بخشی از مقاله
واژههاي کلیدي: تولید پراکنده، پایداري گذرا، پیل سوختی، ژنراتور سنکرون
چکیده
در این مقاله به بررسی اثرات واحدهاي تولید پراکنده نوع پیل سوختی بر روي پاسخ دینامیکی و پایداري گذراي ژنراتور سنکرون پرداخته میشود. همانطور که میدانیم، انجام مطالعات دینامیکی مستلزم داشتن مدل دقیق دینامیکی عناصر میباشد. از این رو، در گام اول این مقاله به ارائه مدل دقیق دینامیکی پیل سوختی میپردازیم. این مدل باید به گونه اي باشد که کلیه معادلات الکتروشیمیایی را برآورده سازد. در گام بعدي به بررسی اثرات دینامیکی واحدهاي پیل سوختی بر روي ژنراتورهاي سنکرون پرداخته میشود. معیارهاي پایداري گذرا که براي این بخش انتخاب شده است شامل حداکثرانحراف سرعت رتور و مدت زمان نوسانات میباشد. کلیه شبیه سازي ها توسط نرمافزار MATLAB/SIMULINK انجام شده است.
-1 مقدمه
با افزایش مصرف انرژي و پیشرفت هاي بسیار زیاد درزمینه پیل هاي سوختی، فتوولتائیک ها، توربین هاي بادي و همچنین آگاهی عمومی در زمینه حفاظت محیط زیست،استفاده از تولیدات پراکنده در سیستم هاي قدرت افزایش یافته است. این امر باعث شده که تحقیق در زمینه هاي مختلف مربوط به تولیدات پراکنده تبدیل به یکی از زمینه هاي کاري مورد علاقه در سیستمهاي قدرت شود. پیل هاي سوختی براي تبدیل انرژي شیمیایی به انرژي الکتریکی بکار میروند. بعلت مزایاي بسیار زیاد پیل هاي سوختی و سیاست دولت ها در زمینه استفاده از انرژي هاي پاك و همچنین رشد تکنولوژي طراحی پیل هاي سوختی، استفاده از آنها در دنیا رشد چشمگیري پیدا کرده است بطوریکه در سال 2005 تعداد واحدهاي پیل سوختی در دنیا برابر 14500 واحد بوده است.[1]
از بین انواع پیل هاي سوختیPEMFC1 و SOFC2 به دلیل تولید توان نسبتا بالا پتانسیل زیادي براي استفاده بعنوان واحدهاي تولید پراکنده دارند. از مزایاي این واحدها در مقایسه با واحدهاي تولید پراکنده معمولی میتوان به راندمان بالا، آلودگی بسیارپایین و ساختاربسیار کوچک آنها اشاره کرد.همچنین از پیل هاي سوختی که در دماي بالا کار میکنندمیتوان در مصارف خانگی، صنعتی، تجاري و... که به انرژي الکتریکی و انرژي گرمایی بطور همزمان نیاز دارند، استفاده کرد.پیل هاي سوختی توان قابل اطمینانی را در حالت دائمی فراهم میکنند، اما نمی توانند به بگونه اي مطلوب به تغییرات ناگهانی بار پاسخ سریع بدهند. علت این امر کندي واکنش هاي شیمیایی پیل هاي سوختی میباشد.
بنابراین نیازاست که رفتارهاي گذراي پیلهاي سوختی در شرایط گوناگون، مانند وقوع خطا در شبکه، تغییرات دما و... موردمطالعه قرار گیرد. این امر مستلزم ارائه مدل دینامیکی دقیق پیل سوختی میباشد. البته باید خاطر نشان نمود که پیل هاي سوختی معمولا بوسیله مبدل هاي الکترونیک قدرت به شبکه متصل میشوند.مشکلی که در اینجا وجود دارد فقدان اطلاعات کافی بین سازندگان پیل هاي سوختی و طراحان مبدلهاي الکترونیک قدرت است. این امر باعث میشود که سازندگان واحدهاي پیل سوختی، مبدل هاي الکترونیک قدرت را بصورت یک امپدانس معادل و طراحان مبدلهاي الکترونیک قدرت، پیل هاي سوختی را بصورت یک منبع ولتاژ ثابت سري با امپدانس معادل مدل کنند. این مدل سازي اشتباه باعث بوجود آمدن مشکلات ناخواستهاي در عمل میشود.این مشکلات اهمیت مدل سازي دقیق پیل هاي سوختی را آشکار میکند. در بخش اول این مقاله به مدلسازي SOFCپرداخته میشود. سپس تاثیر این نوع تکنولوژي تولید پراکنده،بر روي پایداري گذراي ژنراتورهاي سنکرون مورد مطالعه قرار میگیرد.
-2 ولتاژ خروجی SOFC
شکل1 ساختار یک پیل سوختی نوع SOFC را نشان میدهد. معادله واکنش شیمیایی در یک SOFC بصورت زیر است:
معادله Nernst، که براي محاسبه ولتاژ برگشت پذیر1 بکار میرود، در این واکنش بصورت زیر نوشته میشود:که در آن Eo0,cell پتانسیل مرجع در شرایط استاندارد298K - و - 1atm است. Ecell که از معادله - 2 - بدست میآید،در واقع ولتاژ خروجی پیل سوختی در شرایط بی باري است.وقتی از پیل سوختی بار کشیده شود ولتاژ خروجی بخاطرتلفات برانگیختگی، اهمی و تراکمی کمتر از مقدار Ecellخواهد شد:
بنابراین ولتاژ خروجی یک واحد پیل سوختی که شامل Nسلول پیل سوختی که بصورت سري باهم قرار دارند،بصورت زیر است:
بنابراین براي محاسبه ولتاژ خروجی باید سه افت ولتاژي راکه به آن اشاره شد، محاسبه کرد.افت ولتاژ برانگیختگی: تلفات برانگیختگی ناشی از انرژياولیه اي است که براي شروع واکنش شیمیایی نیاز است.فرمول Butler-Volmer که از آن براي محاسبه افت ولتاژ ناشی از تلفات برانگیختگی استفاده میشود، بصورت زیراست:[3]
در شرایط برانگیختگی بالا که در آن βنسبتا بزرگ است، بخش اول معادله - 6 - بسیار بزرگتر از بخش دوم آن است.معادله معروف Tafel را میتوان با چشم پوشی از بخش دوم معادله - 6 - بدست آورد:
اگر در رابطه - 8 - مقدار i برابر با صفر باشد، V act ,cell مقدارغیر منطقی بخود میگیرد. بنابر [4] مقدار βدر پیل هاي سوختی معمولا در حدود 0.5 میباشد. بنابراین معادله - 6 - رامیتوان بصورت زیر بازنویسی کرد:
بنابراین مقاومت معادل برانگیختگی را میتوان بصورت زیرتعریف کرد:
مطابق با فرمول - - 10 افت ولتاژ برانگیختگی در جریان صفر برابر با مقدار منطقی صفر خواهد شد. شکل2 بلوك دیاگرام افت ولتاژ برانگیختگی را نشان میدهد.
افت ولتاژ اهمی: افت ولتاژ اهمی در یک SOFC، عمومابخاطر مقاومت الکترولیت، الکترودها و اتصالات داخلی بین سلول هاي پیل سوختی است.در اینجا، فقط تلفات اهمی الکترولیت و اتصالات در نظر گرفته شده است و از مقاومت الکترودها چشم پوشی شده است. افت ولتاژ اهمی بصورت زیر بیان میشود:
افت ولتاژ تراکمی: بخاطر پدیده انتشار این نوع افت ولتاژدر طول فرآیند شیمیایی رخ میدهد. فشار جزئی هیدروژن واکسیژن در محل واکنش کمتر از فشار آنها در کانال الکترودهاست. از طرفی فشار جزئی آب در محل واکنش بیشتر از فشار آن در کانال آند است. در چگالی جریان بالا، انتقال آهسته مواد واکنش دهنده - مواد تولیدي - ، به - از - محل واکنش، دلیل اصلی افت ولتاژ تراکمی است. بنابر [5] افت ولتاژ تراکمی در SOFC را میتوان بصورت زیر محاسبه کرد:
