تحلیل عملکرد ترمودینامیکی و ترمواکونومیکی یک سیستم تولید همزمان مقیاس کوچک با مولد پیل سوختی اکسید جامد

نوع مقاله: مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی

3 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

در این مقاله ابتدا یک سیستم تولید همزمان بر پایه پیل سوختی اکسید جامد معرفی گردیده و سپس اثرات چند پارامتر تاثیرگذار از قبیل دما، فشار، چگال جریان و همچنین نرخ جریان هوا به سوخت ورودی بر عملکرد سیستم مورد بررسی قرار گرفته­ است. جهت بررسی عملکرد سیستم، ابتدا برای پیل سوختی به­کار رفته یک مدل الکتروشیمیایی و ترمودینامیکی دقیقی ارائه شده و سپس نمودار توان تولیدی آن در شرایط مختلف کاری به­دست آورده شده است. به­دست آوردن توان و راندمانهای الکتریکی، حرارتی و کلی سیستم در شرایط مختلف کاری پیل، تعیین نسبت هوا به سوخت بهینه در پیل و همچنین مقایسه اقتصادی سیستم پیشنهادی با سایر سیستم­های مشابه تولید توان از دیگر نتایج این تحقیق است. نتایج نهایی نشان می­دهد که با استفاده از یک سیستم تولید همزمان بر پایه یک پیل­سوختی اکسید جامد می­توان به راندمان کلی حدود 70 الی 75 درصد دست یافت. در مورد کارکرد سیستم پیشنهادی نیز می­توان اینگونه نتیجه گرفت که انتخاب شرایط کارکرد سیستم با توجه به توان الکتریکی و حرارتی مورد نیاز ساختمان مشخص می­گردد.  

کلیدواژه‌ها


[1] Hawkes, A.D., and Leach, M.A., “Cost-effective Operating Strategy for Residential Micro-combined Heat and Power”, Journal of Energy, Vol. 32, pp. 711-723, (2007).

 

[2] Williams, M.C., “Fuel Cell Handbook, U.S Department of Energy”, Virginia, (2002).

 

[3] Hawkes, A.D., and Aguiar, P., “Solid Oxide Fuel Cell Micro Combined Heat and Power System Operating Strategy: Options for Provision of Residential Space and Water Heating”, Journal of Power Sources, Vol. 164, pp. 260-271, (2007).

 

[4] Akkaya, A.V., Sahin, B., and Erdem, H.H., “Exergetic Performance Coefficient Analysis of a Simple Fuel Cell System”, Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32, pp. 4600-4609, (2007).

 

[5] Akkaya, A.V, Sahin, B., and Erdem, H.H., “An Analysis of SOFC/GT CHP System Based on Exergetic Performance Criteria”, Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, pp. 2566-2577, (2008).

 

[6] Zink, F., Lu, Y., and Schaefer, L., “A Solid Oxide Fuel Cell System for Buildings”, Journal of Energy Conversion and Management, Vol. 48, pp. 809-818, (2007).

 

[7] Farhad, S., Hamdullahpur, F., and Yoo, Y., "Performance Evaluation of Different Configurations of Biogas-fuelled SOFC Micro-CHP Systems for Residential Applications", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, pp. 3758-3768, (2010).

 

[8] Liu, Z., Li, X., and Liu, Z., “Thermodynamic Modelling and Analysis of the Ratio of Heat to Power Based on a Conceptual CHP System”, HVAC Technologies for Energy Efficiency, Vol. IV-6-1, China, ICEBO2006, (2006).

 

[9] Braun, R.J., Klein, S.A., and Reindl, D.T., "Evaluation of System Configurations for Solid Oxide Fuel Cell-based Micro-combined Heat and Power Generators in Residential Applications", Journal of Power Sources, Vol. 158, pp. 1290-1305, (2006).

[10] Fontell, E., Kivisaari, T., Christiansen, N., Hansen, J.B., and Pålsson, J., “Conceptual Study of a 250kW Planar SOFC System for CHP Application”, Journal of Power Sources, Vol. 131, pp. 49-56, (2004).

 

[11] Barelli, L., Bidini, G., Gallorini, F., and Ottaviano, A., “An Energetic-exergetic Comparison between PEMFC and SOFC-based Micro-CHP Systems”, Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, pp. 3206-3214, (2011).

 

[12] Pirkandi, J., Ghassemi, M., Hamedi, M.H., and Mohammadi, R., “Electrochemical and Thermodynamic Modeling of a CHP System using Tubular Solid Oxide Fuel Cell (SOFC-CHP)”, Journal of Cleaner Production, Vol. 29-30, pp. 151-162, (2012).

 

[13] Chan, S.H., Khor, K.A. and Xia, Z.T., “A Complete Polarization Model of a Solid Oxide Fuel Cell and its Sensitivity to the Change of Cell Component Thickness”, Journal of Power Sources, Vol. 93, pp. 130-140, (2001).

 

[14] Chan, S.H., Ho, H.K., and Tian, Y., “Modeling of Simple Hybrid Solid Oxide Fuel Cell and Gas Turbine Power Plant”, Journal of Power Sources, Vol. 109, pp. 111-120, (2002).

 

[15] Volkan Akkaya, A., “Electrochemical Model for Performance Analysis of a Tubular SOFC”, International Journal of Energy Research, Vol. 31, pp.79-98, (2007).

 

[16] Ghannadan, M., Ghassemi, M., and  Mollayi Barzi, Y., " Performance Analysis of a Tubular Sofc using a Simple and Efficient Thermal and Electrochemical Model", 18th Annual International Conference on Mechanical Engineering-ISME2010, 11-13 May, Sharif University of Technology, Tehran, Iran, (2009).

 

[17] Bo, C., Yuan, C., Zhao, X., Wu, C., and Qing Li, M., “Parametric Analysis of Solid Oxide Fuel Cell”, Clean Techn Environ Policy, Springer-verlag, (2009).

 

[18] Haseli,Y., Dincer, I., and Naterer, G.F., “Thermodynamic Analysis of a Combined Gas Turbine Power System with a Solid Oxide Fuel Cell Through Exergy”, Journal of Thermochimica Acta, Vol. 480, pp. 1-9, (2008).

 

[19] See at www.nt.ntnu.no/users//magnehi/cepci_2011_py.pdf.

 

[20] Bejan, A., Tsatsaronis, G., and Moran, M., "Thermal Design and Optimization", John Wiley & Sons INC, New York, (1996).

 

[21] Cheddie, D.F., “Thermo-economic Optimization of an Indirectly Coupled Solid Oxide Fuel Cell/gas Turbine Hybrid Power Plant”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, pp. 1702-1709, (2011).

 

[22] Singhal, S.C., “Advances in Solid Oxide Fuel Cells”, Journal of Solid State Ionic, Vol. 135, pp. 305-313, (2000).

 

[23] Ciesar, J. A., ”Hybrid Systems Development by the Siemens Westinghouse Power Corporation”, Presented by Siemens Westinghouse Power Corporation, Natural Gas/Renewable Energy Hybrids Workshop, Pittsburgh, Pennsylvania, USA,  August, (2001).