مدل‌سازی و تحلیل ترمودینامیکی تولید همزمان برق و حرارت مبتنی بر پیل سوختی اکسید جامد در بخش ساختمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد امام خمینی (ره) شهرری، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، مدل‌سازی ترمودینامیکی یک سیکل تولید همزمان برق و حرارت بر پایه پیل سوختی اکسید جامد با کاربردهای ساختمانی انجام شده است. در ابتدا با معرفی سیکل پیشنهادی و ارائه روش مدل‌سازی، نحوه تحلیل ترمودینامیکی توضیح داده شده است. در ادامه با استفاده از نرم افزار تحلیلی Cycle Tempo، شبیه‌سازی سیکل انجام شده و معادلات بالانس جرم، انرژی و الکتروشیمی بصورت همزمان حل شده‌اند. پس از ارائه نتایج عملکردی سیکل، تحلیل پارامتریک بر روی مشخصه‌های اصلی تاثیر گذار بر عملکرد سیکل بررسی و شرایط عملیاتی مناسب مشخص شده است. نتایج حاصله دستیابی به توان الکتریکی 00/14 کیلووات، توان حرارتی 56/4 کیلووات، نسبت حرارت به توان 32 % را در بازدهی الکتریکی خالص 5/58 % و بازده کل 3/77 % نشان می‌دهد. این نتایج تایید کننده جذابیت بالای این سیستم‌ها در قیاس با سایر فناوری‌های تولید همزمان برق و حرارت مبتنی بر موتورهای گازسوز یا میکروتوربین‌های گازی می‌باشد. با توجه به قابلیت عملکرد سیستم در نسبت حرارت به توان‌های مختلف، استفاده از این سیستم در ساختمان‌های اداری و در اقلیم‌های گرم و گرم و معتدل، توصیه می‌گردد.

کلیدواژه‌ها


  1. Howell, Y. Rezgui, J. L. Hippolyte, B. Jayan, H. Li, Towards the next generation of smart grids: Semantic and holonic multi-agent management of distributed energy resources, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 77, pp. 193-214, 2017.
  2. Statistical Review of World Energy, BP, 69th edition, bp.com, 2020.
  3. Fuel Cell Industry Review, E4tech, 2019.
  4. Zhang, Y. Jin, D. Li, Y. Xiong, A review on recent advances in micro-tubular solid oxide fuel cells, Journal of Power Sources, Vol. 506, 2021.
  5. J. McPhail, S. Pylypko, S. Nadorov, D. Opalnikov, A. Lattimer, S. Bond, A new all-European technology for clean, efficient power, Layman’s Report, 2017.
  6. Scataglini, A. Mayyas, M. Wei, S. H. Chan, T. Lipman, D. Gosselin, A. D’Alessio, H. Breunig, W. G. Colella, B. D. James, A Total Cost of Ownership Model for Solid Oxide Fuel Cells in Combined Heat and Power and Power- Only Applications, Environmental Energy Technologies Division, 2015.
  7. Shafiizadeh, M. Tavanpourpaveh, F. Amini, L. S. Fatahi, N. G. Ghahremani, P. Soleimanpour, A review of 31 years of the country's energy statistics (1367-1397), Ministry of energy, 2020. (in Persian)
  8. Darrow, R. Tidball, J. Wang, A. Hampson, Catalog of CHP Technologies, U.S. Environmental Protection Agency Combined Heat and Power Partnership Program, 2008.
  9. Singh, D. Zappa, E. Comini, Solid oxide fuel cell: Decade of progress, future perspectives and challenges, International Journal of Hydrogen Energy, In Press, Corrected Proof, 2021.
  10. Õunpuu, High performance Solid Oxide Fuel Cells, Eco summit, Berlin, 2015.
  11. Liso, Y. Zhao, N. Brandon, M. Nielsen, S. Kær, Analysis of the impact of heat to power ratio for a SOFC based mCHP system for residential application under different climate regions in Europe, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, pp. 13715–13726, 2011.
  12. Pirkandi, M. Ghassemi, M. Hamedi, R. Mohammadi, 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. J. Naimaster, A. K. Sleiti, Potential of SOFC CHP systems for energy-effi cient commercial buildings, Energy and Buildings, Vol. 61, pp. 153-160, 2013.
  14. Xu, Z. Dang, B. F. Bai, Analysis of a 1 kW residential combined heating and power system based on solid oxide fuel cell, Applied Thermal Engineering, Vol. 50, pp. 1101-1110, 2013.
  15. Pfeifer, L. Nousch, D. Lieftink, S. Modena, System design and process layout for a SOFC micro-CHP unit with reduced operating temperatures, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 38, pp. 431-439, 2013.
  16. Yang, Y. Zhao, V. Liso, N. Brandon, Optimal design and operation of a syngas fueled SOFC micro CHP system for residential applications in different climate zones in China, Energy and Buildings, Vol. 80, pp. 613–622, 2014.
  17. Wahl, A. Segarra, P. Horstmann, M. Carré, W. Bessler, F. Lapicque, K. Friedrich, Modeling of a thermally integrated 10 kWe planar solid oxide fuel cell system with anode off gas recycling and internal reforming by discretization in flow direction, Journal of Power Sources, Vol. 279, pp. 656–666, 2015
  18. Memon, R. Memon, Thermodynamic analysis of a tri-generation system proposed for residential application, Energy Conversion and Management, Vol. 145, pp. 182–203, 2017.
  19. Sorace, M. Gandiglio, M. Santarelli, Modeling and techno economic analysis of the integration of a FC based micro CHP system for residential application with a heat pump, Energy, Vol. 120, pp. 262–275, 2017.
  20. Shi, J. Zhu, M. Han, Z. Sun, Y. Guo, Operating limitation and degradation modeling of micro solid oxide fuel cell-combined heat and power system, Applied Energy, Vol. 252, 2019.
  21. Mehrpooya, M. Sadeghzadeh, A. Rahimi, M. Pouriman, Technical performance analysis of a combined cooling heating and power (CCHP) system based on solid oxide fuel cell (SOFC) technology – A building application, Energy Conversion and Management, Vol. 198, 2019.
  22. Ahmadi, H. Ghaebi, A. Shokri, A comprehensive thermodynamic analysis of a novel CHP system based on SOFC and APC cycles, Energy, Vol. 186, 2019.
  23. Wang, L. Wehrle, A. Banerjee, Y. Shi, O, Deutschmann, Analysis of a biogas-fed SOFC CHP system based on multi-scale hierarchical modeling, Renewable Energy, Vol. 163, pp. 78-87, 2021.
  24. J. McPhail, J. Kiviaho, B. Conti, the yellow pages of SOFC technology International Status of SOFC deployment 2017, VTT Technical Research Centre of Finland, 2017.
  25. asimptote.nl/software/cycle-tempo/
  26. Arab, H. Ghadamian, S. Abbasi, Thermo-economic modeling of an atmospheric SOFC/CHP cycle; an exergy based approach, Mechanics & Industry, 2014.
  27. H. Chan, C. F. Low, O. L. Ding, Energy and exergy analysis of simple solid oxide fuel cell power systems, Journal of power sources, Vol. 103, pp. 188-200, 2002.
  28. CHP systems gas engine, CHP Compact 14, http://www.dejatech.nl/en/products/chp-system.
  29. Technical Data Sheet XRGI 15G-TO Energy System, Micro CHP System, EC Power.
  30. C30 Micro turbine, Low-pressure Natural Gas, Capstone Turbine Corporation, capstoneturbine.com, 2020.
  31. WALKER, Combined-Cycle Plants Release Far Less CO2 than Coal, https://www.environmentalleader.com/2014/01/report-combined-cycle-plants-release-far-less-co2-than-coal/,2014.