عنوان پایان‌نامه
مدلسازی و بهینه سازی نیروگاه های ترکیبی پیل سوختی اکسید جامد
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی-کاتالیست
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1245.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 56332
- تاریخ دفاع
- ۰۸ بهمن ۱۳۹۱
- دانشجو
- سپیده اکبرپورترکی
- استاد راهنما
- مهدی مهرپویا
- چکیده
- این تحقیق شامل دو بخش اصلی می باشد که عبارتنداز مدلسازی پیل سوختی اکسید جامد مسطح و شبیه‌سازی سامانه¬ی هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد تحت فشار و همراه با توربین گازی. در واقع این تحقیق توسط تلفیقی از نرم‌افزار MATLAB و HYSYS انجام شده است. قسمت مدلسازی پیل سوختی اکسید جامد توسط MATLAB انجام شده است که در آن مدل یک بعدی و دو بعدی با دو جریان همسو و ناهمسو بررسی و ارائه شده است. این مدل با نوشتن موازنه‌ء جرم برای تک‌تک اجزا، موازنه‌ء انرژی برای تمامی قسمت‌ها و مدل الکتروشیمیایی به¬دست آمده است. در مدل الکتروشیمیایی ولتاژ و انواع افت ولتاژ (اکتیواسیون، اهمی و غلظتی)، در مدل انتقال جرم، توزیع درصد مولی تک تک اجزا و در مدل انتقال انرژی، توزیع دمای تک تک حجم کنترلی بررسی و ارائه شده است. این مدل با روش تفاضل محدود (روش عددی) و با در نظر گرفتن 5 حجم کنترلی نظیر کانال سوخت و هوا، ساختار جامد IC در سمت سوخت و هوا و ساختار جامد PEN انجام شده است. طبق نتایج ارائه شده از مدل یک بعدی و دو بعدی مقدار افت ولتاژها، پتانسیل نرنست و ولتاژ در هر دو نوع جریان در طول مسیر کاهش یافته است و همچنین در مدل دوبعدی اثر پارامترهای دما، فشار، چگالی جریان الکتریکی و درصد مصرف سوخت برروی ولتاژ و توان الکتریکی در هر دو نوع جریان بررسی و ارائه شده است ولتاژ در هر دو نوع جریان همسو و ناهمسو در طول هر دو مسیر کاهش یافته است. طبق نتایج ارائه شده، می‌توان گفت با افزایش دما و فشار مقدار ولتاژ و توان الکتریکی در هر دوجریان افزایش می یابد اما در تمامی دما و فشار، مقدارشان در جریان ناهمسو بیشتر از جریان همسو می‌باشد. با افزایش چگالی جریان الکتریکی تا مقدار A.m-29000 (مقدار بهینه)، توان الکتریکی در جریان همسو وناهمسو افزایش می‌یابد، که مقدارشان به¬ترتیب برابر است باW 1/35 و856/35 می¬باشد. با افزایش درصد مصرف سوخت مقدار ولتاژ کاهش می‌یابد. وقتی Uf برابر با 85/0 می¬باشد مقدار ولتاژ به¬ترتیب برابر است با 7106/0 و 7175/0. در یک شرایط عملکردی همسان همواره جریان ناهمسو مطلوب تر از جربان همسو عمل می‌کند. بخش شبیه‌سازی این مطالعه توسط HYSYS انجام شده است که مهمترین بخش آن شامل پیل سوختی اکسید جامد و توربین گازی (GT) می‌باشد. هدف از این قسمت بهینه سازی تعداد سل در تودهء پیل سوختی در یک توان ثابت (kw200) سامانهء هیبریدی می‌باشد. این هدف توسط متغییرهای دما، فشار، دانسیته‌ی جریان الکتریکی و درصد مولی هیدروژن ارائه و بررسی شده است. مقدار بهینهء تعداد سل در سامانهء نوع اول و در هر دو جریان به¬ترتیب برابر است با 1433 و 1411و در سامانهء نوع دوم به¬ترتیب برابر است با 1045 و 1033.
- Abstract
- The following research consists of two main parts, modeling of planar Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) and simulation of pressurized hybrid system of SOFC accompanied by a Gas Turbine (GT). In fact this project is done with a combination of MATLAB and HYSYS software. The former part has been done via MATLAB in which one and two dimensional model is investigatedby finite difference of planar Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) with respect to co and counter-flow configuration. In this work, SOFC is divided into five control- volumes: (fuel and air channel, PEN structure, fuel side interconnect and air side interconnect). Equations such as mass and heat transfer and electrochemical model are presented and parameters such as mole fraction distribution for the species and temperature distribution for the CVs and difference polarization are debated, also effect of the effective and important parameters such as temperature,pressure, current density and fuel utilization factor on voltage and electric power for both configurations and also effect current density and temperature on different polarization are presented. The result show that the values of Nernst potential, difference polarization and voltage of both configuration decrease and the Temperature and Pressure increase the voltage and electric power increases and the values of counter-flow is higher co-flow configuration. With increasing the current density, value of electric power increases at first and next decrease in fact the optimum value of current density and electric power in co and counter-flow which can be found is 9000 A/m2 and 35.1 W and 35.856 W respectively. With increasing the fuel utilization factor leads to decrease in voltage in both configurations that the value in Uf =0.85 are 0.7106 V and 0.7175 V.The simulation of hybrid system is done via HYSYS in which SOFC and GT can be mentioned as the most important part. The purpose of this section is optimization of number of cells in stack, in a specified power (200 KW) which is investigated with variation of parameters such as temperature, pressure, current density and mole fraction of H2.The results imply that the optimum number of cells in first type hybrid system in both configurations is 1433 and 1411 respectively and the relevant values in second type are 1045 and 1033. Keyword: Modeling, finite difference, solid oxide fuel cell, simulation, hybrid system, Mass transfer, Heat `transfer, electrochemical, polarization
