تحلیل انرژی، اگزرژی و بهینه سازی یک سیستم تولید همزمان بر پایه پیل سوختی اکسید جامد صفحه ای جهت کاربرد مسکونی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناس ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند

2 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند

3 استاد، مهندسی برق، دانشگاه بیرجند

چکیده

پیش بینی می‌شود که سیستم‌های تولید همزمان بدلیل داشتن راندمان کلی بالاتر، در آینده نزدیک جایگزین سیستم‌های مرسوم تولید حرارت و توان در بخش مسکونی شوند. در میان سیستم‌های تولید همزمان مختلف، سیستم‌های مبتنی بر پیل سوختی به دلایلی چون راندمان بالا، چگالی قدرت بالا، آلایندگی و سرو صدای کم، گزینه مناسبی جهت تولید همزمان می‌باشند. در این مقاله اولا اجزاء یک سیستم تولید همزمان بر پایه پیل سوختی اکسید جامد معرفی و ثانیا سیستم از نقطه نظر انرژی و اگزرژی مدل‌سازی است. سپس با استفاده از الگوریتم‌های بهینه سازی و انتخاب سه تابع هدف تولید توان الکتریکی، تولید حرارت و حداقل کردن اتلاف اگزرژی بهینه سازی شده است. نتایج شامل محاسبه پارامترهای کاری سیستم با این سه رویکرود است که نشان می‌دهند که بیشترین تغییرات اگزرژی در کانال سوخت توده پیل سوختی و بیشترین میزان برگشت ناپذیری به ترتیب مربوط به بازیاب (38%)، کوره کاتالیستی (37%) و پیل سوختی (16%) است. در میان مصرف کننده‌های توان سیستم، کمپرسور هوا با مصرف (14%) توان تولیدی پیل سوختی، مصرف کننده‌های عمده توان محسوب می‌شود. نتایج بهینه سازی نیز نشان می‌دهند که برای حداقل کردن اتلاف اگزرژی، رویکرد تولید توان رویکرد مناسب-تری است. بنابراین فرض استفاده از یک سیستم CHP در مقایسه با یک سیستم منفرد تولید برق و یا حرارت کاملا اثبات می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] دفتر برنامه ریزی کلان برق و انرژی، ترازنامه انرژی سال 1388 وزارت نیرو، معاونت امور برق و انرژی، تهران.

[2] Onovwiona HI, Ugursal VI (2006) Residential cogeneration systems: review of the current technology. Renew Sust Energ Rev 10(5): 389-431.

[3] Chaisantikulwat A, Diaz-Goano C, Meadows ES (2008) Dynamic modelling and control of planar anode-supported solid oxide fuel cell. Comput Chem Eng 32(10): 2365-2381.

[4] Rosen MA, Scott DS (1988) A thermodynamic investigation of the potential for cogeneration for fuel cells. Int J Hydrogen Energ 13: 775-782.

[5] San B, Zhou P, Clealand D (2010) Dynamic modeling of tubular SOFC for marine power System. J Mar Sci Appl 9(3): 231-240.

[6] Lee KH, Strand RK (2008) A system level simulation model of SOFC systems for building applications. in Third National Conference of IBPSA, Berkeley, California, USA.

[7] شهاب روحانی، امیر فرهاد نجفی (1389)، آنالیز ترمودینامیکی سیستم های ترکیبی پیل سوختی اکسید جامد و توربین گازی از طریق اگزرژی، بیست و پنجمین کنفرانس بین المللی برق، تهران، ایران.

[8] محمد علی فرزاد (1390)، مدلسازی یک سیستم تولید همزمان بر پایه پیل سوختی اکسید جامد و فتوولتایک در کاربری مسکونی در شرق ایران، پایان نامه کارشناسی ارشد مکانیک، دانشگاه بیرجند. بیرجند.

[9] محمد علی فرزاد، حسن حسن زاده (1394)، مدلسازی و بهینه سازی یک تک پیل سوختی اکسید جامد صفحه ای مجله مهندسی مکانیک مدرس، جلد 15، شماره 2، صفحات 91-81.

[10] Davidsson S (2011) Life cycle exergy analysis of wind energy systems "Assessing and improving life cycle analysis methodology". M.Sc. Thesis, Uppsala University.

[11] Ertesvag IS (2006) Sensitivity of the chemical exergy for atmospheric gases and gaseous fuels to variations in ambient conditions. Energ Convers Manage 48(7).

[12] O'Hayre RP, Cha SW, Colella W, Prinz FB (2006) Fuel cell fundamentals. John Wiley & Sons.

[13] Braun RJ (2002) Optimal design and operation of solid oxide fuel cell systems for small-scale stationary applications. Ph.D. Thesis, University of Wisconsin, Mdison.

[14] Peksen M, Peters R, Blum L, Stolten D (2009) Numerical modelling and experimental validation of a planar type pre-reformer in SOFC technology. Int J Hydrogen Energ 34: 6425-6436.

[15] Kang YW, Li J, Cao GY, Tu HY, Li J, Yang J (2009) A reduced 1D dynamic model of a planar direct internal reforming solid oxide fuel cell for system research. J Power Sources 188: 170-176.

[16] Iora P, Aguiar P, Adjiman CS, Brandon NP (2005) Comparison two IT DIR-SOFC models: Impact of variable thermodynamic, physical, and flow properties. Steady-state and dynamic analysis. Chem Eng Sci 60: 2963-2975.

[17] Aguiar P, Adjiman CS, Brandon NP (2005) Anode-supported intermediate-temperature direct internal reforming solid oxide fuel cell II. Model-based dynamic performance and control. J Power Sources 147: 136-147.

[18] Colella WG (2003) Design considerations for effective control of an afterburner sub-system in a combined heat and power (CHP) fuel cell system (FCS). J Power Sources 118: 118-128.

[19] Beausoleil-Morrison I, Schatz A, Maréchal F (2006) A model for simulating the thermal and electrical production of small-scale solid-oxide fuel cell cogeneration systems within building simulation programs. HVAC&R Research 12.

[20] gPROMS Model Developer Guide, Process Systems Enterprise, 2011.

[21] gPROMS ModelBuilder Guide, Process Systems Enterprise, 2011.

[22] gPROMS Optimisation Guide, Process Systems Enterprise, 2011.