عنوان پایان‌نامه
بهینه سازی چند هدفه یک سیستم ترکیبی هیدروژن خورشیدی همراه با فناوری پیل سوختی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1779.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76754
- تاریخ دفاع
- ۰۵ مهر ۱۳۹۵
- دانشجو
- فاطمه همایونی
- استاد راهنما
- علی اصغر حمیدی
- چکیده
- هدف این پایان‌نامه توسعه یک ابزار جامع و یکپارچه نوین برای طراحی مناسب، شبیه‌سازی، بهینه‌سازی و تحلیل دینامیک سامانه‌های انرژی خورشیدی به‌صورت مستقل از شبکه و با به‌کارگیری فناوری ذخیره‌سازی هیدروژنی، باقابلیت تولید هم‌زمان گرمایش، سرمایش و توان الکتریکی (CCHP) به‌منظور تأمین تقاضای انرژی یک کاربری مشخص در منطقه‌ای دور از شبکه می‌باشد. بدین منظور، سناریوهای مختلف و نوینی (شامل سامانه‌های صد در صد فسیلی، سامانه‌های صد در صد خورشیدی و پاک و سامانه‌های هیبریدی) از چنین سامانه‌هایی ارائه‌شده است. سامانه نهایی برای کاربری موردنظر، به‌طور جامع از مرحله انتخاب چیدمان تا تعیین نقطه طراحی بهینه، راهبرد عملیاتی بهینه اجزاء و تعیین پارامترهای عملیاتی با کمک روش‌های بهینه‌سازی طراحی و ارائه‌شده است. تعیین نقطه طراحی بهینه با استفاده از روش بهینه‌سازی تک هدفه با هدف کمینه نمودن ارزش خالص کنونی سامانه‌ها با در نظر گرفتن قیدهای فنی و اقتصادی مناسب صورت گرفته است. سپس تحلیل‌های اکسرژی و ترمواکونومیک به‌منظور تعیین عدم بازدهی‌ها و نرخ تخریب اکسرژی در اجزاء، و هزینه واحد اکسرژی جریان‌های موجود در سیستم ارائه شده است. درنهایت، با استفاده از الگوریتم قوی بهینه‌سازی ازدحام ذرات چندهدفه، ترکیب‌های مختلفی از مقادیر بهینه برخی پارامترهای عملیاتی در قالب نمودار پرتو پیشنهاد شده‌اند. همچنین در تمامی این مراحل، عملکرد سیستم به‌طور دینامیک و ساعتی موردبررسی قرارگرفته و یک دوره یک ساله شامل 8760 ساعت به‌منظور مدل‌سازی و بهینه‌سازی عملکرد سیستم در نظر گرفته شده است. نتایج به‌دست‌آمده قابلیت ابزار توسعه داده‌شده را در تمامی مراحل به‌منظور تخمین عملکرد فنی و اقتصادی سامانه‌های هیدروژن خورشیدی ارائه‌شده، برای تأمین تقاضای انرژی یک گلخانه مستقل از شبکه به‌خوبی نشان داده است. طبق نتایج به دست آمده، برای گلخانه مفروض در ناحیه جیرفت، سامانه هیبریدی هیدروژن خورشیدی با استفاده از فن آوری پنل فتوولتاییک-گرمایی و سامانه سرمایش تبخیری و موتور و جوش آور دیزلی به عنوان پشتیبان، در حال حاضر اقتصادی ترین سامانه برای گلخانه مورد نظر بوده و سایز بهینه و راهبرد بهینه اجرایی اجزاء سامانه برای تمامی ساعات سال تعیین شده اند. در مورد این سامانه، تحلیل حساسیت جامعی با استفاده از ابزار توسعه داده شده صورت گرفته است. بر اساس نتایج تحلیل دینامیک اکسرژی، بالاترین نرخ تخریب اکسرژی برای پنل های فتوولتاییک، سامانه سرمایشی تبخیری و محفظه احتراق تعیین شده است. به منظور تعیین اثر این بازگشت ناپذیری ها بر اقتصاد سامانه و هزینه نهایی محصولات سامانه CCHP، پس از تحلیل ترمواکونومیک سامانه و با هدف تعیین مقادیر بهینه برخی پارامتر های عملیاتی سامانه، با در نظر گرفتن کمینه نمودن هم‌زمان نرخ تخریب اکسرژی کل سیستم و هزینه واحد اکسرژی محصولات سیستم CCHP، یک بهینه سازی دو هدفه صورت گرفته است. این ابزار جامع همچنین، قابلیت تعمیم به کاربردهای مختلف در مناطق جغرافیایی مختلف و همچنین قابلیت انعطاف پذیری در تغییر اجزاء ارائه‌شده در سیستم و جزئیات مدل‌سازی آن ها، سطح قابلیت اطمینان سامانه و همچنین تغییر توابع هدف برای مراحل بهینه سازی تک هدفه و چندهدفه را دارا می‌باشد.
- Abstract
- In recent years, rapid growth of population and increased need for energy, along with the depleting fossil fuel resources on one hand, combined with the increasing global concerns about environmental issues on the other hand, had led to increased attention about deploying Renewable Energy Technologies (RETs). Iran is a country with considerable amount of annual solar irradiance. Despite this excellent potential, so far, about 0.11% of the energy in Iran, comes from solar energy. Nowadays, current level of science and technology in Iran is adequately prepared for the development of solar projects. Therefore if solar projects are introduced and the science and technologies required are promoted, solar industry in Iran can in itself be a self-sustaining industry. The aim of this thesis is to develop a comprehensive and integrated new tool for design, simulation, optimization and dynamic analysis of standalone solar energy systems, using hydrogen storage technology, with simultaneous production of heating, cooling and power (CCHP) to meet the energy demand of a specific user in a remote area. For this purpose, innovative various scenarios (including fossil systems, solar and clean systems and hybrid systems) from such systems are provided. The final system for the proposed case study, comprehensively starting from the selection stage to determining the optimum design point and operational parameters, is presented with the help of optimization methods. To determine the optimum design point, single-objective optimization approaches with the aim of minimizing the system’s Net Present Cost, and satisfying technical and economical constraints, are applied. Then, in order to determine the irreversibilities and exergy destruction rate of each component and the whole system, and also, the exergy cost of products, exergy and thermoeconomic analysis are performed. Finally, using multi-objective particle swarm optimization algorithm, different combinations of optimal values of some operating parameters are presented as a Pareto front. Furthermore, in all these steps, the system is dynamic and examined hourly and a one-year period of 8760 hours is considered to model and optimize the performance of the system. The results given at all stages, illustrates very well the capabilities, of the development tool to design and assess the performance of different configurations of solar hydrogen systems to provide CCHP demands of a standalone agricultural greenhouse. According to the results obtained, for a given greenhouse in the Jiroft region, a hybrid solar hydrogen applying PVT panels, evaporative cooling system and a diesel engine and boiler, is the most economic scenario and for this system, optimal component sizes and operational running strategy are determined. Also, a comprehensive sensitivity analysis is performed. Based on the results of dynamic exergy analysis, the highest destruction rate of exergy belongs to PVT panels and evaporative cooling system, combustion chamber are on the next rank. Using the results of thermoeconomic analysis and to determine the optimal value of some of the operational parameters of the system, a multi objective optimization with the purpose of minimizing total exergy destruction rate and cost per exergy of products is carried out. Also, this comprehensive tool, poses the ability to generalize to different applications in different geographical areas and to provide flexibility to change components in the system and detail modeling of them along with various objective functions and constraints for single and multi-objective optimization purposes.
