مدل سازی یک سیستم تولید همزمان بر پایه پیل سوختی اکسید جامد و فتوولتاییک در کاربری های مسکونی در منطقه شرق ایران

قرن حاضر نیازمند تولید انرژی بیشتر، با هزینه کمتر و پیامدهای زیست محیطی کمتری است، چرا که مساله محیط زیست و پیوند آن با مشکل گرمایش زمین هر روز حادتر شده و عدم کنترل و کاهش ورود آلاینده ها به جو، مشکلات جبران ناپذیری را بر تمدن بشری تحمیل خواهد کرد. جهت کاهش این مشکلات، استفاده از مبدل های انرژی کارآمد، مانند پیل سوختی و مبدل فتوولتاییک، و منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند انرژی خورشیدی، توصیه می شود. در این پایان نامه یک سیستم تولید همزمان بر پایه پیل سوختی اکسید جامد و فتوولتاییک برای کاربری مسکونی مدل سازی شده است. این سیستم متشکل از توده پیل سوختی، اصلاح کننده سوخت، مبدل حرارتی، کوره کاتالیستی، پمپ، کمپرسور و ... است که تک تک اجزای آن مدل سازی شده اند. جهت مدل سازی توده پیل سوختی لازم است که ابتدا یک تک پیل سوختی مدل سازی شود. پیل سوختی اکسید جامد مورد نظر از نوع صفحه ای و با اصلاح داخلی سوخت است. دامنه حل این مدل به چهار بخش کانال سوخت، کانال هوا، صفحات دو قطبی و هسته پیل (pen)، متشکل از الکترودهای آند و کاتد و الکترولیت، تقسیم شده و معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی، به همراه یک مدل الکتروشیمیایی، بصورت یک بعدی و در حالت پایدار حل شده است. نتایج نشان می دهد که قسمت عمده متان ورودی به پیل در 20% اولیه کانال سوخت مصرف می شود. مصرف زیاد متان در ورودی پیل موجب افزایش گرادیان دما شده و برای جلوگیری از آسیب رسیدن به پیل، باید در حد متعارفی پایین نگه داشته شود. همچنین مقایسه اتلافات ولتاژ نشان داد که به ترتیب تلفات فعال سازی کاتدی و آندی و همچنین افت مقاومتی، تلفات غالب در پیل سوختی می باشند. سپس اثر پارامترهای مختلف مانند ضریب مصرف سوخت، هوای اضافی، دمای ورودی سوخت و هوا، میزان پیش-اصلاح سوخت و چگالی جریان بر عملکرد پیل مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهند که ضریب مصرف سوخت با گرادیان دما نسبت مستقیم و با توان و راندمان پیل سوختی نسبت معکوس دارد، در مقابل افزایش هوای اضافی موجب کاهش هر سه کمیت کاری پیل می گردد. با استفاده از اطلاعات بدست آمده از مدل سازی تک پیل و فرض مشابه بودن تک پیل ها و توزیع یکنواخت سوخت و هوا بین آنها، توده پیل سوختی مدل سازی شده و از آن برای مدل سازی یک سیستم تولید همزمان استفاده شده است. معادلات کلیه اجزای این سیستم بصورت جبری و بر پایه معادلات بقای جرم، مومنتوم، انرژی و بازگشت ناپذیری استخراج شده است. نتایج نشان می دهند که بیشترین تغییر اگزرژی جریان در کانال سوخت توده پیل سوختی روی می دهد و بیشترین میزان برگشت ناپذیری به ترتیب مربوط به کوره کاتالیستی (38%)، بازیاب (37%) و پیل سوختی (18%) است. همچنین کمپرسور هوا بزرگترین مصرف کننده داخلی توان، با مصرف 3% توان تولیدی پیل سوختی می باشد. سپس با استفاده از الگوریتم های بهینه سازی و انتخاب سه تابع هدف بر اساس تولید توان، تولید حرارت و حداقل اتلاف اگزرژی، نقاط کاری بهینه سیستم تولید همزمان بدست آورده شده است. بطور نمونه، سیستم تولید همزمان در رویکرد تولید توان دارای توان الکتریکی 25 kw، توان حرارتی 44 kw و راندمان کل 88% می باشد. سپس با انتخاب یک ساختمان نمونه در شهر بیرجند، نیازهای حرارتی و الکتریکی آن محاسبه شد. نتایج نشان دادند که برای تامین نیاز الکتریکی، گرمایش و سرمایش این ساختمان 10 واحدی، سالانه به 284 mwh انرژی حرارتی و 58 mwh انرژی الکتریکی نیاز است. با بررسی میزان تابش خورشیدی در منطقه، مشخص شد که تابش خورشیدی دریافتی سالانه در شهر بیرجند برابر 1.81 mwh/m2 است، که با نصب صفحات خورشیدی در ساختمان مذکور می توان سالانه 14.86 mwh برق خورشیدی تولید کرد. به کمک این میزان برق خورشیدی و با استفاده از الکترولیز آب، می توان سالانه بیش از 3000 m3 هیدروژن تولید کرد. سپس نحوه ترکیب سیستم تولید همزمان با سیستم فتوولتاییک برای تامین نیازهای حرارتی و الکتریکی ساختمان مذکور بررسی شد. نتایج نشان می دهند که در سیستم های متصل به شبکه، سیستم ترکیبی فتوولتاییک و پیل سوختی با رویکرد تولید حرارت دارای کمترین میزان آلایندگی و سیستم فتوولتاییک دارای کمترین میزان سالانه انرژی مازاد می باشد. همچنین مشخص شد که در سیستم های مستقل از شبکه، استفاده از پیل سوختی برای تامین حرارت و سیستم فتوولتاییک برای تولید هیدروژن مطابقت بیشتری با مصرف کننده دارد.