بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به محدودیت و آلایندگی منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده از روشهای جدید تولید انرژی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. یکی از این روشها استفاده از پیلهای سوختی جامد است که خیلی از محدودیتهای انواع دیگر پیلهای سوختی را ندارد. در این مطالعه ابتدا سیستم تولید برق و حرارت بر پایه پیل سوختی اکسید جامد معرفی شده است. مدلسازی ترمودینامیکی سیستم در نرم افزار EES انجام شده و پس از اعتبار سنجی نتایج، با در نظر گرفتن و تحلیل عوامل موثر بر بازده سیستم، تحلیل پارامتریک صورت گرفته است.
با توجه به نتایج به دست آمده با افزایش دما ولتاژ فعالسازی و اهمی کاهش و ولتاژ سلول و غلظتی افزایش پیدا میکند. افزایش دمای کاری پیل موجب افزایش فعل و انفعال شیمیایی در سلول شده که این عمل موجب افزایش ولتاژ خروجی و بهبود عملکرد آن می شود. افزایش دمای کاری پیل موجب افزایش فعل و انفعال شیمیایی در سلول شده که این عمل موجب افزایش ولتاژ خروجی و بهبود عملکرد آن میشود. همچنین سوخت اتان نسبت به سوخت متان دستیابی به بازده انرژی بالاتری را ممکن می سازد. با افزایش دمای پیل، برگشت ناپذیری ها افزایش می یابد. بر این اساس طراحی سیستم SOFC/CHP با سوخت اتان و دمای کاری 1273 K توصیه می گردد.
-1 مقدمه
پیل های سوختی اکسید جامد به منظور کاهش قیمت و بهینهسازی عملکرد پیلهای سوختی دیگر به ویژه پیل سوختی کربنات مذاب پیشنهاد شدهاند. الکترولیت به کار رفته در این نوع پیلها از جنس سرامیک است. دمای عملکرد این پیلها حدود 1000 oC است تا امکان رسانش یونی وجود داشته باشد .[1] علاوه بر فناوریهای تبدیل انرژی با بازده بالا، سیستم های تولید همزمان برق و حرارت توانایی کاهش هزینه عملیاتی و آلودگی محیط زیست و همچنین کاهش مصرف حامل های انرژی اولیه را دارند. سیستم تولید همزمان برق و حرارت بر پایه پیل سوختی اکسیدجامد، یکی از بهترین سیستمهای تولید انرژی در میان انواع سیستمهای ترکیبی است.
در سالهای اخیر، تحقیقات بسیاری در مورد ترکیب پیلهای سوختی با سیستم های تولید همزمان برق و حرارت انجام گرفته است. ابراهیمی و حیدری در سال 2010 تحلیل ترمودینامیکی و آنالیز اگزرژی سیکلهای تولید همزمان برق و حرارت و پیل سوختی اکسید جامد را ارائه دادند .[2] پیرکندی و همکاران درسال 2012 عملکرد الکتروشیمیایی و ترمودینامیکی سیستم ترکیبی پیل سوختی اکسید جامد با تولید همزمان برق و حرارت را مورد مطالعه قرار داده اند .[3] روشندل و همکاران نیز در سال 2014 توسعه مدل بهبودیافته سیستم ترکیبی تولید همزمان برق و حرارت و همچنین سرمایش را بر اساس پیل سوختی اکسید جامد ارائه دادهاند که منجر به افزایش 1/7 درصدی بازده تولید سه گانه شده است .
[4] کوپکی و همکاران در سال 2015 به مدل سازی off-design یک میکرو واحد تولید همزمان برق و حرارت بر پایه پیل سوختی اکسید جامد با سوخت دی متیل اتر در نرم افزار HYSYS پرداخت. نتایج دستیابی به راندمان کلی تا 80 درصد را نشان می دهند .[5] همچنین ارزیابی پارامتریک یک سیستم ترکیبی پیل سوختی اکسید جامد با سیستم غشا تبادل اکسیژن و میکرو واحد بهینه شده تولید همزمان برق و حرارت را در سال 2015 انجام دادند .[6] عرب و قدمیان در سال 2015 یک چرخه هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد و توربین گازی با فناوری غشای تبادل یونی را به منظور جذب دی اکسید کربن مورد تحلیل ترمودینامیکی قرار دادند .
[7] ابراهیمی و مرادپور در سال 2016 توسط نرم افزار EES به مطالعه سیکل هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد و میکروتوربین گازی ترکیب شده با سیکل ارگانیک رانکین برای تولید توان پرداختند. نتایج نشان میدهند که بازده الکتریکی چرخه می تواند به %61 برسد که در مقایسه با سیستم های معمول و برخی سیستم های ترکیبی گزارش شده در مقالات، قابل ملاحظه است. بازده کلی می تواند به % 65/77 برسد .[8] حسن زاده و همکاران در سال 2016 تحقیقاتی در زمینه تحلیل انرژی، اگزرژی و بهینهسازی یک سیستم تولید همزمان بر پایه پیل سوختی اکسید جامد صفحهای جهت کاربرد مسکونی انجام دادند که نتایج بهینهسازی نشان داد که برای حداقل کردن اتلاف اگزرژی، رویکرد تولید توان رویکرد مناسب تری است .
[9] گاندیگلیو و همکاران در سال 2017 طرح بکارگیری همزمان یک پیل سوختی اکسید جامد با سوخت بیوگاز حاصل از تصفیه خانه فاضلاب، و صفحات خورشیدی را به مرحله اجرا درآوردند و به تحلیل انرژی و اقتصادی آن پرداختند. در نهایت مشاهده که با نصب و راه اندازی 300 متر مربع، 700 متر مربع و 1100 متر مربع کلکتورهای خورشیدی می توان به ترتیب %8، %18 و % 30 بار حرارتی را تامین کرد .[10] مارک و پیتر در سال 2016 به بهینه سازی یک سیستم مبدل حرارتی با پیل سوختی جامد پرداختند. در این مطالعه از یک پیل سوختی جامد دما بالا استفاده شد و سیستم مورد بررسی از نوع خانگی بود. با توجه به نتایج این مطالعه بازده پیل سوختی افزایش پیدا میکند ولی هزینه سیستم جدید با توجه به تجهیزات موردنیاز نیز افزایش پیدا میکند .
[11] پلگرینو و همکاران در سال 2015 در یک تحلیل اقتصادی و مهندسی به بررسی استفاده از سیستم های مبدل بر پایه پیل سوختی جامد پرداختند .[12] مطالعات زیادی در این زمینه انجام شده است و ارزیابی عملکرد ترمودینامیکی بعنوان ایده اصلی این تحقیق مطرح بوده است. در این مطالعه با استفاده از نرم افزار EES، کد محاسباتی نوشته شده و سپس عملکرد ترمودینامیکی و الکتروشیمیایی سیستم با تغییر چند پارامتر موثر مانند دما و فشار کاری پیل سوختی و همچنین نرخ تولید آنتروپی، برگشت ناپذیری و نوع سوخت ورودی به سیستم بررسی شده است.
.2 شرح مدلسازی
.1-2 معرفی سیکل
طرحواره سیکلی که در این تحقیق مطالعه شده در شکل - 1 - نشان داده شده است. سیستم پیشنهادی شامل یک توده - Stack - پیل سوختی اکسید جامد با بهسازی داخلی، محفظه پسسوز، کمپرسور هوا، کمپرسور سوخت، پمپ آب و سه مبدل حرارتی است. سوخت به کار رفته در سیستم اتان یا متان - که هر کدام به طور جداگانه مدلسازی شده است - و ترکیب هوای به کار رفته نیز شامل 21 درصد اکسیژن و 79 درصد نیتروژن در نظر گرفته شده است. هوا و سوخت به کار رفته در سیستم ابتدا به وسیله کمپرسورهایی متراکم شده و در ادامه مسیر، با عبور از دو مبدل هوا و سوخت، گرم شده و وارد پیل سوختی میشوند.
سوخت پس از ورود به پیل سوختی در بخش آند بهسازی شده و هیدروژن خالص از آن پدید میآید. هیدروژن به دست آمده از سوخت با اکسیژن موجود در هوا که از مبدل دیگری گذشته و وارد پیل سوختی شده و واکنش میدهد. با توجه به گرمازا بودن واکنش الکتروشیمیایی در پیل سوختی، مقداری از گرمای تولید شده از این واکنش برای بهسازی سوخت به کار رفته، مقداری از آن وارد محیط شده و مقدار باقی مانده نیز گازهای داخل و خروجی از پیل سوختی را گرم میکنند. واکنش هیدروژن با اکسیژن در پیل سوختی توان الکتریکی قابل ملاحظه ای ایجاد میکند که باعث افزایش بازده سیکل میشود. در ادامه گازهای خروجی از پیل سوختی که در واکنش بهسازی مصرف نشده اند، وارد محفظه پسسوز شده و با هم واکنش میدهند. سپس محصولات خروجی از محفظه پسسوز که گازهای داغی میباشند، در ادامه وارد سه مبدل حرارتی میشوند. دو مبدل اول جهت پیشگرم کردن هوا و سوخت ورودی به پیل سوختی و مبدل سوم نیز برای تولید انرژی حرارتی و همچنین پیشگرم نمودن آب ورودی به آند استفاده میشود. در این مطالعه برای مدلسازی سیکل موردنظر فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
-1 فشار در آند و کاتد پیل سوختی ثابت و برابر هستند.
-2 دمای گازهای خروجی آند و کاتد یکسان و برابر دمای عملکردی پیل سوختی فرض شدهاند. -3 جریان سیال در کلیه اجزای سیکل بصورت جریان پایدار در نظر گرفته میشود.
-4 از تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل صرف نظر شده است.
.2-2 معادلات حاکم معادلات پیل سوختی
برای تبدیل سوخت به گاز هیدروژن، مبدل سوخت داخلی یا خارجی الزامی است. استفاده از مبدل سوخت داخلی به دلیل قیمت پایینتر، انتخاب بهتری است. روابط - 1 - ، - 2 - و - 3 - به ترتیب واکنش بهسازی بخار و دگرگونی - Shifting - آب و گاز و واکنش کلی پیل نامیده میشود. طبق واکنشهای بالا، گاز طبیعی - متان - در داخل پیل سوختی به هیدروژن تبدیل شده و سپس طبق رابطه زیر در واکنش الکتروشیمیایی پیل شرکت خواهد کرد .[13] در این روابط، z , y , x به ترتیب نرخ مولی پیشرفت واکنشهای بهسازی، دگرگونی و واکنش کلی پیل است. نرخ مولی گازهای خروجی از پیل بر اساس روابط - 4 - تا - 9 - به دست میآیند. فشار جزیی گازهای خروجی از آند و کاتد با استفاده از رابطه - 10 - حاصل خواهد شد.
واکنشهای بهسازی و دگرگونی، واکنش های تعادلی بوده و مقدار اجزای آنها بستگی به ترکیب اولیه و دمای نهایی واکنشها دارد. رابطه بین مقدار اجزای در تعادل، ترکیب تعادل و دمای نهایی آن توسط ثابت تعادل برقرار میشود. برای دو واکنش بهسازی و دگرگونی ثابت های تعادل بصورت روابط - 11 - و - 12 - تعریف میشوند. ثابت تعادل برای یک مخلوط گاز ایدهآل با توجه به رابطه بالا فقط تابعی از دماست. بنابراین برای واکنش بهسازی بخار و دگرگونی Kp بصورت یک تابع چند جملهای و بصورت رابطه - 13 - بیان میشود. در این رابطه A , B ,C , D , E ثابتهای تجربی هستند که مقادیر آنها در مرجع [14] آورده شده است. بر این اساس روابط - 14 - و - 15 - ثابت های واکنش بهسازی و دگرگونی را بر اساس ضرایب مولی شرکت کنندگان در واکنش نشان می دهد. ضریب کاربرد سوخت - Uf - بهصورت نسبت هیدروژن واکنش داده در آند به هیدروژن تولیدی در آن تعریف میشود - رابطه . - 16 با تشکیل معادلات و انجام
