در این مطالعه به بررسی ترمودینامیکی سیستم ترکیبی تولید توان پیل سوختی اکسید جامد و میکرو توربین گاز میپردازیم . برای شبیه سازی ترمودینامیکی این سیستم ، برنامه ایی نوشته شده تا به عنوان ابزاری توانمند برای پیش بینی کارکرد و بازده سیستم ترکیبی مورد استفاده قرار گیرد. در این تحقیق، پیل سوختی اکسید جامد با بهبود دهنده داخلی را با سیستم میکروتوربین گازترکیب کرده و سیستمی با بازده بالا و آلودگی کم را معرفی می کنیم. این سیستم قابلیت تولید توان در کلاس 5 کیلووات وبا بازده %83 را دارد . همچنین نتایج حاصل از کار این سیستم، در شرایط مختلف را ارائه می نمائیم. دما و فشار کاری پیل در کنار نحوه کارکرد دیگر اجزاء سیستم ، پدیده های بسیار مهمی بر چگونگی تولید توان است.
واژه های کلیدی : پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) ، میکروتوربین گاز (MGT) ، سیستم ترکیبی
رشد روز افزون استفاده از منابع تجدید ناپذیر فسیلی ، محدودیت این منابع و مشکلات زیست محیطی ناشی از بکارگیری آنها سبب توجه جهانیان به تنوع استفاده از انواع انرژی و بهره گیری از منابع جدید انرژی بااستفاده از روشهای پایدار، ایمن وسازگار با محیط زیست شده است. فن آوری پیل سوختی که در آن هیدروژن طی یک سری واکنشهای الکتروشیمیایی با اکسیژن تولید توان و حرارت می کند، یکی از بهترین گزینه های تولید انرژی در آینده محسوب می شود.
یکی از انواع مهم پیل های سوختی، پیل سوختی اکسید جامد است که از سرامیک های بدون تخلخل و بسیار سخت به عنوان الکترولیت استفاده می کند. دمای کاری بالای پیل سبب می شود که خروجی آن به عنوان یک منبع انرژی ، برای راه اندازی میکرو توربین گاز استفاده گردد.
بررسیهای تئوریک بر روی این نوع از سیستم های ترکیبی اولین بار در سال 1970 توسط شرکت آمریکایی Simens-Westinghouse صورت گرفت ]1و2[ . در این تحقیق ، از توربین گاز به عنوان سیستم ترکیبی استفاده شده بود. مدلهای ترمودینامیکی و ریاضی ، توسط گروههای تحقیقاتی متعددی توسعه و اجرا شده است، که از مهمترین آنها به گروه های همچون Lubelli و Massardo درایتالیا ]3[ و Companari و Macchy در آمریکا ]4[ اشاره نمو د. با این وجود، هنوز شناخت جهانی نسبت به این سیستم تکمیل نشده و مطالعات برروی آن همچنان ادامه دارد. در کشور ما نیز، لزوم کاهش آلودگی هوا و محیط زیست و استفاده بهینه از منابع انرژی ، لزوم توجه به این فن آوری را دوچندان می کند.
در تحقیقی که هم اکنون در دسته دارید، پیل سوختی مورد مطالعه دارای یک بهبود دهنده داخلی و یک بهبود دهندۀ خارجی برای افزایش کارآیی سیستم است. هم چنین از میکروتوربین گازی به عنوان سیستم ترکیبی تولید توان در کلاس کیلووات استفاده گردیده است.
2- نحوۀ عملکرد سیستم
این سیستم شامل دوبخش است ،یک قسمت SOFC های لوله ای با مساحت cm2 125که از سه لایه تشکیل شده اند. کاتد به عنوان دیوارۀ داخلی، الکترولیت و آند به عنوان دیواره خارجی و بخش دوم سیستم ، استفاده از میکروتوربین گاز که خود شامل محفظ احتراق ، توربین ،کمپرسور و مبدل حرارتی می باشد(شکل1).
سوخت متراکم (متان) پس از پیش گرم شدن ، به درون بهبود دهنده تزریق می شود و واکنش های زیر دربهبود دهنده رخ می دهد:
CH4 + H2O ® CO + 3H2
CO + H2O ® CO2 + H2
پس H2 و CO2 و مقداری از CH4 و CO که در واکنش شرکت ننموده اند ، به سمت آند هر SOFC لوله ای می روند. از سوی دیگر هوای محیط توسط یک کمپرسور متراکم شده و با ورود به یک مبدل حرارتی گرم می شود ، تا دما و فشار آن به شرایط کاری پیل برسد. هوای دارای دما و فشار بالا وارد کاتد هر SOFC می گردد و واکنش های الکتروشیمیایی زیر در یپل رخ می دهد:
Anode: O2- + H2 ® H2O + 2e-
Cathode : O2 + 2e- ® O2-
این واکنش ها سبب تولید جریان الکتریکی و همچنین حرارت می گردند. با هدایت حرارت و بخشی از آب تولیدی به بهبود دهنده خارجی ، گرما و آب مورد نیاز برای این بخش از سیستم تأمین می گردد. همچنین مقداری از سوخت واکنش نداده نیز پس از هدایت شدن به وسیلة صفحه هایی در پیل به کمک گرمای داخلی و بالای پیل واکنش می دهند و کارایی سیستم رابالا می برد. گاز خروجی ازSOFC که شامل H2O، CO2 و همچنین H2 ، CH4 و CO واکنش نداده است در محفظة احتراق و جهت بالا بردن دمای گاز می سوزد:
CO + O2 ® CO2
H2 + O2 ® H2O
CH4 + 2O2 ® CO2 + 2 H2O
مجموع این واکنش ها گرماده هستند. گاز خروجی از محفظة احتراق سبب حرکت دادن شفت میکروتوربین گاز و تولید جریان الکتریکی می شود بخشی از توان تولید شده صرف به حرکت در آوردن کمپرسور می گردد همچنین گرمای لازم برای پیش گرم کردن هوای ورودی به پیل از خروجی میکروتوربین و با استفاده از یک مبدل حرارتی تأمین می شود.
شامل 10 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود مقاله شبیه سازی سیستم ترکیبی پیل سوختی اکسید جامد و میکروتوربین گاز
