17613

17613

ساخت نمونه آزمايشگاهي سيستم هيبريدي انرژي بادي و پيل سوختي با تأمين هيدروژن به روش الكتروليز و تحليل فني و اقتصادي آن

كارشناسي ارشد

مهندسي سيستم هاي انرژي - انرژي و محيط زيست

تيرماه 1395

دكتر عليرضا زاهدي - دكتر علي غفاري نژاد

فناوري هاي نوين

كاهش منابع انرژي‌هاي فسيلي و افزايش انتشار گازهاي گلخانه‌اي روز به روز نياز به منابع پاك و لايزال انرژي را بيشتر مي‌كند. يكي از منابع انرژي‌هاي تجديدپذير انرژي بادي است كه در سال‌هاي اخير همواره در حال توسعه بوده است. نيروگاه‌هاي بادي گاهاً در ساعات پيك مصرف جوابگو نيستند، لذا يك سيستم ذخيره‌سازي توان و پشتيبان براي اين نيروگاه‌ها ضروري به نظر مي‌رسد. در اين پژوهش‌تلاش شده است تا يك سيستم هيبريدي براي اتصال به نيروگاه بادي، جهت تأمين توان قابل‌اطمينان و همچنين توليد محصولات جانبي باارزش ارائه گردد. سيستم هيبريدي كه در اين پژوهش معرفي شده متشكل از چهار جزء اصلي است: توربين بادي، الكتروليزر، ذخيره هيدروژن و پيل سوختي. سازوكار سيستم مذكور به اين صورت است كه در ساعات كم باري، توان اضافي توليدشده توسط توربين بادي وارد واحد الكتروليز شده و در آنجا آب به هيدروژن و اكسيژن تبديل مي‌گردد. هيدروژن و اكسيژن تبديل‌شده فشرده‌شده و در مخازن مخصوص به خود ذخيره مي‌گردند. اين گازها در ساعات پيك مصرف (زماني كه توان توليدي توسط نيروگاه بادي كمتر از ميزان تقاضاي شبكه است) براي توليد برق وارد پيل سوختي مي‌گردند تا تقاضاي برق شبكه ارضا گردد. در اين پژوهش ابتدا با ساخت يك نمونه آزمايشگاهي سيستم هيبريدي مذكور ميزان توليد هيدروژن توسط الكتروليز قليايي و ميزان توليد توان توسط پيل سوختي غشاء پليمري بررسي شد. بيشترين ميزان هيدروژن توليدي توسط اين سيستم در هر ساعت به طور متوسط 304 ميلي‌ليتر بود. در نتيجه ميزان توان توليدي توسط پيل سوختي 1008 ميلي وات محاسبه شد. پس از ساخت نمونه آزمايشگاهي و تعميم آن به مدل بزرگتر براي تامين برق 250 خانوار در منطقه كوهين انجام شد. اين حالت به ميزان 2،203،818 كيلووات‌ساعت توليد برق خواهد داشت كه از اين مقدار 23/93 % معادل 2،054،665 كيلووات‌ساعت سهم توربين‌هاي بادي و 77/6 % معادل 149،153 كيلووات‌ساعت سهم پيل سوختي مي‌باشد. اين سيستم قادر به تامين كامل برق مورد نياز نخواهد بود. طبق محاسبات انجام شده در نرم‌افزار مذكور 6/16 % تقاضاي مورد نياز معادل 83،604 كيلووات ساعت توسط اين سيستم برآورده نخواهد شد. از اين رو سيستم بهينه‌اي معرفي گرديد. بهينه‌سازي فني و اقتصادي سيستم فوق حاكي از آن است كه در بهترين سناريو (متشكل از 3 توربين بادي)، ميزان توان توليدي سالانه سيستم هيبريدي 2،268،072 كيلووات ساعت خواهد بود كه از اين مقدار 41/9 % سهم پيل سوختي است. نتايج نشان مي‌دهد كه سيستم هيبريدي باعث افزايش ضريب ظرفيت نيروگاه بادي به ميزان 8/2 % مي‌گردد. هزينه انرژي محاسبه شده براي سيستم هيبريدي 7599/0 دلار و ارزش فعلي سرمايه 5،235،066 دلار خواهد بود.

1396/04/19

1/1/1900 12:00:00 AM

Reducing fossil energy resources and increasing greenhouse gas necessitate the needs of clean sources of energy. One of the sources of renewable energy is wind power which has been developing in recent years. Sometimes wind power in peak hours does not respond, so a storage system and backup power for these power plants is necessary. In this study a hybrid system is presented for a wind farm to provide the reliable power and also offered valuable by-products. The hybrid system presented in this study consists of four main components: a wind turbine, electrolyzer, hydrogen storage and fuel cell. The mechanism of this system is that in less demand hours the extra electricity produced by wind turbines is derived the electrolysis unit and water is decomposited to hydrogen and oxygen. Hydrogen and oxygen are compressed and stored in special tanks. These gases in the peak hours (when the power produced by wind power is less than the grid demand) enters to the fuel cell in order to produce electricity and satisfy the grid demand. In this study, with the construction of a prototype hybrid system, hydrogen production rate by alkaline electrolysis and the electricity production by PEM fuel cell is investigated. The maximum produced hydrogen by the system per hour average is 304 ml. The power produced by the fuel cell will be 1008 mW. After the construction of the prototype, a case study for the system is done in the Kouhin area. Technical and economic optimization of the system suggests that in the best scenario (consisting of 3 wind turbines), the annual production rate of the hybrid system will be 2,268,072 kWh which 9.41% of this is the share of fuel cell. The results show that the hybrid system couses to 8.2% increase in the amount of wind power capacity factor. The calculated energy costs and the net present cost for the hybrid system are 0.7599 and 5,235,066 USD, respectively.