توسعه یک ژنراتور هیدروژن هیبریدی (قسمت چهارم)

4 . نتایج و بحث

برنامه EES امکان محاسبه خواص ترمودینامیکی مانند آنتروپی خاص (s)، اکسرژی خاص (ex)، دما (T)، فشار (P)، سرعت جریان جرم (

\dot{m}

، و آنتالپی خاص (h) با استفاده از جمع آوری داده های ترمودینامیکی داخلی و برنامه کد که بر معادلات تعادل متکی است. نمودار نقطه ای حالت با استفاده از این برنامه برای نشان دادن ویژگی های ترمودینامیکی (مانند فاز، دما، فشار، سرعت جریان جرمی، آنتالپی خاص، آنتروپی خاص و اگزرژی خاص) چرخه ACS، همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است، ارائه می شود . برای بهینه‌سازی چرخه خنک‌کننده جذب و شناخت بهتر رفتار ترمودینامیکی آن ، این پارامترها برای اندازه‌گیری عملکرد و کارایی آن بسیار مهم هستند. اگزرژی فیزیکی یک سیستم یا اجزای آن با در نظر گرفتن تأثیر تغییرات دما و فشار در محیط اطراف ارزیابی می شود. این ارزیابی تغییرات اکسرژی فیزیکی در مقایسه با شرایط محیطی به تعیین هر دو اگزرژی خاص (اگزرژی در واحد جرم یا حجم) و تخریب اگزرژی (از دست دادن اکسرژی در داخل سیستم) کمک می‌کند.

جدول 3 . جریان های موجود در سیستم خنک کننده جذبی (ACS).

جریان	فاز	دما [℃]	فشار [kPa]	سرعت جریان جرمی [کیلوگرم بر ثانیه]	آنتالپی ویژه [کیلوژول بر کیلوگرم]	آنتروپی ویژه [kJ/kg.K]	اکسرژی ویژه [کیلوژول بر کیلوگرم]
34	آمونیاک / آب	40.2	286	1	-49.3	0.49	2.89
35	آمونیاک / آب	40.423	1555.75	1	-48.4	0.49	4.4
36	آمونیاک / آب	98.56	1555.75	1	209.8	1.48	53.24
37	آمونیاک / آب	124.1	1555.75	0.864	358.1	1.67	65.68
38	آمونیاک / آب	56.8	1555.75	0.864	58.4	0.76	14.18
39	آمونیاک / آب	57.73	286.4	0.864	58.4	0.68	11.4
40	آمونیاک / آب	101.45	1555.75	0.15	1514	4.87	406.8
41	آمونیاک / آب	101.46	1555.75	0.013	230.3	0.54	4.16
42	آمونیاک / آب	44.75	1555.75	0.136	1308.5	4.26	398.7
43	آمونیاک / آب	41	1555.75	0.136	191.7	0.54	309.3
44	آمونیاک / آب	14.18	1555.75	0.136	65.2	4.88	286.7
45	آمونیاک / آب	−10.38	286.4	0.136	65.2	4.88	286.6
46	آمونیاک / آب	−10.2	286.4	0.136	1247.8	0.49	132.54
47	آمونیاک / آب	30.17	286.4	0.136	1352.8	0.55	152.34

به صورت سالیانه، اجزای حیاتی یک سیستم برای ارزیابی عملکرد و نرخ حرارت آنها مورد آزمایش قرار می گیرند. انتقال حرارت خالص 145.63 مگاوات نشان دهنده مقدار کلی انرژی حرارتی است که از چرخه خورشیدی گرفته می شود. کار کمپرسور (

{\dot{W}}_{C 1, 2}

) 25.2 مگاوات نشان دهنده توان مصرفی سیستم است، در حالی که برق مصرفی توسط سیستم

P_{1 - 7}

مسئول حرکت سیال کار با کار پمپ نشان داده می شود (

{\dot{W}}_{pumps, S P T}

) 0.185 مگاوات. (

{\dot{W}}_{net})

که مخفف 53.52 مگاوات ساعت است، کار کل سیستم را نشان می دهد که شامل کار پمپ و کمپرسور و هر خروجی مفیدی می شود. برای محاسبه تولید انرژی سالانه سیستم ، کل توان خروجی آن را در تعداد ساعات کارکرد در یک سال کامل ضرب کنید. آرایه های هلیواستات انعکاس نور خورشید را بر روی گیرنده مرکزی با استفاده از آینه های ردیاب خورشیدی بهینه می کنند. در طول روز، یک بازتابنده هلیواستات دقیقاً مسیر پرتوهای خورشید را ردیابی می کند. چگالی و محل هلیواستات ها باید به تعادلی هماهنگ بین غلظت نور خورشید و ایجاد سایه دست یابد. هلیواستات ها اغلب در اطراف گیرنده مرکزی دستگاه های تمرکز خورشیدی مانند برج های خورشیدی نصب می شوند. طراحی، کاربری زمین و توپوگرافی یک سیستم انرژی خورشیدی همگی بر ترتیب آن تأثیر می گذارد. برای ردیابی انرژی خورشیدی و سازگاری با شرایط جدید، هلیواستات ها توسط یک سیستم کنترل پیشرفته هماهنگ می شوند. تاسیسات متمرکز انرژی خورشیدی از میدان های هلیوستات برای تبدیل انرژی خورشیدی به بخار استفاده می کنند. این طراحی مستلزم قرارگیری و همسویی عمدی هلیواستات ها است، که آینه هایی هستند که حرکت خورشید را دنبال می کنند و نور آن را به یک گیرنده مرکزی هدایت می کنند. پیکربندی میدانی هلیواستات ها برای به حداقل رساندن سایه و مسدود شدن بین آینه ها، کاهش تلفات نوری و به حداکثر رساندن انرژی حرارتی جمع آوری شده توسط گیرنده بهینه شده است. علاوه بر این، عواملی مانند توپوگرافی، ابعاد هلیواستات، و سهولت تعمیر و نگهداری برای بهبود کارایی و قابلیت اطمینان کلی سیستم انرژی خورشیدی در نظر گرفته می‌شوند. نمودار در شکل 5 پیکربندی میدان هلیواستات و موقعیت دقیق هر هلیوستات را نشان می دهد و برنامه ریزی دقیق انجام شده برای به حداکثر رساندن کارایی جمع آوری خورشیدی را نشان می دهد.

علاوه بر این باید توجه داشت که تخریب اکسرژی به معنای وجود برگشت ناپذیری و ناکارآمدی در داخل یک سیستم است. با بررسی نحوه توزیع این تخریب در اجزای مختلف، ممکن است اطلاعات ارزشمندی در مورد عملکرد سیستم به دست آید. تغییرات در دمای فرآیند سیستم و عملکرد قطعات از جمله عناصری هستند که تصمیم می‌گیرند چگونه تخریب اگزرژی بین اجزا توزیع شود. می توانید نرخ تلفات اکسرژی اجزای مختلف را در شکل 6 ببینید . نرخ های تخریب اکسرژی داده شده، مروری جامع از ناکارآمدی انرژی موجود در اجزای مختلف سیستم ارائه می کند. داده ها برخی از یافته های قابل توجه را نشان می دهد. برج خورشیدی به دلیل داشتن بیشترین نرخ تخریب اکسرژی (4361.3 کیلووات) قابل توجه است، که نشان می دهد مقدار قابل توجهی از برگشت ناپذیری ها و ناکارآمدی های سیستم بر روی این جزء متمرکز شده است. علاوه بر این، توربین گاز، ژنراتور و کمپرسور نیز نقش کلیدی در تخریب اکسرژی ایفا می‌کنند، برجسته کردن مناطقی که باعث افزایش کارایی می‌شوند یا ایجاد تغییرات در طراحی ممکن است سودمند باشد. مبدل‌های حرارتی (HEX1، HEX2 و HEX3) نرخ پایین‌تری از تخریب اگزرژی را نشان می‌دهند (به ترتیب 165.2، 480.4 و 121.3 کیلووات)، که نشان‌دهنده عملکرد برتر از نظر صرفه‌جویی در انرژی است . برای افزایش کارایی کلی سیستم، مداخلات متمرکز در اجزایی که سطوح بالایی از تخریب اگزرژی را تجربه می‌کنند، مانند برج خورشیدی، پتانسیل افزایش قابل توجه مصرف انرژی را دارند. بررسی دقیق و درک این مقادیر برای افزایش کارایی سیستم و کاهش اتلاف انرژی ضروری خواهد بود. ژو و همکاران [34] یک چرخه ترکیبی جدید ایجاد کرد که از یک چرخه برایتون فوق بحرانی با هلیوم به عنوان سیال کار استفاده می کرد. تخریب اگزرژی در طول چرخه خورشیدی با 27853 کیلووات بیشترین میزان را دارد.

چندین مزیت برای سیستم های انرژی که از ذخیره حرارتی استفاده می کنند وجود دارد. با جذب انرژی حرارتی در حالی که تقاضا کم است و آزاد کردن آن در صورت افزایش تقاضا، به تعادل بار کمک می کند. ذخیره سازی حرارتی در سیستم هایی که فقط بر اساس نیاز به منابع انرژی تجدیدپذیر دسترسی دارند، نجات دهنده است . تغییرات در بازده انرژی را یکنواخت می کند و سیستم را در دراز مدت کارآمدتر می کند. با شبکه های فعلی ارتباط برقرار می کند، به تثبیت عملیات شبکه کمک می کند و تقاضای اوج را کاهش می دهد. ذخیره‌سازی حرارتی ابزاری چند منظوره برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در زمینه‌های مختلف است زیرا انعطاف‌پذیری سیستم را افزایش می‌دهد، از هدر رفتن انرژی جلوگیری می‌کند و نیازهای نوسان انرژی را برطرف می‌کند. شکل 7 توان حرارتی سالانه ایجاد شده در هر ساعت از شارژ و دشارژ را نشان می دهد. با بررسی نمودار، مشاهده می شود که با افزایش تابش خورشیدی در طول ماه های تابستان، ظرفیت ذخیره انرژی حرارتی به حدود 200 مگاوات می رسد. بالاترین مقادیر در ساعات بعد از ظهر روز به دست می آید.

راندمان حرارتی که نسبت خروجی مفید سیستم به انرژی ورودی در هنگام شارژ و دشارژ را اندازه گیری می کند، 0.4 تعیین شد. وقتی راندمان حرارتی 0.4 است، به این معنی است که 4 درصد از انرژی گرمایی ورودی واقعاً استفاده می شود. یکی از مهم‌ترین راه‌ها برای ارزیابی اثربخشی یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی حرارتی ، نگاه کردن به کارایی آن است که نشان می‌دهد سیستم چقدر انرژی حرارتی را برای استفاده بعدی تبدیل و ذخیره می‌کند. بهبود روش‌های شارژ و تخلیه برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی برای بهترین عملکرد و کمک به راه‌حل‌های انرژی پایدار بسیار مهم است.

در زیر مروری مختصر و شفاف سازی نرخ انتقال حرارت و کار در اجزای اصلی سیستم، همانطور که در جدول 4 ارائه شده است، ارائه شده است . این تجزیه و تحلیل جامع درک تخصیص انرژی و تلاش در سراسر سیستم را تسهیل می کند و بر اثربخشی و عملکرد اجزای مختلف تأکید می کند. ترکیب چرخه‌های Brayton و Rankine تولید انرژی کلی سیستم را تا حد زیادی افزایش می‌دهد، در حالی که نرخ گرما اطلاعات ارزشمندی در مورد مدیریت حرارتی و استفاده از انرژی ارائه می‌دهد.

جدول 4 . حرارت و نرخ کار اجزای کلیدی سیستم.

دستگاه	نرخ (MW)
${\dot{W}}_{C 1, 2}$	25.2
${\dot{W}}_{pumps, S P T}$	0.185
${\dot{W}}_{Brayton}$	45
${\dot{W}}_{SRC}$	8.52
${\dot{W}}_{net}$	53.52
${\dot{Q}}_{Out, c}$	0.174
${\dot{Q}}_{in, e v}$	0.167
${\dot{Q}}_{out, a b}$	0.215
${\dot{Q}}_{net}$	145.63

توجه داشته باشید که تولید توان یکی دیگر از نتایج عمده روش پیشنهادی است. مقدار سالانه انرژی جریان متناوب (AC) توسط چرخه برایتون در شکل 8 نشان داده شده است . در طول روز، زمانی که تشعشعات خورشیدی بسیار فراوان است، این سیستم کارآمدترین است و از ساعت 10 صبح تا 8 شب در حال کار و تولید برق است. حداکثر زمان تولید برق 2.5 بعد از ظهر و تقریباً 45 مگاوات ساعت است. سیستم یکپارچه برج خورشیدی از طریق جفت شدن صمیمی چرخه های Brayton و Rankine به استفاده موثر انرژی دست می یابد. چرخه برایتون به طور خاص 45 مگاوات ساعت نیرو با استفاده از انرژی خورشیدی با دمای بالا جذب شده توسط برج تولید می کند. در این سیستم، SRC با استفاده از بخار تولید شده از گرمای باقیمانده در سیستم، 8.52 مگاوات ساعت نیرو تولید می کند. ادغام چندین چرخه ترمودینامیکی و استفاده از منابع انرژی متنوع در پیکربندی برج خورشیدی، ظرفیت کل تولید برق را بهینه می‌کند. این تکنیک هم افزایی بین سیستم‌های مختلف و توانایی آن‌ها در برآورده کردن نیازهای توان را به‌طور کارآمد نشان می‌دهد. هنگامی که در طول شب نور خورشید وجود نداشته باشد، تولید برق متوقف می شود. با این حال، در طول شب، برقی که در طول روز ایجاد می شود برای استفاده بعدی ذخیره می شود. این روش ذخیره سازی تضمین می کند که سیستم حتی زمانی که انرژی خورشیدی در دسترس نیست، تولید انرژی ثابت و قابل اعتماد را حفظ می کند.

عبدالهادی [35] اخیراً مقدار 13.38 ¢/kWh را برای یک نیروگاه خورشیدی 50 مگاوات ساعتی با استفاده از فناوری بشقاب خورشیدی در صحرای غربی مصر با تابش شدید خورشید محاسبه کرد که بیش از هر منطقه دیگری روی زمین تابش خورشیدی دریافت می کند.

به منظور ذخیره الکتریسیته اضافی تولید شده در طول روز، این راه‌اندازی به یک فناوری ذخیره‌سازی انرژی مانند خازن‌ها یا سیستم‌های ذخیره‌سازی حرارتی نیاز دارد [36] . تخلیه انرژی انباشته شده در شب زمانی که تولید انرژی خورشیدی امکان پذیر نیست امکان پذیر است. با بهبود قابلیت اطمینان و سازگاری سیستم با تغییر الگوهای مصرف انرژی، این استراتژی دریافت منبع تغذیه پایدارتر و پیوسته‌تر از یک سیستم انرژی خورشیدی را آسان‌تر می‌کند. تقریباً 53.52 مگاوات ساعت برق AC در سال تولید می شود.

سیستم الکترولیز هیبریدی PEC-Conventional اخیراً توسعه یافته، همجوشی بالقوه دو روش مجزای تولید هیدروژن را نشان می دهد. این فناوری جدید تولید بی وقفه هیدروژن را با ادغام ویژگی های PEC با الکترولیز سنتی، حتی زمانی که نور خورشید در دسترس نیست، تضمین می کند. ادغام فن‌آوری‌های مختلف به دنبال استفاده از مزایای هر روش است و کارایی و تولید را بهبود می‌بخشد. ظرفیت سیستم برای استفاده همزمان از هر دو الکترولیز برای ایجاد هیدروژن بیشتر، یک مزیت قابل توجه است که احتمالاً منجر به افزایش تولید کل می شود. علاوه بر این، یکی از ویژگی های قابل توجه سیستم هیبریدی کاهش در کل توان مورد نیاز سیستم است که نشان دهنده افزایش در مصرف انرژی یا روش های تبدیل است. این توسعه نه تنها مشکل ماهیت نامنظم سیستم‌های PEC با انرژی خورشیدی معمولی را حل می‌کند، بلکه نشان‌دهنده یک روش قابل اعتمادتر و مؤثرتر برای تولید هیدروژن است که نشان‌دهنده پیشرفت قابل توجهی در فناوری انرژی پایدار است. شکل 9 تاثیر شدت تابش خورشیدی را بر تولید هیدروژن نشان می دهد. با افزایش تابش خورشید، مقدار هیدروژن ایجاد شده نیز افزایش می یابد. فرآیند PEC، در حالی که به انرژی خورشیدی حساس است، در مقایسه با روش سنتی، مقدار نسبتاً کمتری هیدروژن تولید می کند. این تحقیق تاثیر بیشترین سطوح تابش خورشید را بر تولید هیدروژن در منطقه مورد مطالعه بررسی کرد. مشاهده شد که با تشدید تابش خورشید، میزان تولید هیدروژن نیز افزایش یافت و در ظهر به حداکثر مقدار خود رسید و بار دیگر کاهش یافت.

این کشف نشان می دهد که، در حالی که ارتباطی بین تابش خورشید و تولید هیدروژن از 2.06 تا 18.28 کیلوگرم در ساعت با افزایش تابش خورشیدی وجود دارد، رویکرد مرسوم از نظر مقدار کل هیدروژن تولید شده از فرآیند PEC پیشی می گیرد. که الکترولیز معمولی هیدروژن را با سرعت 1224 کیلوگرم در ساعت تولید می کند. این امر مستلزم پیشرفت در فناوری PEC، از جمله انتخاب دقیق مواد با بهبود جذب نور و جداسازی بار است. افزایش کارایی و پایداری کاتالیزور، طراحی الکترود برای مساحت سطح، و انرژی‌های باند شکاف برای جذب خورشید ضروری است. عملکرد سلول PEC همچنین ممکن است با ادغام PEC با الکترولیز معمولی در سیستم‌های هیبریدی و تنظیم دقیق پارامترهای مهندسی فرآیند مانند دما و فشار بهبود یابد.

سیستم‌های تولید هیدروژن که از فتوشیمی و کاتالیزور استفاده می‌کنند در حال افزایش هستند، اما Bicer و Dincer [7] هنوز باید آزمایش کنند که این روش‌ها تا چه حد در نرخ‌های تولید بالاتر کار می‌کنند. در این تحقیق، نرخ تکامل هیدروژن در هنگام اندازه‌گیری تحت نور متمرکز 41.34 میلی‌گرم در ساعت و زمانی که بدون نور در پتانسیل اعمالی 2.5 ولت اندازه‌گیری می‌شود، 34.73 میلی‌گرم در ساعت است. نرخ‌های تولید هیدروژن ناشی از اثر مفید سهم جریان نوری ، که در زیر آفتاب شدید افزایش می‌یابد.

شکل 10 اثر سطح تابش خورشیدی را بر میزان تولید آب شیرین نشان می دهد. داده‌های ارائه‌شده یک ارتباط آشکار و مستقیم بین تابش عادی مستقیم (DNI) و تولید آب شیرین را نشان می‌دهد. در دوره‌هایی که تابش عادی مستقیم (DNI) وجود ندارد، به‌ویژه از ساعت 1 تا 6 و 19 تا 24، سیستم تولید آب شیرین به طور مداوم 1.175 کیلوگرم بر ثانیه آب شیرین تولید می‌کند. این خروجی احتمالاً حداقل ظرفیت عملیاتی سیستم را نشان می دهد. از آنجایی که تابش عادی مستقیم (DNI) بعد از ساعت هفتم شروع به بالا رفتن می کند، تولید آب شیرین همزمان افزایش می یابد که بر اتکای سیستم به انرژی خورشیدی تأکید می کند. افزایش نرخ تولید دقیقاً متناسب نیست. پس از اینکه مقادیر تابش عادی مستقیم (DNI) از حدود 300 وات بر متر مربع فراتر رفت، سرعت شتاب بیشتر می شود و نشان می دهد که بازدهی سیستم با ورودی خورشیدی بالاتر بهبود می یابد. بالاترین تابش مستقیم نرمال (DNI) 903 W/m2 در ساعت 13 مشاهده می شود که منجر به حداکثر خروجی 2.018 کیلوگرم بر ثانیه می شود. پس از رسیدن به اوج، تولید به تدریج با کاهش تابش نرمال مستقیم (DNI) کاهش می یابد. با این حال، نرخ تولید بالاتر از ساعات اولیه است که DNI وجود ندارد. این الگو سازگاری قوی سیستم را با تغییرات در دسترس بودن انرژی خورشیدی نشان می دهد. زمانی که تابش خورشیدی زیاد باشد، بهترین عملکرد را دارد، اما در دوره‌های کم یا بدون ورودی خورشیدی، به سطح عملکرد طبیعی خود باز می‌گردد.

بازده انرژی و اگزرژی تمام زیرسیستم های پیشنهادی سیستم در شکل 11 نشان داده شده است . بررسی زیرسیستم‌های سیستم هیبریدی پیشنهادی، بازده انرژی و اگزرژی قابل‌توجهی را نشان می‌دهد، که توانایی سیستم را برای تبدیل و استفاده از منابع برجسته می‌کند. هر جزء از سیستم پیشنهادی به طور موثر منابع در دست را تغییر می دهد و از آنها استفاده می کند و نتیجه می شود

در بازده انرژی و اگزرژی متمایز برای کل سیستم. بازده اگزرژی برای ارزیابی خروجی های قابل استفاده هر زیر سیستم با مطالعه اجزای جداگانه برای تعیین کمیت تلفات اگزرژی ارزشمند است . بازده انرژی اجزای سیستم اولیه، یعنی خورشیدی، سیکل ترکیبی، ACS، واحد MED و الکترولیز هیبریدی ، به ترتیب 38.2٪، 33.4٪، 24٪، 48.1٪ و 53.4٪ است. فرآیندهای الکترولیز هیبریدی بیشترین بازده اکسرژی را به همراه دارند که به مقدار 46.7 درصد می رسد. علاوه بر این، سیستم چند نسلی با بازده انرژی 49٪ و بازده اگزرژی 46.2٪ ارزیابی شده است که عملکرد قوی آن را در تولید برق، آب شیرین، هیدروژن، گرمایش و سرمایش نشان می دهد. برای بهبود کارایی و پایداری کلی سیستم، می توان اجزای خاصی را که تلفات اگزرژی بیشتری دارند، مانند چرخه خورشیدی، بهینه کرد. یک سیستم چند نسلی منحصر به فرد که از زیست توده، نیروی خورشیدی و گرمای زمین گرمایی برای تولید چهار محصول جانبی ارزشمند – هیدروژن سبز، گرمایش، سرمایش و الکتریسیته – استفاده می‌کند توسط Lykas و همکارانش به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفت. [37] هر دو بازده انرژی و اگزرژی در بهترین حالت به ترتیب 37-89٪ و 20.86٪ هستند.

چرخه سرمایش جذبی که مورد بررسی قرار می گیرد دارای قابلیت های حرارتی قابل توجهی است، از جمله ویژگی های گرمایش و سرمایش. این سیستم دارای ظرفیت گرمایش 174 کیلو وات است که به آن اجازه می دهد به طور موثر گرما را از یک منبع خارجی استخراج کرده و آن را برای نیازهای گرمایشی توزیع کند. در عین حال، توانایی خنک کنندگی چرخه 167 کیلوواتی آن را قادر می سازد تا گرما را از منطقه مطبوع استخراج کند و در نتیجه خنک کننده کارآمدی داشته باشد. این توانایی ها برای ارزیابی کارایی کل سیستم خنک کننده جذبی در کاربردهای گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) بسیار مهم هستند [38] . توانایی سیستم برای برآورده کردن موثر نیازهای حرارتی مختلف با تعادل به دست آمده بین ظرفیت گرمایش و سرمایش نشان داده می شود. عملکرد سیستم ممکن است تحت تأثیر بسیاری از جنبه ها، مانند مشخصات طراحی خاص، انتخاب مبرد و جاذب، و شرایط عملیاتی قرار گیرد.

پایدار، سبز یا هوشمند؟ مسیرهایی...

ژوئن 9, 2026