بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
شبيه سازي و تعيين اندازه سيستم توليد انرژي هيدروژن - خورشيدي براي تامين مصرف خانگي
چکيده
با توجه به نياز روز افزون به انرژي، يافتن منابع جديد که ميزان آلودگي را به حداقل رسانده و از نظر اقتصادي نيز به صرفه باشند، يکي از چالش هاي اساسي امروز است . در عين حال در کشوري همچون ايران که از نظر تابش خورشيد داراي موقعيت منحصر به فرديست ، طراحي و اجراي طرح هاي استفاده از انرژي خورشيدي که انرژي پاک و ارزان قيمتي ميباشد از اهميت بسياري بر خوردار است . در مقاله حاضر بر آنيم در وهله ي اول واحدي براي توليد پراکنده -در مقابل توليد انبوه نيروگاهي-و درجاي انرژي را بر پايه ي هيدروژن معرفي و تشريح کرده و در ادامه به شبيه سازي زير سيستم هاي آن بپردازيم . هدف اين است که واحدي مستقل طراحي گردد که با حداقل نياز به منابع خارجي و هزينه هاي جاري در بلند مدت و با استفاده از منبع خورشيد انرژي مورد نياز را تامين نمايد.
سيستم هيدروژن خورشيدي مورد بحث در اين مقاله شامل سه بخش اصلي است : ١. سلول خورشيدي، ٢. الکترولايزر، ٣. پيل سوختي پس از طراحي اوليه و مدل سازي، نتايج حاصل از مدل سازي ها با نتايج جمع آوري شده از منابع معتبر همچون مقالات و نتايج آزمايشگاهي و اطلاعات ارائه شده توسط توليدکنندگان دستگاه ها مقايسه شده و نسبت به صحت سنجي فرآيند شبيه سازي اقدام گرديده است .
در ادامه نيز با ارتباط دادن اين بخش ها به يکديگر و شبيه سازي مجموعه ، نسبت به تعيين ابعاد مورد نياز دستگاه ها براي تـامين نياز سالانه ي يک خانه ي نمونه با در نظر گرفتن پروفايل هاي تابش و مصرف روزانه اقدام گرديده است .
واژه هاي کليدي: پيل سوختي، الکترولايزر، انرژي خورشيدي. هيدروژن ، شبيه سازي
١- مقدمه :
مصرف جهاني انرژي در سال ٢٠١٣ با افزايش ٢.٣ درصدي نسبت به سال ٢٠١٢ روبرو بوده است . اين افزايش بيشتر در زمينه ي نفت ، زغال سنگ و انرژي هسته ايست . نفت همچنان با سهم ٣٢.٩ درصدي از مصرف انرژي جهان ، نخستين سوخت جهان است و البته براي چهاردهمين سال متوالي شاهد کاهش سهم اين فرآورده در بازار سوخت هاي جهان هستيم .- , British Petroleum ٢٠١٤- در ميان انواع راه هاي توليد انرژي و معايب و مزاياي آنها، خورشيد يکي از منابع مورد توجه است که در کنار کم هزينه بودن و پايداري، آلودگي تقريبا برابر صفر دارد. در کشور ايران به طور متوسط روزانه ٥.٥ کيلووات ساعت انرژي خورشيدي بر هر متر مربع از سطح زمين مي تابد و در ٩٠ درصد خاک ايران تقريبا ٣٠٠ روز آفتابي در طول سال وجود دارد. مساحت ايران تقريبا ١٦٠٠٠٠٠ کيلومتر مربع يعني حدود o١١٢*١٦ متر مربع است و لذا ميزان تابش روزانه انرژي خورشيدي در ايران برابر با o١١٢*١٦*٥٥ کيلووات ساعت خواهد بود. اين بدان معناست که اگر تنها از ٤ درصد مساحت ايران انرژي خورشيدي را جذب نماييم و راندمان سيستم دريافت انرژي تنها ١٠ درصد باشد باز هم مي توان روزانه ٣٦٠٠٠٠٠٠ مگاوات ساعت انرژي از خورشيد دريافت کرد. اين ميزان انرژي از کل برق توليد شده در نيروگاه هاي کشور در سال ٩٢ که حدود ٢٦٠٠٠٠٠٠ مگاوات ساعت بوده است ، بيشتر است . -سانا- و-توانير،١٣٩٢- سيستم هاي هيدروژن -خورشيدي از برتري هاي قابل ذکري نسبت به سيستم هاي مشابه براي استفاده از انرژي خورشيدي برخوردار هستند که در ادامه به آنها پرداخته ميشود.
١. اولين مشکل در رابطه با انرژي خورشيدي عدم دائمي بودن آن در طول شبانه روز است . براي رفع اين مشکل در سيستم هاي فوتوولتاييک ميتوان از باتري خانه و همچنين سيستم مبتني بر هيدروژن استفاده نمود. برتري سيستم هيدروژني نسبت به سيستم باتري خانه در دو مورد است :
١. سيستم هاي هيدروژني نسبت به سيستم هاي باتري دار در دوره هاي طولاني قابليت ذخيره سازي بهينه تري را دارند.
٢. سيستم هاي هيدروژني از عمر مفيد طولاني تري نسبت به سيستم هاي باتري دار برخوردارند و لذا در دوره ي مثلا ٢٠ ساله که براي برآورد يک سيستم توليد انرژي در نظر گرفته ميشود بسيار مطلوب ترند.-٢٠٠٥ , Ali and Andrew-
٢. مسئله ي ديگر در رابطه با توليد پراکنده انرژي و به پايه ي منابع تجديد پذير همچون خورشيد، هزينه بالاي سرمايه گذاري اوليه است .در بين انواع اين سيستم ها نيز سيستم هاي هيدروژني با استفاده از حرارت برتري دارند. در اين سيستم ها با استفاده از حرارت توليد شده در بخش پيل سوختي و يا توليد مازاد هيدروژن و استفاده از آن به عنوان سوخت براي توليد حرارت ميتوان راندمان سيستم را بسيار بالا برد، در واقع از اين سيستم ميتوان هم جهت توليد برق و هم تامين آب گرم مصرفي در خانه ها استفاده نمود که راندمان مجموع سيستم را بين ١٠-٢٠ درصد افزايش داده و از نظر اقتصادي سيستم را بسيار بهينه تر ميکند.-٢٠١٠ , Shabani and Watkins -
در اين مقاله برآنيم ضمن تشريح بخش ها و قسمت هاي يک سيستم هيدروژن -خورشيدي، به شبيه سازي هر يک از بخش ها و صحت سنجي نتايج شبيه سازي بخش ها بپردازيم . در ادامه نيز با ارتباط دادن اين بخش ها به يکديگر و شبيه سازي مجموعه ، نسبت به تعيين ابعاد مورد نياز دستگاه ها براي تامين نياز سالانه ي يک خانه ي نمونه با در نظر گرفتن پروفايل هاي تابش و مصرف روزانه اقدام خواهد شد.
٢- معرفي بخش هاي مختلف سيستم
در ميان انواع طراحي ها و چيدمان هاي متفاوت و متنوعي که ميتوان براي يک سيستم استحصال انرژي خورشيدي در نظر گرفت ، در اين مقاله سيستم هايي مبتني بر هيدروژن و پيل سوختي مورد توجه قرار گرفته اند. در اين سيستم انرژي الکتريکي استحصال شده از خورشيد توسط الکترولايز در واسطه هيدروژن ذخيره ميشود. سپس انرژي هيدروژن در زمان مورد نياز همچون هنگام شب توسط پيل سوختي آزاد مي شود و در نهايت حرارت ايجاد شده در اين بين توسط پيل سوختي نيز امکان بازگرداني به سيستم را دارد تا با تامين بخشي از حرارت مصرفي و مورد نياز خانه ، بهره وري را هرچه بيشتر، بالا ببرد.
چنين سيستم هايي از چند بخش اصلي تشکيل شده اند: -٢٠١٠ , Shabani and Watkins-
١. پنل خورشيدي جهت جذب انرژي خورشيد و تبديل آن به انرژي الکتريکي
٢. الکترولايز جهت تبديل بخشي از انرژي الکتريکي به هيدروژن
٣. پيل سوختي جهت توليد انرژي الکتريکي از هيدروژن در ساعات مورد نياز
٤. سيستم بازيافت حرارتي براي پيل سوختي
البته اين سيستم ها بخش هاي ديگري از جمله مخزن گاز، فيلترهاي تامين هواي پيل ، تبديل کنندگان جريان مستقيم و متناوب
و ... هستند که در اينجا مد نظر نيست .
شکل -٢-: شماي کلي يک سيستم هيدروژن خورشيدي
٣- معادلات حاکم و صحت سنجي
پيل سوختي
براي مدل کردن پيل سوختي بايد اساس کار آن را مورد بررسي قرار دهيم . در اين مقاله براي مدل سازي از معادلات ارائه شده در مراجع -٢٠١١ , Spiegel- و -٢٠٠٣ , Pukrushpan- استفاده گرديده است . در پيل سوختي واکنش زير اتفاق مي افتد و در اثر انجام اين واکنش انرژي قابل توجهي آزاد ميشود.
انرژي آزاد شده در اين واکنش شيميايي را ميتوان از تغييرات در انرژي آزاد گيبس بدست آورد. انرژي آزاد گيبس نمايانگر انرژي موجوديست که توانايي انجام کار را دارد. اگر سيستم ما برگشت پذير باشد، تمام انرژي آزاد گيبس مي تواند به انرژي الکتريکي تبديل شود. با توجه به اينکه در ازاي هر مولکول هيدروژن دو الکترون توليد ميشوند، ميتوان نوشت : = Electrical work done FE٢- که در آن F عدد ثابت فارادي -٩٦٤٨٥-- است که نمايانگر بار الکتريکي يک مول الکترون ميباشد و E نيز ولتاژ پيل مي - باشد. اگر سيستم را برگشت پذير درنظر بگيريم خواهد بود. بنابرين با جايگذاري فرمول مربوط به انرژي آزاد گيبس و به تبع آن ميزان پتانسيل در شرايط ايده آل خواهيم رسيد:
با استفاده از معادله بالا مقدار E را که در واقع حداکثر ولتاژ قابل استحصال تئوري است ، در شرايط مختلف دما و فشار مي توان محاسبه کرد. زماني که پيل شروع به کار مي کند، ولتاژي را که توليد مي کند کمتر از معادله ٢ ميباشد اين به دليل وجود افت ولتاژهايي است که با ايجاد جريان در سيستم ، خود را نمايان ساخته اند. ترم هاي مختلف افت ولتاژ در معادله زير بيان شده اند. اين معادله ، معادله کلي براي محاسبه ولتاژ يک سل ميباشد.
افت ولتاژهاي پيل سوختي به سه دسته تقسيم ميشوند. افت فعالسازي، افت اهميک و افت غلظت و معادله ي هر يک در -٢٠١١ , Spiegel- و -٢٠٠٣ , Pukrushpan- به تفضيل مورد بررسي قرار گرفته است . بعد از بدست آوردن معادله ولتاژ سيستم بر حسب جريان مي توانيم از يک معادله ساده براي محاسبه توان استفاده کنيم و در ازاي هر مقدار توان لازم ، ميزان جريان و ولتاژ
خروجي سيستم را بدست آوريم . معادله توان بر حسب ولتاژ مطابق زير ميباشد:
بعد از بدست آوردن مقدار جريان خروجي سيستم با توجه به معادله -٣- و -٤- ، مي توانيم مقدار ماده مصرف شده در سيستم را بدست آوريم . با توجه به اينکه در سيستم مورد نظر ما هوا در نتيجه اکسيژن به مقدار اضافي موجود است و تنها ميزان مصرف هيدروژن محدود ميباشد، ما به محاسبه مصرف هيدورژن بسنده مي کنيم .
