تحلیل پارامتریک و بهینه‌سازی سیستم تولید سه‌گانه بر پایه پیل سوختی اکسید جامد لوله‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه ارومیه

2 ارومیه*مهندسی مکانیک

3 دانشکده فنی گروه مکانیک دانشگاه ارومیه

4 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه ارومیه عضو هیئت علمی

چکیده

در این تحقیق، مطالعه پارامتریک و بهینه‌سازی سیستم تولید سه‌گانه جدید پیل سوختی اکسید جامد ، توربین گاز، مولد بخار بازیافت حرارت، چرخه تبرید جذبی گکس و مبدل بازیافت حرارت جهت تولید توان، سرمایش و گرمایش موردبررسی قرارگرفته است. در این تحقیق به‌منظور مدیریت گرمای هدر رفت، مولد بخار بازیافت حرارت در بالادست چرخه تبرید قرار داده‌شده و درنهایت از حرارت موجود در خروجی سیستم در یک مبدل بازیافت حرارت استفاده می‌شود. با توجه به اهمیت نقش پیل سوختی در سیستم معرفی‌شده تحلیل الکتروشیمیایی کاملی در پیل انجام‌ می‌شود. در ادامه، بامطالعه پارامتریک سیستم ترکیبی اشاره‌شده، تأثیرات چگالی جریان، ضریب مصرف سوخت، نسبت فشار کمپرسور و ضریب بهره‌برداری هوا بر روی پارامترهای عملکردی سیستم، بررسی‌شده است. پس از بررسی پارامتریک، بهینه‌سازی سیستم به روش الگوریتم ژنتیک به‌منظور تعیین نقاط بهینه عملکردی انجام‌گرفته است. با توجه به نتایج بهینه‌سازی و اگزرژواکونومیکی سیستم بهینه ، کمینه مجموع هزینه واحد اگزرژی محصولات، نرخ هزینه تخریب اگزرژی و ضریب اگزرژواکونومیکی کل سیستم بهینه به ترتیب 277/2 دالر بر گیگا ژول، 40/8 دالر بر ساعت و 27/8 درصد حاصل شدند؛ بنابراین افزایش هزینه سرمایه‌گذاری اولیه اجزا می‌تواند عملکرد اگزرژواکونومیکی سیستم را بهبود بخشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Parametric Analysis and Optimization of a Trigeneration System Based on the Tubular Solid Oxide Fuel Cell

نویسندگان [English]

  • naghi aghazadeh 1
  • Shahram Khalilarya 2
  • Samad Jafarmadar 3
  • Ata Chitsaz 4
1 urmia university
2 urmia university
3 Urmia university
4 urmia university
چکیده [English]

In this article, a new power, cooling and heating trigeneration system consisting of solid oxide fuel cell - gas turbine, a heat recovery steam generator, generator-absorber[1]heat exchange absorption refrigeration cycle and a heat exchanger for heat recovery has been studied from a parametric and optimization perspective. In the present research, in order to control the wasted heat, HRSG is located upstream of GAX, and then, the wasted heat at the system output is used at HR. Due to the important role of the fuel cell in the introduced system, the electrochemical analysis is complete for the fuel cell. Then, the influences of current density, fuel utilization factor, compressor pressure ratio and air utilization factor on the performance of the system are investigated. The optimization of the system is performed in the method of the genetic algorithm to determine the optimal functional points. After optimization and exergoeconomic analysis, the the minimum sum of the unit costs of products, the exergy destruction cost rate and exergoeconomic factor for the overall system is equal to 277.2$/GJ, 40.8$/h and 27.8%, respectively. Therefore, increase in the components’ capital costs can improve the exergoeconomic performance of the system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tubular solid oxide fuel cell
  • Trigeneration
  • Heat recovery steam generator
  • Exergoeconomic
  • optimization

مراجع

[1]  A.V. Akkaya, B. Sahin, H.H. Erdem, An analysis of SOFC/GT CHP system based on exergetic performance criteria, International Journal of Hydrogen Energy, 33(10) (2008) 2566-2577.
[2]    J. Pirkandi, M. Ghassemi, M.H. Hamedi, R. Mohammadi, Electrochemical and thermodynamic modeling of a CHP system using tubular solid oxide fuel cell (SOFsC-CHP), Journal of Cleaner Production, 29 (2012) 151-162.
[3]  Y. Haseli, I. Dincer, G. Naterer, Thermodynamic analysis of a combined gas turbine power system with a solid oxide fuel cell through exergy, Thermochimica Acta, 480(1-2) (2008) 1-9.
[4]  Y.D. Lee, K.Y. Ahn, T. Morosuk, G. Tsatsaronis, Exergetic and exergoeconomic evaluation of a solid-oxide fuel-cell-based combined  heat  and power generation system, Energy Conversion and Management, 85 (2014) 154-164.
[5] S. Ma, J. Wang, Z. Yan, Y. Dai, B. Lu, Thermodynamic analysis of a new combined cooling, heat and power system driven by solid oxide fuel cell based on ammonia–water mixture, Journal of Power Sources, 196(20) (2011) 8463-8471.
[6]  F.  Ranjbar, A. Chitsaz, S. Mahmoudi, S.  Khalilarya, M.A. Rosen, Energy and exergy assessments of a novel trigeneration system based on a solid oxide fuel cell, Energy Conversion and Management, 87 (2014) 318-327.
[7] L. Khani, S.M.S. Mahmoudi, A. Chitsaz, M.A. Rosen, Energy and exergoeconomic evaluation of a new power/cooling cogeneration system based on a solid oxide fuel cell, Energy, 94 (2016) 64-77.
[8] A. Saberi Mehr, V. Zare, S. Mahmoudi, Standard GAX versus hybrid GAX absorption refrigeration cycle: from the view point of thermoeconomics, Energy conversion and management, 76 (2013) 68-82.
[9]  A. Ramesh Kumar, M. Udayakumar, Studies of compressor pressure ratio effect on GAXAC (generator–absorber–exchange absorption compr- ession) cooler, Applied Energy, 85(12) (2008) 1163- 1172.
[10]  A.V. Akkaya, B. Sahin, H.H. Erdem, Exergetic performance coefficient analysis of a simple fuel cell system, International Journal of Hydrogen Energy, 32(17) (2007) 4600-4609.
[11]  A. Chitsaz, A. Mehr, S. Mahmoudi, Exergoeconomic analysis of a trigeneration system driven by a solid oxide fuel cell, Energy Conversion and Management, 106 (2015) 921-931.
[12] A.V. Akkaya, Electrochemical model for performance analysis of a tubular SOFC, International Journal of Energy Research, 31(1) (2007) 79-98.
[13] E.G.t. services, Fuel Cell Handbook (Seventh Edition), Morgantown: U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, (2004).
[14] J. Larminie, A. Dicks, M.S. McDonald, Fuel cell systems explained, J. Wiley Chichester, UK, 2003.
[15]  N. Aghazadeh, S. Khalilarya, S. Jafarmadar, A.Chitsaz, Thermoeconomic analysis of a novel trigeneration system based on solid oxide fuel cell and gas turbine with hydrogen fuel, Modares Mechanical Engineering, 18(4) (2018) 883-894 (in Persian).
[16]  A. Bejan, G. Tsatsaronis, Thermal design and optimization, John Wiley & Sons, 1996.
[17]  CEPCI June 2017 (2017), CEPCI June 2017. Retrieved from https://www.scribd.com/document/352561651/ CEPCI-June-2017-Issue
[18]  I. Dincer, M.A. Rosen, P. Ahmadi, Optimization of Energy Systems, John Wiley & Sons, 2017.
[19]  H. Athari, S. Soltani, M.A. Rosen, S.M.S. Mahmoudi, T. Morosuk,Acomparative exergoeconomic evaluation of biomass post-firing and co-firing combined power plants, Biofuels, 8(1) (2017) 1-15.
[20]E. Akrami, A. Chitsaz, H. Nami, S. Mahmoudi, Energetic and exergoeconomic assessment of a multi- generation energy system based on indirect use of geothermal energy, Energy, 124 (2017) 625-639.
[21]S. Singhal, Advances in solid oxide fuel cell technology, Solid state ionics, 135(1) (2000) 305-313.
[22]S. Klein, Engineering equation solver user’s manual. Middleton, WI: F-Chart Software, (2008).
[23]P. Charbonneau, Release notes for PIKAIA 1.2. NCAR technical note 451+STR, National Center for Atmospheric Research, Boulder, Co, (2002).
[24]V. Zare, S.S. Mahmoudi, M. Yari, M. Amidpour, Thermoeconomic analysis and optimization of an ammonia–water power/cooling cogeneration cycle, Energy, 47(1) (2012) 271-283.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 2
اردیبهشت 1399
صفحه 399-418

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار