بخشی از مقاله
چکیده
شناورهای زیرسطحی متداول امروزی معمولا دارای یک سیستم دیزل-الکتریکی میباشند. بهمنظور شارژ باطریها، شناور زیرسطحی میبایست به فراوانی بر روی سطح آب آمده تا توسط ژنراتور شارژ گردد. در این شرایط احتمال ردیابی و آسیب به زیردریایی به شدت وجود دارد. باتوجه به این موضوع، سیستمهای پیشرانش مستقل از هوای محیط - AIP - امروزه در حال توسعه و تحقیق میباشند. در مقاله حاضر یک سیستم پیشرانش هیبرید پیلسوختی-الکتریکی برای کاربردهای دریایی و بهخصوص شناورهای زیرسطحی طراحی و مدلسازی شده است. طراحی و مدلسازی این سیستم با استفاده از نرمافزار کامسول انجام شده است .
در تحقیق حاضر ابتدا سیستم مورد نیاز برای بهکارگیری پیلسوختی پلیمری در سیستم پیشرانش یک شناور زیرسطحی با دامنه توان مشخص طراحی میشود. با مشخص بودن اجزا بهکار رفته در این سیستم، معادلات حاکم بهصورت کلی برای اجزای مختلف سیستم استخراج و شبیهسازی شده، بهگونهای که مدل توسعه یافته قادر به تعیین پارامترهای ترمودینامیکی و الکتروشیمیایی در شرایط عملکردی مختلف سیستم پیشرانش میباشد. شبیهسازی سیستم طراحی شده به کاربر امکان مشاهده اثر تغییرات هریک از پارامترها بر نتیجه نهایی و راندمان سیستم را میدهد که این امر امکان طراحی بهتر و دقیقتر را قبل از ساخت فراهم میکند. نتایج نشان میدهد که تغییر برخی پارامترها مانند غلظت واکنشدهندهها بر راندمان سیستم اثر قابل توجهی دارد.
-1 مقدمه
از آنجا که استفاده از سوختهای فسیلی به منظور تأمین انرژی، پیامدهای منفی بسیاری دارد، در دهههای اخیر علاقهمندی به پیلهای سوختی افزایش یافته است. از جمله این پیامدها آلودگی بیش از حد، استخراج بیرویه از منابع جهانی و احاطه و کنترل سیاسی کشورهای دارندهی ذخایر زیاد میباشد. بنابراین یک منبع انرژی جدید با بازدهی بالا، آلودگی کم و بدون نیاز به سوختهای محدود لازم میباشد. امروزه پیلهای سوختی بیش از هر زمانی به تجاری شدن نزدیک شدهاند. این پیلها توانایی جوابگویی به نیازهای انرژی، همگام با پاسخگویی به توقعات محیط زیست و بهرهوری را دارا میباشند. انگیزههای رو به رشد اخیر در گسترش و تجاری سازی این محصول به علت مزایای بسیار زیاد آن میباشد.
پیلهای سوختی دارای فرآوردههای جانبی تمیز - مانند آب، هنگامی که پیل با هیدروژن خالص کار میکند - میباشند که این بدین معناست که دارای آلودگی صفر و در صورت وجود آلودگی، دارای آلودگی بسیار اندک اکسید نیتروژن و سولفور میباشند. پیلهای سوختی همچنین به علت عدم داشتن قسمتهای متحرک حتی در حین کار با پردازش سوخت بسیار و تجهیزات زیاد، بسیار آرام و بی سروصدا عمل میکنند. پیلهای سوختی دارای چگالی توان و بازدهی بالا میباشند.
آنها بهطور معمول دارای بازدهی بیش از %40 در تولید توان الکتریکی هستند که در مقایسه با بازدهی ژنراتورها1 و موتورهای احتراق سنتی2 بهتر میباشد. گرمای اضافه تولیدی از کارکرد پیل سوختی میتواند به منظور اهداف گرمایی، مورد استفاده قرار گیرد که این خود باعث افزایش بازدهی کل پیل میشود و نهایتاً انواع مختلف پیل سوختی میتوانند با انواع سوختهای مرسوم و دیگر سوختها همچون اتانول3، متانول4، گاز طبیعی5 و هیدروژنی که خود از منابع انرژی تجدید پذیر6 بهدست میآید، کار کنند.[1]
در حال حاضر بیشترین استفاده از پیل سوختی در کاربردهای دریایی و بهخصوص در شناورهای زیرسطحی میباشد. در سالهای اخیر افزایش قوانین محیط زیست موجب توجه به سیستمهای جدید جایگزین در شبکه کشتیها و سیستمهای پیشرانشی دیگر نیز شده است. در سایر زمینهها نیز پیلهای سوختی باتوجه به قابلیتهای گستردهشان مورد توجه میباشند. این پیلها در شناورهای سطحی و برخی از شناورهای تجاری نیز در صورت رسیدن به هزینه و تکنولوژی قابل قبول به صورت همزمان با دیگر سیستمهای پیشرانشی قابل استفادهاند. موارد کاربرد آنها در شناورهای تجاری و غیر تجاری را میتوان در موارد زیر خلاصه کرد:
✓ منبع توان اضطراری.
✓ ایجاد انرژی در آب و بندرگاههایی که قوانین زیست محیطی دارند.
✓ منبع توان خروجی کم در شرایط عملکردی خاص.
✓ تولید انرژی الکتریکی برای شبکه کشتی.
امکان استفاده از این پیلها در سیستمهای مستقل از هوا در شناورهای زیر سطحی غیر هستهای نیز حائز اهمیت است. شناورهای زیر سطحی معمول دیزل-الکتریکی در هنگام بالا آمدن به سطح آب قابل شناسایی هستند. اشعه مادون قرمز که منجر به تشخیص شناور زیرسطحی میشود، در هنگام کار موتور دیزلی شناور زیر سطحی تقویت میشود. شناور زیر سطحی دیزل-الکتریکی نیاز به بالا آمدن به سطح آب دارد تا بتواند باتریها را با به کار انداختن ژنراتورهای دیزلی خود شارژ کند و این امر امکان دیده شدن شناور زیر سطحی را افزایش میدهد .[2]
پیلهای سوختی غشا پلیمری را بهعنوان مهمترین گزینه برای جایگزینی موتورهای احتراق داخلی میشناسند. اما هنوز فاصلهی زیادی تا رسیدن به این حقیقت وجود داشته و برای دستیابی به چنین هدفی، لازم است تا بهینهسازیهای زیادی روی این پیلها صورت بگیرد. یکی از روشهایی که به درک عمیقتری و بهتری از فرآیندهای فیزیکی درون پیلها میانجامد و میتوان توسط آن اقدام به بهینهسازی پیل نمود، استفاده از شبیهسازی معادلات فیزیکی حاکم بر پیلهای سوختی است.[3]
-2 معادلات حاکم
یک پیل سوختی مطابق با شکل 1 در حقیقت یک سیستم الکتروشیمیایی است که در آن فازهای مختلف نظیر فاز گاز، مایع و جامد در ارتباط هستند. همچنین در چنین سیستمهایی حرکت سیال در یک محیط متخلخل صورت گرفته که میزان تخلخل آن متغیر است. بهعنوان مثال برای کانالهای باز مقدار تخلخل برابر با یک بوده درحالی که در لایههای مختلف پیل مقادیر متفاوتی از تخلخل موجود است. همچنین در بخشهایی از این فضا واکنشهای الکتروشیمیایی صورت میگیرد. بنابراین از یک دیدگاه کلی، تحلیل یک پیل سوختی متضمن تحلیل مسائلی هستند که درگیر مباحثی نظیر محیطهای متخلخل، محیطهای چندفازی، واکنشهای شیمیایی و الکتروشیمیایی و انتقال حرارت میشوند.
برای آنکه بتوان مدل جامعی برای چنین مسألهای ارائه داد، لازم است تا معادلات انتقالی حاکم بر متغیرهای فیزیکی درگیر در مسأله شناخته شده و حل شوند. در چنین سیستمهای الکتروشیمیایی فرآیندهای الکتروشیمیایی بهطور عموم توسط اصلهای بقای جرم، ممنتوم، گونههای شیمیایی و بار الکتریکی در هر فاز بیان میگردند. این معادلات، حاکم بر توده میدان بوده که توسط فرآیندهای فصل مشترک با یکدیگر ترکیب میشوند. در اکثر الکترودهای متخلخل حرکت سیال وجود ندارد یا میتوان از آن صرف نظر کرد که درنتیجه معادلات جرم و ممنتوم از دستگاه معادلات حذف می-گردند. اما در مدل حاضر برای عمومیت دادن به فرمولبندی این اثرات نیز درنظر گرفته شدهاست.[4]
