تحلیل عملکرد ترمودینامیکی یک چرخه هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد و میکروتوربین گازی در یک سیستم تولید هم­زمان

پیرکندی, جاماسب; قاسمی, مجید; حامدی, محمدحسین

تحلیل عملکرد ترمودینامیکی یک چرخه هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد و میکروتوربین گازی در یک سیستم تولید همزمان

نویسندگان

جاماسب پیرکندی ¹

مجید قاسمی ²

محمدحسین حامدی ²

¹ دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی،،تهران،ایران

² دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی،تهران،ایران

چکیده

هدف از ارائه این مقاله تحلیل عملکرد ترمودینامیکی یک سیستم هیبریدی جهت تامین همزمان انرژی الکتریکی و حرارتی است. در این مقاله، ابتدا یک سیستم هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد و میکروتوربین گازی همراه با تجهیزات جانبی آن در نظر گرفته شده و سپس برای تمام اجزای چرخه مورد نظر یک تحلیل ترمودینامیکی و برای پیل سوختی به کار رفته در آن یک تحلیل الکتروشیمیایی مجزا انجام شده است. در ادامه، با مطالعه پارامتری سیستم هیبریدی اشاره شده، تاثیر دما و فشار کاری پیل و همچنین نسبت نرخ جریان هوا به سوخت ورودی به سیستم بر روی بازده، توان و آنتروپی تولیدی در سیستم هیبریدی بررسی شده و در نهایت یک حالت کارکرد بهینه برای آن ارائه شده است.نتایج نشانگر افزایش بازده سیستم هیبریدی در اثر افزایش دما و فشار کاری پیل (تا حدود 80 درصد) است. تعیین نسبت هوا به سوخت بهینه سیستم و همچنین محاسبات کامل روابط مربوط به پیل سوختی در سه بخش مجزا (به سازی، الکتروشیمیایی، حرارتی) از دیگر موارد انجام شده در این تحقیق است.

تازه های تحقیق

با توجه به مطالب ارائه شده در این مقاله، میتوان موارد زیر را به عنوان جمعبندی بحث ارائه کرد:

- با افزایش دما و فشار کاری پیل، افت ولتاژ کلی آن کمتر شده و در نتیجه ولتاژ خروجی از پیل افزایش پیدا خواهد کرد.

- افزایش دما و فشار کاری پیل توان خروجی از آن را افزایش داده و عملکرد آن را بهبود میدهد.

- دمای کاری پیل در مقایسه با فشار کاری آن دارای اثرگذاری بیشتری در بهبود عملکرد آن است.

- چگالی شدت جریان گرفتهشده از پیل در نقطه طراحی باید در ناحیه افتهای ناشی از مقاومت و به دور از ناحیه غلظت باشد تا سیستم بتواند توان الکتریکی خود را به صورت پایدار تولید کند.

- افزایش دمای کاری پیل باعث افزایش توان الکتریکی در پیلسوختی، میکروتوربین و سیستم هیبریدی میشود. با توجه به محدوده دمایی کارکرد پیلهای سوختی اکسید جامد (700 الی 1000 درجه سلسیوس)، نتایج نشان میدهد که میتوان با افزایش دمای کاری پیل به بیشینه افزایش بازدهی در حدود 45 درصد در سیستم هیبریدی دست یافت.

- افزایش فشار کاری پیل باعث افزایش توان الکتریکی در پیلسوختی، میکروتوربین و سیستم هیبریدی خواهد شد. نتایج بیانگر این است که به دلیل استفاده از کمپرسورهای قوی در نسبت فشارهای بالا، افزایش فشار کاری پیل باعث افزایش 10 درصدی در بازده کلی سیستم شده و تاثیر زیادی در بازده حرارتی سیستم ندارد.

- افزایش ضریب مصرف سوخت در پیل تا یک حد معین باعث افزایش توان الکتریکی تولیدشده در پیل شده و سپس با افزایش بیشتر این ضریب توان الکتریکی آن کاهش خواهد یافت. ضریب بهینه مصرف سوخت برای این سیستم پیشنهادی (در دمای کاری 1273 کلوین برای پیل) حدود 85/0 توصیه میشود.

- جهت دستیابی به بازده بالا در سیستم هیبریدی، باید نسبت هوا به سوخت ورودی به سیستم یک مقدار مناسب انتخاب شود. برای سیستم پیشنهادی در این مقاله و با درنظرگرفتن حداکثر بازده آن، مقدار نسبت هوا به سوخت برابر 4/9 پیشنهاد میشود.

- افزایش دما و فشار کاری پیل باعث کاهش نرخ تولید آنتروپی در سیستم هیبریدی خواهد شد.

- افزایش بیش از حد نرخ جریان هوای ورودی به سیستم به دلیل اثرات خنککنندگی، باعث کاهش دمای پیل و در نتیجه افزایش افت ولتاژ و کاهش بازده الکتریکی، کل و اگزرژی در سیستم هیبریدی خواهد شد.

- افزایش بیش از حد دبی سوخت اثر مطلوبی بر عملکرد سیستم نداشته و باعث کاهش بازده سیستم و افزایش بازگشتناپذیریها در آن خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

پیل سوختی اکسید جامد

میکروتوربین گازی

سیستم هیبریدی

تولید همزمان

عنوان مقاله English

Thermodynamic Performance Analysis of a Solid Oxide Fuel Cell and Micro Gas Turbine Hybrid Cycle in a CHP System

نویسندگان English

Jamasb pirkandi ¹

Majid Ghasemi ²

Mohammad Hosein Hamedi ²

¹ Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

² Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

چکیده English

The purpose of this article is thermodynamic analysis of a hybrid system to provide simultaneous electrical and thermal energy. In this paper, a hybrid system of solid oxide fuel cell and micro gas turbine is investigated with all accessories and then, thermodynamic analysis for all components of the cycle is done. Also, an electrochemical analysis is separately performed for the fuel cell. Then, with parametric study for the mentioned hybrid system, the effect of cell temperature, working pressure and air to fuel flow ratio on efficiency, power, and entropy generation in the hybrid system are studied. Finally, a case for optimum performance is presented. The results indicate increased efficiency of hybrid system with increasing cell temperature and working pressure (up to 80 percent). Determining the optimum air to fuel flow ratio and the full calculations of fuel cell at three separate parts (reforming, electrochemical, thermal) are the other items presented in this study.

کلیدواژه‌ها English

Solid oxide fuel cell

Micro gas turbine

Hybrid system

CHP

1. M. C. Williams, Fuel cell handbook, EG&G Technical Services, Inc., West Virginia, 2004.

2. J. Brouwer, “Hybrid Gas Turbine Fuel Cell Systems,” National Fuel Cell Research Center, University of California, See also URL http://www.nfcrc.uci.edu.

3. S. P. Harvey and H. J. Richter, “Gas Turbine Cycles with Solid Oxide Fuel Cells, Part I and II,” Journal of Energy Resources Technology, 116, 1994, pp. 305-318.

4. G. Lee and f. Sudhoff, “Fuel Cell/Gas Turbine System Performance Studies,” Fuel Cells ‘96 Review Meeting, Morgantown, West Virginia, August 20-21, 1996, DOE/METC/C-97/7278.

5. J. Chaney, R. Tharp, W. Wolf, A. Fuller and J. Hartvigson, “Fuel Cell/Micro Turbine Combined Cycle,” Final Report, McDermott Technology, Inc. Alliance, 1999.

6. A. F. Massardo and F. Lubelli, “Internal Reforming Solid Oxide Fuel Cell-Gas Turbine Combined Cycles (IRSOFC-GT): Part I-Cell Model and Cycle Thermodynamic Analysis,” Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 122, 2000, pp. 27-35.

7. N. F. Bessette and J. F. Pierre, “Status of Siemens Westinghouse Tubular Solid Oxide Fuel Cell Technology and Development Program,” Proceedings of the 2000 Fuel Cell Seminar, Courtesy Associates, November 2000.

8. S. C. Singhal, “Advances in Solid Oxide Fuel Cells,” Journal of Solid State Ionic, 135, 2000, pp.305-313.

9. H. Ide and et al., “Natural Gas Reformed Fuell Cell Power Generation System-a Comparison of Three System Efficiencies,” 24th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Washington,DC, pp. 1571-1522, 1989.

10. P. Costamagna, L. Magistri and A.F. Massardo, “Design and Part-Load Performance of a Hybrid System Based on a Solid Oxide Fuel Cell Reactor and a Micro Gas Turbine,” Journal of Power Sources, 96, No. 2, 2001, pp. 352-368.

11. J. Palsson, “Thermodynamic Modeling and Performance of Combined Solid Oxide Fuel Cell and Gas Turbine System,” Ph.D. Thesis, Department of Heat and Power Engineering, Lund University of Sweden, 2002.

12. A. Selimovic, “Modeling of Solid Oxide Fuel Cells Applied to the Analysis of Integrated Systems with Gas Turbines,” Ph.D. Thesis, Department of Heat and Power Engineering, Lund University of Sweden, 2002.

13. J. Palsson, A. Selimovic and L. Sjunnesson, “Combined Solid Oxide Fuel Cell and Gas Turbine Systems for Efficient Power and Heat Generation,” Journal of Power Sources, 86, 2000, pp. 442-448.

14. S. H. Chan, H. K. Ho and Y. Tian, “Modelling of Simple Hybrid Solid Oxide Fuel Cell and Gas Turbine Power Plant,” Journal of Power Sources, 109, No. 1, pp. 111-120, 2002.

15. H. Uechi, S. Kimijima and N. Kasagi, “Cycle Analysis of Gas Turbine-Fuel Cell Cycle Hybrid micro Generation System,” Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 126, 2004, pp.755-762.

16. K. Rajashekara, “Hybrid Fuel Cell Strategies for Clean Power Generation,” IEEE Transactions on industry applications, 41, No. 3, 2005, pp. 682-689.

17. S. Motahar and A. A. Alamrajabi, “Exergy Based Performance Analysis of a Solid Oxide Fuel Cell and Steam Injected Gas Turbine Hybrid Power System,” International journal of hydrogen, 34, 2009, pp. 2396-2407.

18. T. W. Song and et al., “Performance Analysis of a Tubular Solid Oxide Fuel Cell/Micro Gas Turbine Hybrid Power System Based on a Quasi-Two Dimensional Model,” Journal of Power Sources, 142, 2005, pp. 30-42.

19. W. H. Lai and et al., “Experimental Simulation on the Integration of Solid Oxide Fuel Cell and Micro-Turbine Generation System,” Journal of Power Sources, 171, 2007, pp. 130-139.

20. Y. Haseli, I. Dincer and G. F. Naterer, “Thermodynamic Modeling of a Gas Turbine Cycle Combined with a Solid Oxide Fuel Cell,” Journal of Hydrogen energy, 33, 2008, pp. 5811-5822.

21. D. Cocco and V. Tola, “Externally Reformed Solid Oxide Fuel Cell-Micro-Gas Turbine (SOFC-MGT) Hybrid Systems Fueled by Methanol and Di-Methyl-Ether (DME),” Journal of energy, 34, 2009, pp. 2124-2130.

22. Y. Komatsu and S. Kimijima, “Performance Analysis for the Part-Load Operation of a Solid Oxide Fuel Cell-Micro Gas Turbine Hybrid System,” Journal of energy, 35, 2010, pp. 982-988.

23. P. Ghanbari Bavarsad, “Energy and Exergy Analysis of Internal Reforming Solid Oxide Fuel Cell-Gas Turbine Hybrid System,” International Journal of Hydrogen Energy, 32, No. 17, 2007, pp. 4591-4599.

24. A. Volkan Akkaya, “Electrochemical Model for Performance Analysis of a Tubular SOFC ,” International Journal of Energy Research, 31, 2007, pp.79-98.

25. M. Ghasemi and et al., “Parametric Study of the Tubular SOFC Power Cycle with a Thermodynamic Model,” ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition: IMECE 2007, USA, Washington, Seattle, 2007.

26. J. A. Ciesar, “Hybrid Systems Development by the Siemens Westinghouse Power Corporation,” Presented by Siemens Westinghouse Power Corporation, Natural Gas/Renewable Energy Hybrids Workshop, August 2001.