تحلیل ترمودینامیکی و بهینه سازی چندهدفی سیستم هیبرید متشکل از فرآیند گازی سازی زیست توده، پیل سوختی اکسید جامد و میکرو توربین گاز

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت

2 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت

3 استاد، مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت

چکیده

در این مطالعه، مدلی عددی به منظور بررسی عملکرد سیستم هیبرید متشکل از بخش‌های؛ گازی‌سازی زیست‌توده، پیل‌سوختی و میکرو توربین‌گاز، ارائه شده و به روش الگوریتم ژنتیک نقاط بهینه عملکردی آن حاصل می‌شوند. زیست‌توده مورد استفاده زائدات جنگلی بوده و گازی‌سازی به روش ترمودینامیک تعادلی اصلاح‌شده مدل می‌شود. زیست‌گاز در پیل سوختی برای تولید توان الکتریکی به‌کار رفته و باقی-مانده‌ی سوخت پس از احتراق در یک محفظه احتراق کمکی وارد میکرو توربین‌گاز شده و در نهایت از حرارت موجود در خروجی سیستم در یک مولد بخار بازیافت حرارتی استفاده می‌شود. مدل ارائه شده در بخش پیل سوختی، مدلی یک‌بعدی با امکان کنترل گرادیان‌های دما در راستای طولی بوده و اجزای دیگر سیستم به کمک مدل‌های صفربعدی بررسی می‌شوند. اثر پارامترهایی چون؛ مقدار هوا و بخارآب عامل گازی-سازی، شدت جریان میانگین الکتریکی، فاکتور مصرف سوخت بر خروجی‌های مهم سیستم، مانند؛ راندمان ‌تولید گاز ، گرادیان ‌دما، راندمان الکتریکی و الکتریکی-حرارتی و توان الکتریکی کل سیستم بررسی می‌شوند. پس از بررسی گسترده پارامتریک، بهینه‌سازی چندهدفی به روش الگوریتم ژنتیک و به منظور حصول نقاط بهینه عملکردی سیستم در دو مرحله انجام‌می‌گیرد. در سیستم هیبرید مورد بررسی، بیشینه مقدار توان الکتریکی کل معادل 81/206 کیلووات و راندمان الکتریکی کل 27/46 درصد حاصل می‌شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Alderucci V, Antonucci PL, Maggio G, Giordano N, Antonocci V (1994) Thermodynamic analysis of SOFC fuelled by biomass-derived gas. Int J Hydrogen Energ 19(4): 369-76.

[2] Omosun AO, Bauen A, Brandon NP, Adjiman CS, Hart D (2004) Modelling system efficiencies and costs of two biomass-fuelled SOFC systems. J Power Sources 131(1-2): 96-106.

[3] Panopoulos KD, Fryda LE, Karl J, Poulou S, Kakaras E (2006) High temperature solid oxide fuel cell integrated with novel allothermal biomass gasification. Part I: Modelling and feasibility study. J Power Sources 159: 570-585.

[4] Panopoulos KD, Fryda LE, Karl J, Poulou S, Kakaras E (2006) High temperature solid oxide fuel cell integrated with novel allothermal biomass gasification. Part II: Exergy analysis. J Power Sources 159: 586-594.

[5] Colpan CO, Fung AS, Hamdullahpur F (2012) Modeling of an integrated two-stage biomass gasifier and solid oxide fuel cell system. Biomass Bioenerg 42: 132-142.

[6] Pirkandi J, Ghassemi M (2013) Thermo-economic modeling and analysis of a combined fuel cell and micro gas turbine power plant cycle. Modares Mech Eng 13(15): 207-227. (In Persian)

[7] Zabihian F, Fung AS (2014) Performance analysis of hybrid solid oxide fuel cell and gas turbine cycle (Part I): Effect of fuel composition on output power. J Energy Inst 87(1): 18-27.

[8] Ozcan H, Dincer I (2015) Performance evaluation of an SOFC based trigeneration system using various fuels from biomass gasification. Int J Hydrogen Energ 40(24): 7798-7807.

 [9] Sucipta M, Kimijima S, Suzuki K (2007) Performance analysis of the SOFC-MGT hybrid system with gasified biomass fuel. J Power Sources 174: 124-135.

[10] Fryda L, Panopoulos KD, Kakarasv E (2008) Integrated CHP with autothermal biomass gasification and SOFC-MGT. Energ Convers Manage 49: 281-290.

[11] Karellas S, Karl J, Kakarasv E (2008) An innovative biomass gasification process and its coupling with microturbine and fuel cell systems. Energy 33(2): 284-291.

[12] Toonssen R, Sollai S, Aravind PV, Woudstra N, Verkooijen AHM (2011) Alternative system designs of biomass gasification SOFC/GT hybrid systems. Int J Hydrogen Energ 36: 10414-10425.

[13] Moller CB, Rokni M, Elmegaard M (2011) Exergy analysis and optimization of a biomass gasification, solid oxide fuel cell and micro gas turbine hybrid system. Energy 36: 4740-4752.

[14] Jarungthammachote S, Dutta A (2007) Thermodynamic equilibrium model and  second law analysis of a downdraft waste gasifier. Energy 32: 1660-1669.

[15] Zhang Y , Li B, Li H, Zhang B (2012) Exergy analysis of biomass utilization via steam gasification and partial oxidation. Thermochim ACTA 538: 21-8.

[16] Francois J, Abdelouahed L, Mauviel G,  Patisson F, Mirgaux O, Rogaume C, Feidt M, Dufour A (2013) Detailed process modeling of a wood gasification combined heat and power plant. Biomass Bioenerg 51:  68-82.

[17] Arnavat MP, Bruno JC, Coronas A (2010) Review and analysis of biomass gasification models. Renew Sust Energ Rev 14(9): 2841-51.

[18] Silva VB, Rouboa A (2013) Using a two-stage equilibrium model to simulate oxygen air enriched gasification of pine biomass residues. Fuel Process Technol 109:  111-117.

[19] Gordillo G, Annamalai K, Carlin N (2009) Adiabatic fixed-bed gasification of coal, dairy biomass, and feedlot biomass using an air–steam mixture as an oxidizing agent. Renew Energ 34: 2789-2797.

[20] Melgar A, Pérez JF, Laget H, Horillo A (2007) Thermochemical equilibrium modelling of a gasifying process. Energ Convers Manage 48: 59-67.

[21] Barman NS, Ghosh S, De S (2012) Gasification of biomass in a fixed bed downdraft gasifier – A realistic model including tar. Bioresource Technol 107: 505-511.

[22] Aguiar P, Adjiman CS, Brandon NP (2004) Anode-supported intermediate temperature direct internal reforming solid oxide fuel cell. I: model-based steady-state performance. J Power Sources 138: 120-36.

[23] Iwai H, Yamamoto Y, Saito M, Yoshida H (2011) Numerical simulation of intermediate-temperature direct-internal-reforming planar solid oxide fuel cell. Energy 36: 2225-34.

[24] Stiller C (2006) Design, operation and control modelling of SOFC/GT hybrid systems. PhD Thesis, Department of energy and process engineering, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Norway.

[25] Jayah TH, Aye L, Fuller RJ, stewart DF (2003) Computer simulation of a downdraft wood gasifier for tea drying. Biomass Bioenerg 25: 459-69.

[26] Nariman-Zadeh N, Felezi M, Jamali A, Ganji M (2009) Pareto optimal synthesis of four-bar mechanisms for path generation. Mech Mach Theory 44: 180-191.