghiệp phụ trợ của nó tạo thành xương sống của nền kinh tế với việc tạo ra hàng triệu việc làm trên toàn thế giới Tuy nhiên, với số lượng ô tô lớn sử dụng trên khắp thế giới đã và đang gây ra các vấn đề nghiêm trọng về môi trường

và cuộc sống của chính con người Ô nhiễm không khí, sự nóng lên toàn cầu và sự suy giảm nhanh chóng các nguồn tài nguyên dầu mỏ của trái đất bây giờ là vấn đề quan tâm hàng đầu Trong những năm gần đây, nhiều cuộc nghiên cứu và phát triển các hoạt động liên quan đến giao thông vận tải đã thúc đẩy sự phát triển các công nghệ với hiệu suất cao, thân thiện môi trường và an toàn trong giao thông vận tải Xe điện, xe điện lai ghép

và xe sử dụng pin nhiên liệu đã được đề xuất để thay thế trong tương lai gần Chương này

sẽ đưa ra một số dẫn chứng và đánh giá các vấn đề về ô nhiễm không khí, lượng phát thải khí gây nóng lên toàn cầu và sự suy giảm nguồn tài nguyên dầu khí Đồng thời cũng cung cấp một số nhận xét về sự phát triển, xu hướng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới

1.1 TÌNH HÌNH NHIÊN LIỆU HIỆN NAY

1.1.1 Tổng quan tình hình năng lượng

Đại đa số các loại nhiên liệu sử dụng cho giao thông vận tải là nhiên liệu lỏng có nguồn gốc từ dầu mỏ Dầu mỏ là một nhiên liệu hóa thạch, là kết quả từ sự phân hủy của

sự sống đã bị chôn vùi hàng triệu năm trước trong lớp địa chất ổn định Quá trình này bao gồm các khoảng thời gian sau đây: sinh vật (chủ yếu là cây) chết và dần dần được bao phủ bởi lớp trầm tích, theo thời gian các trầm tích tích lũy tạo thành lớp dày và biến đổi thành đá Các thành phần này bị chôn vùi xuống sâu dưới lòng đất hay đại dương, nơi chúng gặp áp suất và nhiệt độ cao và từ từ biến đổi thành các hydro cacbon hoặc than, tùy

Trang 15

thuộc vào tính chất của chúng mà quá trình này mất hàng triệu năm Điều này lý giải tại sao tài nguyên nhiên liệu hóa thạch của trái đất hữu hạn Lượng dự trữ được các định từ thông tin khảo sát địa chất và kỹ thuật cho thấy một cách hợp lý rằng chắc chắn khó có thể phục hồi trong tương lai gần với tốc độ phát triển của nền kinh tế phát triển nhanh chóng như hiện tại

Lượng dự trữ dầu mỏ tính theo năm khai thác được xác định trong ước tính hằng năm của tổ chức đánh giá trạng thái năng lượng của thế giới (hình 1.1) đặc trưng bởi tỉ lệ R/P Tỷ lệ R/P (Reserves/ Productions) là số năm mà lượng dầu mỏ dự trữ được xác định

sẽ cạn kiệt nếu khai thác tiếp tục ở mức hiện nay

Hình 1.1 Biểu đồ tỉ lệ R/P [Năm] theo khu vực năm 2017 và biểu đồ lịch sử thay

đổi giai đoạn 1997 – 2017 Trong đó:

Liên Bang Nga

Ở một số vùng mà khí hậu và mối quan tâm sinh thái là trở ngại lớn để tiến hành khai thác hoặc khảo sát dầu mỏ thì việc dự toán, xác định chính xác lượng dự trữ tất cả của trái đất là một nhiệm vụ khó khăn vì lý do chính trị và kỹ thuật

Trang 16

Mặc dù tỷ lệ R/P không bao gồm những khám phá trong tương lai, nhưng đó là một dữ liệu quan trọng đánh giá thực trạng để có những giải pháp kịp thời

Hình 1.2 Tổng lượng dầu tiêu thụ theo khu vực trên thế giới [tỉ tấn] giai đoạn từ

1992 – 2017

Liên Bang Nga Nội dung hình 1.2 cho thấy trữ lượng và xu hướng tiêu thụ dầu của các khu vực trên thế giới hằng ngày Mặc dù lượng dầu tiêu thụ ở khu vực Đông Âu và Liên Bang Nga giảm nhẹ nhưng xu hướng chung tiêu thụ dầu của thế giới rõ ràng đang tăng lên đều đặn và với tốc độ nhanh chóng, như minh hoạ trong hình 1.2 cho thấy lượng tiêu thụ đã tăng từ 68 tỉ tấn lên đến 98 tỉ tấn từ năm 1992 – 2017, tăng 44,1% trong vòng 25 năm Khu vực phát triển nhanh nhất là Châu Á - Thái Bình Dương, lý do là hầu hết dân

số thế giới sống ở đây và khu vực này cũng bao gồm hầu hết các quốc gia đang trên đà phát triển mạnh trong đó có Việt Nam Một vụ bùng nổ tiêu thụ dầu đã và đang xảy ra, đi kèm theo đó là tỉ lệ tăng lên lượng phát thải các chất ô nhiễm môi trường và carbon dioxide gây ra mối lo ngại về vấn đề bảo vệ môi trường và hệ sinh thái trên toàn thế giới

Trang 17

1.1.2 Tình hình ô nhiễm không khí

1.1.2.1 Ô nhiễm không khí

Ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không phải riêng của một quốc gia nào Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật Hàng năm, con người khai thác và sử dụng hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt Đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như: chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng

Theo định nghĩa của các nhà khoa học “Ô nhiễm không khí là sự có mặt một chất lạ hoặc một sự biến đổi quan trọng trong thành phần không khí, làm cho không khí không sạch hoặc gây sự toả mùi, có mùi khó chịu, giảm tầm nhìn xa (do bụi)”

Dưới đây là số liệu thống kê hàng năm khối lượng các chất thải có:

Điều đáng lo ngại nhất là con người thải vào không khí các loại khí độc như: CO2,

NOX, CH4, CFC gây hiệu ứng nhà kính Theo nghiên cứu, chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2, nó đóng góp 50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, Ozon tầng đối lưu là 7%, Nitơ 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu là 3%

Nếu như chúng ta không ngăn chặn được hiện tượng hiệu ứng nhà kính thì trong vòng

30 năm tới mặt nước biển sẽ dâng lên từ 1,5 – 3,5 m Nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ tăng khoảng 3,6°C, và mỗi thập kỷ sẽ tăng 0,3°C Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ trái đất tăng 0,4°C Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm

2050 nhiệt độ của trái đất sẽ tăng thêm 1,5 – 4,5°C nếu con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện tượng hiệu ứng nhà kính Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí

Trang 18

quyển là hiện tượng lỗ thủng tầng ôzôn gây hậu quả xấu cho sức khoẻ của con người và các sinh vật sống trên mặt đất

1.1.2.2 Các nguồn gây ô nhiễm không khí

a Nguồn tự nhiên

Hình 1.3 Nguồn khí thải do cháy rừng

- Núi lửa: Núi lửa phun ra những nham thạch nóng và nhiều khói bụi giàu sunfua,

mêtan và những loại khí khác

- Cháy rừng: Các đám cháy rừng và đồng cỏ thường lan truyền rộng, phát thải nhiều

bụi và khí

- Bão bụi: gây nên do gió mạnh và bão, mưa bào mòn đất sa mạc, đất trồng và gió

thổi tung lên thành bụi Nước biển bốc hơi và cùng với sóng biển tung bọt mang theo bụi muối lan truyền vào không khí

- Các quá trình phân huỷ, thối rữa xác động, thực vật tự nhiên: phát thải nhiều chất

khí, các phản ứng hoá học giữa những khí tự nhiên hình thành các khí sunfua, nitrit, các loại muối v.v Các loại bụi, khí này đều gây ô nhiễm không khí

b Nguồn nhân tạo

Nguồn gây ô nhiễm nhân tạo rất đa dạng, nhưng chủ yếu là do hoạt động công nghiệp, đốt cháy nhiên liệu hoá thạch và hoạt động của các phương tiện giao thông

Trang 19

Hình 1.4 Nguồn khí thải từ ô tô

Nguồn ô nhiễm công nghiệp do hai quá trình sản xuất gây ra:

- Quá trình đốt nhiên liệu: thải ra rất nhiều khí độc đi qua các ống khói của các nhà

máy vào không khí

- Do bốc hơi, rò rỉ, thất thoát: trên dây chuyền sản xuất sản phẩm và trên các đường

ống dẫn tải Nguồn thải của quá trình sản xuất này cũng có thể được hút và thổi ra ngoài bằng hệ thống thông gió

- Các ngành công nghiệp chủ yếu gây ô nhiễm không khí bao gồm: nhiệt điện, vật

liệu xây dựng, hoá chất và phân bón, dệt và giấy, luyện kim, thực phẩm …

Các hợp chất ô nhiễm chính trong khí thải có thể chia làm hai nhóm: khí và hạt rắn Người ta phân biệt các chất ô nhiễm sơ cấp được thải ra từ các nguồn xác định (CO, HC,

…) với các chất ô nhiễm thứ cấp (O3, …) được sản sinh ra từ các phản ứng giữa các chất

ô nhiễm sơ cấp với nhau dưới tác động của điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời

Nhìn chung chất gây ô nhiễm môi trường thải ra từ động cơ gồm các chất sau:

- Dioxyde de carbone (CO2), sản phẩm của quá trình oxi hóa hoàn toàn nhiên liệu

- Monoxyde de carbone (CO), đến từ quá trình oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu

- Oxyde d’azote (NOx), gồm: monoxyde d’azote (NO) và dioxyde d'azote (NO2)

- Các hạt rắn, sản phẩm của các quá trình hình thành phức tạp

Trang 20

- Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (COV-composés organiques volatils), là các hợp

chất hóa học hữu cơ có áp suất hơi đủ cao để dưới các điều kiện bình thường có thể bay hơi một lượng đáng kể vào không khí Về thành phần COV là sự kết hợp giữa các hydrocarbure (như alcane, alcène, aromatique, )

- Các hợp chất hữu cơ đa vòng (hydrocarbures aromatiques polycycliques – HAP),

như benzoapyrene

- Dioxyde de sulfure (SO2), hình thành từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu

- Các kim loại, có trong dầu và nhiên liệu

* Thành phần khí thải của động cơ Diesel

Động cơ Diesel chuyển đổi năng lượng hóa học (carburant, gazole) thành năng lượng

cơ học Gazole là hỗn hợp của các hydrocarbure mà trong quá trình cháy lý tưởng, nó chỉ sinh ra CO2 và H2O Trong thực tế người ta quan sát thấy một vài sản phẩm khí và rắn khác Điều này liên quan một phần đến sự có mặt của các tạp chất chứa trong các HC (như các hợp chất chứa lưu huỳnh) và mặt khác liên quan đến sự phức tạp của các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy Bảng 1.1 sau giới thiệu thành phần điển hình của khí thải động cơ Diesel:

Bảng 1.1: Thành phần cơ bản của khí thải động cơ Diesel

* Các thành phần khí thải từ động cơ xăng

- HC (unburned hydro cacbon)

Trang 21

- Đối với bồ hóng, bồ hóng là vi hạt gây nguy hiểm, độc hại cho sức khỏe con người

nhưng chỉ được quy định cho động cơ Diesel mà không được quy định cho động cơ xăng

Bồ hóng có thể là những vi hạt thải ra từ động cơ xăng, nó là một trong những thành phần

mà không được kiểm soát Ngoài ra, còn có các thành phần khác tương tự bồ hóng cũng thải từ động cơ xăng

- Ngoài các thành phần quy định trong phát thải tự động như HC, CO, NOx và PM

(cho động cơ Diesel), vẫn còn các thành phần nhỏ khác tuy không được quy định nhưng

có thể có hại cho cơ thể con người Ví dụ: toluen, benzen, formaldehyde, acetaldehyde, 1,3-butadien, SO2, formic acid, N2O, vv Đây sẽ là một tiêu chuẩn tương ứng với PRTR (Nhật Bản), trong đó có thể điều chỉnh các thành phần phụ trong phát thải tự động trong

tương lai

c Những tác hại do ô nhiễm khí thải gây ra

* Đối với sức khỏe con người

Hình 1.5 Ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người

Không khí ô nhiễm có thể giết chết nhiều cơ thể sống trong đó có con người Ô nhiễm không khí trong nhà và ngoài môi trường tại Việt Nam là rất cao, điều này được lý giải bằng việc bệnh lý có liên quan đến ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng Ô nhiễm không khí gây bệnh đường hô hấp, bệnh tim mạch, viêm vùng họng, đau ngực, tức thở Ô nhiễm không khí không những gây nên các bệnh lý ở đường hô hấp, mà còn ảnh hưởng lên sự phát triển của thai nhi, là nguyên nhân làm chậm phát triển hệ thần kinh, trí não và tâm thần vận động ở trẻ em Đặc biệt, trẻ dưới 5 tuổi là đối tượng bị ảnh hưởng nặng nề nhất, bởi cơ thể trẻ đang trong giai đoạn tăng trưởng và phát triển, đồng thời ở lứa tuổi này trẻ hoàn toàn bị thụ động trước các ảnh hưởng có hại của môi trường do người lớn

gây ra

Trang 22

- CO: Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra

do ô xy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxy Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000 ppm) Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn

và khi tỉ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh

- NOx: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận NOx được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 11000C) Monoxyde nitơ (x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxyde nitơ (x=2) NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12 ppm NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp Nạn nhân bị mất ngủ,

ho, khó thở Protoxyde nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển

- Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không

hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40 ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan

- SO2: Oxyde lưu huỳnh là một chất háo nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước mũi,

bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân

- Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel

Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3 mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan

hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong qua trình hình thành

- Chì: Chì có mặt trong khí xả do Thétraétyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu Sự pha trộn chất phụ gia này vào xăng hiện nay vẫn còn là đề tài bàn cãi của giới khoa học Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo đường

hô hấp Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30% đến 40% lượng chì này đi vào máu

Trang 23

Sự hiện hiện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu Đặc biệt hơn nữa, nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ

em chậm phát triển trí tuệ Chì gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nó trong máu vượt quá 200 đến 250mg/lít

* Đối với môi trường

- Thay đổi nhiệt độ khí quyển: Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon

Hình 1.6 Dị thường nhiệt độ mặt đất trung bình thời gian 1999-2008 so với 1940-1980

- Ảnh hưởng đến sinh thái: Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxyde nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp Ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sự sống Mặt khác, các chất khí có tính acide như SO2, NO2, bị oxy hóa thành acide sulfuric, acide nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù làm hủy hoại thảm thực vật trên mặt đất (mưa acide), gây ăn mòn các công trình kim loại

1.1.3 Tình hình phát triển xe sạch trong và ngoài nước

Ở các nước phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng lượng sạch cho ô tô nói chung

đã từ lâu Sự phát triển ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải của xe, nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ô tô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu

Trang 24

hao nhiên liệu, nhằm giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng và

sự cạn kiệt nhiên liệu dầu mỏ như hiện nay Yêu cầu đặt ra của ngành ô tô hiện nay là:

- Tối ưu hóa hệ thống điều khiển vận hành và nâng cao tiện nghi trong xe

- Nâng cao hiệu suất và giảm chất thải gây ô nhiễm môi trường

- Từng bước thay thế các nguồn nhiên liệu sạch thay thế cho năng lượng dầu mỏ sắp

Hình 1.7 Xu hướng phát triển ô tô sạch

1.1.3.1 Hoàn thiện động cơ Diesel

Ngày nay, động cơ Diesel ngày càng được sử dụng rộng rãi và hoàn thiện về mặt kết cấu do có nhiều ưu điểm nổi trội hơn động cơ xăng Nếu có cùng kích thước xy-lanh thì động cơ Diesel có mô-men lớn hơn, tiêu hao nhiên liệu ít hơn nhiều so với động cơ xăng

Trang 25

Tuy nhiên động cơ Diesel sinh nhiều bụi than hơn, ồn hơn, khả năng tăng tốc kém hơn và đồng thời giá thành cũng cao hơn động cơ xăng

Những năm gần đây, trừ việc giá thành vẫn còn cao, còn lại cơ bản đã khắc phục được các nhược điểm trên như: nồng độ phát thải đã được xử lý, động cơ hoạt động êm hơn Bằng chứng là nhiều mẫu xe sang như Mercedes-Benz E320 Bluetec, Jaguar S-Type 2.7, BMW 318d, 325d,… được trang bị động cơ Diesel

Để có thể khắc phục các nhược điểm của động cơ Diesel truyền thống, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các giải pháp nhằm hoàn thiện hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ, mang lại khả năng cung cấp nhiên liệu tối ưu như: sử dụng các loại bơm cao áp

PF, PE, VE… hoặc hệ thống phun Diesel điện tử Common Rail, lọc bồ hóng và xử lí khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng (bộ xử lý đồng thời ba thành phần chất gây ô nhiễm CO, HC và Nox), hoặc nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu Diesel

có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp (Diesel 0,001S-V đạt chuẩn EURO V của tập đoàn xăng dầu Việt Nam Petrolimex)

Hình 1.8 Mẫu xe Mercedes-Benz E320 CDI Bluetec Một trong những cải tiến đáng chú ý nhất và làm thay đổi động cơ Diesel chính là hệ thống phun nhiên liệu điện tử Common Rail Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng lẻ, nhiên liệu áp suất cao được chứa trong đường ống chung (Common Rail) và được điều khiển phân phối đến từng vòi phun theo yêu cầu Lợi ích của vòi phun Common Rail là làm giảm mức độ tiếng ồn, nhiên liệu được phun ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, kiểm soát lượng phun, thời điểm phun Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn

So với hệ thống cũ, hệ thống Common Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ Diesel như:

Trang 26

- Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, khách, tải nhẹ, tải nặng, xe lửa và tàu

thủy)

- Áp suất phun đạt đến 1500 bar

- Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động của động cơ

- Có thể thay đổi thời điểm phun

- Phun chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc

1.1.3.2 Hoàn thiện động cơ xăng

Hiện nay, động cơ đánh lửa cưỡng bức vẫn phụ thuộc vào phương pháp đánh lửa dạng tia với bugi truyền thống (SI) Nhược điểm là tất cả buồng nhiên liệu chỉ được đốt cháy một lúc và không được đốt cháy triệt để, hậu quả là lãng phí nhiên liệu, xả thải nhiều, công suất không đạt tối đa Theo tính toán thì thiệt hại tới khoảng 30% so với mức hoàn hảo của kiểu động cơ Diesel bằng phương pháp hỗn hợp hòa khí-nhiên liệu nén tối

ưu kích nổ mà không cần bugi châm lửa

Hình 1.9 Động cơ Skyactiv của Mazda

Nhưng công nghệ mới nhất Skyactiv-X đã coi như tìm ra giải pháp Mazda mô tả thế

hệ động cơ “X” mới của họ là nổ máy “không cần bu-gi” cho động cơ xăng, với tên gọi

“Đánh lửa nén hỗn hợp đồng nhất HCCI” (Homogenous Charge Compression Ignition)

Về kỹ thuật đây là công nghệ mà xi-lanh sẽ tăng tỷ số nén, tính toán lại thời điểm phun xăng, thời điểm đánh lửa khớp với hỗn hợp hòa khí-nhiên liệu tối ưu, kích nổ toàn bộ nhiên liệu ở mọi điểm trong buồng đốt, sử dụng áp suất để đốt cháy mà không cần lệ thuộc hết vào bugi châm lửa

Điểm khác biệt của động cơ Mazda là kỹ thuật đánh lửa nén - Compression Ignition Trong quá trình này, xăng sẽ được nén lại với áp suất rất cao, tới mức nó tự bắt lửa mà không cần tới bugi Công nghệ này tương tự như cách động cơ Diesel đang vận hành hiện

Trang 27

tại Tuy nhiên do khác biệt về thành phần nhiên liệu, nên chưa thể lý tưởng hóa động cơ xăng như Diesel vì vẫn cần tới sự xuất hiện của bugi với vai trò đánh lửa “mồi” Vì vậy, mỗi xi-lanh vẫn được gắn một bugi và đánh lửa khi cần, khi tỉ số nén lên cao nhất theo tính toán của bộ điều khiển Nên kỹ thuật đánh lửa này được gọi là “Kiểm soát đánh lửa nén SCCI” (Spark Controlled Compression Ignition)

Những mẫu Mazda sử dụng công nghệ Skyactiv đã và đang được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam với các mẫu xe chạy xăng thế hệ mới như CX-5, Mazda 3…

1.1.3.3 Ô tô sử dụng năng lượng thay thế

a Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG

LPG được gọi là khí dầu mỏ hóa lỏng vì các chất khí này có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừa phải hoặc ở áp suất bình thường bằng cách sử dụng kỹ thuật làm lạnh để làm giảm nhiệt độ Trong thành phần của LPG, thông thường Propan chiếm 50%, Butan chiếm 50% LPG là nhiên liệu có nhiệt trị cao, sạch, ít gây ô nhiễm môi trường, dễ thực hiện các biện pháp công nghệ, trị số Octan cao nên LPG được sử dụng làm nhiên liệu thay thế xăng, dầu Khi cháy, LPG toả ra ít khói, hàm lượng CO thải ra thấp hơn 3 ÷ 4 lần, lượng NOx giảm 15%÷20% so với xăng, dầu không chứa chì nên không gây độc hại LPG được đốt cháy hoàn toàn trong động cơ, độ

ồn của động cơ thấp Việc chuyển đổi ô tô chạy bằng nhiên liệu lỏng sang dùng LPG có thể được thực hiện theo ba phương pháp: sử dụng duy nhất nhiên liệu LPG, sử dụng hoặc xăng hoặc LPG, sử dụng đồng thời Diesel và LPG (dual fuel) Cũng như các loại nhiên liệu khác, việc lưu trữ LPG là vấn đề gây khó khăn nhất, mặc dù áp suất hóa lỏng thấp hơn nhiều so với khí thiên nhiên hay các loại khí khác, các loại bình chứa cũng được cải tiến nhiều nhờ vật liệu và công nghệ mới

Hình 1.10 Xe buýt sử dụng nhiên liệu LPG

Trang 28

Hiện nay nhiều nước, nhiều khu vực trên thế giới xem việc sử dụng LPG trên ô tô chạy trong thành phố là giải pháp bảo vệ môi trường không khí hữu hiệu Trong cộng đồng châu Âu thì Áo là nước sử dụng xe buýt LPG sớm nhất Thành phố Vienne đã sử dụng xe buýt chạy bằng LPG từ năm 1963 và cho đến nay, rất nhiều thành phố xe đây là loại nhiên liệu phổ biến được áp dụng trên các phương tiện công cộng trong thành phố Theo số liệu thống kê của Hiệp hội Gas thế giới, tính đến 2007 mạng phân phối LPG cho auto gas trên phạm vi 70 quốc gia và vùng lãnh thổ là 51.730 điểm, đang cung cấp LPG cho 13 triệu xe ô tô các loại

Tại Việt Nam, một số đề án thí điểm xe sử dụng nhiên liệu LPG đã được triển khai, trong đó năm 2010 đã có 1500 xe taxi chạy bằng LPG tại 3 tỉnh thành là Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh và Đà Nẵng

Hình 1.11 Xe taxi chạy bằng LPG của hãng taxi Cửu Long

b Khí thiên nhiên nén (compressed natural gas - CNG)

CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và nhẹ hơn không khí Thành phần chủ yếu của CNG gồm các Hydrocarbon, trong đó Metan có thể chiếm đến 95%, Etan chiếm 5% đến 10% cùng một lượng nhỏ Propan, Butan và các khí khác Vì thành phần chủ yếu của khí tự nhiên là metan nên phương tiện chạy bằng khí nén tự nhiên (CNG) tạo ra khí thải HC không Metan ít hơn so với xe chạy xăng và vì hệ thống nhiên liệu kín nên ít khí thải bay hơi Với hiệu suất năng lượng tương đương, khí nhà kính thải ra từ động cơ chạy bằng CNG thấp hơn khoảng 15-20%, NOx thấp hơn 35% so với xe chạy bằng xăng

Tại Việt Nam, với ưu điểm sử dụng khí nén thiên nhiên và giảm được 30% chi phí vận hành so với xe sử dụng nhiên liệu xăng, dầu (dầu Diesel), tại một số thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh đang triển khai thí điểm trên một số tuyến xe buýt

và mang đến một số tín hiệu tích cực

Trang 29

Hình 1.12 Xe buýt chạy bằng CNG tại Thành phố Hồ Chí Minh

c Ô tô sử dụng năng lượng hoàn toàn bằng điện

Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission) đối với môi trường không khí trong thành phố Nhưng ô tô chạy bằng năng lượng điện gặp phải khó khăn vấn đề cung cấp điện năng, nếu như tất cả các loại ô tô đều chạy bằng điện thì ít hay nhiều còn phụ thuộc loại nhiên liệu dùng trong sản xuất điện năng So với nhiên liệu truyền thống, mức độ có lợi tính theo CO2 tương đương trên 1 km lên 90% đối với điện sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng nhiên liệu và gần như không có lợi gì khi sản xuất bằng than Ngoài ra, việc đầu tư cơ sở hạ tầng để phục vụ việc vận hành và sạc điện cũng rất lớn, đòi hỏi tính đồng bộ cao nên chỉ phổ biến

ở những nước phát triển

Về mặt kỹ thuật thì ô tô chạy bằng điện có hai nhược điểm quan trọng đó là năng lượng dữ trữ thấp (khoảng 100 lần so với ô tô dùng động cơ nhiệt truyền thống) và giá thành ban đầu cao hơn (30-40% cao hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt) Những chướng ngại khác cần được giải quyết để đưa ô tô chạy điện vào ứng dụng thực tế một cách đại trà là khả năng gia tốc, thời gian nạp điện, vấn đề sưởi và điều hòa không khí trong ô tô

Về mặt xã hội ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến vấn

đề tâm lý xã hội Thật vậy, sự hạn chế tính năng kỹ thuật cũng như bán kính hoạt động của ô tô, trở ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làm thay đổi thói quen của người dùng và dần dần làm thay đổi cách sống Mặt khác khi chuyển ô tô chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang ô tô chạy bằng điện hoàn toàn sẽ gây ra trở ngại về mặt bố trí các trạm nạp điện cho ắc quy Tuy nhiên những lợi ích mà xe chạy bằng điện mang lại cho xã hội là không nhỏ Vì vậy ô tô chạy bằng điện chắc chắn vẫn là sự lựa chọn hàng đầu của nhân loại vào những năm tới của thế kỷ 21 Tuy nhiên sự phát triển của nó đi theo những sự cải tiến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ nhưng hiện tại sự phát triển của ô tô này cũng không cho phép giải quyết một cách

Trang 30

nhanh chóng vấn đề ô nhiễm môi trường đô thị vì không thể xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ trong một thời gian ngắn

Hiện nay trên thế giới đã phát triển công nghệ xe điện khắc phục những nhược điểm trên như khả năng dự trữ năng lượng, khả năng tăng tốc, quảng đường di chuyển của xe Tiêu biểu trong số đó là mẫu Tesla model S Mẫu xe này xe sử dụng pin công suất 85 kWh, tích hợp tính năng tăng áp, có khả năng tăng tốc từ 0 - 100 km/h trong 3,5 giây và

đi được 320km cho một lần sạc

Hình 1.13 Mẫu xe điện Tesla model S

d Ô tô hybrid

Xe hybrid thường được gọi là xe lai hay xe lai điện, là loại xe sử dụng hai nguồn động lực: động cơ đốt trong và động cơ điện Sự hoạt động của xe này là sự kết hợp hoạt động giữa động cơ đốt trong và động cơ điện sao cho tối ưu Một bộ điều khiển sẽ quyết định khi nào động cơ đốt trong hoạt động, khi nào động cơ điện hoạt động và khi nào cả hai cùng hoạt động Hiện nay có các dòng xe hybrid như sau:

- Plug in Hybrid Vehicle (PHV) là dòng xe sử dụng phần lớn năng lượng từ động cơ đốt trong Khi cần thiết, công suất được đẩy lên mạnh mẽ hơn khi có sự tham gia thêm của động cơ điện Năng lượng điện được sinh ra và dự trữ trong ắc qui mỗi khi xe hoạt động, vì thế nó không phải được sạc từ bất kì nguồn điện nào

- Dòng xe Plug in Hybrid Electrical Vehicle (PHEV): PHEV tương tự như PHV, các

xe plug-in hybrid cũng chạy kết hợp động cơ đốt trong với một hoặc hơn một động cơ điện Nhưng khác PHV ở chỗ, loại xe hybrid này chạy nhờ sử dụng phần lớn năng lượng

từ động cơ điện Nói cách khác động cơ điện là chính, trong khi động cơ đốt trong lại là phụ Động cơ xăng được tối ưu hóa nó cho nhiệm vụ sạc pin, nó chỉ hỗ trợ 2 động cơ điện khi cần thiết chứ không làm nhiệm vụ dẫn động chính như các loại xe hybrid xăng-điện khác

Trang 31

Hình 1.14 Toyota Prius, mẫu xe hybrid bán chạy nhất trên thế giới

e Ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời

Là ô tô điện sử dụng điện năng do các tấm pin năng lượng mặt trời cung cấp, các tấm pin này thường được bố trí trên trần hoặc thân xe để có thể hấp thụ bức xạ mặt trời tốt nhất Các tấm pin chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng để cung cấp cho động cơ điện và các hệ thống trên xe Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có mẫu xe nào được thương mại hóa, vẫn đang trong quá trình nghiên cứu phát triển để hoàn thiện vì những nhược điểm lớn như chỉ có thể cung cấp không quá nhiều năng lượng điện cho xe, chi phí cao, quãng đường cho mỗi lần sạc tương đối ngắn trong khi thời gian sạc lại khá lâu Nhưng tiềm năng phát triển rất lớn, nhất là những nước nhiệt đới có số giờ nắng và bức xạ lớn vì xe

có thể vừa sạc vừa di chuyển, qua đó có thể hướng tới môt chiếc xe tương lai có khả năng chạy quãng đường vô hạn mà không cần phải dừng lại để nạp nhiên liệu hoặc sạc điện như những mẫu xe như hiện nay

Tại Việt Nam, các nghiên cứu và sáng chế về ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đang ngày càng được chú ý Những mẫu xe này thường nhỏ gọn, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm cũng như ồn ào khi vận hành Trong số đó, có một kĩ sư người Việt đang nghiên cứu phát minh ra mẫu xe điện chạy bằng năng lượng mặt trời có tên EVX Ventures Immortus có khả năng vận hành ấn tượng, di chuyển được quãng đường 550km với tốc độ 85km/h nhờ khối lượng chỉ 550kg cùng với pin có dung lượng lên đến 10kW

Trang 32

Hình 1.15 Mẫu xe Immortus đang được nghiên cứu phát triển

1.2 KHẢO SÁT Ô TÔ ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.2.1 Giới thiệu chung

Ô tô điện sử dụng một động cơ điện cung cấp lực kéo, acquy hoặc pin cung cấp nguồn năng lượng tương ứng cho động cơ điện

Ô tô điện có nhiều ưu điểm hơn các loại phương tiện sử dụng động cơ đốt trong, chẳng hạn như không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lượng

từ dầu mỏ, yên tĩnh và hoạt động êm dịu Các nguyên tắc hoạt động cơ bản giữa ô tô điện

và phương tiện sử dụng động cơ đốt trong tương tự nhau Tuy nhiên, một số khác biệt giữa phương tiện sử dụng động cơ đốt trong và ô tô điện, chẳng hạn như sử dụng một bồn chứa xăng so với nguồn pin, động cơ đốt trong so với động cơ điện, và khác nhau về yêu cầu truyền dẫn

1.2.2 Nhu cầu sử dụng xe điện trong đời sống

Xe điện là loại phương tiện giao thông đã có từ rất lâu của thế kỷ trước và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong nhiều loại phương tiện Đặt biệt ngày nay, xe điện không còn đơn thuần là xe điện công cộng và tàu điện như thế kỷ trước nữa Ngày nay xe điện được ứng dụng trên nhiều loại phương tiện, các phương tiện này dùng động cơ điện

để làm xe chuyển động Có thể liệt kê một số loại xe điện theo lĩnh vực và theo cách sử

dụng của chúng như sau:

a Phương tiện cá nhân

Trang 33

- Xe ô tô điện: xe điện sử dụng nguồn điện acqui, dùng năng lượng mặt trời Các loại

xe này được ứng dụng trên cả ô tô cá nhân, ô tô tải, ô tô tải phục vụ công cộng

Hình 1.16 Ô tô điện của hãng Nissan

Hình 1.17 Ô tô điện sử dụng ở Chicago

- Xe máy điện và xe đạp điện: là loại phương tiện đang có xu hướng phát triển mạnh

Hình 1.18 Xe đạp điện của Vinfast sản xuất

Trang 34

b Các phương tiện công cộng

- Tàu điện: tàu điện được ứng dụng từ rất lâu là loại phương tiện dùng chở khách trong thành phố và khá phổ biến ở các nước phát triển trên thế giới

Hình 1.19 Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris - Lyon

- Metro: là loại phương tiện vận chuyển hành khách trong thành phố cũng như đường dài, như các tuyến metro trong các thành phố lớn ở châu Âu, và tuyến metro đường dài từ Paris đến London

Hình 1.20 Tàu điện ngầm tiện dụng ở Pháp

Trang 35

c Các phương tiện dùng chuyên biệt

- Xe điện dùng trong khu giải trí, nghỉ ngơi, du lịch: là loại xe điện dùng chuyên chở hành khách trong khu nghỉ ngơi, du lịch và các loại tàu điện cao tốc, cảm giác mạnh trong công viên

Hình 1.21 Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt

- Loại xe điện dùng trong thể thao: phục vụ các mục đích khác nhau, như trong lĩnh vực golf …

Hình 1.22 Xe điện sử dụng trong sân golf

Trang 36

d Các loại phương tiện dùng trong các lĩnh vực chuyên dùng

Xe điện sẽ được sử dụng trong các bệnh viện vận chuyển nhanh chóng bệnh nhân cũng như các y bác sĩ để kịp thời cứu chữa bệnh nhân, đây là một hướng mới trong thiết

kế xe điện Tuy nhiên để có thể áp dụng hợp lí có hiệu quả cần nghiên cứu thay đổi kết cấu, bố trí lại các trang thiết bị để phù hợp với điều kiện sử dụng trong y tế

1.2.3 Hệ thống điện và điều khiển trên xe điện

1.2.3.1 Nguyên lý điều khiển

Hệ thống điện và điều khiển của ô tô điện bao gồm các phần chính: Hệ thống cung cấp và quản lý năng lượng, hệ thống biến đổi năng lượng, hệ thống điều khiển, động cơ điện và các tải tiêu thụ năng lượng khác

Hình 1.23 Hệ thống điện và điều khiển trên ô tô điện hiện đại Năng lượng từ hệ thống cung cấp được đưa đến tất cả các tải trên ô tô thông qua bộ phân phối công suất Động cơ điện là tải chiếm phần lớn công suất điện và cũng là bộ phận quan trọng nhất của ô tô điện Quá trình hoạt động của các thiết bị trên xe điện được điều khiển bằng hệ thống điều khiển

Trang 37

Tùy thuộc vào loại động cơ và tải tiêu thụ (xoay chiều hay một chiều) và các thông số điện yêu cầu mà hệ thống điện sẽ bao gồm các bộ chuyển đổi khác nhau để phù hợp với quá trình hoạt động của nó Các tải tiêu thụ trên xe điện bao gồm: điều hòa, bơm trợ lực lái, máy nén, hệ thống đèn tín hiệu…

Bộ điều khiển trung tâm nhận các tín hiệu đầu vào (bàn đạp ga, phanh, các công tắc điện…) sau đó tiến hành xử lý, phân tích và truyền tín hiệu đến các bộ điều khiển bộ phận chấp hành để thay đổi trạng thái của xe cho phù hợp với yêu cầu Ngoài ra, bộ điều khiển trung tâm còn nhận tín hiệu phản hồi từ các bộ điều khiển của các hệ thống để kiểm soát trạng thái làm việc của các bộ phận trên xe

1.2.3.2 Các bộ phận chính của hệ thống điện và điều khiển

a Hệ thống cung cấp và quản lý năng lượng

Nguồn điện một chiều chính là hệ thống cung cấp năng lượng cho xe điện, nó đóng vai trò rất quan trọng trong xe điện, quyết định khả năng và thời gian hoạt động của xe Vấn đề về lưu trữ năng lượng của hệ thống cung cấp cũng chính là vấn đề chính làm cho

ô tô điện không được phát triển mạnh mẽ và phổ biến Trên ô tô điện hiện nay, người ta

sử dụng pin Lithium hoặc ắc quy chì - axit để làm nguồn lưu trữ tùy thuộc vào điều kiện

- Kiểm soát dòng điện, hiệu điện thế và nhiệt độ của pin trong quá trình hoạt động

- Kiểm soát tình trạng sạc và tình trạng sức khỏe của pin làm tăng tuổi thọ của nguồn cung cấp năng lượng

b Hệ thống chuyển đổi năng lượng

Hệ thống chuyển đổi năng lượng có nhiệm vụ thay đổi các đặc tính của dòng điện một chiều từ hệ thống cung cấp để phù hợp tính năng làm việc của động cơ điện và các tải Trên ô tô điện, hệ thống chuyển đổi năng lượng thường là bộ biến tần (DC/AC) Các

bộ chuyển đổi năng lượng thường được cấu tạo từ các thiết bị bán dẫn được điều khiển với độ chính xác cao

Trang 38

c Động cơ điện

Động cơ điện là bộ phận chấp hành, nhận năng lượng từ hệ thống cung cấp, tạo ra nguồn động lực giúp cho xe có thể di chuyển được Động cơ điện trên ô tô có thể dùng loại một chiều hoặc xoay chiều tùy thuộc vào các yêu cầu về thông số kỹ thuật

So với động cơ đốt trong, động cơ điện có nhiều ưu điểm hơn như: momen khởi động lớn, dải tốc độ hoạt động lớn, hiệu suất cao, không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, ở Việt Nam, do các vấn đề về lưu trữ năng lượng và bố trí trạm sạc nên ô tô điện vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn động cơ nhiệt

d Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển có chức năng giống như ECU của xe sử dụng động cơ nhiệt, điều khiển mọi hoạt động của ô tô thông qua các bộ điều khiển bộ phận chấp hành

Chẩn đoán và khắc phục lỗi của các hệ thống

Khắc phục các sự cố về quá dòng, quá áp, quá nhiệt, ngắn mạch… cho các bộ phận của ô tô

Điều khiển tốc độ và quá trình phanh tái sinh của động cơ phù hợp với yêu cầu thông qua bộ điều khiển động cơ Ngoài ra, nó còn có chức năng bảo vệ động cơ tránh hiện tượng quá dòng, áp, nhiệt …

e Các hệ thống tiêu thụ năng lượng khác

Các hệ thống khác bao gồm: điều hòa, trợ lực lái, ắc quy phụ, hệ thống đèn, tín hiệu

… Các hệ thống này có đặc điểm và vai trò như ở ô tô truyền thống Các hệ thống này trên xe chuyển đổi được giữ nguyên bản, sử dụng lại nguồn Ắc quy 12V riêng để giảm giá thành và thời gian thiết kế

1.2.4 Ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời

Ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời là ô tô điện sử dụng điện năng do các tấm pin năng lượng mặt trời cung cấp, các tấm pin này thường được bố trí trên trần hoặc thân xe

để có thể hấp thụ bức xạ mặt trời tốt nhất Các tấm pin chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng để cung cấp cho động cơ điện và các hệ thống trên xe Thông thường, có đến 51% bức xạ mặt trời truyền đến mặt đất Khi các photon của ánh sáng mặt trời tác động vào pin, nó kích thích các electron dịch chuyển và tạo nên dòng điện Pin năng lượng mặt trời thường được chế tạo từ các chất bán dẫn như silicon và hợp kim của indium, gallium

và nitơ Silicon là vật liệu thường dùng nhất, cho hiệu suất biến đổi năng lượng lên đến

15 – 20%

Trang 39

*Nguyên lý làm việc của ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời

Hình 1.24 Nguyên lý làm việc của ô tô sử dụng năng lượng mặt trời

Nguyên lý làm việc: Động cơ điện được cung cấp nguồn từ ắc quy, thông qua hệ thống truyền lực truyền momen tới bánh xe chủ động Động cơ được điều khiển bởi một

bộ điều khiển động cơ riêng biệt, nó lấy tín hiệu từ bàn đạp ga để xác định tốc độ tương ứng, để lùi xe dùng mạch đảo chiều dòng điện để đảo chiều quay động cơ Ắc quy được nạp điện từ hai nguồn: tấm pin năng lượng mặt trời và nguồn điện dân dụng Những hệ thống khác trên xe hoạt động tương tự như một chiếc ô tô bình thường

+ Bộ điều khiển sạc: Là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm pin mặt trời và hệ các bình ắc quy lưu trữ Nhiệm vụ chính của nó là điều khiển việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời

+ Động cơ điện: Cung cấp mô men cho bánh xe chủ động Có hai loại động cơ điện (motor) thông dụng sử dụng trên ô tô có sử dụng năng lượng mặt trời: Động cơ điện xoay chiều (AC) và động cơ điện một chiều (DC)

+ Bình điện (Ắc quy): Trên xe điện ắc quy là nguồn năng lượng chính, dùng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện và cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải khác ngay cả khi động cơ điện không làm việc

Trang 40

+ Pin mặt trời: Là loại pin phát sinh điện áp khi được chiếu sáng, nguồn điện để nạp cho ắc quy

+ Bộ điều khiển motor bằng điện tử: Mạch này có chức năng cấp dòng điều khiển động cơ điện chuyển động theo tốc độ mong muốn, đảm bảo đổi chiều động cơ điện cho trường hợp lùi xe, đảm bảo tương quan vận tốc của 2 bánh xe chủ động trong và ngoài khi xe quay vòng

Tiêu đề	Thiết Kế, Chế Tạo Mô Hình Xe Điện Sử Dụng Pin Mặt Trời Phục Vụ Học Tập
Tác giả	Hồ Trần Ngọc Anh
Người hướng dẫn	ThS. Hồ Trần Ngọc Anh
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Công nghệ Cơ khí
Thể loại	báo cáo tổng kết
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	4,7 MB