بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق یک سیستم تولید همزمان برق و حرارت بر پایهی پیل سوختی پلیمری طراحی و مدلسازی شده است. طراحی این سیکل با هدف کاهش مصرف سوختهای فسیلی و در نتیجه کاهش آلودگی محیط زیست انجام شده است. در این سیکل مورد بررسی از پیل سوختی به عنوان محرک اولیه استفاده میشود. در پیل سوختی برق و حرارت تولید میگردد و از حرارت قابل تبادل پیل سوختی برای گرم کردن آب مصرفی استفاده شده است. این سیکل شامل پیل سوختی پلیمری، کمپرسور هوا، تانک هیدروژن، سیستم تولید آب گرم و تانک ذخیره آب گرم میباشد.
این سیکل در دو مرحله مدلسازی شده است در مرحلهی اول پیل سوختی پلیمری با استفاده از نرمافزار متلب مدلسازی شده است و به تاثیر چگال جریان کاری پیل سوختی بر افت ولتاژهای مختلف، کار خروجی از پیل سوختی و ولتاژ خروجی از پیل پرداخته شده است. و در ادامهی کار با کمک نرمافزار EES به مدلسازی و تحلیل کل سیکل و تاثیر پارامترهای مختلف از جمله دمای کاری و مساحت موثر پیل سوختی بر راندمان کل سیکل پرداخته شده است. نتایج بدست آمده پیل سوختی نیز با کارهای انجام شده مورد اعتبارسنجی قرار گرفت و نتایج دارای خطای قابل قبول و امیدوار کنندهای میباشند.
-1 مقدمه
با توجه به رشد فزایندهی جمعیت جهان در این روزها و سرعت بالای پیشرفت کشورها در صنایع مختلف، مصرف سوختهای فسیلی به شدت بالا رفته است و در نتیجه با افزایش مصرف این نوع از سوختها محیط زیست جهان به شدت رو به تخریب است. برای جلوگیری از تخریب محیط زیست و با توجه به اینکه سوختهای فسیلی رو به اتمام است راهکارهای مختلفی ارائه شده است که یکی از این راهکارها استفاده از انرژیهای نو است.
انرژیهای نو صورتهای مختلفی دارند که از آن جمله میتوان به انرژی باد، آب، خورشید و پیلهای سوختی اشاره کرد. پیلهای سوختی یکی از بهترین محرکهای اولیهی سیستمهای تولید قدرت میباشند و علت این امر مزایای بسیار زیاد این نوع از محرک-های اولیه است.
یکی از سیستمهایی که امروزه بسیار مورد توجه کشورهای مختلف قرار گرفته است سیستمهای تولید همزمان است. این سیستمها به تولید کار عموما به صورت الکتریسته میپردازد و در این سیستمها سعی بر آن است تا از گرمای اتلافی اجزای مختلف سیکل برای مصارف مفید، استفاده حداکثری شود. این سیستمها مزایای زیادی نسبت به سیستمهای سنتی پراکنده تولید برق دارند که از آن جمله میتوان اشاره کرد که این سیستمها دارای راندمان بالا تا 60 الی 90 درصد هستند - Gu, Q., et all, 2012, 143- 152 - و این موضوع باعث کاهش مصرف سوختهای فسیلی و کاهش تولید آلایندههای محیط زیست میگردد، این سیستمها چون عموما داری قدرت پایین هستند ولی تعداد زیادی از آنها در سطح یک کشور به طور پراکنده فعالیت میکنند، در صورت خرابی یک واحد از سیستمهای تولید همزمان مقدار کمی برق و حرارت از شبکه کسر میشود و در نتیجه قابلیت اطمینان بالایی را برای شبکه برق فراهم میکنند. این سیستمها چون عموما در سطح کشور پراکنده هستند
از لحاظ پدافند غیرعامل نیز شرایط بسیار مطلوبی دارند و یکی دیگر از مزایای این سیستمها نزدیکی آنها به محل مصرف میباشد که این امر موجب کاهش چشمگیر تلفات انتقال میشود. مطالعات بسیار زیادی در زمینه استفاده از سیستمهای تولید همزمان برق و حرارت شده است که از آن جمله می-توان به کارمینگ نی و همکارانش به آنالیز انرژی و اگزرژی یک سیستم تولید همزمان بر پایهی محرک اصلی پیل سوختی پلیمری پرداخته اند و در تحقیقاتشان به تأثیر دمای کاری پیل سوختی پلیمری، چگالی جریان و پارامترهای هندسی پیل بر رانمان آن پرداختهاند
هانس جان و همکاران یک مدل شبیهسازیشده دینامیکی برای ریفورمر بخار ارائه داده است که برای مدلسازی یک سیستم تولید همزمانی که پیل سوختی پلیمری محرک اصلی آن است و کاربرد ساختمانی دارد، ارائهشده است
ژائو آنالیز پارامتریکی بر روی یک سیستم تولید قدرت هیبریدی که محرک اصلی آن پیل سوختی پلیمری است و از سیکل رانکین ارگانیک برای استفاده از انرژی اتلافی بهره برده است.و سیکل را با سیالهای عامل ارگانیک مختلف مدلسازی کردهاند و موضوع مورد بهینه سازی آنها این بود که به ازای سیال عاملهای مختلف ارگانیک بیشترین بازده را برای سیکل بهدست آوردند و درنهایت، اینکه کدام سیال عامل بهترین انتخاب برای سیکل است مورد بررسی قرار گرفت
فرگوسن و همکارانش که روی مدل سازی یک سیستم تولید همزمانی که پیل سوختی پلیمری محرک اصلی آن است و کاربرد ساختمانی دارد کار کردهاند و به بررسی تأثیر عوامل مختلف بر روی قدرت الکتریکی خروجی از پیل پرداختهاند.
هوانگ و همکاران یک سیستم تولید همزمان با محرک اصلی پیل سوختی را که با سوخت متانول کار میکند را آنالیز کردهاند میزان راندمان سیکل را بهصورت عددی محاسبه کردهاند و درنهایت با یک مدل تجربی مورد مقایسه قرار دادهاند
نجفی و همکارانش به بررسی استراتژی عملکرد طولانیمدت یک سیستم میکرو تولید همزمان بر پایهی محرک اصلی پیل سوختی پرداختهاند
رابیو و همکارانش نیز روی طراحی یک سیستم تولید همزمان کارکردهاند و چالشی که ایشان به حل آن پرداختند کم کردن زمان راهاندازی بود و از سیستمهای بازیاب بهگونهای استفاده شوند که زمان راهاندازی کم شود
این سیستمها میتوانند از محرکهای اولیهی مختلفی از جمله بویلر، موتور احتراق داخلی، موتور استرلینگ و پیلهای سوختی استفاده کنند در این مقاله از پیل سوختی به عنوان محرک اولیه استفاده شده است علت انتخاب پیل سوختی به عنوان محرک اولیه این است که این محرکهای اولیه دارای راندمان نسبتا بالایی هستند، دارای آلایندگی محیط زیستی نمیباشند، آلایندگی صوتی بسیار پایینی دارند و محصول خروجی این محرکهای اولیه آب است که باز قابل استفاده میباشد و چون پیلهای سوختی دارای قطعات متحرک نیستند خرابی بسیار کمی دارند.
در این مقاله به مدلسازی انرژی و تحلیل ترمودینامیکی یک سیکل ابداعی با این محرک اولیه پرداخته شده است. همچنین تغییرات راندمان سیکل در 2 حالت تولید برق، برق و حرارت بررسیشده و به تأثیر چگال جریان کاری پیل سوختی بر افت ولتاژهای مختلف، کار خروجی از پیل سوختی پرداخته شده است. مدلسازی و تحلیل کل سیکل و تاثیر پارامترهای مختلف از جمله دمای کاری و مساحت موثر پیل سوختی بر راندمان کل سیکل پرداخته شده است. نتایج بدست آمده پیل سوختی نیز با کارهای انجام شده مورد اعتبارسنجی قرار گرفت و نتایج دارای خطای بسیار کمی میباشند.
-2 طرح سیستم
طرح سیستم مورد نظر در شکل 1 نشان داده شده است و همانطور که از شکل 1 مشخص است گاز هیدروژن در تانک هیدروژن قرار دارد و پس از عبور از شیر فشارشکن و افت فشار و تبدیل به فشار کاری پیل سوختی وارد پیل سوختی میگردد و از طرفی فشار هوا نیز توسط کمپرسور به فشار کاری پیل سوختی تبدیل میگردد و هیدروژن و هوا وارد پیل سوختی میشوند سپس پس از انجام واکنش الکتروشیمیایی مورد نظر و تولید آب، برق و حرارت آب گرم تولیدی ناشی از واکنش الکتروشیمیایی، از پیل سوختی خارج و وارد تانک ذخیره میشود در این قسمت از کار برای آنکه دمای پیل سوختی افزایش پیدا نکند پیل سوختی نیاز به سیال خنک کننده دارد و برای خنک کاری پیل سوختی از یک خط آب استفاده شده است تا پس از عبور از پیل سوختی ضمن خنک-کاری پیل سوختی آب گرم مصرفی نیز تامین گردد که این آب گرمشده میتواند برای مصارف مختلف از جمله مصارف خانگی قابل استفاده است.
برای مدلسازی سیکل فرضیاتی در نظر گرفته شده است که این فرضیات عبارتند از :
- سیستم به حالتپایا برسد.
- واکنشهای شیمیایی سیستم به حالت تعادل برسند.
