بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
استفاده از پيل سوختي غشا پليمري به صورت MCHP در ساختمان مسکوني
چکيده - افزايش تقاضا، منابع محدود و تأثيرات منفي محيطي ناشي از استخراج انرژي توسط انسان ، بر نياز به کارگيري منابع محدود تأکيد دارد. توليد انرژي الکتريکي همراه با به کارگيري گرماي توليدي يک روش سريعا در حال توسعه است که موجب افزايش راندمان و کاهش کلي تلفات مي شود. اين موضوع عموما عنوان توان گرماي ترکيبي (CHP) مطرح است . سيستم هاي تحت و CHP داراي اندازه هاي متنوعي هستند، از اندازه بزرگ که جهت توليد الکتريسته و گرم کردن يک شهر استفاده مي شوند تا واحدهاي کوچک که مي تواند يک خانه مسکوني را سرويس دهد و با عنوان MCHP شناخته مي شوند. عنوان ميکرو عموما به ژنراتورها با ظرفيت الکتريکي کمتر از ١٥ کيلووات اطلاق مي شود که در خانه هاي مسکوني کاربرد دارد. اين ژنراتورها داراي تنوع زيادي هستند و شامل موتورهاي احتراق داخلي ، ميکرو توربين ها، موتورهاي استرلينگ و پيل هاي سوختي مي باشند. هدف در اين تحقيق مدل سازي کامل يک ساختمان نمونه و انتخاب پيل سوختي غشا پليمري مناسب )PEMFC MCHP( و ساير تجهيزات مورد نياز جهت تامين نياز برق ، گرمايش و سرمايش يک ساختمان مسکوني نمونه مي باشد. نتايج نشان مي دهند که در ايران ، با توجه به منابع غني گاز طبيعي ، استفاده از دستگاه هاي MCHP در کاربردهاي مسکوني که امکان راه اندازي با گاز طبيعي را دارند، باعث صرفه جويي بسياري در مصرف انرژي همراه با کاهش سطح آلودگي خواهد شد.
واژه هاي کليدي - MCHP، پيل سوختي غشا پليمري ، بار گرمايي ، انرژي
١- مقدمه
عنوان CHP به معناي استفاده هم زمان از گرما و توان الکتريکي مي باشد که امکان استفاده از گرماي توليد شده در ضمن فرآيندي که هدف اصلي آن تامين برق مي باشد فراهم مي گردد. اين مفهوم در صنايع ، جهت کاهش هزينه ها به طور وسيع مورد استفاده قرار مي گيرد. اخيرا استفاده از CHP در کاربردهاي خانگي جهت توليد برق و بهره گيري از گرماي توليدي جهت مقاصد گرمايش و سرمايش منازل در حال توسعه مي باشد. سيستم هاي CHP که در منازل مسکوني جهت تامين برق و همچنين تامين انرژي لازم جهت گرمايش و سرمايش استفاده مي گردند، غالبا داراي ظرفيت کمتر از ١٥ کيلووات مي باشند و تحت عنوان MCHP شناخته مي شوند. دستگاه هاي MCHP از موتورهاي احتراق داخلي ، موتور استرلينگ و يا انواع پيل هاي سوختي به عنوان ژنراتور توليد برق استفاده مي نمايند. نيروگاه هاي سنتي حدود ٣٠ درصد از انرژي در دسترس سوخت را به توان الکتريکي تبديل مي کنند. نيروگاه هاي سيکل ترکيبي با راندمان بالا حدود ٥٠ درصد انرژي در دسترس را به توان الکتريکي تبديل مي کنند. واحدهاي MCHP از گرماي اتلافي ژنراتور جهت مصرف گرمايش و سرمايش استفاده مي کنند و راندمان کلي سيستم افزايش مي يابد و تا حد ٨٠ درصد مي رسد که اين موضوع به عنوان يک مزيت محسوب مي شود. توليد برق در يک پايگاه مرکزي و انتقال آن به کاربران در نقاط دور از پايگاه مرکزي موجب تلفات انرژي در انتقال و توزيع برق به کاربر نهايي مي شود. مزيت ديگر استفاده از MCHP در ساختمان هاي مسکوني حذف تلفات انتقال و توزيع برق است . ضمنا مزيت ديگر استفاده از MCHP در ساختمان هاي مسکوني اين است که با حذف يا حداقل نمودن خطوط انتقال برق امنيت انرژي بالا مي رود و آسيب پذيري خطوط کاهش مي يابد. به دليل سايز کوچک واحدهاي MCHP، توجه به اين نکته مهم است که اين واحدها با بازده پايين تر از لحاظ الکتريکي در مقايسه با نيروگاه هاي بزرگ مرکزي کار مي کنند. در هر حال اگر گرماي توليدي به نحو مؤثري استفاده شود، بازده کلي مي تواند بسيار بالاتر از نيروگاه هاي مرکزي که فقط براي توليد الکتريسيته طراحي مي شوند باشد. عيب ديگر واحدهاي MCHP تکيه بر دسترس بودن سوخت پالايش شده است .
نيروگاه هاي مرکزي بزرگ قادر هستند تا سوخت هاي پالايش نشده خام را به توان مفيد تبديل کنند؛ در حالي که ژنراتورهاي کوچک نياز به سوخت هاي خالص نظير گاز طبيعي دارند تا به طور تميز کار کنند. در حال حاضر کمپاني هاي بسيار زيادي در دنيا نظير تويوتا، ميتسوبيشي و نوورا در حال ساخت و تست دستگاه هاي MCHP مي باشند[١-٧]. اخيرا مرکز تحقيقات مهندسي اصفهان يک دستگاه MCHP پيل سوختي با ظرفيت ٥ کيلووات را تست و راه اندازي نموده است . هدف اين مقاله مدل سازي يک ساختمان مسکوني نمونه جهت تعيين تلفات گرمايي و سرمايي و سپس به کارگيري يک دستگاه MCHP پيل سوختي غشا پليمري مناسب جهت تامين نياز برق ، گرمايش و سرمايش ساختمان مي باشد.
ضمنا ساير تجهيزات مورد نياز جهت تکميل سيستم گرمايش و سرمايش نيز محاسبه و انتخاب مي گردند.
٢- استفاده از پيل سوختي غشا پليمري در MCHP
پيل سوختي يک مبدل انرژي الکتروشيميايي مي باشد که داراي سه جز اصلي آند، کاتد و الکتروليت مي باشد. پيل هاي سوختي شبيه به باتري هستند به طوري که از طريق واکنش الکتروشيميايي و بدون احتراق مستقيم سوخت DC توليد ، برق مي کنند. عموما يک پيل سوختي ، هيدروژن و اکسيژن را به صورت الکتروشيميايي واکنش مي دهد و محصول واکنش آب و الکتريسيته و گرما مي باشد. در سمت آند گاز هيدروژن يونيزه شده و طي واکنش گرمازا الکترون و يون هيدروژن توليد مي کند.
در سمت کاتد اکسيژن با الکترون هاي گرفته شده از الکترود و يون هاي هيدروژن منتقل شده توسط الکتروليت مطابق رابطه ذيل واکنش داده و آب توليد مي کند.
شکل ١ به طور شماتيک عملکرد پيل سوختي را نشان مي دهد.
شکل ١- عملکرد پيل سوختي
دماي عملکرد پيل سوختي غشا پليمري ٨٠ تا ١٠٠ درجه سيلسيوس مي باشد. راندمان پيل سوختي به صورت انرژي مفيد توليد شده (الکتريکي +گرمايي ) نسبت به ميزان انرژي مصرف شده توسط پيل تعريف مي شود. ماکزيمم راندمان تئوري پيل سوختي غشا پليمري که مجموع راندمان الکتريکي و گرمايي مي باشد، در شرايط استاندارد ٨٣ درصد مي باشد. آزمايشات عملکردي انجام شده بر روي پيل هاي سوختي غشا پليمري ساخت کمپاني هاي مختلف در سيستم هاي CHP بازده الکتريکي تقريبي ٣٠ درصد و گرمايي حدودا ٤٥ درصد را مشخص مي کند. مزيت استفاده از پيل سوختي غشا پليمري در دستگاه هاي MCHP در مقايسه با ساير ژنراتورها، راندمان الکتريکي بالاتر و توليد آلاينده بسيار کمتر مي باشد، ضمنا دماي عملکرد و ساختار اين نوع پيل سوختي آن را براي کاربرد در اين سيستم ها مناسب مي سازد. همچنين پيل هاي سوختي غشا پليمري به دليل نداشتن قطعات متحرک داراي صداي عملکرد پايين و طول عمر بالا مي باشند[٤-٢ [
٣- مدل سازي ساختمان
٣-١ پلان ساختمان مسکوني نمونه
شکل ٢ پلان ساختمان مسکوني نمونه يک طبقه واقع در شهر تهران را مشخص مي کند. مساحت تقريبي اين بنا ١٣٠ متر مربع و ابعاد فضاها در تصوير مشخص است . جهت شمال به سمت بالاي صفحه است و شرايط آب و هواي تهران جهت محاسبات بار فضاهاي ساختمان در نظر گرفته شده است .
شکل ٢- پلان ساختمان مسکوني .
٣-٢ برآورد مصرف برق
جدول ١ مصرف انرژي وسايل برقي معمول خانگي را نشان مي دهد. ضمنا مجموع مصارف خانگي نيز در اين جدول مشخص است
٣-٣ محاسبه بار آب گرم مصرفي
بار حرارتي آب گرم مصرفي ساختمان نمونه بر اساس حضور چهار نفر سکنه در ساختمان و ميزان حداکثر مصرف ٣٧.٨٥ ليتر بر ساعت به ازاي هر نفر و با احتساب ضريب تقاضاي ٠.٦ و به کمک روابط زير به دست مي آيد.
اختلاف دماي آب سرد ورودي و گرم خروجي از آب گرمکن ٤٥ درجه سيلسيوس در نظر گرفته مي شود .
٣-٤ مدل سازي ساختمان جهت تعيين تلفات حرارتي
مدل سازي ساختمان مسکوني جهت تعيين نياز سرمايشي و گرمايشي توسط نرم افزار شبيه سازي بار سرمايشي و گرمايشي ٤.٢٠ HAP SYSTEM DESIGN LOAD ساخت کمپاني CARRIER انجام شده است . در اين مدل سازي ، ابتدا جنس ديوارها، سقف ، کف و ساير اجزاي ساختمان مشخص شده و در نهايت فضاهاي ساختمان توسط همان اجزا جهت محاسبات بار مدل مي شوند. با انتخاب اجزاي مختلف ساختمان از کتابخانه نرم افزار و ضخامت مربوط به هر جز، ضريب انتقال حرارت اجزاي مختلف ساختمان مطابق جدول ٢ محاسبه مي شود. ضمنا در محاسبات انجام شده توسط نرم افزار علاوه بر استفاده از مصالح ساختماني معمول در ايران ، بار حرارتي روشنايي و نفوذ هواي تازه به ساختمان نيز لحاظ شده است .
در جدول ٣ نتايج مربوط به بار گرمايي و سرمايي محاسبه شده توسط نرم افزار به تفکيک هر فضا ديده مي شود.
٤- سيستم سرمايش و گرمايش
٤-١ سيستم فن کويل
سيستم رايج سرمايش - گرمايش جهت منازل مسکوني ، سيستم آبي فن کويل مي باشد. در اين سيستم آب گرم و سرد به ترتيب در فصول زمستان و تابستان در مبدل هاي حرارتي آبي - هوايي به نام فن کويل گردش و ضمن تبادل حرارت جابجايي اجباري با هواي دميده شده بر روي کويل دستگاه فن کويل امکان سرمايش و گرمايش را فراهم مي کند. دماي آب گرم ورودي به فن کويل حدود ٨٠ و آب سرد ورودي به آن ٧.٥ درجه سيلسيوس مي باشد. ميزان افت دماي آب گرم در چرخش در مبدل حرارتي فن کويل در فصل زمستان حدود ١٠ و ميزان افزايش دماي آب سرد در فصل تابستان ٥ درجه سيلسيوس در نظر گرفته مي شود. منبع توليد آب سرد در تابستان عموما چيلر و آب گرم در فصل زمستان مولد گرمايي مي باشد .
٤-٢ سيستم فن کويل و به کارگيري پيل سوختي غشا پليمري در تامين سرمايش و گرمايش
شکل ٣ دياگرام به کارگيري PEMFC MCHP در سيستم سرمايش - گرمايش فن کويل را مشخص مي کند. پيل سوختي غشا پليمري به عنوان منبع اصلي توليد گرما جهت تامين آب گرم مورد نياز سيستم مي باشد. گرماي پيل سوختي در يک مخزن ٢٠٠ ليتري که با پيل مجتمع است ذخيره مي شود. با توجه به دماي عملکرد پيل سوختي غشا پليمري دماي اين تانک در ٨٠ درجه سيلسيوس حفظ مي شود. آب گرم موجود در مخزن از طريق يک سيکل گرمايش و مبدل حرارتي ١(HX١) جهت تامين گرمايش آب گرم مصرفي استفاده مي گردد. از طريق يک سيکل گرمايش جداگانه و به واسطه مبدل حرارتي ٢(HX٢) از آب گرم موجود در مخزن جهت تامين گرمايش و سرمايش ساختمان استفاده مي شود.
همان طورکه در شکل ٣ مشخص است مبدل حرارتي ٢ در فصل زمستان مستقيما وظيفه انتقال حرارت به سيکل گرمايش ساختمان را بر عهده دارد و در فصل تابستان نيز از طريق تبادل حرارت با سيکل گرمايش مربوط به ژنراتور چيلر جذبي شرايط سرمايش ساختمان را فراهم مي کند. ضمنا در شکل ٣ يک منبع حرارتي ثانويه با عنوان بويلر مشخص است . وظيفه اين منبع حرارتي همکاري با پيل سوختي در تامين گرمايش منزل و تامين نياز گرمايي ژنراتور چيلر جذبي و آب گرم مصرفي از طريق مبدل حرارتي ٣ (HX٣) مي باشد. ضمنا استفاده از دو منبع توليد گرما (پيل سوختي و بويلر) اطمينان عملکرد سيستم را در شرايط تعمير يک منبع افزايش مي دهد. شکل ٤ نيز دياگرام بازيابي حرارت از پيل سوختي را به تصوير مي کشد. همان طور که از شکل ٤ مشخص است بخشي از گرماي توده پيل سوختي به محيط اطراف تلف مي گردد و بخش ديگري جهت استفاده در سيستم گرمايش مورد استفاده قرار مي گيرد. توان الکتريکي نيز داراي تلفات مي باشد که مجموع تلفات گرمايي و الکتريکي به انضمام توان الکتريکي مفيد خروجي و گرماي بازيابي شده برابر انرژي خالص ورودي به توده پيل سوختي مي باشد که ميزان اين انرژي بستگي به راندمان تبديل کننده سوخت مورد استفاده در دستگاه MCHP دارد.
