ویژگی های دینامیکی و تحلیل اقتصادی سیستم های CCHP مبتنی بر پیل های سوختی پلیمری با راه حل های مختلف رطوبت زدایی

ویژگی های دینامیکی و تحلیل اقتصادی سیستم های CCHP مبتنی بر پیل های سوختی پلیمری با راه حل های مختلف رطوبت زدایی

چکیده
برای مراکز داده با نیاز به رطوبت بالا، یک سیستم خنک کننده، گرمایش و برق (CCHP) با قابلیت رطوبت زدایی می تواند سرمایش، گرمایش، برق و رطوبت زدایی را به طور همزمان ارائه دهد که میتوان پاسخ‌های دینامیکی و ویژگی‌های اقتصادی سه روش مختلف رطوبت‌زدایی با رطوبت‌زدایی یکپارچه، جمع‌کننده خورشیدی خشک‌کننده یا سهموی (PTSC) را به‌عنوان منبع گرمای کمکی مورد تجزیه و تحلیل قرار داد که بررسی های متعدد نشان می‌دهد که استفاده از ماده خشک‌کننده بجای رطوبت‌زدایی برای پایداری قدرت و دما سیستم مفید است و ظرفیت نصب شده استک های پیل سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC) را تا حدود 78 درصد کاهش می‌دهد و در نتیجه هزینه سیستم کاهش میابد. استک ها و هیدروژن با کمک یک منبع گرمای کمکی، می توانند حدود 62 کیلوگرم هیدروژن در روز را ذخیره کنند که با در نظر گرفتن میانگین هزینه سالانه به عنوان یک شاخص ارزیابی اقتصادی، زمانی که قیمت هیدروژن بالاتر از 0.16 دلار در کیلوگرم است، استفاده از PTSC برای کمک به استک ‌های PEMFC برای تهیه منبع گرما، انتخاب بهتری نسبت به استفاده از استک های PEMFC به تنهایی است.
مقدمه
با توجه به کمبود انرژی سنتی و افزایش الزامات حفاظت از محیط زیست، گزینه های انرژی پاک مانند هیدروژن مورد توجه فزاینده ای قرار گرفته است از همین رو پیل‌های سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC) به دلیل راندمان تبدیل انرژی بالا، پایداری بالا، حفاظت از محیط زیست بالا و راه‌اندازی سریع، امیدوارکننده‌ترین دستگاه‌های تبدیل انرژی در نظر گرفته می‌شوند و از آنجایی که حدود 45 تا 60 درصد از انرژی هیدروژن به شکل انرژی گرمایی در طول عملیات PEMFC از بین می رود یک سیستم خنک کننده، گرمایش و برق ترکیبی (CCHP) که توسط گرمای هدر رفته از PEMFC هدایت می شود، یک کاربرد ثابت حیاتی برای انرژی هیدروژن است و به طور گسترده مورد تحقیق و توسعه قرار گرفته که باعث تحقیق و توسعه سیستم های CCHP مبتنی بر PEMFC به ویژه در مورد کاربردهای ثابت شده است. عملکرد یک سیستم CCHP مبتنی بر PEMFC این را نشان میدهد که هنگام استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن، سیستم CCHP برای کاهش مصرف سوخت و انتشار CO2 مفید خواهد بود و امکان‌سنجی سیستم را برای برآوردن نیازهای انرژی جامعه تأیید می‌کند هیمنطور پارامترهای عملیاتی استک PEMFC نقش مهمی در کارایی سیستم CCHP دارند و میتوانند یک سیستم تامین انرژی توزیع شده جدید را معرفی کنند که PEMFC ها و پمپ های حرارتی انرژی هیبریدی را یکپارچه می کنند که در مقایسه با استفاده از PEMFC به تنهایی، چگالی توان معادل سیستم یکپارچه در حالت های سرمایش و گرمایش به ترتیب 1.051 کیلووات متر مربع و 2.067 کیلووات متر مربع افزایش می یابد و یک سیستم پیل سوختی اکسید جامد با اصلاح بازیافت آب می‌تواند به بازده کلی 88.8 درصد و بازده الکتریکی 54.0 درصد دست یابد.
انرژی خورشیدی یکی دیگر از منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر است که می تواند برای کمک به PEMFCها در تامین گرما، به ویژه در مناطقی با منابع نور خورشید فراوان استفاده شود به عنوان مثال یک سیستم CCHP با کلکتور PEMFC و سهموی از طریق خورشید (PTSC) به عنوان محرک های اصلی با حداکثر بازدهی می تواند به 80.5 درصد برسد که علاوه بر این، دمای عملیاتی پایین و چگالی جریان بالای PEMFC و همچنین تابش خورشیدی بالای PTSC، عملکرد سیستم را بهبود می‌بخشد.
به طور خلاصه، سیستم CCHP مبتنی بر PEMFC فقط می‌تواند سرمایش، گرمایش و برق را فراهم کند، و تحقیقات کمی در مورد سیستم CCHP مبتنی بر PEMFC که با رطوبت‌زدایی یکپارچه شده است، وجود دارد که برای محیط‌هایی که نیاز به رطوبت بالا دارند، مانند مراکز داده، سیستم CCHP نمی‌تواند شرایط رطوبت‌زدایی را برآورده کند و یک سیستم رطوبت‌زدایی اضافی مورد نیاز است. در حال حاضر روش متداول تبرید و رطوبت زدایی در مراکز داده، تبرید تراکمی بخار است، اما این روش انرژی زیادی مصرف می کند و مشکلات زیست محیطی ایجاد می کند. بنابراین، یک سیستم CCHP میتواند سرمایش، گرمایش، توان الکتریکی و رطوبت‌زدایی را به طور همزمان فراهم می‌کند و با فرض سه سیستم مختلف یعنی استفاده از PEMFC به تنهایی برای تامین منابع گرما، PEMFC به کمک خورشید برای تامین منابع گرما، و استفاده از خشک‌کننده‌ها برای جایگزینی چرخ‌های رطوبت‌زدایی. پاسخ پویا و ویژگی‌های اقتصادی سیستم‌های به این شکل مورد تجزیه و تحلیل قرار میگرند، که پیشنهادات سازنده‌ای برای توسعه سیستم CCHP جدید مبتنی بر PEMFC داخلی را ارائه می‌دهد.

توضیحات سیستم
سه سیستم CCHP مبتنی بر PEMFC توسط جونکای ژائو و همکارانش مورد بررسی قرار گرفتند که شامل چرخ‌های رطوبت‌زدایی یکپارچه، خشک‌کننده‌ها یا منابع گرمای کمکی خورشیدی بود (شکل 1). همانطور که در شکل 1(a) نشان داده شده است، گرمای اتلاف استک PEMFC به عنوان منبع حرارتی چیلر جذب و سیستم رطوبت زدایی استفاده می شود. نسبت آب گرم ورودی به چیلر جذب و سیستم رطوبت گیر توسط شیر برقی کنترل می شود. چیلر جذبی یک حالت خنک کننده مداوم دو بستر را اتخاذ می کند و گرمای نهان و گرمای محسوس هوای ورودی به ترتیب توسط چرخ خشک کن و آب سرد ارائه شده توسط چیلر جذب پردازش می شود که در طول کارکرد کل سیستم، آب گرم پس از تبادل حرارت، گرما را در مخزن ذخیره حرارت PCM جذب و آزاد می کند که نه تنها می تواند بار گرمایی را تامین کند، بلکه دمای آب گرم را نیز تنظیم می کند. شکل 1(b) نشان می دهد که از ماده خشک کننده به جای چرخ رطوبت زدایی استفاده می شود و کل سیستم در مقایسه با شکل 1(a) ساده شده است. حتی زمانی که یک ماده خشک‌کننده جامد در اتاق داده قرار می‌گیرد تا بار رطوبت اتاق را برطرف کند، گرمای محسوس هوای ورودی همچنان توسط آب خنک ارائه شده توسط چیلر جذب تصفیه می‌شود. سیستم در شکل 1(c) یک PTSC را به سیستم نشان داده شده در شکل 1(a) اضافه می کند که در شرایط نور روز، PTSC می‌تواند به استک های PEMFC در تهیه منبع گرمایی برای سیستم تبرید و رطوبت‌زدایی کمک کند و می‌تواند قدرت خروجی استک را کاهش دهد و میزان سوخت مورد نیاز را پایین آورد.

شکل 1: نمودار شماتیک سیستم های CCHP مبتنی بر PEMFC (a) با چرخ رطوبت زدایی، (b) با ماده خشک کن و (c) با PTSC

بارهای خورشیدی و خنک کننده

۱- انرژی خورشیدی
شرایط نوری معمولی تابستان در شمال چین در این مطالعه استفاده می شود، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. شرایط نوری از ساعت 6:30 تا 17:30 رخ می دهد، که به طور متقارن در اطراف خط تقسیم ظهر توزیع می شود. بیشترین تابش خورشیدی از ساعت 11:30 تا 12:30 ظاهر می شود و تقریباً 800 وات متر مربع است.

شکل 2: تابش خورشید در یک روز خاص تابستانی در شمال چین

۲- بار خنک کننده مرکز داده
در مطالعه ی آنها، یک مرکز داده با مساحت ساختمان 200 مترمربع به عنوان نمونه برای مطالعه ویژگی‌های پاسخ دینامیکی سه سیستم در نظر گرفته شده است و از آنجایی که حداکثر بار خنک کننده در ماه جولای اتفاق می افتد، تغییر بار خنک کننده مرکز داده در یک روز خاص را در ماه جولای انتخاب کرده اند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. بار خنک کننده مرکز داده آنها ثابت است و حداکثر بار خنک کننده تقریباً 155 کیلو وات است که از ساعت 12:00 تا 14:00 رخ می دهد و حداقل بار خنک کننده تقریباً 154 کیلو وات است که بین ساعت 5:00 تا 7:00 و دوباره بین ساعت 23:00 تا 24:00 رخ می دهد.

شکل 3: بار خنک کننده مرکز داده در یک روز خاص در ماه جولای

نتایج و بحث
سیستم CCHP باید اولویت را به ارضای نیازهای خنک کننده مرکز داده بدهد. بنابراین، مطالعه آنها یک استراتژی خنک‌کننده را برای بررسی ویژگی‌های دینامیکی سیستم اتخاذ می‌کند و از یک کنترل‌کننده PID برای تنظیم قدرت خنک‌کننده و ردیابی بار خنک‌کننده سیستم استفاده می‌کند. شکل 4 ویژگی های پاسخ دینامیکی قدرت خنک کننده سیستم را نشان می دهد و به دلیل اضافه شدن سیستم رطوبت گیر چرخ، کل گرمای مورد نیاز چیلر جذبی و سیستم رطوبت گیر افزایش می یابد و در نتیجه ظرفیت نصب شده پشته های PEMFC افزایش می یابد. از آنجایی که چیلر جذبی فرآیند راه اندازی دارد، راندمان خنک کنندگی چیلر در طی این فرآیند به تدریج افزایش می یابد و بر همین اساس قدرت خنک کنندگی نیز افزایش می یابد. برای پاسخگویی به نیاز سرمایش مرکز داده، تمام استک ها با بار کامل کار می کنند و در نتیجه یک فرآیند افزایش 400 ثانیه ای در ابتدای کار ایجاد می شود. پس از آن، قدرت خنک کننده به شدت نوسان می کند و پس از حدود 2 ساعت تثبیت می شود. در صورت عملکرد پایدار، قدرت خنک کننده سیستم می تواند به اندازه کافی نیاز خنک کننده مرکز داده را برآورده کند. هنگامی که به جای چرخ رطوبت زدایی از خشک کن استفاده می شود، ظرفیت نصب شده استک های PEMFC کاهش می یابد و مقدار پیک قدرت خنک کننده در فاز راه اندازی کاهش می یابد و قدرت خنک کننده خروجی پایدارتر می شود.

شکل 4: ویژگی های پاسخ دینامیکی قدرت خنک کننده

گرمای هدر رفته از استک ‌های PEMFC منبع گرمایی برای سیستم تبرید و رطوبت‌گیری فراهم می‌کند. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، به دلیل افزایش بیش از حد توان خنک کننده در طول فرآیند راه اندازی، پشته ها به حداکثر توان الکتریکی حدود 1.23 × 103 کیلو وات در طول فرآیند راه اندازی قدرت خنک کننده می رسند. هنگامی که سیستم راه اندازی می شود، توان الکتریکی خروجی توسط استک ها به شدت کاهش می یابد و باعث می شود که قدرت خنک کننده به محدوده طبیعی بازگردد. هنگامی که به جای چرخ رطوبت زدایی از ماده خشک کن استفاده می شود، به دلیل کاهش ظرفیت نصب شده استک ها، توان الکتریکی حدود 140 کیلو وات حفظ می شود. زمانی که PTSC برای کمک به استک ‌های PEMFC در شرایط نور روز استفاده می‌شود، تقریباً 110 کیلووات برق صرفه‌جویی می‌شود تا منبع گرمایی برای سیستم تبرید و رطوبت‌زدایی فراهم شود.

شکل 5: ویژگی های پاسخ دینامیکی توان الکتریکی

پاسخ دینامیکی چگالی جریان PEMFC با روش های مختلف رطوبت زدایی در شکل 6 نشان داده شده است. هنگامی که تنها از PEMFC برای تامین گرما برای سیستم تبرید و رطوبت‌زدایی استفاده می‌شود، چگالی جریان استک ‌ها به سرعت بین 0.6 Acm-2 و 1.0 Acm-2 تغییر می‌کند و چگالی جریان بین مقادیر حداکثر و حداقل در حدود 10 تغییر می‌کند. هرچه ظرفیت نصب شده استک ها کمتر باشد، فرکانس نوسان چگالی جریان بیشتر می شود. هنگامی که از PTSC برای کمک به پشته های PEMFC برای تامین گرما استفاده می شود، توان خروجی پشته ها در شرایط نور روز کاهش می یابد و نوسانات چگالی جریان آشکارتر است. با این حال، هنگامی که به جای چرخ رطوبت زدایی از ماده خشک کن استفاده می شود، ظرفیت نصب شده استک کاهش می یابد و فرکانس نوسان چگالی جریان افزایش می یابد.

شکل 6: ویژگی های پاسخ دینامیکی چگالی جریان

تحلیل اقتصادی
تحقیقات اقتصادی عمدتاً بر تفاوت‌های بین سه روش رطوبت‌زدایی، از جمله هزینه استک ‌های PEMFC، هیدروژن و سیستم رطوبت‌زدایی متمرکز است. شکل 7 مقایسه هزینه سه روش رطوبت زدایی را نشان می دهد. در حالی که هزینه مصرف هیدروژن در هر سه سیستم بیشترین است و هزینه سیستم رطوبت زدایی ناچیز است. هنگامی که از خشک‌کننده برای جایگزینی چرخ رطوبت‌گیری استفاده می‌شود، هزینه سیستم رطوبت‌زدایی به میزان 7.678 × 103 دلار کاهش می‌یابد که می‌تواند به ترتیب 5.62 × 105 دلار و 1.008 × 105 دلار در هزینه استک ‌های هیدروژن و PEMFC در سال صرفه‌جویی کند. وقتی از PTSC برای کمک به پشته‌های PEMFC برای تامین گرما استفاده می‌شود و از آنجایی که فقط استک ‌های PEMFC زمانی که نور وجود ندارد گرما را فراهم می‌کنند، ظرفیت نصب شده و هزینه استک یکسان است. افزودن PTSC هزینه سالانه سیستم را 3.624 × 103 دلار افزایش می دهد، اما می تواند حدود 1.33 × 105 دلار در هیدروژن در سال صرفه جویی کند.

شکل 7: مقایسه هزینه سه روش رطوبت زدایی

نتیجه گیری
برای محیط‌هایی با شرایط سخت دما و رطوبت، مانند مراکز داده، مطالعه آنها یک سیستم CCHP را پیشنهاد می‌کند که سرمایش، گرمایش، توان الکتریکی و رطوبت‌زدایی را به طور همزمان فراهم می‌کند. علاوه بر این، این مطالعه پاسخ دینامیکی و ویژگی‌های اقتصادی سیستم CCHP را با چرخ‌های رطوبت‌زدایی یکپارچه، خشک‌کننده‌ها یا منابع گرمای کمکی خورشیدی تحلیل می‌کند. نتایج زیر حاصل می شود:
(1)
با استفاده از ماده خشک کننده برای جایگزینی چرخ رطوبت گیر، نوسانات برق و نوسانات دمایی سیستم کاهش می یابد. علاوه بر این، می تواند ظرفیت نصب شده استک های PEMFC را تا حدود 78٪ کاهش دهد که باعث کاهش هزینه استک و هزینه هیدروژن می شود.

(2)
هنگام استفاده از PTSC برای کمک به استک های PEMFC برای تهیه منبع گرما، توان الکتریکی تولید شده توسط استک ها در شرایط نور روز 110 کیلو وات کاهش می یابد و تقریباً 62 کیلوگرم هیدروژن در روز ذخیره می شود. با در نظر گرفتن میانگین هزینه سالانه به عنوان یک شاخص اقتصادی، تا زمانی که قیمت هیدروژن بالاتر از 0.16 دلار در کیلوگرم باشد، استفاده از PTSC برای کمک به پشته‌های PEMFC برای تهیه منبع گرما مقرون به صرفه‌تر است.

اما با توجه به نوسان قدرت خنک کنندگی چیلر جذبی، کاربرد آن در مرکز داده باعث نوسانات دما شده و پایداری سیستم را تحت تاثیر قرار می دهد. در همین حال، مازاد توان الکتریکی پشته‌های PEMFC وجود دارد. تطابق قدرت و پایداری سیستم هنوز باید در آینده بیشتر بهینه شود.
در این گزارش سعی شده بود که به طور خلاصه به بررسی مقاله ی [1] بپردازیم که تا به این لحظه آخرین مقاله ی چاپ شده راجع به سیستم های CCHP بود.

مشخصات:
نویسنده:شهاب نوشمند
آدرس ایمیل:shahabnooshmand@gmail.com
آدرس لینکدین: https://linkedin.com/in/shahabnooshmand

منابع

[1] https : / / www.sciencedirect.com /science /article /pii/ S0360319922003548 ?casa_token =74wb7_XV7lkAAAAA : E5eTnJf o6 S f b E 2 A b 3 4 Ckpvhdl2z5JGEf2zs-D6H8KK0c5dZ6Vtd9EoBrzLYmyCSKg6i6esUwa841