بخشی از مقاله
-1 مقدمه
سیستمهای انرژی تجدید پذیر پاسخی به افزایش تقاضای جهانی انرژی در محیط آلودهی امروزی میباشند. همچنین افزایش تقاضای انرژی موجب حرکت بهسوی تکنولوژیهای برق پاک و تجدید پذیر مانند فتوولتاییک - PV - ، توربین بادی و تکنولوژیهای سلول سوختی - FC - شده است.PV و توربین بادی به ترتیب انرژی خورشید و باد را به برق تبدیل میکنند، FC انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند و مقدار برق تولیدی FC با تنظیم مقدار جریان سوخت - گاز طبیعی یا هیدروژن - کنترل میشود.
FC یک تکنولوژی سازگار با محیط میباشد که دارای چگالی انرژی بالا است و تا زمانی که سوخت فراهم باشد انرژی الکتریکی و برق تولید میکند. تولید برق PV همواره موردتوجه بوده و در سالهای اخیر گسترشیافته است.
PVمستقیماً انرژی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. تولید انرژی الکتریکی توسط PV دارای هزینهی عملیاتی ناچیز است و به شرایط آب و هوایی محیط و همچنین تابش خورشید بستگی دارد؛ اما سیستم PV دارای ایراداتی مانند مشخصهی غیرخطی ولتاژ -جریان، رفتار استاتیکی توان خروجی، نداشتن کنترل روی توان تولیدی و در دسترس نبودن در ساعات شب است. اهمیت کنترل روی توان خروجی و در دسترس بودن تولید در ساعات پیکبار باعث شده است که PV یک سیستم نامناسب برای تولید برق باشد.
سیستمهای ذخیرهی انرژی برای حل مشکلات اصلی PV در نظر گرفته میشوند بهطوریکه انرژی را در زمان تولید ذخیره میکنند و در زمان موردنیاز مقدار مطلوب انرژی را در اختیار قرار میدهد. ترکیب PV و دیگر تکنولوژیهای انرژی پاک، مزیت امکان استفاده از انرژی ذخیرهشده و افزایش سود سیستم هیبریدی را دارد. یک سیستم تولید برق هیبریدی بهعنوان ترکیبی از انواع مختلف تکنولوژیهای تولید انرژی مشخص میشود تا از مزیتهای این تکنولوژیها برای رسیدن به عملکرد بهتر استفاده کند.
سیستم هیبریدی - HPFS - PV-FC مثالی از یک سیستم هیبریدی کارآمد است که در آن هیدروژن نقش انرژی واسط را بازی میکند که میتواند بهآسانی ذخیره و استخراج شود. الکتریسیتهی PV شامل PV، الکترولایزر آبی - EL - ، تانک ذخیرهی هیدروژن - HS - و FC به EL داده میشود تا هیدروژن تولید شود سپس در HS ذخیره میشود. FC هیدروژن ذخیرهشده را برای تولید برق مصرف میکند. این HPFS برق تولیدی PV را جبران میکند و امکان زمانبندی تولید برق را فراهم میکند. یک HPFS متصل به شبکه عموماً برای فروش برق به شبکهی توزیع استفاده میشود.
افزایش سود تولید انرژی الکتریکی و افزایش قابلیت اطمینان در فراهم کردن برق موردنیاز مشتریان از مزایای استفادهی همزمان از PV و FC است. جنبههای مختلف اتصال HPFS به شبکه و حالت مستقل در مقاله بررسیشده است. یک سیستم هیبریدی شامل آرایهی PV و سلول سوختی با پوستهی مبادلهی پروتون - PEMFC - در [1,2]ارائهشده است.
در[2,3]یک مطالعه جهت مقایسهی بازده، تغییرات ولتاژ لینک DC، MPPT جریان خروجی، مقیاس بندی و هزینهی سیستم انجامشده است. در [4] یک طراحی سیستم هیبریدی ایزوله شدهی سهگانه پیشنهادشده است که در آن برای مینیمم کردن هزینهی نهایی، بهطور همزمان عمر مفید نصب و راهاندازی، گازهای آلاینده - CO2 - و بار برآوردنشده در نظر گرفتهشده است. در [5] سیستم PV-FC به یک واحد بازیابی گرما وصل شده است که یک منطقهی مسکونی را باانرژی گرمایی تأمین میکند تا استفاده از انرژی را بهبود بخشد. ژنراتور هیبریدی تجدید پذیر PV-diesel در [6] گسترشیافته است که برای تأمین توان فرستندههای توان FM مورداستفاده قرار میگیرد.
یک مدل بر اساس شبکهی عصبی در [7] بحث شده است که در آن رفتار سیستم هیبریدی با در نظر گرفتن عدم قطعیت سرعت باد، تابش خورشید، عمر باتری و هزینهی سوخت نشان دادهشده است. توسعهی سلول سوختی با پوستهی مبادلهی پروتون - PEMFC - و باتری هیبریدی اضطراری سیستم برق - UPS - برای پشتیبانی و کاربردهای برق اضطراری در [8] مطالعه شده است. یک کنترل منطق فازی در [9] استفادهشده است تا روشهای مدیریت انرژی را برای خودروی هیبریدی FC/battery و خودروی هیبریدیFC/battery/ultra-capacitor طراحی کند.
استراتژیهای مختلف مدیریت انرژی برای یک سیستم هیبریدی مستقل شامل 3 پنل PV، یک توربین بادی و یک PEMFC در [10] ارزیابیشده است. جنبه منفی ذخیرهسازی برق توسط هیدروژن هزینه سرمایهگذاری بالای آن است - که برحسب $/KW بیانشده - .
مطالات اخیر نشان میدهد که برآورد هزینه از طریق الکترولیز هیدروژن تقریباً $/KW 3000 است که در مقایسه با فنآوریهای باطری مختلف موجود که هزینهای حدود1000 $/KW دارد خیلی بیشتر است. مشاهده میشود که بیشترین تحقیقات انجامشده بر روی بهینهسازی اقتصادی HPFS تمرکز دارند درحالیکه نقش اصلی HPFS افزایش قابلیت اطمینان توان تولیدی است که هنوز بهاندازهی کافی آدرسدهی نشده است.
در صورت بروز خرابی، HPFS میتواند برای تولید برق از هیدروژن ذخیرهشده در HS استفاده کند و بار محلی را تأمین کند و درواقع بهعنوان پشتیبان تولید باشد، بنابراین قابلیت اطمینان سیستم افزایش مییابد. بهعبارتدیگر هیدروژن ذخیرهشده میتواند برای تولید برق در زمانهای پیک در قیمت بالاتر استفاده شود، بنابراین سود فروش برق بیشتر میشود. بااینحال انرژی بهعنوان پشتیبان تولید ذخیرهشده است و نمیتواند در هر زمان برای کسب سود بیشتر و بالعکس استفاده شود. یک مسئلهی مهم در عملکرد HPFS پیدا کردن یک مقدار بهینه برای ذخیرهی هیدروژن است که باید بهگونهای محاسبه شود که در هر زمان سود فروش برق ماکزیمم باشد و قابلیت اطمینان بهبود یابد. هنوز بهاندازهی کافی بر روی این مسئله کار نشده است.
-2 تعیین مقدار بهینهی هیدروژن ذخیرهشده برای ماکزیمم کردن متوسط انرژی تولیدی
-3پیشنهاد مدل قابلیت اطمینان تولید HPFS
-4 توسعهی شاخصهای اقتصادی برای ارزیابی هزینه / ارزش افزایش قابلیت اطمینان HPFS
روش پیشنهادی مسئلهی اصلی را به دو زیر مسئله تقسیم میکند: مسئلهی ماکزیمم کردن سود - RMP - و مسئلهی ماکزیمم کردن متوسط تولید RMP. - EGE - مقدار بهینهی فروش برق ساعتی به شبکه را با در نظر گرفتن تغییرات ساعتی دربار سیستم، قیمت برق و تابش خورشید که فشار مینیمم HS را تحت تأثیر قرار میدهد، مییابد. یک مدل قابلیت اطمینان 4 حالته پیشنهادشده است که شامل خرابی و تعمیر اجزای HPFS و شبکهی توزیع میباشد. EGE بر اساس احتمال حالتهایی از مدل قابلیت اطمینان، نتایج RMP و فشار مینیمم HS در زیر مسئلهی EGM تعیینشده است.
سپس RMP و EGM محاسبهشدهاند. فشار مینیمم HS، زیر مسئلهها را به هم مرتبط میکند، درحالیکه این پارامتر تأثیر مثبت بر روی تولید پشتیبان دارد، بر روی انرژی فروختهشده تأثیر منفی دارد. از یک جستجوی دوبخشی برای تعیین سطح بهینهی فشار مینیمم HS استفادهشده است که همزمان ماکزیمم مقدار متوسط تولید و ماکزیمم سود فروش را به دست میدهد. شاخصهای اقتصادی پیشنهادشده و محاسبهشدهاند تا هزینه ارزش کاربرد HPFS را برای افزایش قابلیت اطمینان برق تولیدی ارزیابی کند.
-2 مسئلهی سود ماکزیمم
بلوک دیاگرام HPFS مطالعه شده در این مقاله در شکل 1 نشان دادهشده است. در این سیستم با دریافت نور خورشید،PV برق اضطراری برای تولید هیدروژن در EL را تولید میکند، سپس هیدروژن تولیدشده به HS تحتفشار تحویل داده میشود. سپس هیدروژن ذخیرهشده توسط PEMFC برای تولید برق که به شبکهی توزیع فروخته میشود، استفاده میشود.
هدف این مقاله پیشنهاد یک روش برای عملکرد بهینهی HPFS، با ماکزیمم کردن سود و بهبود قابلیت اطمینان است. موضوعات اصلی این مقاله عبارتند از:
-1شرکت دادن قابلیت اطمینان در عملکرد بهینهی HPFS
شکل. .1 بلوک دیاگرام ترکیبی سیستم .PV-FC 1-2 مدلسازی PV
PV انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
تغییرات دمای PV و نور خورشید سبب تغییر سطح ولتاژ PV میشوند که در معادلات زیر بیانشدهاند:
که iFC جریان FC است. RC مقاومت الکترودهای FC است که با حرکت الکترون مقاومت میکنند و عددی ثابت است.
RM مقاومت پوستهی FC است که با عبور یون مخالفت میکند و طبق رابطهی زیر محاسبه میشود:
لازم به یادآوری است که در این مقاله، دمای PV ثابت در نظر گرفتهشده است.
2-2 مدلسازی PEMFC
2؛2؛2 افت ولتاژ فعالسازی
FC انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند که طی آن آب و گرما هم تولید میشود. مقدار ولتاژ خروجی هر سلول کم است، بنابراین سلولهای زیادی بهصورت سری به هم وصل میشوند تا ولتاژ خروجی بزرگتر شود که پشتهی - - FC Stack نامیده میشود. عملکرد FC با منحنی پلاریزاسیون شرح داده میشود و در یک حالت خاص ولتاژ FC برحسب جریان نمایش داده میشود. سه عامل اصلی که روی پلاریزاسیون اثر دارند عبارتند از:
افت ولتاژ اهمی، افت ولتاژ فعالسازی و افت ولتاژ غلظت
فاکتورهای بالا افت ولتاژهای سلولی هستند که باعث میشود پتانسیل سلول نسبت به رفتار خود تغییر کند . ولتاژ خروجی FC که در منحنی پلاریزیسیون ذکرشده است با رابطه زیر محاسبه میشود:
Enernst پتانسیل ترمودینامیکی سلول CF را مدنظر قرار میدهد و ولتاژ معکوسپذیر خود را نشان میدهد و بهصورت زیر تعریف میشود:
افت ولتاژ اهمی
افت ولتاژ اهمی را که به دلیل تلفات مقاومتی در سلول رخ میدهد نشان میدهد. مقاومت اهمی مقاومتی است که با حرکت الکترون و یون مخالفت میکند. افت ولتاژ اهمی با رابطهی زیر مشخص میشود:
افت ولتاژ فعالسازی در الکترودهای آند و کاتد FC را نشان میدهد. این افت ولتاژها توسط واکنشهای آهسته روی سطح الکترودها ایجاد میشوند و توسط رابطهی زیر محاسبه میشوند:
3-2-2 افت ولتاژ غلظت
افت ولتاژی را نشان میدهد که به علت کاهش غلظت واکنش مواد ایجادشده است که تلفات انتقال جرم نامیده میشود. برای تعیین مدل افت ولتاژ در انتقال جرم یا افت ولتاژ Concantration باید ماکزیمم چگالی جریان بدست آید
