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马赫迪Majidniya, Kobra Gharali, Kaamran Raahemifar, ”比较Off-Grid-Pumped水电存储和IRSOFC-HAWT发电机并网的选项”,旋转机械的国际期刊, 卷。2017年, 文章的ID4384187, 11 页面, 2017年。 https://doi.org/10.1155/2017/4384187
比较Off-Grid-Pumped水电存储和IRSOFC-HAWT发电机并网的选项
文摘
一个内部改革固体氧化物燃料电池(IRSOFC)热力学建模;水平轴风力涡轮机(HAWT)设计;联合IRSOFC-HAWT系统应该创建一个可靠的电力来源的需求一个村庄位于曼吉尔,伊朗。HAWT的输出功率不稳定,但通过控制燃料消耗率IRSOFC可以有一个稳定的功率输出的组合系统。当电力需求高峰或风速低/不稳定/相当高,生成的权力可能是不够的。为了解决这个问题,两个场景是:连接到电网或使用抽水蓄能存储(小灵通)。对于第二个场景,产生的额外的电力生产时保存超过时,可以使用额外的电力需求是必要的。经济分析是基于伊朗的经济条件。结果将显示一段时间内返回9.5和13年逐步降低电力成本约0.0747和0.0882美元/千瓦时对于第一和第二场景,分别。此外,一些参数,如电价的影响和实际利率进行了讨论。
1。介绍
使能源生产和能源需求之间的平衡是一个具有挑战性的问题为可再生能源(RE)系统。稀土来源的能源生产效率低,影响资本成本高,不可靠的能源和环境的影响。最近,结合系统介绍了创造高效、经济的能源,主要是为了克服风力涡轮机等重新系统的不可靠性。根据当地条件和主要的能量来源,系统结合不同的方式。其中一个选项是结合系统和燃料电池。燃料电池是一种可再生能源与可控输出电能。燃料电池有一个短的启动时间。可以添加或删除细胞立即从动力循环没有任何麻烦。一种固体氧化物燃料电池是一种常见的燃料电池发电厂应用程序。最近的研究包括一个固体氧化物燃料电池的发电系统。 In the following, some of the recent combinations of SOFC with other systems are discussed.
Soheyli et al。1]分析了复合系统在一个假设的酒店在科曼莎,伊朗。最后优化系统是一个相结合的10个风力涡轮机,430 PV模块,11固体氧化物燃料电池,106电池,2蓄热水箱。他们的研究结果表明,减少油耗和污染263和353次,分别。Fathy [2)研究一个系统包括光伏组件、风力涡轮机、埃及和燃料电池。Obara et al。3)用数值分析稳定光电循环波动控制通过使用governor-free固体氧化物燃料电池和飞轮惯性系统。Hosseini et al。4]分析了结合photovoltaic-electrolyzer、固体氧化物燃料电池和一个居民区的热回收装置。系统支持一个吸收式制冷机和热回收蒸汽发生器使用固体氧化物燃料电池的余热。他们进行了一次系统的能量和火用分析。Vigneysh和Kumarappan5研究了光伏电池的组合,一个固体氧化物燃料电池,电池储能系统。使电力生产和消费之间的平衡,应用模糊逻辑方法。固体氧化物燃料电池是一个备用发电机。时达到额定功率的电池储能系统的最低限制。Tenfen和Finardi6)提出了一个数学模型来管理能量从一个微型智能电网"。他们模仿微涡轮和固体氧化物燃料电池和电池组合在一起银行,光伏电池和风力涡轮机。Akikur et al。7)建立了一个数学模型为可逆的固体氧化物燃料电池结合光伏电池。产生100千瓦的电力,他们做热力学研究和经济三个模式:solar-SOFC模式低太阳辐射、太阳辐射氧化太阳能蒸汽电解槽模式高,晚上和一个固体氧化物燃料电池模式。白等。8建模和控制光伏电池的固体氧化物燃料电池。他们使用两个PI控制器使用人工蜜蜂殖民地。
结果表明,固体氧化物燃料电池的组合与风力涡轮机或光伏电池是一个先进的话题。在这项研究中,一个小灵通也添加到HAWT和IRSOFC的复合系统。系统可以运行在网格或关闭网格与小灵通的援助作为能源存储组件。结果比较的基础上,经济和热力学分析研究每个场景的可行性;没有做过这种比较基于作者的知识。此外,该系统应该满足电力需求的一个村庄位于曼吉尔,伊朗。选择的参数是根据当地的经济和环境条件,使本研究独特的。应该注意到系统的基于月平均风速和所需的电力。这意味着风速可能并不总是匹配所需的电力。为解决这一问题,介绍了后两个场景。
第一个场景(图1(一))。该系统是连接到电网。可以从电网电力出售和购买房屋。电力可以卖给电网发电时超过需求。时可以从电网购买电力的生产不能满足需求。假设的价格买卖电力是相同的。
(一)
(b)
第二个场景(图1 (b))。系统没有连接到电网。额外的电力生产的风力涡轮机由抽水蓄能存储保存(小灵通)系统,可以在需要时释放。小灵通是一个系统,包含一个泵、涡轮,和两个水库,水库和更低的。高电力生产期间,小灵通泵水从水库高一个保存能量。当需要电时,水库水从高到低一个涡轮机。由于泵和涡轮效率和其他损失,一些在这些过程的能量将会丢失。为了弥补这种能量,HAWT一直增加的大小。假设小灵通的大小等于所需的最大电- IRSOFC的最大产量。
案例研究是产生电能的一个村庄100所房屋位于曼吉尔,伊朗。将显示一个经济分析研究的可能性。
基于两个场景,主要组件,IRSOFC HAWT,建模和设计部分2和3。经济部分中描述的方法4。后验证IRSOFC HAWT节5经济分析,建模和结果讨论了部分6。
2。热力学建模IRSOFC
组件的建模是通过代码。燃料电池建模的假设(我)理想气体,(2)焓的线性变化,(3)在稳定的工作状态,(iv)被孤立的没有热量交换,(v)没有接触电阻,(vi)忽略气体管和固体之间的辐射传热容器,(七)管状细胞和堆栈。
2.1。直接内部改革者
为燃料电池消耗天然气、内部或外部改革者是必要的。由于外部改革者需要冷却系统和成本效益比内部,内部改革派是首选9]。
在内部改革过程中,发生的反应是吸热,而燃料电池所提供的热量。这个过程的反应是蒸汽重整反应( )和气水转移反应( )。根据这些反应,天然气转换的氢燃料电池。氢参与电化学反应( )。在这里,,,摩尔利率改革的进展、转移和电化学反应,分别10]。这个摩尔率进步是基于方程常数之间的关系,计算温度和气体的压力。
2.2。可逆电压
可逆电压()的细胞可以通过使用能斯特方程:
由于不可逆性,真正的燃料电池的电压小于可逆的。这些不可逆性称为过电压。过电压可分为三类:电阻(),激活()和浓度()。这些超电势的大小随着电流密度的增加,从而减少细胞的电压。电池电压可以被描述为([11])
2.2.1。电阻超电势
电阻超电势()可以计算 在哪里电阻:
是厚度(表1)的组件和电阻率:
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和电阻率是常数(表吗1)。
2.2.2。激活超电势
Butler-Volmer方程(13)描述
传热系数和吗是交换电流密度。传热系数是潜在的交换的比率下降导致改变的速率常数。的价值燃料电池是0.5。为 ,(6)可以
因此,
(preexponential因素)像活化能()取决于电极材料11)(表2)。
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2.2.3。浓度过电位
浓度过电位可以计算的 在哪里极限电流密度。相当大的增长将观察到如果浓度过电位电流密度达到了其极限。
3所示。HAWT建模
家代码设计HAWT编写基于叶片元素动量(BEM)方法。的转子HAWT半径(),叶片应分为部分或元素。每个部分()有一个距离从转子的中心。
为每个元素,当地叶片的弦(施密茨)可以计算出公式(14]:
是当地提示速度比,刀片的数量,升力系数。功率系数()的涡轮机决定从以下方程(15]: 在哪里普朗特的校正因子,是合成速度和转子平面之间的夹角,然后呢阻力系数。
3.1。修正
另一个校正应用于建模是基于雷诺数。变量范围的雷诺数,埃尔南德斯和克雷斯波17)提出了一个修正的阻力系数和升力系数保持不变是纠正:
雷诺数的阻力系数(计算)的叶片和再保险雷诺数根据工作条件。
Glauert校正也应用于这个建模计算诱导速度。
4所示。经济模型
经济分析是基于开发系统(ACS)的年度成本。在这种方法中,收入与成本转换为统一的年金支付。ACS的结合年度资本成本()、年度重置成本()、年度维护费用()和年度运营成本()[18]。
系统的年度资本成本
每个组件的资本成本是用美元和是每个组件的生命周期。回报的速度(CRF)的现值计算的年度成本(一组年度现金流均匀)。一年一度的实际利率()是
在(17),年度通货膨胀率和吗是名义利率。初始成本的设备,见下表3。
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一年一度的重置成本为这个项目被认为是零;这意味着组件的生命周期等于项目的生命周期。对于每个元素,5%的初始成本是考虑维护的成本18]。
的年度成本劳动力、燃料、和保险视为年度运营成本(18]。
4.1。净现值(NPV)
工程经济学的NPV的标准方法来评估经济计划:
的现值NPV是安装和操作系统在它的生命周期的项目。NPV的数量越高,更有利可图的项目。如果净现值为负,该项目将失去钱,没那么的经济学(18]。
4.2。逐步降低产品成本(LCOP)
LCOP的平均成本是系统的总可用发电容量(18]:
的一年是产品成本的总和。
4.3。其他经济参数
自从LCOP是基于总成本在项目的生命周期,主要成本(PC)使用基于市场价格(18]:
的或操作流成本包括运营成本、燃料成本,劳动成本,每年的保险成本。的每年的产品数量。
期间返回()是资本成本的比例每年净收益()。项目与更短的运动更有吸引力的投资计划相比更长。运动意味着整个初始资本的总时间挣的利润(18]:
资本成本。的是减法的所得税年度效益()。可以计算的18]
5。验证
5.1。IRSOFC
燃料电池建模与模型验证提出的Pirkandi et al。10)(图2(一个)- - - - - -2 (d))。燃料电池运行基于Pirkandi et al。(10)条件是管式燃料电池在1273 K和100 kPa 0.85燃料利用系数和9000 / m2的极限电流密度。甲烷燃料成分是97%,1.5%的二氧化碳,和1.5%的氮气。空气成分是21%的氧气和79%的氮气。在图2、总电压的变化和过电压与结果相比Pirkandi et al。10]。由于曲线接近相比,目前的模型是有效的和可靠的。增加电流密度((数字)丰富了过电压值2(一个)- - - - - -2 (c)),导致降低槽电压(图2 (d))。
(一)
(b)
(c)
(d)
5.2。HAWT
家代码验证的实验工作Khalfallah和Koliub21三叶的HAWT)。当前国内代码运行的条件。输出大国从家里代码比较的结果Khalfallah和Koliub21]从切入风速设计风速、最大功率的访问。因为它是图所示3两条曲线之间,整个协议是可见的。
6。结果与讨论
所需的能力有针对性的村庄320千瓦,但在这项研究中,生成的347千瓦的力量被认为是。然后,基于347千瓦电力被认为是有针对性的电力需求,IRSOFC和HAWT建模。
6.1。设计HAWT
基于10年期美国宇航局记录(22),每月平均风速50米以上曼吉尔的地球表面,伊朗北部,提取。根据这些数据,失速调节风力涡轮机与名义选择风速为7.9米/秒。对翼型的选择,叶片分为三个部分。很严重的机翼NREL家庭选择为每个部分。
风力涡轮机的设计的细节表提供了两个场景4。是在第二个场景中提到(离网IRSOFC-HAWT-PHS)的大小HAWT将增加,因为小灵通效率和能量损失。HAWT第一场景的额定功率是347千瓦。对于第二个场景,额定功率增加30%左右。
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所选的机翼配置文件被显示在图4。S818机翼,一个薄翼,用于吸收的最大力量。从根,翼型变得更厚。S830和S831用于中期的翼型叶片的根源,分别。叶片间距的变化()和和弦在刀片如图5。两个场景的行为几乎是相同的。
(一)
(b)
后设计HAWT和基于风速变化,月度发电HAWT的场景如图6。由于低风速从9月到2月,HAWT值最低的电力生产在这几个月里。在7月和8月,功率达到最大值的风是如此的强烈。
6.2。IRSOFC模型
IRSOFC在1酒吧工作压力。美联储的燃料IRSOFC是甲烷。一个示意图如图7。IRSOFC的细节提供了输入表5。
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根据电力产生的风力涡轮机在一年(图6),其余的需要权力应由IRSOFC生成。IRSOFC场景的建模的结果如表所示6。燃料流量在表6基于一个满载运行。IRSOFC并不在全负荷下工作的所有时间,但全年使用满载燃料流量在经济分析将提供一个安全裕度,村里总有稳定的电能。
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在第二个场景中,小灵通的大小等于94千瓦电力需求之间的差异和IRSOFC能力。功率和效率变化和电流密度对第一个场景图所示8和9,分别。有两个场景的结果之间没有显著差异。显示,增加电流密度(0.65 /厘米2)增加系统的权力,但降低了效率,因为燃料消耗强烈依赖于电流密度。因此,电流密度的IRSOFC设置为2000 / m2。
6.3。经济研究
假设政府将运行这个项目。目标是比较当前的结果与传统的发电方法。因此,电力价格和燃料价格被认为是基于政府的价格。输入和条件见下表7。
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由于系统的规模、网格连接成本(第一场景),和小灵通(第二场景)成本,经济效益从两个场景是不同的。风轮机农场价格分为69%,12%的电网连接,8%为基础,内部网格3%,3%安装,其余5% (23]。在第二个场景中,网格连接取代了小灵通的成本费用。经济分析的结果如表所示8。
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所有经济参数是由资本成本是在第二个场景中最高的。第二个场景的运动和电脑约38%和15%高于第一个,分别。因此,资本成本的小灵通系统,第一个场景比第二个场景更经济。
在这两个项目,个人电脑的价格低于电力(流行);在第一个场景中,电脑比流行音乐和低126%,在第二个场景中,这个数字是96%,使用可再生能源能源成本较低的优势。
图10显示的是实际利率对经济的影响参数。提高实际利率降低了NPV和增加LCOP的ACS系统(图10)。曲线的斜坡,第二个场景是高于第一个场景。当前项目的实际利率是0.0554(图11),这是一个高价值;表中提供的详细的值7伊朗。这意味着,国家的实际利率的低价值,项目利润空间更大,特别是第二场景。例如,减少10%的实际利率(图所有参数可以提高约2%10)。看到,经济参数对实际利率不太敏感。
(一)
(b)
(c)
流行为这个项目的价值是0.0879(表7),如图所示11。对于这个项目,返回第一个场景(运动)是9.46年和13.05年第二个。在图11曲线的斜坡,一开始非常高;然后,小流行的变化可以作出重大改变的几率。对于第二个场景,对流行减少的几率增加15%在10年内使项目更经济。
7所示。结论
结合IRSOFC-HAWT系统、热力学和经济分析都是基于两个场景:一个on-grid-IRSOFC-HAWT系统off-grid-IRSOFC-HAWT系统和一个小灵通。基于热力学分析,最好的工作条件IRSOFC被选中,然后适当的HAWT旨在生成一个村庄的需求力量在曼吉尔,伊朗。小灵通主导经济的高资本成本参数,第二种情况最糟糕的一个从经济的观点。第二个场景的几率大约是3年时间比第一个场景是9.46年。虽然第二个场景不太经济,没有接入电网的情况下,这种情况使该项目成为可能。如果电力或流行的价格只增加15%,约30%的年的几率就会减少,使第二个场景更经济。在这两个项目,个人电脑的价格低于电力(POP),这是使用可再生能源能源成本较低的优势。
建议对未来工作的研究,系统的余热直接用于加热和冷却的目的,使场景更有利可图。
命名法
| : | 区域[m2] |
| 阿瑟: | 年度收益(美元) |
| : | 常数(-) |
| ACS: | 年度系统成本(美元) |
| : | 和弦[m] |
| : | 成本(美元) |
| : | 阻力系数(-) |
| : | 升力系数(-) |
| : | 功率系数[-] |
| CRF: | 资本采收率(-) |
| : | 直径[m] |
| : | 电池电压(V) |
| : | 活化能(焦每摩尔) |
| : | 年通货膨胀率(-) |
| : | 普朗特的校正因子(-) |
| : | 法拉第常数[C] |
| : | 交换电流密度(A / m2] |
| : | 电流密度(A / m2] |
| : | 实际利率(-) |
| : | 电流密度(一个/厘米2] |
| : | 极限电流密度(A / m2] |
| : | 名义利率(-) |
| : | 长度(米) |
| LCOP: | 逐步降低产品成本(美元/千瓦) |
| : | 质量流率(千克/秒) |
| : | 细胞的数量(-) |
| : | 叶片数(-) |
| NAB: | 每年净收益(美元) |
| : | 电子数(-) |
| 净现值: | 净现值(美元) |
| 离岸金融中心: | 操作流成本(美元) |
| : | 分压(-) |
| : | 压力(酒吧) |
| PC: | 主要成本(美元/千瓦) |
| 流行: | 产品价格(美元/千瓦) |
| 运动: | 回报期(年) |
| : | 电阻(Ω) |
| : | 半径[m] |
| : | 通用气体常数[J /摩尔] |
| : | 半径[m] |
| 再保险: | 雷诺数(-) |
| SOPC: | 总结一年的产品成本(美元) |
| : | 温度[K] |
| VOP: | 产品的体积(千瓦) |
| : | 功率(瓦) |
| ,,: | 摩尔率(摩尔/ s) |
| : | 年[-]。 |
| : | 传热系数(-) |
| : | Preexponential因素[/ m2] |
| : | 厚度(厘米) |
| : | 吉布斯自由能变化标准条件(-) |
| : | 过电压[V] |
| : | 提示速度比在半径[,] |
| : | 电阻率(Ω·厘米) |
| : | 角之间的合速度和转子平面[度]。 |
| acap: | 年度资本成本 |
| 行为: | 激活 |
| 急速地: | 年维护费用 |
| 一个: | 阳极 |
| aope: | 年运行费用 |
| arep: | 折合成年率重置成本 |
| Ca: | 阴极 |
| 帽子: | 资本 |
| 答: | 燃烧室 |
| 排版: | 压缩机 |
| 浓缩的: | 浓度 |
| GT: | 燃气轮机 |
| HX: | 热交换器 |
| : | 部分数量的叶片 |
| 发票: | 逆变器 |
| 项目: | 项目 |
| 裁判: | 参考 |
| 代表: | 更换 |
| 牧师: | 可逆的。 |
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
引用
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