بخشی از مقاله
چکیده
هدف از ارائه این مقاله، بررسی انرژی و اکسرژی سیستم ترکیبی توربینگاز مجهز به پیل سوختی اکسید جامد لولهای با سوخت هیدروژن است. کلیه اجزای سیستم، جداگانه به کمک روابط ترمودینامیکی مدلسازی شده و برای پیل سوختی به کار گرفته شده، یک تحلیل الکتروشیمیایی مجزا انجام شده است.
برای صحت کار، نتایج حاضر با نتایج مراجع معتبر مقایسه و مطابقت خوبی مشاهده شده است. آثار پارامترهای مختلف بر راندمان حرارتی و اکسرژی سیستم و میزان نرخ نابودی اکسرژی کل سیستم و تک تک اجزا سیستم، مورد مطالعه قرار گرفته است. با افزایش دمای ورود به توربین، راندمان حرراتی و اکسرژی سیستم ترکیبی کاهش مییابد، در حالی که توان سیستم افزایش می یابد.
نتایج تحقیق نشان داد که % 81 برگشتناپذیری ناشی از پیل سوختی و محفظه احتراق است. همچنین سیستم ترکیبی دارای راندمان% 58/4 میباشد، در حالی که سیستم بدون پیل سوختی دارای راندمان % 31 است که نشان از عملکرد فوقالعاده سیستم ترکیبی دارد.
مقدمه
با توجه به روند روبهرشد مصرف انرژی در جهان استفاده از روشها و سیستمهای جدید تولید انرژی با بازدهی بالا و آلایندگی پایینتر در اولویت قرار گرفته است. امروزه، با گسترش سیستمهای مختلف تولید انرژی، روشهای گوناگونی مانند استفاده از انرژی خورشیدی، انرژی باد، پیلهای سوختی، میکروتوربینها و دیزل ژنراتورها مورد توجه قرار گرفتهاند که هر کدام از این روشها دارای مزیتها و معایب مخصوص به خودند.
داشتن یک سیستم تولید انرژی قابل اعتماد، کم هزینه و همیشه در دسترس استفاده از پیلهای سوختی را به عنوان یک کاندیدای مهم معرفی کرده است. پیل سوختی، یک دستگاه الکتروشیمیایی است که طی واکنش بین هیدروژن و اکسیژن، الکتریسیته و گرما تولید میکند. پیل سوختی، نسبتاً آرام و بیصداست، به همین دلیل جهت تولید برق محلی مناسب میباشد.
همچنین پیل سوختی به عنوان یک فنآوری نوین برای تولید توان در توربینهایگازی به کار گرفته و باعث افزایش بازده تا %60 میشود، در حالی که در توربینهایگازی معمولی، به علت تلفات زیاد در محفظه احتراق، بازده در حدود %30 تا % 35 است. از میان انواع پیل سوختی، نوع اکسید جامد به دلیل راندمان بالا، آلودگی کم، تنوع سوخت مصرفی و از همه مهمتر دمای بالای گاز خروجی، بهترین گزینه برای استفاده در توربین گازی به شمار میرود. به همین دلیل در سالهای اخیر، این تکنولوژی بسیار مورد توجه قرار گرفته است
گرچه تحقیقات در زمینه پیل سوختی اکسید جامد از اواخر دهه 50 میلادی آغاز گردید، ولی نتایج یک مدل ساده پیل سوختی اکسید جامد در اواسط دهه 80 منتشر شد؛ لذا اولین مقالات در زمینه سیستمهای ترکیبی پیل سوختی اکسید جامد به اوایل دهه 90 برمیگردد. مفهوم به کارگیری توربین گاز در کنار پیل سوختی، سالهاست که شناخته شده و تاکنون تحقیقات زیادی با استفاده از قانون اول ترمودینامیک بر روی آن انجام شده است.
در سال 2000، ماسارادو و لوبلی یک مطالعه مفهومی درباره بررسی عملکرد سیکل ترکیبی انجام دادند .مدل ریاضی ارائه شده توسط آنها، عملکرد پیل را در حالت یکنواخت و پایدار شبیهسازی میکرد. کاستامگنا و همکاران، طراحی و عملکرد سیستمی متشکل از میکروتوربین گاز با بازیاب حرارتی و پیل سوختی اکسید جامد دما بالا را مورد آزمایش قرار دادند .[5] همچنین کارهای متعدد دیگری در این زمینه توسط محققان مختلف مانند چان و همکاران 6]و[7 انجام شده است.
یانگ و همکاران [8] دو سیستم با بهسازی سوخت به صورت داخلی و خارجی در نظر گرفتند و تأثیر محدودیت در اختلاف دمای استک پیل سوختی را بر عملکرد آنها بررسی کردند.
پارک و همکاران [9]، مشخصات طراحی و عملکرد یک سیستم ترکیبی را با در نظر گرفتن یک توربین گاز مشخص بررسی کردند. دربیشتر تحقیقات مذکور، عملکرد سیستم ترکیبی پیل سوختی و توربین گاز با توجه به قانون اول ترمودینامیک بررسی شده است.
همچنین کارهای گوناگون دیگری با در نظر گرفتن قانون دوم ترمودینامیک بر روی این سیستم انجام شده که به بررسی قانون دوم ترمودینامیک بر روی سیستم و هر یک از اجزای آن میپردازد و نرخ برگشتناپذیری را در اجزای سیستم بررسی میکند. آنالیز اگزرژی، یک تکنیک برای طراحی بهتر و بهبود آنالیز سیستم های انرژی است .[10] این روش از قانون دوم ترمودینامیک و بقای جرم و انرژی بطور همزمان استفاده میکند .
کالیس و همکارانش 11]و [12 به بررسی و تجزیه و تحلیل قانون دوم ترمودینامیک یک سیکل توربین گاز ترکیبی با پیل سوختی اکسید جامد پرداختند. نتایج تحقیق آنها نشان داد که بیشترین نرخ نابودی اکسرژی در پیل سوختی رخ میدهد. این نرخ نابودی اکسرژی بالا به خاطر راندمان پایین واکنش شیمیایی است که در پیلسوختی رخ میدهد .
با وجود راندمان بالای الکتریکی پیل سوختی، بیشترین نرخ نابودی اکسرژی در پیل سوختی است که بخاطر تعداد زیاد واکنشهای شیمیایی و الکتروشیمیایی است. بطور مشابه محفظه احتراق نیز به خاطر انجام واکنش شیمیایی نرخ بالای نابودی اکسرژی را دارد. همچنین نتایج نشان داد که نرخ نابودی اکسرژی توربین و کمپرسور بخاطر راندمان بالا و نرخ کم انرژی جریان در این اجزا بسیار کم است. پیشنهاد انها این بود که در طراحی و کنترل سیستم های هیبریدی، باید نگاه اصلی بر روی اجزایی باشد که بالاترین نرخ نابودی اکسرژی را دارد.
گرانوسکی و همکارانش [13] نیز به بررسی عملکرد اکسرژی سیکل ترکیبی پرداختند . آن ها نیز مشابه کالیس نشان دادند که بالاترین نرخ نابودی اکسرژی به ترتیب در پیل سوختی و محفظه احتراق است. اما در مدل آنها اختلاف نرخ نابودی اکسرژی بین محفظه احتراق وپیل سوختی کمتر از % 5 است. صادق مطهر و علی اکبر عالم رجبی [14] به بررسی آنالیز اگزرژی یک سیستم هیبریدی همراه با تزریق بخار پرداختند.
در تحقیق آنها، از گاز خروجی از توربین برای گرم کردن و ایجاد بخار استفاده شده است. ویلیامز و همکارانش[15] به بررسی سیستم هیبریدی و راهکار دستیابی به بالاترین راندمان حرارتی پرداختند .
کریستسن واشر و فرانز جوس [16] به بررسی رفتار سیستم هیبریدی با ظرفیت 25 مگا وات در حالت پایا و ناپایا و در حالت خارج از نقطه طراحی پرداختند. دانستن سهم هر یک از اجزا از نرخ برگشتناپذیری کل سیستم، میتواند منشأ بهبود و اصلاح در اجزا و فرآیند سیستم شود.
هسلی و همکاران ، در دو مطالعه جداگانه، به بررسی تخریب اگزرژی و آنتروپی تولیدی در یک سیستم ترکیبی پرداختند. آنان نشان دادند که با اضافه شدن پیل سوختی به توربین گاز، بازده قانون اول به میزان 27/8 درصد افزایش مییابد. در مقاله حاضر، سیستم ترکیبی که در شکل - 1 - نشان داده شده، از دیدگاه انرژی و اکسرژی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است .
شکل :1 نمایی از سیستم ترکیبی توربینگاز با پیل سوختی
در این تحقیق، مدل پیل سوختی به صورت کامل با روابط ترمودینامیکی مدلسازی شده است. سوخت مصرفی پیل سوختی هیدروژن میباشد. ابتدا روابط الکتروشیمیایی پیل سوختی به کمک روابط ترمودینامیکی، مدل شده و سپس با سیستم توربین گاز کوپل گردیده است . برای حل معادلات غیر خطی از روش نیوتن- رافسون استفاده شده است. این مدلسازی در نرمافزار متلب به صورت کد نوشته شده است.
- مدلسازی انرژی و اکسرژی اجزاء سیستم ترکیبی
در این قسمت، معادلات حاکم بر اجزای سیکل ترکیبی مدلسازی ترمودینامیکی آورده شده است. در مدلسازی، فرضیههای زیر در نظر گرفته میشوند:
.1 کلیهاجزای توربین گاز، آدیاباتیک فرض می-شوند؛ .2 جریان سیال در تمام اجزا پایدار است؛ . 3 تغییرات انرژیهای پتانسیل و جنبشی صفر فرض میشود؛ .4 رفتار تمام گازها به صورت گاز ایدهآل است؛ .5 از آثار مربوط به خنککاری توربین صرفنظر میشود.
در ادامه آنالیز اکسرژی سیستم و روابط مربوط به آن آورده شده است. اکسرژی جریان پایای مرکب از چند ماده، برابر با ماکزیمم کار قابل حصول از این جریان است زمانی که این جریان در طی فرآیندی که در آن فقط با محیط تعامل دارد از شرایط اولیه به شرایط مرده می رسد. بنابراین اکسرژی یک جریان ماده خاصیتی است که وابسته به دو وضعیت آن میباشد: وضعیت جریان و وضعیت محیط.
- مدلسازی کمپرسور
هوای ورودی به کمپرسور، هوای محیط میباشد. ترکیب مولی هوا به صورت 0/21 مول اکسیژن و 0/79 مول نیتروژن در نظر گرفته شده است. در سیستمهای ترکیبی هوای فشرده شده توسط کمپرسور، پس از گرم شدن توسط مبدل حرارتی، وارد کاتد پیل سوختی میشود. کمپرسور را میتوان به عنوان یک حجم کنترل در نظر گرفت؛ بنابراین، رابطه قانون اول برای آن به صورت زیر خواهد بود
توان مصرفی کمپرسور که از طریق توربین تأمین میشود، به صورت زیر است
راندمان اکسرژی کمپرسور نیز به صورت زیر تعریف میشود
برای تحلیل قانون دوم سیستم، با مشخص بودن شرایط ورودی و خروجی، نرخ نابودی اکسرژی در طی فرآیند تراکم به صورت زیر محاسبه میشود
- مدلسازی مبدل حرارتی
مبدل حرارتی به طور گسترده در فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند و طراحی بسیار متنوعی دارند. نقطه مشترک همه آنها این است که عملکرد هر کدام به سطح انتقال حرارت، خواص سیال و شکل جریان بستگی دارد. راندمان مبدل حرارتی را میتوان به صورت زیر نوشت
قانون اول ترمودینامیک برای مبدل حرارتی به صورت زیر نوشته میشود
از رابطه بالا برای محاسبه دمای گازهای گرم خروجی از سیکل میتوان استفاده کرد.
راندمان اکسرژی و نرخ نابودی اکسرژی m2 m3 و m8 m7 در مبدل حرارتی به صورت زیر محاسبه میشود
- مدلسازی پیل سوختی اکسید جامد
مدل پیل سوختی اکسید جامد مورد مطالعه در این مقاله، بر اساس مدل توسعهیافته پیل سوختی اکسید جامد لوله در میباشد . واکنشهای الکتروشیمیایی در آند و کاتد بر اساس رابطههای زیر رخ میدهد
برای محاسبه ولتاژ پیل سوختی از معادله مشهور نرنست که به صورت زیر میباشد، استفاده میشود
که E بیشینه ولتاژ تئوری است که ولتاژ مدار باز نامیده میشود و زمانی که هیچ جریانی در مدار نباشد، ولتاژ پیل برابر آن خواهد بود. همانطور که دیده میشود با افزایش غلظت واکنشدهندهها بیشینه ولتاژ پیل افزایش مییابد.
- ولتاژ عملکرد پیل سوختی اکسید جامد
وقتی پیل سوختی تحت شرایط عملکردی تولید جریان خارجی کار میکند، مقداری افت ولتاژ در پیل سوختی اتفاق میافتد که باعث میشود ولتاژ خروجی پیل همیشه کمتر از مقدار بیشینه ولتاژ باشد. افتها که معمولاً پلاریزاسیون نامیده میشوند، عبارتاند از: -1 پلاریزاسیون فعالسازی، -2 پلاریزاسیون اهمی -3 پلاریزاسیون غلظت. بنابراین ولتاژ اندازهگیریشده در یک پیل سوختی عملی معمولاً از ولتاژ برگشتپذیر کمتر است. ولتاژ عملکرد پیل سوختی پس از محاسبه Vact ، Vohm و Vcon به صورت زیر تعیین میشود
در رابطه بالا افت ولتاژ معمولاً به فشار جزئی گازها، دما و چگالی جریان در یک پیل سوختی واقعی بستگی دارد. در ادامه به محاسبه افت ولتاژ در پیل سوختی پرداخته میشود.
پلاریزاسیون فعالسازی
پلاریزاسیون فعالسازی Vact وابسته به سرعت واکنش الکتروشیمیایی بر روی سطح الکترود است. در واکنشهای الکتروشیمیایی نیز مانند واکنشهای شیمیایی، واکنشگرها باید از سد انرژی فعالسازی عبور کنند. اتلاف حاصل از پلاریزاسیون فعالسازی در دانسیته جریان پایین قابل ملاحظه است و با افزایش دانسیته جریان به میزان کمی افزایش مییابد. پلاریزاسیون فعالسازی توسط رابطه نیمهتجربی پاتلر ولمر به صورت زیر بیان میشود [2]
که i چگالی جریان الکتریکی است و واحد آن A/m2 میباشد. از رابطه - 12 - نمیتوان Vact را به صورت مستقیم به دست آورد، اما برای پیلهای سوختی با الکترود هیدروژن مقدار برابر 0/5 فرض میشود و خواهیم داشت
از طرفی چگالی جریان تبادلی، از رابطه نیمه تجربی برای آند و کاتد محاسبه میشود
پلاریزاسیون اهمی
این افت ولتاژ، نتیجه مقاومت الکترودها و صفحات اتصال دهنده در برابر جریان الکترونها و مقاومت الکترولیت در برابر جریان یونهاست. از آنجا که این افت ولتاژ به صورت مستقیم با دانسیته جریان پیل سوختی متناسب است، به آن پلاریزاسیون اهمی گفته میشود. با افزایش دانسیته جریان پیل، این افت ولتاژ نیز به تدریج افزایش مییابد. تلفات اهمی به شدت تابع دماست. بهخصوص در مورد الکترولیت که بخش عمدهای از تلفات سلول در این بخش اتفاق میافتد. بر این اساس، پلاریزاسیون اهمی برای آند، کاتد، الکترولیت و متصلکننده داخلی به صورت زیر خواهد بود
