بهینه‌سازی یک سیستم تجدیدپذیر ترکیبی برای تولید توان و هیدروژن

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

چکیده

در این پژوهش یک سیستم ترکیبی تجدیدپذیر بر مبنای استفاده از انرژی­ های خورشیدی و حرارتی اقیانوسی برای تولید توان و هیدروژن با به­ کارگیری کلکتور خورشیدی صفحه تخت از نظر ترمودینامیکی و اقتصادی مورد بررسی قرار گرفت. توابع هدف مورد بررسی در این پژوهش بازده اگزرژی و نرخ هزینه در نظر گرفته شد. دبی جرمی کلکتور، مساحت کلکتور، دمای ورودی به توربین و شدت تابش خورشیدی به‌عنوان چهار متغیر تصمیم‌گیری در نظر گرفته شدند و تأثیر این پارامترها بر روی عملکرد سیستم و اتلاف اگزرژی سیستم بررسی شد. بهینه سازی توابع هدف با روش نلدر-مید انجام شد. از بهینه سازی تک هدفه نتیجه شد که بهترین نرخ بازده اگزرژی سیستم 31/7 درصد و نرخ هزینه سیستم 48/27 دلار بر ساعت در حالت‌ بهینه است. از تحلیل حساسیت نتیجه شد که افزایش پارامترهای مساحت کلکتور، شدت تابش خورشیدی و دمای ورودی به توربین تأثیر مثبتی را بر روی عملکرد سیستم داشته­ است و افزایش پارامتر نرخ دبی جرمی کلکتور خورشیدی تأثیر منفی بر روی عملکرد سیستم گذاشته­ است. همچنین از تحلیل اتلاف اگزرژی سیستم نتیجه شد که افزایش شدت تابش خورشیدی، مساحت کلکتور و همچنین نرخ دبی جرمی کلکتور باعث افزایش اتلاف اگزرژی کلی سیستم می ­شوند ولی افزایش دمای ورودی به توربین، باعث کاهش اتلاف اگزرژی سیستم می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Maczulak A., "Renewable Energy: Sources and Methods," Facts on File, New York, (2010)
[2] Flannery T., "The Weather Markers," Text Publishing, Australia, (2005).
[3] اکبری سنه ر.، شریف نیا ش.، مرادیف غ.ر.، افزایش تولید فتوکاتالیستی هیدروژن از طریق بکارگیری تابش التراسوند در طول فرآیند سنتز فتوکاتالیست تیتانیا روی پایه کلینوپتیلولیت، پژوهش نفت، 27: 39 تا 52 (1396).
[4] یحیوی س.ر.، حقیقی م.، شفیعی س.، عبدالهی فر م.، رحمانی ف.، سنتز نانوکاتالیست – MgO3O2Ni-Co/Al به روش تلقیح برای تولید هیدروژن با استفاده از فرایند ریفورمینگ خشک متان، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2)37: 21 تا 32 (1397).
[5] Akbari Sene R., Rahmani F., Moradi G.M., Sharifnia S., Immobilization of TiO2 Nanoparticles Over Treated Natural Aluminasilicate for Hydrogen Production: Effect of Support Treatment and Operational Conditions of Process, Journal of Petroleum Research, 30: 14-30 (2020).
[6] Hernández-Romero I.M., Nápoles-Rivera F., Flores-Tlacuahuac A., Fuentes-Cortés L.F., Optimal Design of the Ocean Thermal Energy Conversion Systems Involving Weather and Energy Demand Variations, Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 157: 108114 (2020).
[7] Vera D., Baccioli A., Jurado F., Desideri U., Modeling and Optimization of an Ocean Thermal Energy Conversion System for Remote Islands Electrification, Renewable Energy, 162: 1399-1414 (2020).
[8] Wu Z., Feng W., Chen L., Tang W., Shi J., Ge Y., Constructal Thermodynamic Optimization for Ocean Thermal Energy Conversion System with Dual-Pressure Organic Rankine Cycle, Energy Conversion and Management, 210: 112727 (2020).
[9] Temiz M., Dincer I., A Unique Ocean and Solar based Multigenerational System with Hydrogen Production and Thermal Energy Storage for Arctic Communities, Energy, 239(Part B): 122126 (2022).
[10] Lei Y., Wang D., Jia H., Chen J., Li J., Song Y., Li J., Multi-Objective Stochastic Expansion Planning based on Multi-Dimensional Correlation Scenario Generation Method for Regional Integrated Energy System Integrated Renewable Energy, Applied Energy, 276: 115395 (2020).
[11] Jiang J., Ming B., Huang Q., Chang J., Liu P., Zhang W., Ren K., Hybrid Generation of Renewables Increases the Energy System's Robustness in a Changing Climate, Journal of Cleaner Production, 324: 129205 (2021).
[12] Cao Y., Dhahad H.A., Togun H., Abdollahi Haghghi M., Athari H., Mustafa Mohamed A., Exergetic and Economic Assessments and Multi-Objective Optimization of a Modified Solar-Powered CCHP System with Thermal Energy Storage, Journal of Building Engineering, 43: 102702 (2021).
[13] Almohammadi K.M., Harby K., Operational Conditions Optimization of a Proposed Solar-Powered Adsorption Cooling System: Experimental, Modeling, and Optimization Algorithm Techniques, Energy, 206: 118007 (2020).
[14] Nazari N., Mousavi S.M., Mirjalili S.A., Exergo-Economic Analysis and Multi-Objective Multi-Verse Optimization of a Solar/Biomass-based Trigeneration System Using Externally-Fired Gas Turbine, Organic Rankine Cycle and Absorption Refrigeration Cycle, Applied Thermal Engineering, 191: 116889 (2021).
[15] Khani L., Jabari F., Jabari M., Mohammadi-ivatloo B., Design, Evaluation, and Optimization of an Efficient Solar-based Multi-Generation System with an Energy Storage Option for Iran’s Summer Peak Demand, Energy Conversion and Management, 242: 114324 (2021).
[16] Peng X., Bajaj I., Yao M., Maravelias C.T., Solid-Gas Thermochemical Energy Storage Strategies for Concentrating Solar Power: Optimization and System Analysis, Energy Conversion and Management, 245: 114636 (2021).
[17] Teymouri M., Sadeghi S., Moghimi M., Ghandehariun S., 3E Analysis and Optimization of an Innovative Cogeneration System based on Biomass Gasification and Solar Photovoltaic Thermal Plant, Energy, 230: 120646 (2021).
[18] Ansarinasab H., Hajabdollahi H., Multi-Objective Optimization of a Geothermal-based Multigeneration System for Heating, Power and Purified Water Production Purpose Using Evolutionary Algorithm, Energy Conversion and Management, 223: 113476 (2020).
[19] Ding P., Zhang K., Yuan Z., Wang Z., Li D., Chen T., Shang J., Shofahaei R., Multi-Objective Optimization and Exergoeconomic Analysis of Geothermal-based Electricity and Cooling System Using Zeotropic Mixtures as the Working Fluid, J. Clean. Product., 294: 126237 (2021).
[20] Song G., Song X., Li G., Shi L., Wang G., Ji J., Xu F., Song Z., An Integrated Multi-Objective Optimization Method to Improve the Performance of Multilateral-Well Geothermal System, Renewable Energy, 172: 1233-1249 (2021).
[21] Ahmadi P., Dincer I., Rosen M.A., Energy and Exergy Analyses of Hydrogen Production via Solar-Boosted Ocean Thermal Energy Conversion and PEM Electrolysis, International Journal of Hydrogen Energy, 38(4): 1795-1805 (2013).
[22] ملکی ا.، لطفی پ.، شهرکی شهدآبادی ر.، احمدی م.ح.، پتانسیل سنجی مزرعه‌های خورشیدی با روش‌های تصمیم‌گیری چند معیاره در ایران، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)40: 251 تا 271 (1400).
[23] موسوی و.ا.، فرزانه گرد م.، احمدی م.ح.، تحلیل اگزرژی و اگزرژی-اقتصادی سیکل رنکین آلی با محرک انرژی خورشیدی با استفاده از مواد تغییر فاز در تانک ذخیره‌سازی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)39: 247 تا 257 (1399).
[24] آریان فر ل.، یاری م.، عبدی اقدام ا.، تحلیل فنی ـ اقتصادی چرخه‌ی رانکین آلی تولید گرما و توان با منابع انرژی استان اردبیل، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)36: 165 تا 185 (1396).
[25] کریمی نیا ح.، فرهادی ف.ا.، شبیه‌سازی و بررسی فنی ـ اقتصادی سامانه سردکن جذبی تک اثرۀ آب ـ لیتیم برومید مدد یافته با انرژی خورشیدی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)33: 53 تا 64 (1393).
[26] عرب ق.، قدمیان ح.، مدل‌سازی ترمواکونومیکی و تحلیل پارامتری چرخه هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد تحت فشار / توربین گازی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)32: 93 تا 103 (1392).
[27] پاکدل ع.، جعفری نصر م.ر.، شبیه‌سازی و بررسی پارامتری چرخه تجمیعی متمرکز کننده‌های سهموی خورشیدی و چرخه آلی رانکین برای تولید توان الکتریکی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)33: 65 تا 83 (1393).
[28] Bedakhanian A., Maleki A., Haghighat S., Utilizing the Multi-Objective Particle Swarm Optimization for Designing a Renewable Multiple Energy System on the Basis of the Parabolic Trough Solar Collector, International Journal of Hydrogen Energy, 47(86): 36433-36447(2022).
[29] زارع علی آبادی ح.، ساعی مقدم م.، بررسی تجربی اثر نانو ذره اکسید روی و پارامترهای فرایندی بر عملکرد حرارتی کلکتور خورشیدی صفحه تخت، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2)41: 85 تا 95 (1399).
[30] رضایی عزیزآبادی ح.، ضیابشرحق م.، مافی م.، شبیه­سازی یک طرح ابتکاری مایع­سازی هیدروژن برای استفاده از انرژی اتلافی نیروگاه­های گازی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)41: 383 تا 399 (1400).
[31] سعیدی م.، صفری پور م.، بررسی روش های بازیابی و مدیریت گازهای دورریز واحدهای صنعتی به منظور بازگشت به چرخه انرژی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)41: 327 تا 354 (1400).
[32] Ahmadi P., Dincer I., Rosen M.A., Multi-Objective Optimization of a Novel Solar-based Multigeneration Energy System, Sol. Energy, 108: 576–591 (2014).
[33] Farahat S., Sarhaddi F., Ajam H., Exergetic Optimization of Flat Plate Solar Collectors, Renew Energy, 34(4): 1169-74 (2009).
[34] Khanmohammadi S., Heidarnejad P., Javani N., Ganjehsarabi H., Exergoeconomic Analysis and Multi Objective Optimization of a Solar based Integrated Energy System for Hydrogen Production, International Journal of Hydrogen Energy, 42(33): 21443-21453 (2017).
[35] Psomopoulos C.S., Solar Energy: Harvesting the Sun’s Energy for Sustainable Future, Handbook of Sustainable Engineering, 1(117): 1065-1107 (2013).
[36] Ameri M., Ahmadi P., Khanmohammadi S., Exergy Analysis of a 420 MW Combined Cycle Power Plant, Int. J. Energy, 32(2): 175-183 (2007).
[37] Brown C.J., "Advanced Exergy and Exergoeconomic Analysis of the Major Components of a Combined Cycle Power Plant”, Thesis M.S.C, Texas A&M University, (2015).
[38] Peters M.S., Timmerhaus K., West R.E., “Plant Design and Economics for Chemical Engineers”, New York: McGraw-Hill (1968).
[39] Ahmadi P., Dincer I., Rosen M.A., Thermodynamic Modeling and Multi-Objective Evolutionary based Optimization of a New Multigeneration Energy System, Energy Conversion and  Management, 76: 282-300 (2013).
[40] Nelder J.A., Mead R., A Simplex Method for Function Minimization, Computer Journal, 7: 308–313 (1965).
[41] Rao S.S., Bard J., Engineering Optimization: Theory and Practice, IIE transactions, 29(9): 799 (1997).
[42] Ahmadi P., Dincer I., Rosen M.A., Multi-Objective Optimization of an Ocean Thermal Energy Conversion System for Hydrogen Production, International Journal of Hydrogen Energy, 40(24): 7601-7608 (2015).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار