چکیده
با توجه به نیاز روز افزون به انرژی، یافتن منابع جدید که میزان آلودگی را به حداقل رسانده و از نظر اقتصادی نیز به صرفه باشند،

یکی از چالش های اساسی امروز است. در عین حال در کشوری همچون ایران که از نظر تابش خورشید دارای موقعیت منحصر به فردیست، طراحی و اجرای طرح های استفاده از انرژی خورشیدی که انرژی پاک و ارزان قیمتی میباشد از اهمیت بسیاری بر خوردار است. در مقاله حاضر بر آنیم در وهله ی اول واحدی برای تولید پراکنده (در مقابل تولید انبوه نیروگاهی)و درجای انرژی را بر پایه ی هیدروژن معرفی و تشریح کرده و در ادامه به شبیه سازی زیر سیستم های آن بپردازیم. هدف این است که واحدی مستقل طراحی گردد که با حداقل نیاز به منابع خارجی و هزینه های جاری در بلند مدت و با استفاده از منبع خورشید انرژی مورد نیاز را تامین نماید.

سیستم هیدروژن خورشیدی مورد بحث در این مقاله شامل سه بخش اصلی است: .۱ سلول خورشیدی، .۲ الکترولایزر، .۳ پیل سوختی

پس از طراحی اولیه و مدل سازی، نتایج حاصل از مدل سازی ها با نتایج جمع آوری شده از منابع معتبر همچون مقالات و نتایج آزمایشگاهی و اطلاعات ارائه شده توسط تولیدکنندگان دستگاه ها مقایسه شده و نسبت به صحت سنجی فرآیند شبیه سازی اقدام گردیده است.

در ادامه نیز با ارتباط دادن این بخش ها به یکدیگر و شبیه سازی مجموعه، نسبت به تعیین ابعاد مورد نیاز دستگاه ها برای تـامین نیاز سالانه ی یک خانه ی نمونه با در نظر گرفتن پروفایل های تابش و مصرف روزانه اقدام گردیده است.

واژههای کلیدی: پیل سوختی، الکترولایزر، انرژی خورشیدی. هیدروژن، شبیه سازی

۱

-۱ مقدمه:

مصرف جهانی انرژی در سال ۲۰۱۳ با افزایش ۲٫۳ درصدی نسبت به سال ۲۰۱۲ روبرو بوده است. این افزایش بیشتر در زمینه ی نفت، زغال سنگ و انرژی هسته ایست. نفت همچنان با سهم ۳۲٫۹ درصدی از مصرف انرژی جهان، نخستین سوخت جهان است و البته برای چهاردهمین سال متوالی شاهد کاهش سهم این فرآورده در بازار سوخت های جهان هستیم.( , British Petroleum )2014 در میان انواع راه های تولید انرژی و معایب و مزایای آنها، خورشید یکی از منابع مورد توجه است که در کنار کم هزینه بودن و پایداری، آلودگی تقریبا برابر صفر دارد. در کشور ایران به طور متوسط روزانه ۵٫۵ کیلووات ساعت انرژی خورشیدی بر هر متر مربع از سطح زمین می تابد و در ۹۰ درصد خاک ایران تقریبا ۳۰۰ روز آفتابی در طول سال وجود دارد. مساحت ایران تقریبا ۱۶۰۰۰۰۰ کیلومتر مربع یعنی حدود متر مربع است و لذا میزان تابش روزانه انرژی خورشیدی در ایران برابر با

کیلووات ساعت خواهد بود. این بدان معناست که اگر تنها از ۴ درصد مساحت ایران انرژی خورشیدی را جذب نماییم و راندمان سیستم دریافت انرژی تنها ۱۰ درصد باشد باز هم می توان روزانه ۳۶۰۰۰۰۰۰ مگاوات ساعت انرژی از خورشید دریافت کرد. این میزان انرژی از کل برق تولید شده در نیروگاه های کشور در سال ۹۲ که حدود ۲۶۰۰۰۰۰۰ مگاوات ساعت بوده است، بیشتر است. (سانا) و(توانیر،(۱۳۹۲ سیستم های هیدروژن-خورشیدی از برتری های قابل ذکری نسبت به سیستم های مشابه برای استفاده از انرژی خورشیدی برخوردار هستند که در ادامه به آنها پرداخته میشود.

۱٫ اولین مشکل در رابطه با انرژی خورشیدی عدم دائمی بودن آن در طول شبانه روز است. برای رفع این مشکل در سیستم های فوتوولتاییک میتوان از باتری خانه و همچنین سیستم مبتنی بر هیدروژن استفاده نمود. برتری سیستم هیدروژنی نسبت به سیستم باتری خانه در دو مورد است:
۱٫ سیستم های هیدروژنی نسبت به سیستم های باتری دار در دوره های طولانی قابلیت ذخیره سازی بهینه تری را دارند.

۲٫ سیستم های هیدروژنی از عمر مفید طولانی تری نسبت به سیستم های باتری دار برخوردارند و لذا در دورهی مثلا ۲۰ ساله که برای برآورد یک سیستم تولید انرژی در نظر گرفته میشود بسیار مطلوب ترند.((Ali and Andrew , 2005

۲٫ مسئله ی دیگر در رابطه با تولید پراکنده انرژی و به پایه ی منابع تجدید پذیر همچون خورشید، هزینه بالای سرمایه گذاری اولیه است.در بین انواع این سیستم ها نیز سیستم های هیدروژنی با استفاده از حرارت برتری دارند. در این سیستم ها با استفاده از حرارت تولید شده در بخش پیل سوختی و یا تولید مازاد هیدروژن و استفاده از آن به عنوان سوخت برای تولید حرارت میتوان راندمان سیستم را بسیار بالا برد، در واقع از این سیستم میتوان هم جهت تولید برق و هم تامین آب گرم مصرفی در خانه ها استفاده نمود که راندمان مجموع سیستم را بین ۲۰-۱۰ درصد افزایش داده و از نظر اقتصادی سیستم را بسیار بهینه تر میکند.(( Shabani and Watkins , 2010

۲

در این مقاله برآنیم ضمن تشریح بخش ها و قسمت های یک سیستم هیدروژن-خورشیدی، به شبیه سازی هر یک از بخش ها و صحت سنجی نتایج شبیه سازی بخش ها بپردازیم. در ادامه نیز با ارتباط دادن این بخش ها به یکدیگر و شبیه سازی مجموعه، نسبت به تعیین ابعاد مورد نیاز دستگاه ها برای تامین نیاز سالانه ی یک خانه ی نمونه با در نظر گرفتن پروفایل های تابش و مصرف روزانه اقدام خواهد شد.

-۲ معرفی بخش های مختلف سیستم

در میان انواع طراحی ها و چیدمان های متفاوت و متنوعی که میتوان برای یک سیستم استحصال انرژی خورشیدی در نظر گرفت، در این مقاله سیستمهایی مبتنی بر هیدروژن و پیل سوختی مورد توجه قرار گرفته اند. در این سیستم انرژی الکتریکی استحصال شده از خورشید توسط الکترولایز در واسطه هیدروژن ذخیره میشود. سپس انرژی هیدروژن در زمان مورد نیاز همچون هنگام شب توسط پیل سوختی آزاد می شود و در نهایت حرارت ایجاد شده در این بین توسط پیل سوختی نیز امکان بازگردانی به سیستم را دارد تا با تامین بخشی از حرارت مصرفی و مورد نیاز خانه، بهره وری را هرچه بیشتر، بالا ببرد.

چنین سیستم هایی از چند بخش اصلی تشکیل شده اند: (Shabani and Watkins , 2010)

۱٫ پنل خورشیدی جهت جذب انرژی خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی

۲٫ الکترولایز جهت تبدیل بخشی از انرژی الکتریکی به هیدروژن

۳٫ پیل سوختی جهت تولید انرژی الکتریکی از هیدروژن در ساعات مورد نیاز

۴٫ سیستم بازیافت حرارتی برای پیل سوختی

البته این سیستم ها بخش های دیگری از جمله مخزن گاز، فیلترهای تامین هوای پیل، تبدیل کنندگان جریان مستقیم و متناوب و … هستند که در اینجا مد نظر نیست.

شکل :(۲) شمای کلی یک سیستم هیدروژن خورشیدی

۳

-۳ معادلات حاکم و صحت سنجی

پیل سوختی
برای مدل کردن پیل سوختی باید اساس کار آن را مورد بررسی قرار دهیم. در این مقاله برای مدل سازی از معادلات ارائه شده در مراجع (Spiegel , 2011) و (Pukrushpan , 2003) استفاده گردیده است. در پیل سوختی واکنش زیر اتفاق می افتد و در اثر انجام این واکنش انرژی قابل توجهی آزاد میشود.

(۱)

انرژی آزاد شده در این واکنش شیمیایی را میتوان از تغییرات در انرژی آزاد گیبس بدست آورد. انرژی آزاد گیبس نمایانگر انرژی موجودیست که توانایی انجام کار را دارد. اگر سیستم ما برگشت پذیر باشد، تمام انرژی آزاد گیبس می تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. با توجه به اینکه در ازای هر مولکول هیدروژن دو الکترون تولید میشوند، میتوان نوشت: Electrical work done = -2FE که در آن F عدد ثابت فارادی (-۹۶۴۸۵) است که نمایانگر بار الکتریکی یک مول الکترون میباشد و E نیز ولتاژ پیل می-باشد. اگر سیستم را برگشت پذیر درنظر بگیریم خواهد بود. بنابرین با جایگذاری فرمول مربوط به انرژی آزاد گیبس و به تبع آن میزان پتانسیل در شرایط ایده آل خواهیم رسید:
(۲) )] ) ( [ ( ( )

با استفاده از معادله بالا مقدار E را که در واقع حداکثر ولتاژ قابل استحصال تئوری است، در شرایط مختلف دما و فشار می توان محاسبه کرد. زمانی که پیل شروع به کار می کند، ولتاژی را که تولید می کند کمتر از معادله ۲ میباشد این به دلیل وجود افت ولتاژهایی است که با ایجاد جریان در سیستم، خود را نمایان ساختهاند. ترم های مختلف افت ولتاژ در معادله زیر بیان شدهاند. این معادله، معادله کلی برای محاسبه ولتاژ یک سل میباشد.

(۳)

افت ولتاژهای پیل سوختی به سه دسته تقسیم میشوند. افت فعالسازی، افت اهمیک و افت غلظت و معادله ی هر یک در (Spiegel , 2011) و (Pukrushpan , 2003) به تفضیل مورد بررسی قرار گرفته است. بعد از بدست آوردن معادله ولتاژ سیستم بر حسب جریان می توانیم از یک معادله ساده برای محاسبه توان استفاده کنیم و در ازای هر مقدار توان لازم، میزان جریان و ولتاژ خروجی سیستم را بدست آوریم. معادله توان بر حسب ولتاژ مطابق زیر میباشد: