PEM fuel cell degradation: Numerical investigation and effects on the performance of solar-hydrogen based renewable energy systems
PEM yakıt hücresi bozunması: Sayısal inceleme ve güneş-hidrojen temelli yenilenebilir enerji sistemleri performansı üzerindeki etkileri
- Tez No: 384998
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İLKER TARI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 216
Özet
Fotovoltaik (PV) paneller, Proton Değişim Membranlı (PEM) yakıt hücreleri, PEM temelli elektrolizörler ve hidrojen depolamadan oluşan bir hibrit (Güneş-Hidrojen) yenilenebilir enerji sistemi şebekeden bağımsız bir uygulama için incelenmiştir. Hibrit yenilenebilir enerji sisteminin sistem modeli TRNSYS yazılımı kullanılarak referans bir sistem olarak Ankara'da bulunan Keçiören Eğitim ve Araştırma Hastanesi acil servisi için geliştirilmiştir. Çalışmanın ana amacı acil servisin elektriksel güç talebini kesintisiz olarak bir yıl boyunca karşılandığını göstermektir. Acil servisin pik elektrik yükü 5 kW ve yıllık olarak 37.23 MWh'tir. Sistemin performansını artırmak için, 300 m² alana sahip PV panelleri eğimlendirilebilir bir platform üzerine yerleştirilmiştir. PEM yakıt hücrelerinin toplam kapasitesi 5kW'tır. 30 m³ kapasiteye sahip olan hidrojen tanklarının depolama basıncı 55 bar'dır. Sistemin enerji ve ekserji analizleri ayrıntılı bir ekonomik analizle birlikte yapılmıştır. PEM yakıt hücresi, TRNSYS modeli için veri elde edebilmek amacı ile ANSYS Fluent kullanılarak sayısal olarak modellenmiştir. Elde edilen benzetim verileri, hem PEM yakıt hücreleri hem de PEM temelli elektrolizörler için kullanılmıştır. Geliştirilen sayısal model daha sonra hücre bozunmasını da içerecek şekilde değiştirilmiştir. Ayrıca, bozunma modeli verileri kullanılarak TRNSYS modeli güncellenmiş ve sistem performansı iki yıllık çalışma sonrasında tahmin edilmiştir. Gerçekleştirilen analizlerden sonra, özellikle uzun süreli acil durum kesinti durumlarında güneş-hidrojen temelli yenilenebilir enerji sistemlerinin fosil yakıt temelli enerji sistemlerine makul bir alternatif olabileceği sonucuna varılmıştır. Ayrıca, hidrojen depolama kapasitesi 45 m³'e çıkarıldığında, sistemin bir yıl boyunca sürekli olarak çalışabilme kabiliyeti kazandığı ve değişken geliş açılı PV panelleri kullanılarak genel sistem veriminin iyileştirildiği saptanmıştır. Dahası, PEM temelli sistem bileşenlerinin bozunmasının genel sistem performansı üzerinde zararlı etkileri olan önemli bir olgu olduğu sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
A hybrid (Solar-Hydrogen) renewable energy system consisting of Photovoltaic (PV) panels, Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells, PEM based electrolyzers and hydrogen storage has been investigated for a stand-alone application. A complete model of the hybrid renewable energy system has been developed using TRNSYS against a reference system, which was established for the emergency room of Keçiören Research and Training Hospital in Ankara. The main goal of the study is to verify that the system meets the electrical power demand of the emergency room without any shortage for a complete year. The emergency room has a peak electrical load of 5 kW and a yearly load of 37.23 MWh. The PV panels with a total area of 300 m² are mounted on a tiltable platform to improve the performance of the system. The PEM fuel cells have a total capacity of 5 kW. The hydrogen storage pressure is 55 bars with the capacity of 30 m³. Energy and exergy analyses of the system are performed together with a detailed economic analysis. The PEM fuel cells are numerically modeled in ANSYS Fluent in order to obtain data for the TRNSYS model. The obtained simulation data is used both for the PEM fuel cells and the PEM based electrolyzers. The developed numerical model later modified to include cell degradation. Again, using the data from the degraded model, the TRNSYS model is updated and the performance of the system after two years of operation is predicted. After the performed analyses, it is concluded that solar-hydrogen based renewable energy systems can be a possible alternative to fossil fuel based energy systems especially in long-term emergency blackout conditions. Furthermore, it is determined that the system is capable of continuously working throughout a whole year when the hydrogen storage capacity is increased to 45 m³ and the overall efficiency of the system is improved by using variable angle of incidence for the PV panels. Additionally, it is concluded that the degradation of PEM based system components is an important phenomenon, which has detrimental effects on the overall system performance.
Benzer Tezler
- PEM elektrolizörün sayısal modellemesi ve deneysel doğrulanması
Numerical modeling and experimental validation of PEM electrolyzer
SAFİYE NUR ÖZDEMİR
- Numerical investigation of the effect of operating temperature and relative humidity on the PEM fuel cell performance
Çalışma sıcaklığı ve bağıl nemin PEM yakıt hücreleri performansı üzerine etkisinin sayısal araştırılması
OMAR QASIM SALEH AL-HADEETHI
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
EnerjiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELAMİ SAĞIROĞLU
- Platinum nanoparticles supported with graphene nanoplatelets and hybrid carbon materials designed as electrocatalysts for PEM fuel cells
PEM yakıt hücreleri için elektrokatalizör olarak dizayn edilmiş grafen nanoplatelet ve hibrit karbon malzemeleri ile desteklenen platin nanoparçacıkları
ECE ARICI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
EnerjiSabancı ÜniversitesiDOÇ. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL
YRD. DOÇ. DR. ŞÖLEN KINAYYİĞİT GARANLI
- Parameters influencing long term performance and durability of PEM fuel cells
PEM yakıt pıllerinin uzun dönem performans ve dayanımını etkileyen parametreler
ELİF SEDA ŞAYİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN
PROF. DR. İNCİ EROĞLU
- Random forest yöntemi kullanarak polimer elektrolit membran (PEM) yakıt hücrelerinin ömrünün belirlenmesi
Determining life span in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell using random forest method
HAVVA NUR SAĞDIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANZADE AÇMA
PROF. DR. SERDAR YAMAN
DOÇ. DR. HALİT EREN FİGEN