Nghiên cứu thiết kế máy phát điện chạy bằng khí biogas

C là nhiệt độ tốt nhất để để than hấp phụ. 2.2.4./Quy trình hệ thống xử lý khí H2S và khí CO2 Trên cơ sở lý thuyết [8], ta có thể hình thành dạng mô hình tháp hấp phụ như sau: Về quy trình xử lý công nghệ bao gồm: 1. Đường khí từ hầm chứa đi vào tháp. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 32 - 2. Đồng hồ đo áp suất khí. 3. Lưu lượng kế. 4. Tháp hấp phụ khí H2S. 5. Tháp hấp phụ khí CO2 . 6. Lưới đỡ vật liệu. 7. Đường ống dẫn đến máy phát. ™ Quy trình xử lý có thể được giải thích Khí Biogas từ hầm chứa được dẫn đến tháp hấp phụ bằng đường ống dẫn kín, ở đầu vào tháp sẽ có đồng hồ đo áp suất khí nhằm hiễn thị lượng khí hiện tại có thể cung cấp cho máy phát. Khí được đi qua tháp hấp phụ thứ nhất (4) có chứa các phoi sắt, H2S bị phoi sắt tác dụng phân hủy và giữ lại bên trong ống. Lượng khí sẽ tiếp tục đi qua tháp hấp phụ thứ hai (5) có chứa than hoạt tính, dưới tác dụng của các đặc tính hóa học, khí CO2 bị giữ lại, và ở đầu ra (7) ta thu được lượng khí Biogas với lượng tạp chất là bé nhất. ™ Mô hình tháp hấp phụ thực tế Từ việc nghiên cứu và tìm hiểu cách thức xử lý khí Biogas trên lý thuyết [5], [8], nhóm đã tính toán và quyết định thiết kế mô hình thực tế tháp như sau: + Về vật liệu nhóm chọn cũng là loại nhựa ống PVC có bán rộng rãi trên thị trường. + 2 ống có đuờng kính là Φ = 90mm và chiều cao ống là 0.6. + Vật liệu than và phoi sắt được bỏ đầy theo chiều cao của 2 ống. + Sau khi bỏ đầy 2 vật liệu vào ống, nhận thấy khối lượng than cần là 3kg và khối lượng phoi sắt là 1.5kg. Để lượng khí đã qua lọc được dồi dào hơn, nhóm đã thiết kế thêm 1 bình dự trữ khí trước khi đưa vào máy phát. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 33 - Lượng khí sau khi ra ta có thể kiểm tra bằng nhiều cách, để dễ dàng nhất thì ta thực nghiệm bằng cách đốt cháy khí, ta sẽ dễ dàng nhận biết được thông qua ngọn lửa đốt cháy. Ngọn lửa có màu xanh đặc trưng và khi nung nóng kim loại không tạo thành vết đen thì ngọn lửa này được xem là lượng khí Biogas đạt tiêu chuẩn sau khi lọc có khả năng đưa vào buồng cháy máy phát. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 34 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN KHÍ BIOGAS VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 35 - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN KHÍ BIOGAS VÀO MÁY PHÁT ĐIỆN 3.1./Tìm hiểu nguyên lý và một số đặc điểm máy phát 3.1.1./Giới thiệu một số chủng loại máy phát Máy phát để sử dụng chạy được khí Biogas thì có rất nhiều loại như máy phát chạy bằng xăng, dầu hay các nhiên liệu hóa lỏng…. thì đều được, tùy thuộc vào người thiết kế mong muốn. Ở đây máy phát được chọn để làm trong đề tài là loại máy phát chạy thuần túy bằng xăng được bán rộng rãi trên thị trường. Máy phát điện sách tay loại công suất nhỏ Máy phát điện công suất cỡ trung bình Máy phát điện công suất lớn (công nghiệp) GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 36 - Tất cả các chủng loại công suất máy phát như trên đều có thể hoạt động chính bằng khí Biogas để sản sinh ra điện năng. Tuỳ thuộc vào hãng sản xuất hoặc công suất của máy mà cơ cấu để đưa nguồn khí Biogas vào hoạt động chính sẽ có sự khác biệt về kích thước, đường kính và lỗ chân không của họng khí, nhưng tất cả đều nhằm mục đích hoà trộn tỷ lệ khí thiên nhiên và khí Biogas có tỷ lệ thích hợp nhất trước khi đưa vào buồng đốt. ™ Đặc điểm chủng loại máy phát được chọn Trong đề tài này nhóm chọn loại máy phát dành cho gia đình có công suất cỡ nhỏ 550W và được thể hiện ở hình 3-1. Máy phát hiệu Honda của Nhật Bản, máy ban đầu chạy bằng xăng sau đó mới cải tạo chuyển sang chạy bằng khí Biogas. Điện áp ra là 220V và tần số là 50Hz, tốc độ làm việc ổn định của máy phát là 1500V/phút. Trước tiên ta sẽ tìm hiểu về cơ cấu chế hoà khí của máy phát chạy ban đầu bằng xăng. 3.1.2./Tìm hiểu hoạt động bộ chế hoà khí máy phát điện Bộ chế hòa khí máy phát có nhiệm vụ trộn không khí với nhiên liệu theo một tỉ lệ thích hợp và cung cấp hỗn hợp này cho động cơ đốt trong, hoạt động theo nguyên tắc hoàn toàn cơ học. Nếu tỉ lệ nhiên liệu và gió được điều chỉnh không chuẩn sẽ dẫn đến hiện tượng khó khởi động cho máy hoạt động. Sau đây là hình vẽ cơ cấu bộ chế hoà khí: GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 37 - Bộ chế hoà khí máy phát, động cơ nổ, hay các xe máy hiện nay về nguyên lý hoạt động và cơ cấu của nó đều có điểm tương đồng như nhau. Về Nguyên lý cơ bản giải thích như sau [9]: Đầu tiên, xăng được chuyển vào buồng phao (float chamber) thông qua ống dẫn đầu vào (feed pipe)và đường dẫn nhiên liệu (fuel inlet). Khi khoang chứa đã nạp đầy đến một mức độ nhất định, phao và kim chỉ van nâng lên và việc nạp nhiên liệu được ngưng lại. Khi piston chuyển động xuống dưới xi lanh, áp suất trong xi lanh giảm xuống. Áp suất của khí quyển sẽ đẩy không khí vào trong bộ chế hòa khí. Đó là nơi mà không khí sẽ được trộn với một lượng xăng thích hợp từ buồng phao để tạo ra hổn hợp xăng + không khí, tỷ lệ xăng/không khí thông thường vào khoảng 1g xăng/14,7g không khí. Nếu lượng xăng> 1g/14,7g không khí hỗn hợp được gọi là hỗn hợp giàu, được dùng khi máy phát hay động cơ khởi động hoặc đang tăng ga, tăng tải. Nếu động cơ hay máy phát luôn hoạt động trong trạng thái hỗn hợp giàu sẽ sinh ra hiện tượng đống muội đen trong buồng đốt, bugi và ống xả, hiệu suất sử dụng nhiên liệu giảm, "ăn xăng". Nếu lượng xăng< 1g/14,7g không khí hỗn hợp được gọi là hỗn hợp nghèo, sinh ra do điều chỉnh các thông số bị sai lệch, các đường nạp xăng bị bẩn hoặc tắt. Nếu động cơ hay máy phát hoạt động trong trạng thái hỗn hợp nghèo GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 38 - công suất giảm, lực moment giảm (động cơ bị yếu) sinh ra hiện tượng đóng trắng trong buồng đốt và bugi. Đó là nguyên lý hoạt động chính của bộ chế hoà khí hoạt động hoàn toàn bằng cơ học. Ngoài ra với tốc độ phát triễn các vi mạch hiện nay, một bộ điều chế hoà khí bằng điện tử đã ra đời [13](máy chạy bằng xăng). Loại phun xăng bằng điện tử EFI đang có xu hướng phát triển mạnh những năm gần đây. Ưu điểm lớn nhất của phun xăng điện tử là tạo nên hòa khí có tỷ lệ lý tưởng ở tất cả các xi-lanh với mục tiêu của tất cả các chế hòa khí là tạo nên một hòa khí có tỷ lệ khối lượng tối ưu giữa không khí và nhiên liệu là 14,7:1. Với những hòa khí đạt tỷ lệ trên, nó sẽ cháy hoàn toàn. Một hỗn hợp nào đó có tỷ lệ thấp hơn được gọi là "giàu" do có quá nhiều nhiên liệu so với không khí. Ngược lại, hỗn hợp đó được coi là "nghèo". Hỗn hợp giàu sẽ không cháy hết do thừa nhiên liệu và gây hao xăng. Trong khi đó, hỗn hợp nghèo không sinh ra công tối đa, khiến động cơ làm việc yếu và thiếu ổn định. Để thực hiện điều này, bộ chế hòa khí phải kiểm soát được lượng không khí đi vào động cơ và thông qua đó cung cấp một lượng nhiên liệu phù hợp. Do vận hành tự động nên hệ thống EFI cần có các thông số để điều khiển kim phun đóng mở trong khoảng thời gian sao cho lượng nhiên liệu vừa đủ để tạo nên hỗn hợp lý tưởng. Các thông số cần thiết để EFI hoạt động ổn định GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 39 - là góc quay và tốc độ trục khuỷu, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát, tỷ lệ hỗn hợp, nồng độ oxy ở khí thải... Những số liệu này được thu thập từ các cảm biến đặt khắp nơi trong động cơ.[13] Ưu nhược điểm phổ biến của phun xăng điện tử EFI đã chứng tỏ ưu điểm lớn của nó. Khác với chế hòa khí, EFI mà đặc biệt là loại đa điểm MFI có thể tạo nên những hòa khí có tỷ lệ gần ngưỡng lý tưởng ở tất cả các xilanh, tùy theo điều kiện vận hành của chúng. Điều này có nghĩa hòa khí ở các buồng đốt đều cháy hết, qua đó sinh công tối đa trong khi lượng nhiên liệu tiêu thụ ở mức vừa đủ. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm khi hỏng hóc, người vận hành phải đem đến nơi chuyên môn để xác định nguyên nhân và nếu hoạt động với xăng kém chất lượng sẽ làm ảnh hưởng đến đầu kim phun xăng. Trên cơ sở nguyên lý hoạt động của bộ chế hoà khí chạy bằng xăng, ta cũng có thể hiểu được rằng trước khi nhiên liệu vào buồng cháy của động cơ thì tỷ lệ khí thiên nhiên và nhiên liệu đốt phải được hoà trộn với tỷ lệ thích hợp. 3.1.3/Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy phát Để đưa được khí Biogas vào buồng cháy của máy phát ta có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau, có thể thay bộ chế hoà khí cũ bằng một bộ chế hoà khí khác dành riêng cho nguyên liệu Biogas hoặc ta có thể giữ nguyên bộ chế hoà khí cũ, thiết kế thêm 1 số chi tiết để đưa lượng khí vào phù hợp hoặc ta có thể sử dụng bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng có trên thị trường [3]. Để đơn giản hoá nhóm đã chọn phương án giữ nguyên bộ chế hoà khí của máy phát cũ, thiết kế thêm 1 chi tiết để đưa lượng khí Biogas vào họng máy, đường cung cấp xăng và các lỗ thông hơi cũ không cần thiết được bit kín nhằm giảm bớt lượng không khí thiên nhiên không cần thiết khi hoạt động đưa vào máy phát đồng thời tạo ra được áp suất mạnh hơn trong xylanh, và cho bướm ga điều khiển bằng cơ ban đầu mở cố định là tối đa. Với phương pháp này ta cũng có thể dễ dàng chuyển máy về chạy bằng xăng khi lượng khí Biogas ngặt nghèo. ™ Đặc điểm cung cấp nhiên liệu cho máy phát GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 40 - Hoạt động của máy phát sau khi được cãi tạo có đặc điểm cung cấp nhiên liệu như sau: - Khí Biogas sẽ là nguồn nguyên liệu chính quyết định đến hoạt động của máy phát. - Nếu lượng khí cung cấp giảm, tốc độ máy phát sẽ giảm dẫn đến giảm điện áp và giảm công suất của máy. Và ngược lại nếu lượng khí là dồi dào. - Ngoài ra để cho quá trình mồi máy được dễ dàng hơn, ta có thể cho 1 lượng nhỏ xăng vào bộ chế hoà khí của máy (bình xăng con của bộ chế hoà khí cũ). Với đặc điểm cung cấp nhiên liệu như vậy, khi thiết kế đường dẫn khí đưa vào máy phát phải được tính toán nhằm cung cấp đủ lượng khí, đồng thời tỷ lệ khí thiên nhiên và khí Biogas được thích hợp nhất. ™ Hình ảnh thiết kế chi tiết Bộ chế hoà khí ban đầu của máy được giữ nguyên và họng của bộ chế hòa khí có đường kính bên trong đo được là Φ = 16mm. Giữa bộ chế hoà khí với máy phát được liên kết với nhau thông qua 2 thanh ốc. Hai thanh ốc này được bắt cố định vào máy phát. Thanh ốc có chiều dài là 60mm, đường kính Φ = 6mm. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 41 - Với những đặc điểm đo được từ bộ chế hòa khí máy phát, nhóm đã thấy rằng bộ chế hòa khí liên kết với máy phát trên thanh ốc vẫn còn một khoảng cách. Tận dụng khoảng trống trên thanh ốc nhóm đã quyết định thiết kế thêm 1 chi tiết có dạng hình vuông được gia công từ nhựa cứng, có khả năng chịu nhiệt cao. Với họng vào buồng cháy bằng họng của máy là Φ = 16mm, bề dày chi tiết là Φ = 10mm, kèm thêm 2 lỗ Φ = 6mm để cố định chi tiết với thân máy. Các lỗ và họng này phải được đồng tâm theo bộ chế hoà khí và thân của máy phát. Với chi tiết này thì bộ chế hòa khí của máy phát sẽ không có gì thay đổi và hoàn toàn được giữ nguyên như lúc ban đầu. Và chi tiết lúc này có thể hiểu là một khớp nối giữa bộ chế hòa khí và máy phát. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 42 - Họng ống cung cấp khí Biogas được tính toán theo các số liệu sau [2]: GB = μh . fh . WB . pB Trong đó: GB là mối quan hệ giữa tiết diện họng và lưu lượng khí. μh là hệ số lưu lượng của họng, ta có thể chọn μh = 0,85. fh tiết diện của họng và fh = π.dh2/4. pB là khối lượng riêng của khí biogas và pB = 0,8808kg/m2. WB tốc độ dòng khí Biogas và được tính theo biểu thức: )( 2 Bh B B ppp W +Δ= Với ∆ph là độ chân không tại họng. PB là áp suất của biogas và pB = 35mmH2O. Trên cơ sở các số liệu trên [2] ta có thể tính toán họng cung cấp khí cho máy phát. Trên thực tế lưu lựơng khí Biogas trước khi vào bộ chế hoà khí máy phát phải đi qua 1 van khí, lưu lượng khí sẽ phụ thuộc vào mức độ đóng mở của van này do đó nếu đường kính họng cung cấp khí Biogas lớn hơn theo tính toán cũng sẽ không làm ảnh hưởng đến quá trình cung cấp khí cho máy, ta có thể được chọn theo một số tài liệu đưa ra kinh nghiệm thiết kế như sau: đường kính cấp khí Φ = 6mm ứng với máy có họng khí Φ = 16mm (máy cỡ 1HP trở xuống), Φ = 10mm với máy dưới 10HP, Φ = 12mm trở lên ứng với các máy trên 10PH. Nhóm đã chọn thiết kế đường kính cung cấp khí biogas cho máy phát là Φ = 6mm. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 43 - Khi tính toán và thiết kế xong, chi tiết sẽ được kẹp giữa máy phát và bộ chế hoà khí, trình bày như hình bên dưới. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 44 - Phần thiết kế chi tiết đưa khí Biogas vào máy phát 2 mặt tiếp xúc 2 bên phải được mài bằng và nhẵn đồng thời phải được ép cứng cố định giữa bộ chế hoà khí và thân máy phát nhằm tránh lỗ hở gây nên giảm lực hút áp suất trong xylanh của máy phát, dẫn đến khó đạt được hiệu suất mong muốn. 3.2./Nguyên lý hoạt động hệ thống dẫn khí Sơ đồ bố trí các van, đường ống dẫn khí được bố trí như hình bên dưới. ™ Nguyên lý hoạt động của hệ thống Nhiên liệu từ hầm chứa khí Biogas, sau khi qua 2 tháp hấp phụ CO2 và H2S được đưa đến hệ thống trên, đến đây khí Biogas sẽ được chia thành 2 nhánh để đi vào máy phát. Với nhánh dẫn khí thứ 1 là nhánh đi qua van giảm áp, nhánh này nhằm phục vụ cho quá trình khởi động máy và chạy ổn định ở chế độ không tải 220V-50Hz thông qua 1 van giảm áp được điều chỉnh trước với lượng khí phun một mức ổn định không đổi (tức mức cho máy chạy xấp xỉ bằng 220V). Nhánh 2 gồm 1 van điều khiển bằng điện (ban đầu trạng thái đóng) và làm việc theo đặc tính sự thay đổi của tải. Khi có sự chuyển biến về tải, số lượng tải tăng lên, điện áp ra của máy lúc này sẽ không còn giữ ổn định với điện áp 220V như mong muốn. Dựa vào đặc tính: khi tải tăng, điện áp giảm kéo theo tốc độ động cơ giảm theo, nhóm đã thiết kế thêm bộ đo tần số quay để đọc số vòng quay trong lúc hoạt động của máy (bộ GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 45 - đo sẽ được trình bày phần bộ điều tốc). Tín hiệu tần số quay của máy phát sẽ được đưa đến 1 board điều khiển, board mạch này làm nhiệm vụ đọc tín hiệu vào, so sánh với tín hiệu điện áp chuẩn, điều khiển ngõ ra và hiển thị số vòng quay. Khi tín hiệu đưa đến mạch điều khiển tín hiệu ngõ ra sẽ điều khiển độ đóng mở 1 van điện và hoạt động theo nguyên tắc sau: - Nếu tần số quay của máy phát nhỏ hơn tần số quay chuẩn của mạch điện thì tín hiệu ngõ ra sẽ điều khiển van sao cho tăng thêm lượng khí Biogas đi vào máy phát. (Xác định tần số chuẩn của mạch điện được trình bày trong chương 5 thực nghiệm). - Nếu tần số quay của máy phát lớn hơn tần số chuẩn của mạch (lúc giảm dần tải) thì tín hiệu ngõ ra sẽ điều khiển đóng van, giảm bớt lượng khí Biogas vào máy. - Khi tần số nằm trong phạm vi cho phép thì van giữ nguyên vị trí. Như vậy nhánh thứ 1 cung cấp khí Biogas cho chế độ chạy không tải, đồng thời là nguồn cung cấp ban đầu cho board điều khiển. Nhánh thứ 2 sẽ làm việc khi có sự thay đổi của tải. Do đó người vận hành chỉ cần mở van khí bằng tay, đề máy và nhấn nút trên board điều khiển để tự động điều áp. ™ Cơ cấu hoạt động xylanh trong máy phát Ta có thể tìm hiểu thêm khi đưa khí vào và hoạt động bên trong xylanh 4 thì như sau [11]: GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 46 - Máy phát đề tài sử dụng hoạt động theo nguyên lý động cơ đốt trong. Nguyên liệu cháy (khí Biogas) đưa được đến bộ chế hoà khí máy phát, khi đề ba (kéo dây đề hoặc mạch điện kích) làm pittong chuyển động tạo ra áp suất bên trong và pittong có xu hướng đi xuống hút khí vào. Hỗn hợp cháy sẽ được đưa vào buồng cháy, khi pistông chuyển động đến điểm chết trên (chạm vào bugi) lúc này sẽ tạo ra tia lửa điện, tia lửa này gặp hỗn hợp cháy và đốt cháy nguyên liệu trong buồng cháy. Khi đốt cháy, nhiệt độ tăng lên làm cho khí đốt bị giãn nở, tạo ra áp suất đủ lớn để đẩy pistong hoạt động liên tục, từ chuyển động lên xuống của pistong được chuyển thành chuyển động quay tròn để quay trục rotor máy phát sinh ra điện năng. Như vậy nếu hỗn hợp cháy (ở đây dùng khí Biogas) vào buồng cháy càng nhiều thì nhiệt độ sinh ra càng lớn, áp suất đẩy pistong càng nhanh, tốc độ máy phát sẽ cao và sinh ra điện áp lớn. Và ngược lại nếu hỗn hợp cháy vào buồng cháy càng ít, thì nhiệt lượng sinh ra áp suất để đẩy pisttong sẽ giảm, lúc này máy phát quay chậm và điện áp giảm theo. Trường hợp giả sử không có hỗn hợp cháy được đưa vào buồng cháy, khi kích bằng mạch điện hoặc dùng tay kéo, pistong vẫn tạo ra lực hút khí ban đầu nhưng không có chất tạo ra nhiệt trong buồng cháy, pistong sẽ không tiếp tục hoạt động được. Như vậy khí Biogas là nguồn nhiên liệu quyết định đến tốc độ, điện áp ngõ ra của máy phát. 3.3./Thiết kế van điều tiết lượng khí Biogas cho máy phát Nhằm mục đích điều tiết được lượng khí vào buồng cháy máy phát, ổn định được tốc độ động cơ, giữ nguyên mức áp đặt đầu ra. Trên cơ sở lý thuyết nhóm đã hình thành được 2 phương án sau: 3.3.1./Bố trí các van điều tiết khí song song với nhau GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 47 - Sơ đồ được bố trí các van song song với nhau, khi khí đã qua hệ thống lọc sẽ được đưa đến hệ thống van khí, lượng khí vào máy phát nhiều hay ít là tùy thuộc vào việc đóng mở các van. Tương ứng nếu tải đang cần là lớn thì số lượng van mở sẽ nhiều, ngược lại nếu tải tiêu thụ là bé thì số lượng van mở là ít. Mỗi khi kích mở 1 van, tiết diện đầu van mở lưu lượng khí đi qua phải được tính toán (giả sử mỗi lần mở áp ra máy phát tăng 5%) lúc này sẽ tuỳ thuộc vào công suất từng loại máy mà tính toán tiết diện cho phù hợp. ™ Đặc điểm của van - Van được chọn là loại van không tuyến tính. - Nguồn sử dụng là nguồn 24V DC. - Lượng khí đi qua mỗi van cần là bé. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 48 - 3.3.2./Sử dụng van điều khiển khí là loại van tuyến tính Van tuyến tính là loại van hoạt động được bằng cách ta thay đổi tín hiệu điện áp hoặc dòng điện đặt vào nguồn van. Van tuyến mỗi loại có ưu nhược điểm khác nhau. Nếu sử dụng loại van này ta có thể điều tiết được lượng khí bằng cách thay đổi tín hiệu, áp hoặc dòng đặt vào nguồn của nó. Như hình 3-14 là sơ đồ mặt cắt của 1 van tuyến tính [2], nó hoạt động được là nhờ vào sự chuyển động của động cơ DC có nguồn là 12V, động cơ này được điều khiển theo tín hiệu là tín hiệu xung PWM. Khi có tín hiệu xung vào động cơ, làm động cơ quay, do bánh răng của động cơ DC đặt khớp với bánh răng cơ cấu chuyển động (dạng vítme), nên khi động cơ quay kéo theo làm di chuyển thanh lên xuống. Xung đưa vào động cơ càng nhiều, điện áp đặt vào van tuyến tính càng thay đổi, dẫn đến độ mở họng van tuyến tính càng to ra. Để có giới hạn về mức max, min của van người ta đã bố trí thêm 2 công tắc giới hạn. Trên cơ sở thực tế nhóm sử dụng van GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 49 - tuyến tính để điều khiển lưu lượng khí, phương pháp này đòi hỏi phần cứng và lập trình cao hơn nhưng lại có được độ chính xác cao. Qua quá trình thực nghiệm, khảo sát thực tế trên thị trường Việt Nam, van tuyến tính để đáp ứng được yêu cầu đề tài rất khó tìm và có giá thành đắt. Để giải quyết cho vấn đề đó nếu trong quá trình tính toán họng cung cấp khí của van được tính toán kỹ thì ta có thể sử dụng van tuyến tính tự chế hoặc sử dụng các van từ mắc song song đóng ngắt bình thường đều được. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 50 - CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG DẪN KHÍ BIOGAS VÀO MÁY PHÁT ĐIỆN 4.1./Thiết kế bộ đo tốc độ cho máy phát điện Nhằm mục đích tự động điều chỉnh tốc độ động cơ ổn định ở một giá trị cho trước, nhóm đã sử dụng phương án bộ điều tốc bằng điện tử với bộ so sánh tần số quay của đầu trục động cơ với tần số chuẩn trong mạch điện. ™ Xác định tần số quay động cơ Với công nghệ phát triển mạnh như hiện nay thì việc đo được tốc độ động cơ có rất nhiều cách, thông dụng nhất là dùng encorder [12]. Do tốc độ quay máy phát có thể là rất lớn khi tải cần dòng cao, do đó encoder phải có độ chính xác và tính năng cao về tốc độ [14]. Encoder sẽ thu tín hiệu quay đầu trục máy phát, đưa đến bộ điều khiển trung tâm để xuất tín hiệu điều khiển van khí đầu vào. Do đặc điểm của máy, phương án nhóm đưa ra dùng 1 đĩa tròn được gắn cố định với trục quay của máy phát, khi máy phát quay thì đĩa tròn này cũng quay theo. Trên đĩa có đục 1 lỗ, lỗ tròn này tạo cho led phát hồng ngoại có thể chiếu đến được đầu của led thu. Ứng với một vòng ta sẽ nhận được một tín hiệu. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 51 - Khi vòng quay đến điểm led phát và led thu thấy được nhau, tín hiệu sẽ qua OpAmp so sánh và được đưa đến chân P3.2 của mạch điều khiển. 4.2./Thiết kế board mạch điều khiển Để có thể tự động ổn định được điện áp ra máy phát, đòi hỏi phải mạch so sánh, xử lý tín hiệu làm việc và tín hiệu chuẩn đã định sẵn. Một board mạch dùng Vi Xử Lý đã được thiết kế nhằm đảm nhận nhiệm vụ đọc tín hiệu vào của đầu trục động cơ (vòng quay), so sánh và xuất tín hiệu ra điều khiển cho van tiết lưu. Tham khảo từ [15] nhóm đã chọn phương án sử dụng IC89V51 của hãng Phillip được lập trình để điều khiển hệ thống. Trên cơ sở thiết kế để có thể biết được tốc độ quay của động cơ rõ ràng hơn, nên nhóm đã thiết kế thêm 4 led 7 đoạn để hiển thị thông số tốc độ động cơ. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 52 - 12 VD C C 9 3 3p F 0 P2 .0 5V D C P2 .6 PW M _2 C 15 22 00 uF P0 .1 C 12 1u F R 25 33 0 R 9 1K /1 W 0 P3 .6 P1 .5 LS 1 R EL AY 8 C H AN 7 5 6 2 4 3 1 8 R 23 1K SW 3N U T 2 IS O 1 PC 62 1 1 2 4 3 IS O 2 O PT O P C 62 1 1 2 4 3 D 6 LE D D 4 Le d Ph at 5V D C P3 .3 5V D C P3 .5 R 18 33 0 C 5 22 00 uF P2 .3 R 21 1K P1 .3 D 20 LE D Q 8 D 46 8 -+ U 3A LM 32 4 3 2 1 4 11 R 24 1K D 12 D IO D E J5 D IEN TRO THANH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Q 3 A1 01 5 0 HI P0 .5 P3 .2 P2 .3 0 P2 .0 J4 D IEN TRO THANH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5V D C U 8 Le d 7 D oa n 124 5 7 109 3 6 8 edc . a gf Vcc b Vc PW M _1 P2 .7 P0.0 IS O 3 PC 62 1 1 2 4 3 5V D C P2 .5 R 8 1K 12 VD C 12 VD C P3 .1 P3 .0 C 11 1 uF R 28 33 0 HI P2 .5 P0 .4 P0 .3 P1 .7 P2 .1 0 D 2 LE D C 8 33 pF 5V D C D 8 Y EL LO W R ST R 13 1 K 5V D C 0 P0 .7 P0 .5 Q 5 A1 01 5 C 10 1 uF D 5 Le d Th u P3 .7 - + D 19 5A 2 1 3 4 R 12 1K 0 P2 .6 P3 .6 P2 .6 P2 .2 P1 .2 5V D C P0.1 U 6 Le d 7 D oa n 124 5 7 109 3 6 8 edc . a gf Vcc b Vc J3 DIEN TRO THANH 123456789 P2 .3 P2 .2 EA P1 .6 PW M _2 U 7 Le d 7 D oa n 124 5 7 109 3 6 8 edc . a gf Vcc b Vc P1 .0 R ST P3 .1 P1 .2 12 VD C P1 .7 D 9 G R EE N P2 .2 J6 12 VA C 12 R 20 33 0 C 4 22 00 uF Q 6 IR F5 40 LO P2 .2 R 1 33 0 R 7 1K P2 .0 R 17 33 0 P0 .7 P2 .6 D 7 R ED 0 R 291 K Q 9 D 46 8 R 15 1 K R 10 1K P0 .6 P2 .0 C 16 10 4 P2 .6 SW 1 R ES ET P0 .2 P3 .7 R 16 1K P2 .0 P2 .1 C 17 10 4 R 11 1K 5V D C SW 2 N U T 1 D 13 LE D C 7 10 uF P2 .7 5V D C P0 .0 P1 .0 U 9 Le d 7 D oa n 124 5 7 109 3 6 8 edc . a gf Vcc b Vc P1 .4 P2 .6 5V D C 5V D C P0 .2 P1 .3 12 VD C 5V D C 0 P0 .4 Q 2 A1 01 5 LO P2 .4 P3 .5 D 14 LE D P2 .5 J7 N O ÁI C O M 9123 D 3 LE D D 18 D IO D E P1 .1 P1 .2 P2 .1 P3 .3 P0 .1 5V D C Q 1 B6 88 LO P3 .1 R 6 1K HI P3 .0 R 4 1K R 19 33 0 C 2 10 4 C 1 10 4 P0 .0 P0 .5 P2 .4 P2 .2 0 5V D C EA P2 .3 P2 .2 P2 .4 Q 7 IR F5 40 Q 4 A1 01 5 PW M _1 P0 .4 P2 .4 P2 .1 P2 .5 P2 .1 P1 .6 J9 M ot or D C 2 1 2 C 3 22 00 uF R 271 K P3 .2 5V D C R 2 1 K D 16 LE D J8 M ot or D C 1 1 2 12 VD C U 4 89 V5 1 29 30 40 20 31 1918 9 39 38 37 36 35 34 33 32 1 2 3 4 5 6 7 8 2122232425262728 10 11 12 13 14 15 16 17 PS EN AL E VCC GND EA X 1X2 R ST P0 .0 /A D 0 P0 .1 /A D 1 P0 .2 /A D 2 P0 .3 /A D 3 P0 .4 /A D 4 P0 .5 /A D 5 P0 .6 /A D 6 P0 .7 /A D 7 P1 .0 P1 .1 P1 .2 P1 .3 P1 .4 P1 .5 P1 .6 P1 .7 P2 .0 /A 8 P2 .1 /A 9 P2 .2 /A 10 P2 .3 /A 11 P2 .4 /A 12 P2 .5 /A 13 P2 .6 /A 14 P2 .7 /A 15 P3 .0 /R XD P3 .1 /T XD P3 .2 /IN T0 P3 .3 /IN T1 P3 .4 /T 0 P3 .5 /T 1 P3 .6 /W R P3 .7 /R D LS 2 R EL AY 8 C H AN 7 5 6 2 4 3 1 8 P1 .4 P3 .4 D 11 LE D P3 .7 J1 12 VA C12 Y 1 12 M P2 .3 P2 .3 P0 .3 R 26 1K C 14 10 4 HI P3 .2 P0 .7 5V D C U 5 M AX 23 2 1 3 45 16 15 2 6 129 1110 13 8 14 7 C 1+ C 1- C 2+ C 2- VCC GND V+ V- R 1O U T R 2O U T T1 IN T2 IN R 1I N R 2I N T1 O U T T2 O U T U 1 78 05 1 2 3 VI N GND VO U T R 14 1 K P0 .6 R 22 33 0 - + D 1 D IO D E C AU 5 A 2 1 3 4 IS O 4 PC 62 11 2 4 3 P2 .4 R 3 1K HI D 17 D IO D E 0 P2 .4 P3 .5 P2 .5 R 30 1 K D 15 D IO D E M AX 0 P3 .0 C 13 1u F P0 .6 5V D C P2 .5 C 6 10 4 0 P1 .4 P3 .4 P2 .1 P1 .0 P1 .1 - + D 10 D IO D E 5A2 1 3 4 J2 DIEN TRO THANH 123456789 P2 .0 P0.2 P1 .6 J1 0 24 VA C 12 R 5 10 K P1 .5 U 2 78 12 1 2 3 VI N GND VO U T Hình 4-3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 53 - ™ Khối nguồn nuôi mạch điều khiển: Mạch nguồn được qua bộ nắn cầu Diode chỉnh lưu xoay chiều thành 1 chiều, qua LM 7805 đảm bảo điện áp 5V cấp cho Vi Xử Lý hoạt động ổn định, và LM 7812 cấp điện áp 12V nuôi IC OpAm LM324. Tụ một chiều sẽ giúp nắn điện áp DC được bằng phẳng hơn và tụ xoay chiều tránh nhiễu từ trường bên trong. Ngoài ra mạch gắn thêm B688 có bộ tản nhiệt giúp đảm bảo được dòng điện cấp cho mạch điều khiển khi cần lớn. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 54 - ™ IC MAX 232 nạp IC89V51: Max 232 là loại IC được nạp thông qua cổng nối tiếp COM 9 chân, với phương pháp nạp này thì lỗi của đường truyền sẽ xảy ra ít hơn. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 55 - ™ Khối hiển thị thông số: Để hiển thị thông số tốc độ của động cơ nhóm quyết định sử dụng led 7 đoạn, và là loại led Anod chung với điện áp 5V. Tốc độ hiển thị là vòng/giây nếu tính ra phút ta lấy số hiển thị nhân với 60. Ngoài ra còn có thêm 3 led đơn xanh, vàng, đỏ để thể hiện tốc độ máy phát đang trong trình trạng nào. ™ Khối nhận tín hiệu số vòng quay: GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 56 - Đặc điểm led phát phát ra tia hồng ngoại mà mắt người không thấy được, led thu sử dụng là loại led 2 chân có hình dạng màu đen. Bình thường điện trở nội bên trong led thu là rất lớn, khi led nhận được tín hiệu từ led phát điện trở nội sẽ giảm, lúc này áp đặt vào chân số 3 (+) sẽ bé hơn áp đặt vào chân số 2 (-) của Opamp so sánh LM324. Tín hiệu ngõ ra sẽ là mức 0 đưa đến vi điều khiển. ™ Khối điều khiển van khí: Hình 4-12 : Khối điều khiển van khí Phương pháp dùng để điều khiển van là phương pháp điều khiển độ rộng xung (PWM). Lúc này ta phải sử dụng đến chức năng điều xung đặc biệt của IC 89V để kích vào chân G của FET trường. D13 LED R22 330 R24 1K R23 1K PWM_1 P1.4 5VDC ISO3 PC621 1 2 4 3 H I R20 330 J8 Motor DC 1 1 2 PWM_1 C16 104 H I P1.2 ISO1 PC621 1 2 4 3 R21 1K D15 DIODE MAX 5VDC LS1 RELAY 8 CHAN 7 5 6 2 4 3 1 8 Q6 IRF540 H I Q8 D468 D12 DIODE D11 LED GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 57 - 4.2.1./Tìm hiểu thông số đặc điểm kết nối chân IC89 [15] IC làm nhiệm vụ đọc tín hiệu, xử lý thông tin, xuất điều khiển van. Và có đặc điểm thông số cơ bản sau: • 8 KB ROM. • 256 byte RAM. • 4 cổng xuất nhập (I/O) 8-bit. • 3 bộ định thời 16-bit. • 64 KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng. • 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng. • Một bộ xử lý bit thao tác trên các bit đơn. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 58 - Các chân IC được ghi chú kết nối như sau: Chân VCC: Chân số 40 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển. Nguồn điện cấp là +5V±0.5. Chân GND: Chân số 20 nối GND(hay nối Mass). Khi thiết kế cần sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản là sử dụng IC ổn áp 7805. Port 0 (P0): Port 0 gồm 8 chân (từ chân 32 đến 39) có hai chức năng: Chức năng xuất/nhập: các chân này được dùng để nhận tín hiệu từ bên ngoài vào để xử lí, hoặc dùng để xuất tín hiệu ra bên ngoài, chẳng hạn xuất tín hiệu để điều khiển led đơn sáng tắt. Chức năng là bus dữ liệu và bus địa chỉ (AD7-AD0): 8 chân này (hoặc Port 0) còn làm nhiệm vụ lấy dữ liệu từ ROM hoặc RAM ngoại (nếu có kết nối với bộ nhớ ngoài), đồng thời Port 0 còn được dùng để định địa chỉ của bộ nhớ ngoài. Port 1 (P1): Port P1 gồm 8 chân (từ chân 1 đến chân 8), chỉ có chức năng làm các đường xuất/nhập, không có chức năng khác. Port 2 (P2): Port 2 gồm 8 chân (từ chân 21 đến chân 28) có hai chức năng: Chức năng xuất/nhập. Chức năng là bus địa chỉ cao (A8-A15): khi kết nối với bộ nhớ ngoài có dung lượng lớn, cần 2 byte để định địa chỉ của bộ nhớ, byte thấp do P0 đảm nhận, byte cao do P2 này đảm nhận. Port 3 (P3): Port 3 gồm 8 chân (từ chân 10 đến 17): Chức năng xuất/nhập. Với mỗi chân có một chức năng riêng thứ hai như trong bảng sau: Bit Tên Chức năng P3.0 RxD Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếp P3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp P3.2 INT0 Ngõ vào ngắt cứng thứ 0 P3.3 INT1 Ngõ vào ngắt cứng thứ 1 GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 59 - P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 0 P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 1 P3.6 WR Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài P3.7 RD Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bên ngoài P1.0 T2 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 2 P1.1 T2X Ngõ Nạp lại/thu nhận của Timer/Counter thứ 2 Chân RESET (RST): Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển. Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trị ban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy. Chân XTAL1 và XTAL2: Hai chân này có vị trí chân là 18 và 19 được sử dụng để nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối với thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định. Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN: PSEN (program store enable) tín hiệu được xuất ra ở chân 29 dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài. Chân này thường được nối với chân OE (output enable) của ROM ngoài. Khi thực thi một chương trình ở ROM nội, chân này được duy trì ở mức logic không tích cực (logic 1). (Không cần kết nối chân này khi không sử dụng đến) Chân ALE (chân cho phép chốt địa chỉ-chân 30): Khi Vi điều khiển truy xuất bộ nhớ từ bên ngoài, port 0 vừa có chức năng là bus địa chỉ, vừa có chức năng là bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ. Tín hiệu ở chân ALE dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và các đường dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt. Ghi chú: khi không sử dụng có thể bỏ trống chân này. Chân EA: Chân EA dùng để xác định chương trình thực hiện được lấy từ ROM nội hay ROM ngoại. Khi EA nối với logic 1(+5V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ bộ nhớ nội. Khi EA nối với logic 0(0V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ bộ nhớ ngoại. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 60 - Thông tin tốc độ quay chuẩn của động cơ có thể được hiển thị trên led 7 đoạn hoặc màn hình LCD. 4.2.2./Giải thuật chương trình Hình 4-15 : Sơ đồ giải thuật ™Thuật toán của chương trình điều khiển: Chương trình khởi tạo các biến chứa các giá trị mặc định ban đầu bao gồm: điều xung tăng tốc, điều xung vượt tốc, tắt xung…..và khai báo các nút nhấn. Khởi động các bộ định thời, ngắt thời gian 0 và ngắt ngoài 0. Mỗi thao tác ngắt, mạch xử lý các phần: + Ngắt định thời timer 0: - Lưu giá trị đếm. - Reset giá trị đếm về 0. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 61 - - Điều khiển van tiết lưu bằng phương pháp thay đổi độ rộng xung. - Xác định tốc máy cơ theo số đếm tốc độ. - Quét led 7 đoạn để hiển thị thông số. - So sánh tốc độ máy phát với tốc độ yêu cầu để xác định máy cần tăng tốc hay giảm tốc: * Nếu tốc độ máy phát cao hơn tốc độ yêu cầu: . Ra lệnh đóng bớt van tiết lưu. * Nếu tốc độ máy phát thấp hơn tốc độ yêu cầu thì: . Ra lệnh mở rộng van tiết lưu. * Nếu tốc độ máy phát nằm trong cho phép giữ nguyên vị trí van lúc đó. + Ngắt ngoài 0: Tăng giá trị số đếm tốc độ lên 1 đầu trục động cơ. 4.3./Chương trình điều khiển $MOD51FX XUAT_MA EQU P2 START BIT P3.7 GIAY_PHUT BIT P3.5 LED_XANH BIT P0.2 LED_DO BIT P0.0 VAN_TL_1 EQU CCAP1H DAO_VAN_TL_1 BIT P1.2 VAN_TL_2 EQU CCAP3H DAO_VAN_TL_2 BIT P1.0 ;============= GIA TRI DIEU KHIEN VAN ================ DONG_VAN EQU 00 MO_1 EQU 20 MO_2 EQU 40 MO_3 EQU 60 MO_4 EQU 80 MO_5 EQU 100 MO_6 EQU 120 MO_7 EQU 140 MO_VAN_MAX EQU 200 ORG 0000H LJMP BAT_DAU ORG 0003H ; Ngat ngoai 0 LJMP INT_0 GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 62 - ORG 000BH ; Ngat Timer 0 LJMP NGAT_TIMER BAT_DAU: SETB CR MOV CMOD,#0 MOV CCAPM1,#01000010B MOV CCAPM2,#01000010B MOV CCAPM3,#01000010B MOV CCAPM4,#01000010B BAT_DAU_1: CALL HEX_BCD CALL BCD_7DOAN CALL HIEN_THI MOV R0,#00 MOV R1,#00 MOV R5,#00 MOV R6,#00 JB START,BAT_DAU_1 ; Cho nhan khoi dong ;=============== CHUONG TRINH CHINH ========== MAIN: MOV TMOD,#01 MOV IE,#10000111B SETB TR0 SETB IT0 SETB IT1 CALL HEX_BCD CALL BCD_7DOAN CALL HIEN_THI SJMP MAIN HEX_BCD: MOV A,R0 MOV B,#10 DIV AB MOV 10H,B MOV B,#10 DIV AB MOV 11H,B MOV A,R1 MOV B,#10 DIV AB MOV 12H,B MOV B,#10 DIV AB MOV 14H,B GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 63 - RET BCD_7DOAN: MOV DPTR,#MA_7_DOAN MOV A,10H MOVC A,@A+DPTR MOV 20H,A MOV A,11H MOVC A,@A+DPTR MOV 21H,A MOV A,12H MOVC A,@A+DPTR MOV 22H,A MOV A,14H MOVC A,@A+DPTR MOV 24H,A RET HIEN_THI: MOV R2,#02 L1: MOV XUAT_MA,20H CLR P0.7 CALL DELAY CALL XUAT_TIN_HIEU SETB P0.7 MOV XUAT_MA,21H CLR P0.6 CALL XUAT_TIN_HIEU CALL DELAY SETB P0.6 MOV XUAT_MA,22H CLR P0.5 CALL XUAT_TIN_HIEU CALL DELAY SETB P0.5 MOV XUAT_MA,24H CLR P0.4 CALL XUAT_TIN_HIEU CALL DELAY SETB P0.4 DJNZ R2,L1 RET DELAY: MOV TMOD,#10H GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 64 - MOV TH1,#HIGH(-2000) MOV TL1,#LOW(-2000) CLR TF1 SETB TR1 JNB TF1,$ CLR TR1 CLR TF1 RET NGAT_TIMER: ; Thuc hien ngat timer 0 CLR TR0 CLR TF0 MOV TMOD,#01H MOV TH0,#HIGH(-12000) MOV TL0,#LOW(-12000) SETB TR0 INC R7 CJNE R7,#02,THOAT_TIMER_0 MOV 30H,R5 MOV R0,30H MOV 33H,R6 MOV R1,33H MOV R5,#00 MOV R6,#00 THOAT_TIMER_0: RETI INT_0: ; Thuc hien ngat ngoai 0 INC R5 CJNE R5,#100,THOAT_NGAT_0 INC R6 CJNE R6,#100,THOAT_NGAT_0 THOAT_NGAT_0: RETI ;KHAI BAO MA 7 DOAN TU 0 DEN 9 MA_7_DOAN: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H XUAT_TIN_HIEU: CJNE R0,#26,TD1 MOV VAN_TL_1,#DONG_VAN GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 65 - SETB LED_XANH CLR LED_DO TD1: CJNE R0,#25,GIU_TRANG_THAI_1 GIU_TRANG_THAI_1: CJNE R0,#24,GIU_TRANG_THAI_2 GIU_TRANG_THAI_2: CJNE R0,#23,TD2 MOV VAN_TL_1,#MO_4 SETB LED_XANH CLR LED_DO TD2: CJNE R0,#22,TD3 MOV VAN_TL_1,#MO_2 SETB LED_XANH CLR LED_DO TD3: CJNE R0,#21,TD4 MOV VAN_TL_1,#MO_3 SETB LED_DO CLR LED_XANH TD4: CJNE R0,#20,TD5 MOV VAN_TL_1,#MO_4 SETB LED_DO CLR LED_XANH TD5: CJNE R0,#19,THOAT_TD MOV VAN_TL_1,#MO_5 CLR LED_DO SETB LED_XANH THOAT_TD: RET END GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 66 - 4.4./Tính toán lợi ích sử dụng Hiện nay các trang trại chăn nuôi ở Việt Nam phát triển phong trào xây dựng hầm chứa Biogas rất mạnh mẽ, ngoài việc dùng để đốt sinh hoạt nếu khí Biogas được dùng làm nhiên liệu chạy máy nổ thì giá thành đầu tư cho sản xuất nông nghiệp sẽ giảm đáng kể. - Về vấn đề môi trường Vấn đề về môi trường là vấn đề quan trọng mà hầu hết tất cả các nước phát triển trên thế giới đều quan tâm. Các chất thải của hộ chăn nuôi, rác thải hữu cơ nếu không được xử lý tốt sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, hầm khí biogas đã làm được điều đó và nó còn có thể làm nguồn nguyên liệu cho nấu nướng và chạy máy móc. Trong khi đó để có điện năng tiêu thụ như ngày nay thì đòi hỏi phải xây dựng rất nhiều các công trình như thuỷ điện, lò hạt nhân… Nó làm ảnh hưởng đến môi trường và cần phải có vốn đầu tư khá cao. Ngoài ra vấn đề về khí thải ra môi trường khi sử dụng các nguồn nguyên liệu cho hoạt động động cơ, máy nổ… đang là yếu tố then chốt. Hàm lượng 1m3 khí Biogas đốt cháy ta có thể giảm được 1kg CO2 so với sử dụng năng lượng khác thải ra bầu khí quyển [11]. Như vậy, nếu sử dụng công nghệ chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng sang chạy bằng Biogas, mỗi năm chúng ta có thể sản xuất được 10% năng lượng điện bằng nhiên liệu thay thế, tiết kiệm được 15000 tỷ đồng tiền nhiện liệu (do các động cơ chạy bằng dầu), giảm phát thải 4 triệu tấn CO2 (tương đương 1,5 triệu tấn C) vào bầu khí quyển [7]. Nếu so với mức phát thải C tương đương của nước ta hiện nay là 24 triệu tấn/năm thì mức giảm này đạt được 6,5% [11]. - Về vấn đề kinh tế: Ứng với 1m3 biogas khi cháy tỏa ra nhiệt lượng tương đương với 1,3 kg than đá, 1,7 lít cồn, 1KWH điện và 0,4 lít dầu diesel để chạy máy phát [1]. Như ta đã biết trong những năm gần đây tình trang biến đổi giá cả xăng dầu xảy ra liên tục, điển hình vào năm 2006 giá dầu có lúc vượt ngưỡng 70USD/thùng và làm tác động rất lớn đến người tiêu dùng. 1m3 Biogas có thể chạy được máy GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 67 - phát 1HP liên tục trong 2h [1]. Từ đó sử dụng khí biogas chạy máy phát điện giúp giảm giá thành trong sản xuất chăn nuôi, tăng gia sản xuất và cải thiện đời sống người dân. Một bài toán tính toán về thời gian thu hồi vốn cho chủ đầu tư trang trại máy phát chạy bằng khí biogas được đặt ra như sau: Như ta đã biết 1m3 biogas tương đương 0,4 lit dầu diesel để chạy máy phát. Vậy ta có tam xuất tính ra dầu như sau : 1m3 biogas 0,4 lít dầu. Nếu có 20m3 ? 20 x 0,4 = 8 lít dầu. Vậy 1 ngày ta có thể tiết kiệm được 8 lít dầu để chạy máy. Giá xăng dầu luôn biến đổi, ta lấy mức cố định là 15ngàn/1lít thì quy thành tiền tiết kiệm được trong 1 ngày: Nếu 1 ngày 1 lít diesel giảm được 15 ngàn 1 ngày được 8 lít diesel giảm được ? 8 x 15 = 120 ngàn. Vậy 1 ngày tiết kiệm được 120 ngàn. Chủ trang trại đầu tư máy phát 7KW với giá 12 triệu + xây hầm chứa thì tổng sẽ khoảng hơn 20 chục triệu. Thì ngày thu vốn : Thu 120 ngàn trong 1 ngày 20 triệu (20.000) bao nhiêu ngày ? 20.000 / 120 = 166,66 ngày ≈ nửa năm. Vậy ta có thể thu hồi lại vốn trong vòng nửa năm. Nếu trang trại nhỏ hơn là 10m3 biogas mỗi ngày thì với đầu tư như trên khoảng 1 năm sẽ thu lại vốn. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 68 - THỰC NGHIỆM GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 69 - CHƯƠNG 5: TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THU ĐƯỢC 5.1./Xác định tần số chuẩn của mạch điện Để xác định được tần số chuẩn của mạch điện, nhóm chọn phương án thực hiện bằng cách sử dụng 1 đồng hồ đo điện áp, ta cắm 2 que đo ở đầu ra của máy phát. Cho lượng khí Biogas đi vào máy phát bằng cách cân chỉnh van khí bằng tay, chỉnh cho đến khi mức điện áp hiện thị trên đồng hồ VOM là 220V, ta ghi nhận giá trị áp ra này là giá trị chuẩn, ứng với nguồn áp ra ta sẽ nhận biết được tốc độ quay đầu trục động cơ lúc đó là bao nhiêu thông qua hiển thị trên led 7 đoạn. Led 7 đoạn hiển thị được thông qua thanh ghi R. Lấy tín hiệu đó làm tín hiệu chuẩn ban đầu để so sánh với tín hiệu khác. Ứng với điện áp 220V nhóm ghi nhận được tốc độ hiện thị trên led 7 đoạn dao động 24-25 vòng/giây, và ổn định nhất là 25 vòng/giây tương đương 1500 vòng/phút. Nhóm cân chỉnh bằng tay thấy thay đổi như sau: Theo bảng ta thấy khi điện áp giảm 10V (5%) so với điện áp định mức thì tốc độ hiển thị (vòng/giây) giảm đi 1, vậy trong cách viết chương trình ứng với khi có sự thay đổi 1 vòng/giây tín hiệu so sánh sẽ nhận biết xuất điều khiển 1 lần. Với cách so sánh tín hiệu tần số đầu trục máy pháy đang chạy và tín hiệu chuẩn ta có thể nhận xét hoạt động như sau: Tốc độ Điện áp Vòng/giây Vòng/phút 230V 26 1560 220V 25 1500 215V 24-25 1440-1500 210V 23 1380 200V 22 1320 190V Ko hiễn thị GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 70 - • Khi tần số đầu trục động cơ thấp hơn giá trị chuẩn thì mạch sẽ điều khiển tăng độ mở van tiết lưu. Tốc độ mở van khác nhau với các giá trị tần số lệch khác nhau. • Khi tần số quay động cơ lớn hơn giá trị chuẩn thì mạch sẽ điều khiển giảm độ mở van tiết lưu. • Khi tần số bánh đà nằm trong phạm vi cho phép thì giữ nguyên vị trí van tiết lưu. 5.2./Tiến hành thực nghiệm thay đổi tải Nhóm tiến hành thực nghiệm với tải là loại bóng đèn dây tóc 40W: Vậy khi tăng lên 2 bóng tức 80W, điện áp giảm 10V, và tốc độ giảm 1vòng/giây. Ta phải xuất tín hiệu điều khiển tăng độ mở họng van để kéo lại áp 220V. Điều đặc biệt ta cần lưu ý khi tăng tải hoặc giảm tải xuống, tín hiệu so sánh để điều khiển van sao cho điện áp chỉ dao động từ 210-230V (điện áp dao động an toàn với các thiết bị). 5.3./Hình ảnh thực nghiệm Một số hình ảnh trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài ở một hộ chăn nuôi heo gia đình tại xã Phước Tân- Huyện Long Thành- tỉnh Đồng Nai với số lượng heo khoảng 15 con: Tải Điện áp Tốc độ (vòng/giây) 2 bóng 40W 215V 23-24 4 bóng 40W 210V 23 6 bóng 40W 205V 22-23 GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 71 - GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 72 - GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 73 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 74 - KẾT LUẬN Qua quá trình thực hiện đề tài trên mô hình thực tế, một phần kiến thức mới được tiếp thu, những kiến thức cơ bản sau 4 năm học tại trường đã được củng cố và từng bước được nâng cao ứng dụng vào thực tế để giải quyết vấn đề. Các vấn đề được giải quyết và trình bày từ tổng quát đến cụ thể. Những vấn đề trọng tâm được tập trung vào các chương 3, 4. Sau khi trực tiếp thực hiện xong đề tài chúng em rút ra được các kết luận sau: - Đề tài được ứng rộng rãi nhất ở các vùng nông thôn. - Nếu tận dụng được nguồn năng lượng này tốt thì ta sẽ giúp cho những người nông dân tiết kiệm được kinh phí hàng tháng phải trả cho điện lực, góp phần tích cực vào việc cải thiện đời sống cho người dân ở những vùng không có điện. - Sử dụng nguồn năng lượng này sản xuất ra điện sẽ góp phần giảm thiểu chất thải, bảo vệ tài nguyên và môi trường. - Sử dụng phương pháp hấp phụ bằng phoi sắt và than hoạt tính đơn giản nhưng có tính hấp phụ cao. - Mức độ ô nhiễm môi trường khi đốt cháy giảm hơn hẳn so với sử dụng các khí hoá lỏng thông thường. - Phương pháp giữ nguyên đặc tính của máy phát chạy bằng xăng có ưu điểm khi trong tình trạng nghèo khí Biogas ta có thể chuyển sang chạy lại bằng xăng bằng những thao tác đơn giản. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 75 - HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ NHỮNG MẶT HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI ™ Hướng phát triển đề tài: Hiện nay sinh hoạt và sản xuất ở các trang trại chăn nuôi, việc sử dụng các máy công suất cỡ nhỏ để kéo, xay, giã….thức ăn cho gia súc trở nên rất phổ biến, thông thường để các máy này hoạt động ta phải có nguồn điện cung cấp từ máy phát phát ra, nhưng trong một số trường hợp các máy này không hoạt động đồng thời cùng một lúc mà ta chỉ cần một máy thực hiện một công đoạn (vd : xay), ta cũng phải cho máy phát hoạt động để cung cấp điện. Như vậy máy phát sẽ rơi vào tình trạng chạy non tải làm hao nhiên liệu và phải hoạt động liên tục. Trên cơ sở đó nhóm định hướng sử dụng khí Biogas sẽ là nguồn năng lượng chạy trực tiếp các máy này, lúc đó nó sẽ hoạt động được đơn lẻ một cách dễ dàng và trở nên thông dụng với người chăn nuôi hơn. Ngoài vấn đề đó hướng phát triển mạnh hơn của đề tài là có thể cho khí Biogas vào các bình chứa nén thích hợp, làm nhiên liệu thay cho nhiên liệu xăng dầu để cho hoạt động các phương tiện giao thông đi lại như hiện nay. ™ Những mặt hạn chế : Qua quá trình nghiên cứu và tiến hành thực nghiệm trên mô hình thực tế nhóm đã nhận thấy đề tài đang còn những mặt hạn chế sau: - Quá trình tự động điều áp của máy khi tăng, giảm tải thông qua một board mạch điện tử. Các IC lập trình hoạt động ổn định ở nguồn áp là 5V, nguồn nuôi của mạch lấy từ điện áp ra từ máy phát, điện áp ra máy phát phải thường xuyên thay đổi theo đặc tính của tải nên các IC sẽ bị ảnh hưởng rất lớn khi có sự thay đổi các tải có công suất lớn (tải bằng 40-50% công suất của máy), lúc này tín hiệu tần số quay vẫn nhận được đưa về board điều khiển nhưng thời gian đáp ứng tăng, giảm lưu lượng khí của van không kịp nên sẽ làm treo IC từ đó làm hệ thống mất ổn định, nặng hơn gây chết linh kiện nếu không có sự can thiệp kịp thời của con người. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 76 - Để giải quyết được khuyết điểm trên nhóm đã định ra hai phương án sau: + Ta sẽ không lấy áp ra trực tiếp từ máy phát để nuôi mạch, lúc này mạch sẽ được nuôi bởi 1 nguồn ngoài, thông dụng là bình acquy. + Board mạch sẽ được thay thế bằng một mạch điện tử tạo bởi các IC số so sánh áp đơn giản kết hợp với các linh kiện điện tử công suất (SCR, IGBT…) có khả năng chịu áp cao nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu hệ thống. - Hạn chế thứ hai của đề tài bị tác động bởi nhiệt độ của môi trường xung quanh, nhiệt độ môi trường càng giảm khả năng sinh khí biogas càng kém. Như vậy trong những mùa có thời tiết lạnh, khả năng sinh ra sự cháy của khí biogas trở nên kém đi từ đó sẽ không đáp ứng được công suất hoạt động cho máy. Như đã trình bày ở phần “Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy phát” về bộ chế hòa khí, bình xăng con nguyên thủy của máy vẫn được giữ nguyên do đó với những trường hợp ngặt nghèo về khí biogas, bằng những thao tác đơn giản ta có thể cho máy chạy lại bằng xăng hoặc máy chạy pha trộn giữa xăng và khí biogas với tỷ lệ phù hợp để máy đạt được công suất mong muốn. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 77 - DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC : Alternating Current : dòng điện xoay chiều. DC : Direct Current : Dòng điện 1 chiều. PWM : Pulse Width Modulation : điều khiển độ rộng xung. TWh : Terawatthours. KW : Killowatt. HP : Horse Power. FET : Field Effect Transistor. IEA : International Energy Agency : Cơ quan năng lượng quốc tế. EVA : Environmental Protection Agency : Cục bảo vệ môi trường Mỹ. EFI : Electronic Fuel Injection : phun xăng điện tử. LPG : Liquefied Petroleum Gas : Khí đốt hóa lỏng. GVHD : Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng - 78 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Văn Ga, Ngô Văn Lành, Ngô Kim Phụng, Venet Cederic: Thử nghiệm khí biogas trên động cơ xe gắn máy. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 1(18), pp. 1-5, 2007. [2] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh: Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ Dual-Fuel biogas/diesel. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng- 2(25), 2008. [3] Bùi Văn Ga, Trần Diện: So sánh đặc tính của động cơ 100cc khi chạy bằng xăng và bằng LPG với bộ phụ kiện DATECHCO-GA5. Tạp chí Giao thông Vận tải, số 7, pp. 15-17, 2006. [4] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang: Tối ưu hóa quá trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu biogas-dầu mỏ. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng- số 5(28), 2008. [5] Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trương Hoàng Thiện, Lê Minh Tiến: Hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ cỡ nhỏ. Tuyển tập Hội Nghị Cơ Học Thủy Khí toàn quốc, Huế, 26-28/7/2007. [6] Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông: Khả năng giảm phát thải CO2 ở Việt Nam nhờ sản xuất điện năng bằng Biogas. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng-số 1(30).2009. [7] Bùi Văn Ga: Xe gắn máy sạch. Tạp chí Giao thông Vận tải số 1+2-2005, pp. 75-77. [8] Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu tinh chế Biogas bằng phương pháp hấp phụ của nhóm sinh viên khoa Công Nghệ Sinh Học – Môi Trường, Đại học Lạc Hồng. [9] Nguyễn Tất Tiến: Nguyên lý động cơ đốt trong. Nhà xuất bản giáo dục. [10] [11] www.Google.com.vn Keyworlds : biogas, máy phát điện, năng lượng (sóng biển, thuỷ điện, mặt trời ….) [12] www.hiendaihoa.com [13] www.vietbao.vn [14] www.diendandientu.com [15] TỐNG VĂN ON – Vi điều khiển 8051