پیلهای سوختی اکسید جامد، به دلیل بازدهی بالا در تبدیل انرژی شیمیایی سوختهای فسیلی به انرژی الکتریکی و انتشار ناچیز آلاینده ها، یکی از اولویت های تولید توان در آینده هستند. علاوه بر این، پیل های سوختی اکسید جامد به دلیل دمای بالای کارکردشان که در حدود 1000 می باشد، توانایی ترکیب باسیکل های قدرت مثل توربین گاز را دارا میباشند. این سیستم ترکیبی دارای راندمان بالاتری نسبت بهسیکل توربین گاز و یا پیل سوختی به تنهایی، میباشد. این خاصیت سبب شده که این سیستم به عنوان پیشنهادی برای نیروگاههای آینده مد نظر باشد. این پایان نامه به تحلیل ترمودینامیکی، آنالیز اگزرژی،بهینه سازی اقتصادی و بررسی قابلیت اطمینان سیستم ترکیبی پیلسوختی اکسید جامد لولهای با به سازی داخلی و توربین گاز با تزریق بخار به محفظه احتراق میپردازد. ترتیب انجام کار به این صورت است که درابتدا تحلیل ترمودینامیکی بر روی سیستم انجام می پذیرد. سپس به کمک تحلیل ترمودینامیکی، آنالیز اگزرژی انجام میگیرد. پس از انجام تحلیلهای ترمودینامیکی و اگزرژی که پایه و اساس ترمواکونومیک است، تحلیل و بهینه سازی ترمواکونومیک صورت میگیرد. در پایان به بررسی قابلیت اطمینان سیستم پرداخته میشود. مدل اقتصادی استفاده شده در این پایان نامه، مدل اقتصادی نیازمندی درآمدی کل که مدل کاملی است می باشد. همچنین یک مطالعه پارامتری انجام شده، که در آن تأثیر پارامترهای طراحی همچون نسبت فشار کمپرسورها، چگالی جریان در پیل سوختی، ضریب مصرف سوخت، کارآیی مبدل پیش گرمکن و اختلاف دمای نقطه پینچ در مبدل بازیافت را بر روی راندمان های قانون اول و دوم، کار خروجی، نرخ بازگشت ناپذیری ها در اجزاء مختلف و هزینه الکتریسیته تولیدی نشان میدهد. برای این بررسی ها از برنامه کامپیوتری استفاده شده است. برای بهینه سازی از روش الگوریتم ژنتیک استفاده شده است. نتایج نشان میدهد که با انجام بهینه سازی میتوانیم هزینه الکتریسیته تولیدی را 12/5 % کاهش دهیم.

شبیه سازی واکنش های الکتروشیمیایی باتری های روی--اکسید نقره بر اساس مدل ماکرو--میکروسکپی همگن در این رساله، انجام شده است. در این مدل معادلات حاکم بر فیزیک و شیمی این باتری ها، با استفاده از روش میانگین گیری از معادلات بقای میکروسکپی به دست آمده است. معادلات حاصل با استفاده از روش حل عددی جعبه ای کلر به طور همزمان برای یافتن مجهولاتی نظیر پتانسیل الکترودها، پتانسیل الکترولیت، غلظت الکترولیت، تخلخل الکترودها و سطح ویژه فعال در هر الکترود، در طول سل در حالات مختلف دشارژ، حل شده است. برای اعتبارسنجی و صحه گذاری نتایج حاصل از شبیه سازی، آزمون های تجربی در راستای همین رساله صورت گرفته است و نتایج مدل سازی با نتایج تست تجربی مقایسه شده است. با وجود اهمیت این باتری ها در صنایع مختلف، اکثر تحقیقات انجام شده روی فرآیندهای الکتروشیمیایی آنها بر مبنای تست های تجربی و اندازه گیری امپدانس اسپکتروسکپی صورت گرفته است و تحلیل تئوری آنها از طریق حل معادلات حاکم، کمتر مورد توجه قرار گرفته است. تاکنون معادلات حاکم بر این باتری ها به صورت بسیار محدود و منطقه ای صورت گرفته است و یک فرمولاسیون یکپارچه کلی که حاکم بر دینامیک آن باشد موجود نیست. در این رساله یک مدل یکپارچه بر مبنای مدل عمومی باتری ها و پیل های سوختی ارائه شده است که تمامی مناطق باتری نظیر الکترودها و سپراتور را به طور همزمان شبیه سازی می کند.

یکی از اهداف اصلی این پروژه به دست آوردن بازده حرارتی و اگزرژی سیکل های ترکیبی موازی و سری با استفاده از سیکل های دومداره متفاوت می باشد، از طرف دیگر نوع سیال کاری در نیروگاه های دومداره نیز حائز اهمیت هستند، لذا این پروژه سعی بر آن دارد تا به وسیله کدنویسی در نرم افزارهای matlab و ees علاوه بر بدست آوردن فشار بهینه برای مخازن تفکیک کننده، تاثیر سیکلهای دومداره بر بازده و بدست آوردن بهترین سیال کاری در سیکل دومداره نیروگاههای ترکیبی زمین گرمایی را مورد تحلیل قرار دهد. از انواع متداول سیکلهای دو مداره می توان به سیکل رانکین ساده (basic orc) ، سیکل رانکین به همراه مبدل حرارتی داخلی(orc with ihe)، سیکل رانکین با منبع گرمکن تغدیه (regenerative orc) و سیکل رانکین آلی به همراه ihe و ofoh اشاره کرد که در هر دو نوع نیروگاههای سری و موازی مورد تجزیه وتحلیل قرار خواهند گرفت. نتایج نشان داده اند که یک سیکل ترکیبی موازی با مبدل حرارتی داخلی و گرمکن تغدیه در شرایط بهینه راندمان حرارتی برابر با 87/19 درصد و راندمان اگزرژی 41/68 درصد را می تواند داشته باشد، به طوری که در این سیکل 97/9 و 29/7 درصد افزایش راندمان حرارتی، 25/28 و 43/17 درصد افزایش راندمان اگزرژی به ترتیب نسبت به سیکل تبخیر آنی تک مرحله ای و دومرحلهای حاصل می شود. بیشترین راندمان حرارتی در یک سیکل سری مربوط به سیکل رانکین آلی با ihe و ofoh می باشد اما قانون دوم ترمودینامیک بیشترین راندمان اگزرژی را در سیکل رانکین آلی به همراه مبدل حرارتی نتیجه می دهد درحالیکه در سیکل سری ای که از گرمکن تغذیه استفاده می کنند راندمان اگزرژی پایین می آید. به طوریکه برای سیکل ترکیبی سری با مبدل حرارتی داخلی نسبت به سیکل های بخار آنی تک مرحله ای و دومرحله ای 62/7 و 94/4 درصد افرایش راندمان حرارتی، 87/21 و 89/10 درصد افزایش راندمان اگزرژی داریم.

توربین بادی به عنوان یک منبع پاک، تجدید پذیر، فراوان، با هزینه سرمایه گذاری کم و نیاز به تعمیرات و نگهداری پایین، گزینه ی مناسبی جهت استفاده در سیستم های تولید توان می باشد. در این مطالعه با استفاده از روش حل عددی المان های مرزی، تحلیل ایرودینامیکی ایرفویل دو بعدی صورت پذیرفته که نتایج آن بیانگر تغییرات خطی ضریب برآ بر حسب زاویه حمله در غیاب اثرات لزجت است. همچنین با استفاده از روش مومنتم المان پره و در نظر گرفتن اثرات سرعت باد، سرعت زاویه ای شفت و فاصله شعاعی تا هاب، پره ی سه بعدی توربین بادی تحلیل شده است که در این تحلیل نشان داده می شود که با در نظر گرفتن اثرات سرعت زاویه ای و همچنین وجود گردابه ی القایی که به دلیل دوران و سرعت باد ایجاد می گردند، ضرایب القای محوری و عمودی به دست می آیند. اثر این ضرایب بر یکنواخت شدن توزیع سرعت نسبی و زاویه حمله نسبی در طول فاصله شعاعی موجب یکنواخت شدن توزیع نیروی عمودی و محوری تولیدی در طول پره می گردد. همچنین توان شفت به دست آمده از روش مومنتم المان پره نشان می دهد که به دلیل وجود نداشتن اثرات لزجت در این روش، این مقدار هم کمتر از توان محاسبه شده با روش های تجربی بوده و هم اینکه نسبت به نتایج تجربی، تغییرات خطی دارد.

مطالعات این رساله به دو بخش اصلی قابل تقسیم است. در یک بخش گزینه نصب مولد های dg در ایستگاه های cng و در بخش دیگر گزینه نصب مولد های dg در مجتمع ایستگاه های cng و کارواش مورد تجزیه و تحلیل فنی و اقتصادی قرار می گیرد. ابتدا، در بخش اول اجزاء فرآیند مالی پروژه تأمین برق از شبکه ("?" )، پروژه تأمین برق بوسیله مولد dg ("??" ) و پروژه تفاوت و در بخش دوم اجزاء فرآیند مالی پروژه تأمین برق از شبکه و حرارت از بویلر ("?" )، پروژه تأمین برق و حرارت بوسیله مولد dg ("??" ) و پروژه تفاوت، بسط داده می شود. سپس در هر دو بخش، به کمک نرم افزار matlab اجزاء فرآیند مالی پروژه تفاوت، شامل هزینه سرمایه گذاری، درآمد ها و هزینه های سالیانه و ارزش اسقاطی دارایی به ازای ظرفیت های الکتریکی مختلف محاسبه شده و ظرفیت الکتریکی بهینه و شش پارامتر اقتصادی متناظر پروژه تفاوت، بر اساس حداکثر شدن ارزش فعلی خالص پروژه تفاوت، تعیین می گردند. بعلاوه در قالب سناریو های مختلف، حساسیت ظرفیت الکتریکی بهینه و ارزش فعلی خالص پروژه تفاوت، نسبت به پارامترهای مختلف، از جمله تعرفه خرید و فروش برق و تعرفه خرید گاز، مورد بررسی قرار میگیرد. نوع فناوری مورد نظر در هر دو بخش موتور گاز سوز است ولی نوع سیستم در بخش اول power-only و در بخش دوم chp می باشد. بعلاوه نحوه بکارگیری مولد به صورت پشتیبانی شبکه ( بار پایه ) منظور می گردد. در این مطالعه علاوه بر قید حداکثر حجم سرمایه گذاری ممکن، قیود مربوط به نحوه صحیح پخش بار و سطح اتصال کوتاه مجاز در شبکه، نیز مورد ملاحظه قرار می گیرند. در مدل سازی ریاضی مسئله از یک روش جدید که بطور همزمان پروفیل بار الکتریکی و قبوض برق را مورد ملاحظه قرار میدهد، استفاده شده است. استخراج پروفیل بار الکتریکی مصرفی یک شبانه روز ایستگاه cng مورد بررسی واقع در تهران، بوسیله دستگاه power harmonics analyzer صورت گرفته است. همچنین در بخش دوم، پروفیل بار حرارتی مصرفی یک شبانه روز کارواش جنبی، با تخمین ترافیک مراجعه خودرو ها به کارواش در بازه های زمانی مختلف و محاسبه توان حرارتی مصرفی به ازای هر خودرو به دست آمده است. در نهایت نشان داده شده است که با توجه به مقدار ارزش فعلی خالص پروژه تفاوت به ازای ظرفیت الکتریکی بهینه سیستم در هر دو بخش این مطالعه؛ در حال حاضر طرح نصب مولد های تولید پراکنده با فناوری موتور گاز سوز و سیستم power-only در ایستگاه های cng و همچنین طرح نصب مولد های تولید پراکنده با فناوری موتور گاز سوز و سیستم chp در مجتمع های ایستگاه cng و کارواش کشور، حتی در سناریوی خوشبینانه، با فرض حذف عوارض گمرکی، حذف مالیات، اختصاص ارز به نرخ مرجع، افزایش عمر مفید به 25 سال و کاهش حداقل نرخ جذب کننده مورد انتظار سرمایه گذار به 17%، نیز فاقد توجیه اقتصادی می باشد و سرمایه گذار ترجیح می دهد در بخش اول برق مورد نیاز خود را از طریق شبکه برق و در بخش دوم برق و حرارت مورد نیاز خود را از طریق شبکه برق و بویلر تأمین نماید.

پیل های سوختی غشاپلیمری را به عنوان مهمترین گزینه برای جایگزینی موتورهای احتراق داخلی می شناسند اما هنوز فاصله ی زیادی تا رسیدن به این حقیقت وجود داشته و برای رسیدن به این هدف لازم است تا بهینه سازی های زیادی روی این پیل ها صورت گیرد. مهمترین عامل محدود کننده ی عملکرد پیل های سوختی غشا پلیمری جریان دوفازی واکنش دهنده ها و محصولات است. در چگالی جریان های بالا آب چگالیده خلل و فرج لایه ی نفوذ گاز کاتد را پر کرده و به این ترتیب انتقال اکسیژن به سطح فعال کاتالیست محدود می شود. به این منظور تحلیل مشخصات پیل سوختی و بررسی تغییرات آنها در شرایط تشکیل جریان دوفازی در این پروژه با استفاده از نرم افزار کامسول جریان دوفازی در پیل سوختی غشاپلیمری شبیه سازی می شود. برای تعیین سطح اشباع در کاتدیک معادله دیفرانسیل جداگانه برای بقای جرم آب مایع حل شده و به دلیل وابستگی دیگر پارامترهای مخلوط به اشباع این پارامترها تعیین می شوند. با اضافه شدن معادله بقای بار الکتریکی به معادلات حاکم بر جریان دوفازی در پیل سوختی، سطح اشباع اصلاح شده و به تبع آن دیگر پارامترهای جریان دوغازی اصلاح می شوند.

در پایان نامه حاضر معادلات الکتروشیمیایی حاکم بر پیل های سوختی غشاپلیمری در فضای دو بعدی مدل سازی شد و با استفاده از روش عددی المان مرزی در یک هندسه چند ناحیه ای فرمول بندی شد. این معادلات عموما در قالب کلی معادلات جابجایی-پخشی هستند که حل آنها به طور کلاسیک با استفاده از روش های دینامیک سیالات محاسباتی مانند روش تفاضلات محدود، روش حجم محدود و روش المان محدود صورت می گرفته است؛ اما فرمول بندی و حل معادلات حاکم بر پیل های سوختی برای اولین بار در این پژوهش توسط روش المان مرزی مورد مطالعه قرار گرفت. روش المان مرزی در سال های اخیر به عنوان یکی از ابزارهای بسیار مفید در تحلیل بسیاری از مسائل مهندسی شناخته شده است. عدم نیاز به گسسته سازی میدان محاسباتی و حل مسأله با استفاده از اطلاعات روی مرز مهم ترین ویژگی و نقطه قوت این روش به شمار می آید. با مطرح شدن روش تقابل دوگانه استفاده از این روش برای حل مسائل غیر خطی و همچنین مسائل خطی که درگیر عبارات انتگرالی روی میدان ناشی از عبارت چشمه می باشند اهمیت بیشتری یافته است. در این پژوهش چگونگی اعمال این روش برای حل معادلات حاکم بر پیل سوختی مورد بحث قرار گرفته است.

آلودگی هوا ناشی از مصرف سوخت های فسیلی به چالشی جدی برای انواع جوامع بشری به خصوص در کشورهای در حال توسعه تبدیل شده است. بنابراین توسعه و بهینه سازی خودروها به عنوان اصلی ترین مصرف کننده این سوخت ها به شدت مورد توجه قرار گرفته است. هیبرید سازی خودروها باعث کاهش چشمگیر مصرف سوخت و آلودگی ناشی از آن ها می شود ولی به دلیل آن که این نوع خودروها به تازگی مورد توجه در کشور قرار گرفته اند، تحقیقات اندکی در رابطه با تأثیر استفاده از آن ها صورت گرفته است. برای بررسی کاربرد استفاده از اتوبوس های درون شهری هیبریدی، پژوهشگران در این پروژه مدل جدیدی به روش باندگراف برای این خودروها طراحی کرده و با استفاده از معتبرترین نرم افزارهای شبیه سازی و همچنین پیاده سازی روی شبیه ساز رانندگی در آزمایشگاه واقعیت مجازی دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی سعی در تحلیل دقیق کاربرد این خودروها به خصوص در شهر تهران دارند. در این پروژه مدل کنترلی جدیدی برای سیستم های هیبریدی طراحی شده است که قادر است با توجه به شدت آلودگی منطقه ای هوا و همچنین با لحاظ کردن مناطق آلوده صوتی بهترین حالت عملکرد سیستم هیبریدی را برای کاهش آلودگی ها اعمال کند. نتایج آزمایشات صورت گرفته نشان می دهد که استفاده از اتوبوس های هیبریدی در سیستم حمل و نقل عمومی تهران تأثیر چشمگیری در کاهش آلودگی هوا خواهد داشت و با هوشمندسازی آن ها می توان از تمرکز آلودگی در نقاط پر تردد و آلودگی صوتی در اطراف مناطق خاص مثل بیمارستان ها یا در داخل تونل ها جلوگیری کرد.

جهت داشتن شرایط پایدار، بهتر است انرژی خورشیدی طی روز ذخیره شده و طی شب آزاد شود. مواد تغییرفازدهنده انرژی حرارتی اضافی را طی روز و حضور تابش خورشید ذخیره کرده و طی شب در راستای ایجاد تهویه یکنواحت آزاد می کنند. در این پایان نامه، شبیه سازی cfd به کار گرفته شده تا تأثیر استفاده از مواد تغییرفازدهنده در دودکش خورشیدی جهت فراهم آوردن دما و جریان هوا پایدار و یکنواخت یرای اتاق نگهبانی، را بررسی کنند. نتایج نشان می دهد که استفاده مواد تغییرفازدهنده به عنوان ابزار نگه دارنده انرژی یه طور قابل توجهی پایداری دمای اناق نگهبانی و جریان هوا در دودکش خورشیدی را افزایش می دهد.

در پایان نامه ی حاضر، به بررسی باتری روی-اکسید نقره به عنوان یک باتری توان بالا پرداخته شده است که به دلیل دارا بودن ویژگی های منحصر به فرد عملکردی، یکی از بهترین گزینه ها جهت به کارگیری در کاربردهای حساس و طولانی مدت است. در این گونه باتری ها، افزایش دمای داخلی باتری بر رفتار و عمکرد باتری تأثیر غیر قابل انکاری می گذارد و به همین دلیل باید دمای باتری در هر لحظه به درستی پیش بینی شود. روش به کار برده شده در این پایان نامه جهت برآورد دما، حل معادله ی بقای انرژی یا همان قانون اول ترمودینامیک است. لذا، لازم است تا معادله ی انرژی به همراه معادلات الکتروشیمیایی و معادله ی بقای جرم گونه ها تواماً به صورت دو بعدی روی یک سل حل شود. به منظور حل این معادلات کوپل شده، باید از روش دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) بهره برد. در پایان نامه ی حاضر، روش حجم محدود (fvm) به عنوان راهکار برگزیده مورد استفاده قرار گرفته است. نهایتاً نقاط داغ تر سل قابل شناسایی خواهند بود.

یکی از اساسی ترین مشکلات وسایل قابل کاشت پزشکی که با باتری کار می کنند، تامین منبع انرژی با طول عمر بالا است. از این جهت باتری های اولیه بعد از گذشت زمان، عملکرد اولیه خود را از دست می دهد و کارآیی لازم برای وسایل پزشکی قابل کاشت در بدن را ندارند. با استحصال انرژی از بدن انسان برای وسایل قابل کاشت پزشکی می توان پیشبردی شگرف در علم پزشکی و ارتقا سطح کیفی زندگی بیماران داشت. در این پروژه به منظور تامین توان پایدار از بدن انسان برای وسایل قابل کاشت پزشکی، با استفاده از مواد پیزوالکتریک که در اثر اعمال نیرو، جریان الکتریکی تولید می کنند و تامین نیرو از ماهیچه های تنفسی که پیوسته در حال فعالیت هستند، صورت می گیرد. بشترین توان تولید شده میکروژنراتور ارائه شده 700 میلی وات و متوسط توان 85 میلی وات است. توان تولیدی میکروژنراتور با پارامترهایی چون فشار داخلی دهان، وزن و قد افراد رابطه دارد. بدین صورت که با وزن و فشار داخلی دهان رابطه مستقیم و با قد رابطه معکوس دارد.

شبیه سازی و مدل سازی ریاضی سیستم های باتری به عنوان یک راهکار کلیدی در کشف و ارتقا عملکرد آن ها، از موضوعات مورد علاقه ی محققان این زمینه است. با وجود اهمیت باتری های روی--اکسیدنقره در صنایع مختلف، اکثر تحقیقات انجام شده برای بررسی فرآیندهای الکتروشیمیایی آن ها، بر مبنای تست ها و داده های تجربی است و تحلیل و شبیه سازی ریاضی آن ها از طریق حل معادلات حاکم، کمتر مورد توجه قرار گرفته است. شبیه سازی دوبعدی واکنش های الکتروشیمیایی سیستم های باتری، از طریق تولید یک مدل همگن و پیوسته ی منطبق با هندسه آن ها، در این رساله به عنوان هدف اصلی در نظر گرفته شده است. این مدل که بر اساس اصول حاکم بر دانش دینامیک سیالات محاسباتی cfd و از طریق کدنویسی در محیط برنامه نویسی زبان++c تولید شده است، شامل معادلات حاکم بر فیزیک و شیمی باتری ها است و آن ها را در تمامی نواحی یک باتری نظیر الکترودها و سپراتور به طور یکپارچه و هم زمان حل می کند. با انتخاب باتری های روی اکسیدنقره به منظور بررسی و تحلیل، معادلات حاکم بر آن ها توسط این مدل به طور هم زمان برای یافتن مجهولاتی نظیر پتانسیل الکترودها، پتانسیل الکترولیت و غلظت الکترولیت در زمان های مختلف در حین دشارژ باتری، در حالت دوبعدی حل شده است. مزیت اصلی مدل ارائه شده این است که مستقل از نوع باتری، قادر به شبیه سازی و تحلیل رفتار یک باتری است. همچنین از آنجا که معادلات حاکم بر باتری ها غیرخطی، به شدت مرتبط با یکدیگر و دارای شرایط مرزی متفاوت با هم هستند، مدل فعلی قابلیت بالایی در حل تعداد نامحدود دسته معادله با شرایط مذکور به صورت همزمان دارد. به منظور صحه گذاری و اعتبارسنجی نتایج حاصل از مدل سازی دوبعدی، بررسی نتایج آن در دو مرحله صورت گرفته است. ابتدا نتایج اولیه ی مدل حاضر با نتایجی که از تست های تجربی برای این دسته از باتری ها موجود است، مقایسه شده است و از این طریق صحت مدل تولیدی تأیید شده است. در مرحله دوم به بررسی نتایج شبیه سازی در حالت دوبعدی پرداخته شده است و تمایز آن ها با نتایج یک بعدی و اثرات صرف نظر کردن از ارتفاع سل در شبیه سازی تفسیر شده است.

هدف اصلی این پایان نامه محاسبه ی پروفیل سرعت تحلیلی در پشت توربین های بادی با در نظر گرفتن آشفتگی جریان است. ابتدا پروفیل سرعت دقیقاً در پشت توربین های بادی و در قسمت پره ها توسط روش مومنتوم المان پره محاسبه می شود. سپس با درنظرگرفتن یک پروفیل درجه ی سه با ضرایب مجهول در پشت ناسل و حل معادلات پیوستگی، مومنتوم، شرط مرزی، شرط تقارن و نقطه ی عطف در انتهای ناسل مقدار این ضرایب مجهول و درنتیجه پروفیل سرعت درجه ی سه مشخص می شود. بنابراین پروفیل سرعت دقیقاً در پشت توربین های بادی محاسبه می شود. در مرحله ی بعد یک پروفیل سرعت نمایی ضرب در پروفیل درجه ی دو با ضرایب مجهول در فواصل مختلف پشت توربین های بادی درنظر گرفته می شود که در آن ترم تنش رینولدز مربوط به جریان آشفته در معادلات ناویر استوکس لحاظ شده است. سپس با استفاده از معادلات پیوستگی و شرط مرزی سرعت بی نهایت در انتهای شعاع دنباله، مقدار این ضرایب مجهول محاسبه می شود.