بخشی از مقاله
چکیده
تولید انرژي با استفاده از ابزارهاي تمیز کارآمد و دوستدار طبیعت امروزه یکی از عمده ترین مباحث مورد مطالعه توسط دانشمندان و مهندسین میباشد. پیلهاي سوختی انرژي شیمیایی یک سوخت گازي را مستقیماً به کار الکتریکی تبدیل میکنند و به دلیل اینکه در آنها هیچ احتراقی رخ نمیدهد بسیار تمیزتر و کارآمد تر از موتور هاي احتراق داخلی هستند. یکی از موثرترین ابزارها براي تولید توان الکتریکی، پیلهاي سوختی اکسید جامد هستند. در این مقاله ابتدا به بررسی عملکرد و انواع این نوع پیل ها پرداخته می شود و سپس یک نیروگاه پیل سوختی اکسید جامد- توربین گاز که از سوخت متان تغذیه میکند، مورد بررسی قرار میگیرد. هدف این مقاله این است که با استفاده از نرم افزار مطلب یک شبیه سازي ترمودینامیکی از یک سیکل هیبریدي پیل سوختی اکسید جامد در ترکیب با یک توربین گاز متداول را انجام دهد و میزان توان تولیدي، سوخت مصرفی و انتشار دي اکسیدکربن آن را در مقایسه با سیستمهاي متداول تولید انرژي الکتریکی مورد بررسیقراردهد.
مقدمه
اگرچه پیلسوختی به تازهگی به عنوان یکی از راهکارهاي تولید انرژي الکتریکی مطرح شده است ولی تاریخچه آن به قرن نوزدهم و کار دانشمند انگلیسی سرویلیام گرو بر میگردد. او اولین پیلسوختی را در سال ١٨٣٩ با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت. تلاش هاي متعددي در اوایل قرن بیستم در جهت توسعه پیلسوختی انجام شد که به دلیل عدم درك علمی مسئله هیچ یک موفقیت آمیز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوختهاي فسیلی ارزان و رواج موتورهاي بخار کمرنگگردید. درطول دهه 80 تلاش محققین بر تهیه مواد مورد نیاز، انتخاب سوخت مناسب و کاهشهزینهاستواربود. دپارتمان انرژي آمریکا بیان میکند که انتشار کربن جهانی تا سال 5٢٠١به بالاي %54 میرسد که این امر سبب گرم شدن زمین به اندازه ٧.١ تا 4.9درجه سلسیوس در طول سال هاي ٢٠١٠-١٩٩٠میشود و همچنین جمعیت جهان هم تا سال ٠5٢٠ به حدود ١٢میلیون نفر میرسد .
بنابراین تقاضاي جهانی انرژي افزایش مییابد و همچنین تقاضاي انرژي اولیه .5١تا ٣ برابر شده است.[1] بنابراین براي کاهش آلودگی محیط زیست، کاهش مصرف سوختهاي فسیلی و افزایش منابع انرژيهاي دوست دار محیط زیست تکنولوژيهاي مختلفی ایجاد شدهاند. یکی از کارآمدترین و پاکیزهترین تکنولوژيهاي در دسترس براي تولید برق از هیدروژن و سایر سوختهاي تجدید پذیر پیلهاي سوختی اکسید جامد هستند، همچنین از گرماي تولیدي از این نیروگاهها میتوان جهت گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود. این نیروگاهها در مصارف کوچک بازدهی الکتریکی بالایی دارند و همچنین در ترکیب با نیروگاههاي گاز طبیعی بازدهی الکتریکی آنها به ٧٠-٨٠% میرسد.در این میان پیلهاي سوختی اکسیدجامد1 به علت دماي عملکردي بالا براي سیستمهاي تولید قدرت مناسب تر می باشند و نتایج تحقیقات نشان میدهد که سیکل هیبرید پیل سوختی اکسید جامد و توربین گازمیتواند به راندمان٧٠% و بالاتر از آن - بسته به قدرت توربین و نوع سیکل -
دستیابد
پیل سوختی اکسید جامد
پیل سوختی اکسید جامد یک وسیله کاملاًَ جامد است که که از یک ماده سرامیکی رساناي یون اکسیژن به عنوان الکترولیت استفاده میکند. از آن جایی که فقط دو نوع فاز گاز و جامد مورد نیاز است از لحاظ مفهومی سادهتر از سایر پیلهاي سوختی است. پیلهاي سوختی اکسیدجامد در ناحیه ٠٠6 تا ١٠٠٠درجه سلسیوس عمل میکنند یعنی اینکه می توانیم به سرعت واکنش بالا برسیم بدون اینکه از کاتالیست گران قیمت استفاده کرده باشیم. این نوع از پیلهاي سوختی فواید زیادي به خاطر سادهگی ذاتی دارند.
عملکردپیل
زمانی که یک مولکول اکسیژن با سطح کاتد/ الکترولیت برخورد کند الکترون را از کاتد گرفته و یون اکسیژن به درون ماده الکترولیت نفوذ میکند و به طرف دیگر سلول میرود که در آنجا با آند برخورد میکند. یون اکسیژن در سطح آند الکترولیت به سوخت برخورد میکند و واکنش شیمیایی رخ داده و تولید آب، دي اکسید کربن، حرارت و الکترون میکند. الکترون وارد مدار خارجی شده و تولید انرژي الکتریکی میکند. این نوع پیلها می توانند توانی بین ٢تا ١٠٠مگا وات تولید کنند. شکل ١نحوهي عملکردایننوعپیلها،رانشانمیدهد.
شبیه سازي ترمودینامیکی
اکنون پس از بررسی اجمالی پیل سوختی اکسید جامد به شبیه سازي یک نیروگاه توربینگاز به همراه یک پیل سوختی اکسید جامد پرداخته شده و روابط ترمودینامیکی آن مورد بررسی قرار میگیرد. دراین مقاله عملکرد سلولهاي پیل سوختی اکسید جامد دما بالا که از سوخت متان - که یک سوخت تجدید پذیر است - تغذیه میکند و با یک توربین گاز متداول پیشرفته ترکیب شده است مورد بررسی قرار گرفته است . مدل هاي اولیه براي هر مولفه با استفاده از قوانین اول و دوم ترمودینامیک توسعه یافته اند، سپس عملکرد نهایی سیستم با به کار بردن مدلهاي منفرد و کاربرد بیشتر قوانین ترمودینامیکی براي چرخه کامل، براي ارزیابی راندمان حرارتی، توان الکتریکی تولیدي، میزان سوخت مصرفی، انتشار دياکسیدکربن و انتروپی تولیدي دستگاه تجزیه و تحلیل شده است.
سپس با استفاده از نرم افزار مطلب براي شبیهسازي عملکرد چرخه مرکب الگوریتمی توسعه یافته ونتایج برآورد چرخه براي شرایط عملکردي معین با دادههاي موجود درمقالات دیگر مقایسه شدهاند. مقایسه، اعتبار بخشی مفیدي از شبیه سازي ترمودینامیکی کار موجود فراهم میکند. این شبیه سازي اثر عملکرد مختلف پارامتر ها مانند نسبت تراکم، دماي درونی توربین را روي راندمان حرارتی و برگشت ناپذیري دستگاه در واحد نرخ تولید انتروپی بررسی می کند. اکثر تلفات در این سیستم ها در نتیجه برگشت ناپذیري سوخت احتراق است. اگر از برخورد مستقیم بین سوخت و هوا جلوگیري شود - همانند پیل سوختی - این راندمان بهبود مییابد . اولین سیستم کامل پیل سوختی اکسید
