مسعود ابراهیمی

با توجه به بحران آلودگی های ناشی از سوختن سوخت های فسیلی، امروزه توجه بسیاری از دولت ها و کشورها به سمت روش های تولید انرژی های پاک و تجدیدپذیر معطوف شده است. انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی بادی، خورشیدی، امواج دریا و انرژی زمین گرمایی و سوخت های تجدیدپذیر مانند هیدروژن، منابع تقریبا نامحدودی دارند و می توان از آن ها برای تولید توان و الکتریسیته استفاده نمود. در این پایان نامه چرخه تولید همزمان الکتریسیته و هیدروژن سبز برای یک مطالعه‌ی موردی با استفاده از پیل سوختی، الکترولایزر و انرژی خورشیدی مورد مطالعه قرار گرفته است. در چرخه پیشنهادی در این پایان نامه از پیل سوختی اکسید جامد به همراه پیل سوختی تبادل غشا پلیمری به منظور تولید الکتریسیته بهره گرفته می شود. پیل سوختی اکسید جامد و غشاء پلیمری از گاز هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کنند که برای این منظور از الکترولایز به منظور تولید هیدروژن توسط فرایند الکترولیز آب استفاده می گردد. معمولا در چرخه های مشابه از الکتریسیته تولیدی حاصل از سوختن سوخت های هیدروکربنی به منظور تامین توان مورد نیاز الکترولایزر استفاده می گردد اما نوآوری این تحقیق در این است که تماما از انرژی های تجدیدپذیر خورشیدی به منظور تامین توان الکترولایزر استفاده می گردد. این کار منجر به ذخیره انرژی تجدیدپذیر خورشیدی به صورت هیدروژن می گردد و همچنین میزان انتشار آلاینده های چرخه به شدت کاهش پیدا می کنند. نتایج نشان می دهد که با استفاده از سیستم پنل خورشیدی، حتی در زمان های پیک مصرف چرخه می تواند پاسخگوی تقاضای مصرف باشد. همچنین نتایج مطالعات اقتصادی چرخه بیانگر این است هزینه یکسان شده برق (LCOE) و هیدروژن (LCOH) چرخه مقادیر قابل رقابت با چرخه های مشابه می باشد.

با توجه به چالش‌های انرژی و گرمایش کره خاکی لذا بهینه‌سازی و بازیابی انرژی خصوصاً بازیابی انرژی از خطوط انتقال سیال اهمیت زیادی پیدا کرده است بنابراین با توجه بر تمرکز تحقیق حاضر بر بازیابی انرژی از خطوط انتقال سیال مقدار برق تحصیل شده در تحقیق موجود MW.h2/1 بوده و مقدار اکسیژن و هیدروژن قابل استحصال توسط الکترولایزر نوع PEME به ترتیب 13.14kg/hr و210.24kg/hr می‌باشد همچنین میزان مصرف آب نیز 300Lit/h بوده همچنین در بحث اقتصادی پروژه (NPV) یا ارزش حال خالص پروژه با توجه به نرخ تورم 20% معادل 13000000$ می‌باشد و دوره بازگشت سرمایه (P_B) نیز با توجه به نرخ تورم 20% در ایران حدود 5 سال خواهد بود.

کاهش منابع انرژی، گرم شدن کره زمین و انتشار گاز کربن دی اکسید، افزایش هزینه انرژی و افزایش تقاضای انرژی منجر به استفاده از روش‌های کارآمد تر برای تبدیل انرژی و طراحی سیستم‌های جدید برای تولید برق شده‌‌است. در سال های اخیر از زیر سیستم های توربین های گازی، موتورهای رفت و برگشتی، چرخه های رانکین، پیل های سوختی، چرخه های رانکین آلی و سیستم های انرژی هیبریدی برای افزایش راندمان نیروگاه ها بهره برداری شد. یکی از راه های افزایش راندمان و صرفه جویی در مصرف انرزی استفاده از سیستم های تولید همزمان مثلCHP و CCHP میباشد، در پایان‌نامه حاضر به بررسی یک سیستم تولید همزمان برق، گرما و سرما بر اساس مفاهیم اگزرژی، اقتصادی و زیست محیطی پرداخته شده است. سیستم پیشنهادی، از یک سیکل اتو به منظور تولید توان و همچنین تامین حرارت مورد نیاز برای راه‌اندازی سیکل تبرید جذبی تک اثره بهره می‌گیرد. نتایج حاصل شده از بررسی موردی سیستم پیشنهادی نشان می‌دهد که توان، بار حرارت و سرمایش تولید شده توسط سیستم به ترتیبMW 63/25، MW 49/14 و MW 41/15 و همچنین بازده انرژی و اگزرژی به ترتیب 49/89 درصد و 53/50 درصد می‌باشد. یک تحلیل هم به منظور محاسبه ارزش خالص فعلی (NPV) و همچنین دوره بازگشت سرمایه (PP) انجام شد که با احتساب $/kWh15/0=Celec و $/GJ24/15=CFuel و $/kWh17/0=Ccooling زمان بازگشت سرمایه 82/3 سال و درآمد کل سیستم در پایان عمر سیستم (دوره بیست ساله)، 71/12 میلیون دلار محاسبه شد. همچنین به منظور بررسی عمیق‌تر، با استفاده از نرم‌افزار EES، چند مورد مطالعه پارامتری بر روی سیستم پیشنهادی انجام شد تا تاثیر پارامترهای نسبت تراکم، دور موتور و اختلاف دمای سیال ورودی و خروجی به محفظه آبگرم کن بر روی متغیرهای اصلی سیستم مشخص شود.

با توجه به گستردکی استفاده از توربین های گازی در بخش های نیروگاهی و صنایع نفت و گاز و پتروشیمی و از طرفی محدودیت و کمبود آب شیرین در بیشتر نقاط ایران در این تحقیق به بررسی موردی بازیافت گرمایی توربین های گازی شرکت GE جهت تولید همزمان برق، سرمایش، و تولید آب شیرین ا ز آب دریا به وسیله شبیه سازی با نرم افزار EES اقدام شده است.نکته قابل نوجه این است که تجهیزات اصلی چرخه پبشنهادی جهت تولید همزمان آب، برق و سرما همگی تجهیزات واقعی و با اطلاعات فنی شرکتهای سازنده آنها مدلسازی شده اند لذا نتایج بسیار به واقعیت نزدیک است.همچنین اعتبار سنجی قسمت های مختلف چرخه اراِئه شده است. نتایج نشان میدهد با استفاده از خروجی یک توربین گازی 35 مگاواتی در حدود 2000 متر مکعب در روز آب شیرین و 7/8 مگاوات به وسیله چیلر جذبی لیتیم برماید سرمایش تولید می شود و بازدهی چرخه را به حدود% 56 می رسد.

با گرم شدن کره ی زمین و محدود بودن منابع سوخت های فسیلی و تمایل جوامع به آسایش و رفاه بیشتر،نیاز به بهینه سازی وسایل گرمایشی خانگی بیشتر مورد اهمیت قرار می گیرد.بویلرهای گازسوز خانگی در هنگام قطعی برق بلا استفاده می شوند به همین جهت نیازمند تغییر و اصلاح هستند. در تحقیق حاضر به امکان سنجی استفاده از مواد ترموالکتریک در دودکش این وسایل که محل خروج اگزاست و گرمای تلف شده می باشند مورد بررسی قرار می گیرد، این گرمای اتلافی می تواند با استفاده از ماژول ترموالکتریک در باتری ذخیره شده و در هنگام قطع برق به مدت دو ساعت برق دستگاه را تامین کند.مدل پیشنهادی یک دودکش دو جداره با سطح مقطع هشت ضلعی بوده که به فین های مستطیلی مجهز شده است.اثر تعداد فین ها در دمای سطح جدار داخلی با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت تحلیل شده است که نتایج برای مدل دارای فین بیشتر حدود 8 درجه دمای بالاتری داشته است.در این پژوهش 80 عدد ترموالکتریک بر روی سطح جدار داخلی دودکش در نظر گرفته شده است که توان تولیدی در دمای میانگین سالیانه شهر سنندج حدود 217 وات به دست آمده است همچنین این توان تولیدی به تفکیک ماه های سال محاسبه شده که در ماه اول زمستان بیشترین توان و در ماه اول تابستان کمترین توان را تولید می کند. مساله مورد نظر با نرم افزار EES کد نویسی شده است و پارامتر های اثرگذار نظیر دما سطح گرم و سرد ترموالکتریک وسرعت، ضریب انتقال حرارت جابه جایی و عدد رینولدز جریان اگزاست بر توان تولیدی بررسی شده است. سپس به بررسی پارامتر های داخلی ترموالکتریک مانند ضریب سیبک، ضریب رسانش گرمایی، مقاومت داخلی ترموالکتریک و مقاومت بار بر تولید توان پرداخته ایم و در نهایت با استفاده از ماژول ترموالکتریک در نرم افزار انسیس کد مورد نظررا با نتایج نرم افزار در شرایط برابر مقایسه کرده ایم.

در چند دهه گذشته، انرژی های تجدیدپذیر به عنوان راه حل ممکن، برای مشکلات انرژی مناطق روستایی و دور افتاده بویژه در مناطق سرد دیده شده است. این تحقیق، بر امکان سنجی استفاده از انرژی تجدیدپذیر با توجه به منابع مختلف انرژی در دسترس به صورت محلی، یعنی زیست توده و بیوگاز و انرژی برق آبی خواهد پرداخت.باتوجه به اقلیم روستاهای نزدیک سد گاوشان، به دلیل وجود سد گاوشان و کانال آبی که از روستاهای این منطقه گذشته است. امکان استفاده از برق آبی وجود دارد. همچنین به دلیل اینکه شغل اکثر مردم روستا دامداری و کشاورزی است امکان استفاده از انرژی بیوماس وجود دارد.درکنار این انرژی ها امکان استفاده از شبکه های توزیع برق و گازدر حالت هایی که انرژی های تجدید پذیر توان فراهم کردن مصرف روستا را نداشته باشندوجود دارد. در این پایان نامه بررسی تامین انرژی الکتریسیته ، انرژی حرارتی و سرمایش یکی از روستاهای اطراف و در مسیر خطوط انتقال سد گاوشان که دارای آب شرب لوله کشی و گاز طبیعی و همچنین متصل به شبکه سراسری برق هستند انجام می شود. در این تحقیق تلاش بر این است پس از برآورد نیازهای الکتریکی، گرمایشی و سرمایشی یک روستای هدف، با بهره بردن از جریان آب در کانال سد گاوشان و با استفاده از توربین آبی برق تولید نمود، همچنین از بیوگاز نیز برای تولید برق و گرما استفاده خواهد شد. لذا جهت محاسبه پتانسیل انرژی برق آبی به طراحی توربین های آبی مخصوص این کانال ها پرداخته شده است. مدلسازی در محیط نرم افزار انسیس انجام شده است و پس از بررسی انواع پروفیل ها،توربین های آبی باتوجه به سرعت آب در کانالها طراحی و ارائه شدند. در نهایت با توجه به تعداد دام های موجود در روستا یک سیتم بیوگاز طراحی گردید و مقدار بیوگاز تولیدی مشخص گردید. در نهایت پیشنهادهای عملی و قابل اجرا از دیدگاههای اقتصادی، ترمودینامیکی و فنی ارائه گردید. نتایج نشان می دهد که با استفاده از سیستم بیوگاز میتوان 100286.67 مترمکعب گاز طبیعی معادل 43درصد گاز مصرفی روستا را در طول سال تولید کرد. همچنین شبیه سازی توربین های هیدروسینتیک بازده این توربین ها را حدود 90 درصد نشان می دهد.که در صورت استفاده از توربین با قطر 4 متر و سرعت آب 2 متر بر ثانیه میتوان علاوه بر تامیین نیاز برق روستا در طول سال 39366 کیلو وات ساعت برق را به شبکه توزیع برق تزریق کرد.

در ابن پژوهش به مدلسازی و تحلیل تولید توان و گرما از منابع زیستی متفاوت بوسیله منابع زیستی و پیل سوختی پرداخته شده است. جهت استفاده از منابع زیستی دو روش اصلاح با بخار و اصلاح خشک برای تولید هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی مورد بررسی قرار گرفته است. پیل سوختی مورد استفاده در این پژوهش از نوع اکسید جامد است و تاثیر منابع مختلف بایوگاز به وسیله نسبت های متفاوت دی اکسید کربن و متان مورد بررسی قرار گرفته است . در راستای مقایسه بهتر مابین اصلاح با بخار و اصلاح خشک مدلسازی و مقایسه برای هر دو صورت گرفته است. تحلیل صورت گرفته از نوع ترمو اکانومیک است وکلیه پارامتر های مورد بررسی در برای تغییرات RCTC از 0.5 تا 4مورد بررسی قرار گرفته که RCTC نسبت مولی کربن دی اکسید، گاز ورودی به متان ورودی است. برای اعتبار سنجی مدل ارائه شده نتایج کار با یک پژوهش تجربی و یک پژوهش تئوری مقایسه شده است و نشان داده شده است که این کار نسبت به پژوهش تئوری مورد بررسی به واقعیت نزدیک تر است. در ادامه نمودار های مربوطه ترسیم شده اند و بخشی از نتایج حاصله از این پژوهش به شرح زیر آورده شده است. تغییرات بازده کلی برای هر دو چرخه نشان داد که چرخه اول بهتراست. چرخه رانکین برای تمام RCTC های مورد بررسی چرخه اول عملکرد بهتری نسبت به چرخه دوم نشان داده است. در تحلیل اقتصادی مشخص شد که برای تغییرات RCTC از 2 تا 5.3 چرخه اول عملکرد بهتری دارد و البته برای چرخه دوم هیچ نقطه بهینه ای قابل مشاهده نیست. در کل چرخه اول در عملکرد نتایج بهتری را نشان داده است اما با بررسی الودگی کربن ) انباشت گرافیت در کاتد( در پیل سوختی و این موضوع که این امر در چرخه اول اجتناب ناپذیر است از نظر طول عمر پیل سوختی و سلامت آن چرخه دوم نتایج بهتری را نشان داده است.

در پژوهش حاضر، یک سیستم هیبریدی تولید برق بر مبنای ژنراتور ترموالکتریک و توربین بادی، طراحی شده است. مدلسازی سیستم طراحی شده با استفاده از کدنویسی و نیز نرم افزار Fluent انجام شده است. در طراحی این سیستم از کلکتور هوای خورشیدی و دودکش خورشیدی، به دو منظور استفاده شده است، یکی جهت کمک به افزایش سرعت باد از طریق خاصیت ترموسیفونی هوا و گرم شدن هوا به هنگام عبور از داخل کانال و مجاورت با صفحه جاذب کلکتور که بر اثر قرارگرفتن در معرض نور خورشید گرم شده است و کاربرد دیگر جهت بهره گیری از صفحه جاذب به عنوان منبع گرم ترموالکتریک؛ به این صورت که ترموالکتریک ها در زیر صفحه جاذب کلکتورخورشیدی نصب شده اند و این صفحه نقش منبع گرم ترموالکتریک ها را دارد، و همچنین هوای عبوری از کانال کلکتور به عنوان منبع سرد ترموالکتریک درنظر گرفته شده است. درمقابل خروجی دودکش خورشیدی یک توربین بادی با محور چرخش عمودی ساونیوس قرار گرفته است که می توانیم از افزایش سرعت ایجاد شده در هوای خروجی از دودکش خورشیدی به دلیل گرم شدن هوا و کاهش چگالی آن جهت کمک به چرخش پره ها بهره ببریم. جهت اطمینان از نتایج حاصل، عملکرد هرکدام از اجزای اصلی سیستم با نتایج سایر محققان مورد مقایسه و اعتبار سنجی قرار گرفته است. نتایج نشان داد که برای یک حالت بهینه مشخص، هر ژنراتور ترموالکتریک و توربین بادی ساونیوس به ترتیب قادر به تولید 25 و 45/2 وات ساعت در روز می باشند. همچنین بازده کلکتور هوای خورشیدی، بازده ژنراتور ترموالکتریک و ضریب توان توربین بادی ساونیوس در یک ساعت خاص به ترتیب مقادیر 61، 17 و 56/19 درصد هستند. در این شرایط سرعت متوسط هوای خارج شده از دودکش خورشیدی به m/s 316/2 می رسد که به این ترتیب توان کل موجود در باد برابر است با 173/2 وات. با توجه به نتایج تحلیل اقتصادی، هزینه سرمایه گذاری اولیه و جریان نقدی سالانه به ترتیب برابر با 162230000 و 10096320 ریال و همچنین زمان بازگشت سرمایه 07/16 سال به دست آمده است. باتوجه به عدم استفاده از سوخت های فسیلی در سیستم، از تولید kg 436/1857 کربن دی اکسید در سال جلوگیری می شود.

تولید برق در چرخه های ترمودینامیکی معمولاً منجر به ایجاد تلفات حرارتی زیادی می شود، اما تولید همزمان چند محصول که منابع گرمایی نیاز دارند می تواند باعث افزایش ضریب بهره وری سوخت گردد. در این پژوهش یک چرخه تولید همزمان گرما و توان با قلب محرک پیل سوختی اکسید جامد طراحی شده که گازهای داغ خروجی از استک پیل سوختی پس از تولید توان در یک میکروتوربین گازی ، انرژی گرمایی خود را برای تامین بخشی از گرمای مورد نیاز آب شیرین کن گرما پایه از طریق یک واحد HRSG به این سیستم انتقال می دهد. از طرفی این چرخه قابلیت ذخیره سازی انرژی الکتریکی مازاد را بصورت هیدروژن در بستر هیدریدهای فلزی بر پایه منیزیوم دارد. آب شیرین کن طراحی شده یک سیستم تقطیری تک اثره بر پایه میکروجت بخار در مقیاس کوچک است که روزانه 5 مترمکعب آب شرب تولید می کند. براساس سناریویی طرح ریزی شده طبق الگوی مصرف آب و برق اعلامی از سوی وزارت نیرو، مشخص گردید که چرخه طراحی شده توانایی تامین انرژی برق یک واحد مسکونی 5 واحدی را داشته و آب شرب مورد نیاز 32 نفر را تامین می نماید. از مهمترین نتایج بدست آمده می توان به نسبت عملکرد 55/1 آب شیرین کن اشاره کرد. همچنین بازده الکتریکی چرخه 01/65 درصد، بازده کل 99/72 درصد بدست آمده است. این چرخه قابلیت ذخیره سازی سالانه 687/623 کیلوگرم هیدروژن را که انرژی معادل آن 789/20 مگاوات می باشد داراست. همچنین امکان فروش سالانه 32/1 مگاوات برق و نیز امکان بازیابی سالانه 831/214 کیلووات انرژی گرمایی ناشی از فرآیند هیدریداسیون را فراهم می نماید. عملکرد چرخه تولید توان، آب شیرین کن و سیستم ذخیره سازی هیدروژن بصورت مجزا و نیز کارکرد توامان مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر بسیاری از پارامترهای اصلی سیستم بر دیگر پارامترهای مهم مورد بررسی قرار گرفته است و بعنوان یک نتیجه کلی می توان اظهار کرد که چرخه پیشنهادی از شرایط کاری و بازدهی مناسبی برخوردار می باشد.

در طول چند سال گذشته، انرژیهای تجدیدپذیر به عنوان راه حل ممکن، برای مشکلات انرژی مناطق روستایی دور افتاده در مناطق سرد دیده شده است. این کار، بر امکان سنجی استفاده از سیستمهای انرژی تجدیدپذیر با توجه به منابع مختلف انرژی قابل تجدید در دسترس به صورت محلی، یعنی انرژی خورشیدی، زیست توده و بیوگاز با سیستم باتری و همچنین CHP پرداخته است. در این پایان نامه به بررسی تامین انرژی سه روستای سردسیر و سختگذر پیجبن، نرملات و دینهرود که در الموت شرقی استان قزوین واقع شدهاند؛ پرداخته شده است. به دلیل فقدان شبکه سراسری برق و لولهکشی گاز در سه روستای مورد مطالعه، مقدار برق و گاز مصرفی هر خانوار توسط قبضهای گاز و برق مصرفی روستاهای مشابه از لحاظ آب و هوایی، تخمین زده شده است. بررسی قبوض نشان داد که هر خانوار حدود 14 مترمکعب گاز طبیعی در هر روز در فصل زمستان و حدود 3/5 کیلوات ساعت برق در روز مصرف میکند. سه سناریو برای این تحقیق در نظر گرفته شده است. در مرحله اول، تمام گرمایش )همچنین پخت و پز( و نیازهای برق تنها توسط سیستم فتوولتاییک برآورده شده است. در سناریو دوم، گرمایش و الکتریسیته از طریق سیستم بیوگاز و موتور CHP تامین گردیده است؛ و از اتلاف حرارت موتور CHP جهت گرم کردن هاضم استفاده شده است. در بررسی آخر، نیاز الکتریسیته توسط سیستم فتوولتاییک و در کنارش نیاز گرمایشی توسط بیوگاز پوشش داده شده است. علاوه بر آن، گرمای مورد نیاز جهت عملکرد هاضم توسط سیستم فتوولتاییک تامین شده است. در هر سناریو، حجم هاضم و تجهیزات سیستم خورشیدی محاسبه گردیده است.در آخر، تحلیل اقتصادی بر حسب ارزش فعلی خالص برای نرخهای تنزیل 5 ،% 10 % و 15 % انجام شده است. سر انجام بهترین ترکیب برای تامین انرژی این روستاها توصیه شده است.

موضوع انرژی و یافتن راه کارهایی جهت کاهش مصرف آن موضوعی است که سالیان متمادی توجه محققین را به خود معطوف نموده است. تولید انرژی الکتریکی در نیروگاه هایی با راندمان نسبتا پایین و در کنار آن اتلافات ناشی از انتقال آن به نقاط مصرف و دلایلی دیگر موجب شد تا تلاش ها در جهت تولید الکتریسیته در نقاط مصرف معطوف گردد و با بهره گیری از انرژی حرارتی اتلافی از سیکل تولید توان، سایر نیازهای سرمایشی و گرمایشی مورد نیاز تامین شود. این روش گامی بسیار موثر در کاهش مصرف سوخت به شمار می آید. در این تحقیق سیستم های جدید تولید همزمان در ابعاد میکرو که قابلیت حمل توسط افراد را دارند پیشنهاد شده اند و ضمن طراحی و انتخاب اجزای آنها، تحلیل ترمودینامیکی و اگزرژی آنها توسط نرم افزار EES در شرایط اقلیمی مختلف انجام شده اند. شرایطی که بهترین عملکرد این سیستم ها در آن رخ می دهد تعیین شده اند و سیکل های تولید همزمان قابل حمل پیشنهادی این تحقیق بر اساس نتایج بدست آمده از لحاظ معیارهای اقتصادی، ترمودینامیکی، زیست محیطی و سایر معیارها بررسی شده اند و با استفاده از روش تصمیم گیری چند معیاری (MCDM) مناسب ترین سیستم در هر حالت مشخص شده است. نتایج نشان داد که سیستم پیشنهادی مبتنی بر میکرو توربین گاز با وزنی حدود 15 کیلوگرم قادر به تامین همزمان بارهای فرد با حداکثر راندمان 16% در حالت سرمایش و 21% در حالت گرمایش می باشد و سیستم پیشنهادی مبتنی بر پیل سوختی غشاء تبادل پروتون با وزنی حدود 5 کیلوگرم قادر به تامین همزمان بارهای فرد با حداکثر راندمان 12% در حالت سرمایش و 37% در حالت گرمایش می باشد. همچنین نتایج نشان داد که هر دو سیستم پیشنهادی در حالت گرمایشی عملکرد مناسب تری نسبت به حالت سرمایشی دارند و در حالت قابل حمل پوشیدنی( حالتی که فرد در حین حرکت خود از سیستم استفاده می نماید) سیستم مبتنی بر پیل سوختی با توجه به موضوع وزن، ایمنی و .... نسبت به سیستم مبتنی بر میکرو توربین گازی عملکرد مناسب تری دارد. در حالت قابل حمل غیرپوشیدنی نیز سیستم مبتنی بر پیل سوختی در حالت زمستانی عملکرد مناسب تری دارد ولی در حالت تابستانی سیستم مبتنی بر میکرو توربین گازی عملکرد مناسب تری دارد.

در تحقیق حاضر، دو چرخه تولید همزمان برق و گرما که برای مصارف مسکونی مناسب می باشند، طراحی گردید و مورد تحلیل و ارزیابی قرار گرفت. اجزای اصلی هردو چرخه، یک سیستم ترکیبی فتوولتاییک حرارتی (PVT) و ژنراتور ترموالکتریک (TEG) می باشد. در هردو چرخه ارائه شده، سیستم فتوولتاییک حرارتی به صورت همزمان برق و گرما تولید می کند. برق تولید شده توسط باتری ذخیره می شد. برای استفاده از آب گرم تولید شده و تولید الکتریسیته بیشتر، در هردو چرخه از مواد ترموالکتریک به عنوان ژنراتور استفاده شد. به این صورت که ژنراتور ترموالکتریک بین منبع و چاه گرمایی قرار می گرفت و با برقراری اختلاف دما، پتانسیل الکتریکی ایجاد می شد. از آب گرم تولید شده توسط سیستم PVT به عنوان منبع گرما و آب با دمای ℃20 به عنوان چاه گرمایی استفاده شد. در چرخه اول، آب وارد مجرای کلکتور می شد و با دریافت گرمای تابش خورشید در مخزن تعبیه شده ذخیره می شد. در چرخه دوم، در ساعت اولیه روز مخزن حاوی آب با دمای برابر با دمای محیط بود که در هر لحظه توسط پمپ با یک گردش اجباری وارد کلکتور می شد و پس از دریافت گرما از صفحه جاذب، مجدداً وارد مخزن می شد. مدل های ریاضی ترکیبی فتوولتاییک حرارتی، ژنراتور ترموالکتریک و سایر اجزای چرخه ها استخراج و با برنامه کامپیوتری متلب (MATLAB) کدنویسی شدند. برای اطمینان از مدل های استخراج شده، عملکرد هرکدام از اجزای اصلی چرخه ها با کار دیگر محققان مقایسه گردید. در نهایت هردو چرخه ارائه شده از دیدگاه های مختلفی هم چون تحلیل انرژی، اگزرژی و اقتصادی مورد مقایسه قرار گرفتند. نتایج نشان داد که برای شرایط عملیاتی مشابه، بیش ترین انرژی حرارتی و الکتریکی دریافتی سیستم خورشیدی و انرژی الکتریکی ژنراتور ترموالکتریک در یک ساعت خاص برای چرخه اول به ترتیب مقادیر 76/864، 86/171 و 8/0 وات می باشد. هم چنین بیش ترین بازده حرارتی، الکتریکی و اگزرژی سیستم خورشیدی و بیش ترین بازده الکتریکی و اگزرژی ژنراتور ترموالکتریک در یک ساعت خاص برای چرخه اول به ترتیب مقادیر 3/54، 22/15، 2/16، 9/0 و 6/14 درصد می باشد. برای چرخه دوم نیز بیش ترین انرژی حرارتی و الکتریکی دریافتی سیستم خورشیدی و انرژی الکتریکی ژنراتور ترموالکتریک در یک ساعت خاص به ترتیب 6/866، 86/171 و 09/0 وات می باشد. بیش ترین بازده حرارتی، الکتریکی و اگزرژی سیستم خورشیدی و بیش ترین بازده الکتریکی و اگزرژی ژنراتور ترموالکتریک در یک ساعت خاص برای چرخه دوم نیز به ترتیب مقادیر 2/63، 22/15، 09/15، 39/0 و 82/13 درصد به دست آمد. هم چنین، با توجه به نتایج تحلیل اقتصادی، زمان بازگشت سرمایه و ارزش خالص فعلی برای چرخه اول به ترتیب برابر 4/8 سال و 8/267 دلار، و برای چرخه دوم نیز 1/8 سال و 16/280 دلار به دست آمد. بررسی نتایج به دست آمده حاکی از آن بود که عملکرد چرخه اول از دیدگاه بازدهی انرژی و اگزرژی نسبت به چرخه دوم بهتر است.

در این پژوهش، دو چرخه تولید هم زمان برق، گرما و سرما (CCHP) در مقیاس میکرو طراحی شده است که برای کاربری قابل حمل و نیز استفاده در یک واحد مسکونی مناسب می باشد. موتور اصلی این چرخه ها، یک پیل سوختی پلیمری (PEMFC) می باشد؛ که با هیدروژن کار می کند. در چرخه پیشنهادی اول پیل سوختی پلیمری کار تولید برق و گرما را انجام می دهد و برق تولیدی در باتری ذخیره می شود. در این طراحی از مواد ترموالکتریک جهت تولید سرما استفاده شده است که برق مورد نیاز خود را از باتری گرفته است. در چرخه پیشنهادی دوم از گرمای تولیدی پیل سوختی برای تولید آب گرم استفاده شده است. جهت تولید سرمایش، آب گرم تولیدی نیز به یک چیلر جذب سطحی داده شده است. در طراحی این چرخه بخش ترموالکتریک به عنوان ژنراتور، بین منبع و چاه گرمایی قرار گرفته است که می تواند برق تولید کند. مدل های ریاضی پیل سوختی پلیمری و دیگر اجزا سیستم استخراج و کدنویسی شده اند و اجزای اصلی این چرخه ها با کار دیگر محققان مقایسه و اعتبار سنجی شده است. در نهایت این چرخه ها به وسیله معیارهای انرژی، اگزرژی و زیست محیطی مورد بررسی و ارزیابی قرارگرفته اند. همچنین دو چرخه پیشنهاد شده از دیدگاه های مختلف با هم مقایسه شده اند. نتایج نشان داد که در حالت مشخص چرخه پیشنهادی اول قادر به تولید 79/2 کیلووات برق، 04/3 کیلووات گرما و 8/26 وات سرما است. بازدهی انرژی چرخه تولید هم زمان به 94/76% رسید و به میزان 25/43% در مصرف سوخت صرفه جویی شده است. راندمان اگزرژی چرخه نیز 86/53% می باشد. علاوه بر این، از تولید 58/2 کیلوگرم دی اکسید کربن به ازای هر ساعت کار دستگاه، جلوگیری شده است. چرخه پیشنهادی دوم نیز قادر به تولید 79/2 کیلووات برق، 39/2 کیلووات گرما و 06/209 وات سرما است. بازدهی انرژی و اگزرژی این چرخه نیز به ترتیب 78/74% و 13/53% می باشد. این چرخه می تواند از تولید 5/2 کیلوگرم دی اکسید کربن به ازای هر ساعت کار دستگاه، جلوگیری کند و در مقایسه با سیستم های معمول، 68/41% کاهش مصرف سوخت به دست آمده است. تحلیل اگزرژی نیز نشان دادکه پیل سوختی پلیمری دارای بیشترین تلفات اگزرژی است. ارزیابی ها حاکی از آن است که چرخه اول از دیدگاه های انرژی، اگزرژی و زیست محیطی نسبت به چرخه دوم بهتر عمل می کند.

در پایان نامه حاضر، یک سیستم آب شیرین کن حرارتی چندمرحله ای بر پایه فلاشینگ (MSF) در نظر گرفته شده که در کنار آن از یک میکروتوربین 30 کیلوواتی به منظور تولید الکتریسیته و تامین گرمای لازم برای فرآیند نمک زدایی استفاده می شود. هدف از طراحی این سیستم تامین نیاز آبی و بخشی از نیاز الکتریکی یک ساختمان مسکونی 8 واحده با جمعیت 32 نفر می باشد. پس از طراحی سیستم پیشنهادی و مدل سازی اجزاء مختلف آن، سیستم از سه دیدگاه انرژی، اکسرژی و اقتصادی مورد تحلیل قرار گرفته است. در بخش انرژی مهم ترین هدف محاسبه دما، دبی و غلظت جزء نمک مربوط به نقاط مختلف سیستم و هدف از تحلیل اکسرژی محاسبه جریان اکسرژی در نقاط مختلف و در نهایت بازده اکسرژی سیستم آب شیرین کن می باشد. در بخش اقتصادی هم هدف از انجام تحلیل محاسبه دو پارامتر نرخ بازگشت داخلی و دوره بازگشت سرمایه می باشد. همچنین ابعاد ظاهری محفظه در هر مرحله، سطح حرارتی کندانسور و طول کل لوله های مورد نیاز سیستم هم تعیین گردیده است. از جمله مهم ترین نتایج به دست آمده می توان به ضریب عملکرد و بازده اکسرژی سیستم اشاره کرد که به ترتیب 8/5 و 4/2 به دست آمده اند. از طرفی بر اساس نتایج حاصل از تحلیل اقتصادی، درآمد سالانه این پروژه بالغ بر 50 هزار دلار برآورد شده است که با در نظر گرفتن هزینه های تعمیر و نگهداری 37 هزار دلاری و هزینه اولیه 400 هزار دلاری، دوره بازگشت سرمایه در حدود 3/0 سال و نرخ بازگشت داخلی پروژه پس از گذشت 15 سال 30 هزار دلار می باشد. پس از به دست آمدن نتایج، دو پارامتر دمای بیشینه و دبی آب تولیدی به عنوان پارامتر طراحی در بخش تحلیل حساسیت در نظر گرفته شدند و تاثیر آن ها بر سایر پارامترهای اصلی سیستم مورد ارزیابی قرار گرفت. به علاوه در بخش تحلیل حساسیت، تاثیر تغییر ارزش پول بر پارامترهای اقتصادی سیستم نیز محاسبه شد. در نهایت، با توجه به نتایج به دست آمده نتیجه گرفته شد که سیستم پیشنهادی قابل اجرا و توجیه پذیر است.

امروزه با توجه به موضوع بحران انرژی و محدودیت سوخت های فسیلی به عنوان منابع تجدید ناپذیر انرژی، بهینه سازی انرژی مصرفی این نوع منابع مانند گاز طبیعی، بیشتر موردتوجه قرارگرفته است. دراین بین نیز از سال های گذشته تاکنون تحلیل و بهینه سازی نیروگاه های حرارتی به عنوان مراکز اصلی تولید انرژی الکتریکی که مصرف سوخت بسیار بالایی دارند موردتوجه بوده است. روش های مختلفی در این زمینه ارائه شده که در تحلیل و طراحی بهینه ی نیروگاه های حرارتی مورداستفاده قرارگرفته اند؛ تحلیل های پینچ، اگزرژی و مرکب پینچ-اگزرژی نیز از آن ها می باشند. در این پژوهش پس از معرفی و چگونگی عملکرد تحلیل های اگزرژی، پینچ، پینچ-اگزرژی و مفاهیم مربوط به آن ها، نیروگاه سیکل ترکیبی قلیان سنندج که از گاز طبیعی به عنوان سوخت اولیه خود بهره می برد؛ با استفاده از این مفاهیم تحلیل و بهینه سازی خواهد شد. ابتدا با استفاده از تحلیل های ذکرشده میزان تلفات کلی، کارایی اجزای سیستم و کارایی کل نیروگاه سیکل ترکیبی قلیان سنندج به صورت کامل شناسایی و تعیین می شود. در مرحله بعدی به بهینه سازی نتایج تحلیل های صورت گرفته بر روی نیروگاه سیکل ترکیبی قلیان سنندج، با استفاده از الگوریتم ژنتیک خواهیم پرداخت که نتیجه ی آن کاهش تلفات و افزایش کارایی کلی نیروگاه خواهد بود.

در این پژوهش، به تحلیل ترمودینامیکی، زیست محیطی و اقتصادی یک سیستم خورشیدی تولید همزمان سرما، گرما و توان در یک ساختمان مسکونی پرداخته شده است. در این سیستم محرک اصلی موتور احتراق داخلی، سیستم گرمایش خورشیدی، ژنراتور الکتریکی، سیستم بازیاب حرارتی، تجهیزات فعال شده به وسیله ی حرارت و یک بویلرکمکی به کار برده شده است. گرمای بازیافت شده از سیال خنک کننده ی بدنه موتور، گازهای خروجی از اگزوز و روغن موتور به منظور تامین نیاز گرمایی و سرمایی ساختمان استفاده شده است. همچنین سیستم گرمایش خورشیدی در کنار حرارت بازیاب شده از موتور احتراق داخلی با سیستم کوپل شده و بخشی از بار گرمایشی و سرمایشی واحد را تامین کرده است. پارامترهای ترمودینامیکی(میزان مصرف سوخت و بازده اگزرژی)، پارامترهای زیست محیطی (کاهش آلاینده-های CO2، CO و NOx) و پارامترهای اقتصادی(ارزش خالص فعلی، نرخ بازده داخلی و مدت زمان برگشت سرمایه) در اندازه های مختلف موتور مورد بررسی قرار گرفته است. بیشترین کاهش مصرف سوخت % 48/33 بیشترین افزایش بازده اگزرژی % 65/98، بیشترین کاهش CO2% 34/57، بیشترین کاهش CO% 9/80 و بیشترین کاهش NOx %77/99 بدست آمده است. همچنین کمترین مدت زمان برگشت سرمایه حدود 11 سال بدست آمده است. با توجه به نتایج بدست آمده، استفاده از سیستم خورشیدی تولید همزمان نه تنها موجب کاهش مصرف سوخت و افزایش بازده اگزرژی شده، بلکه موجب کاهش انتشار آلاینده های زیست-محیطی نیز می گردد. اما با بررسی پارامترهای اقتصادی به علت هزینه سرمایه گذاری بسیار زیاد، استفاده از سیستم خورشیدی تولید همزمان توجیه اقتصادی ندارد.

رشد سریع جمعیت جهانی منجر به افزایش سریع تقاضای جهانی برای انرژی شده است. مهم ترین بخش از استراتژی انرژی هر کشوری صرفه جویی در مصرف انرژی است و به دلیل منابع محدود انرژی و افزایش آلودگی محیطی ناشی از استفاده از سوخت های فسیلی، صرفه جویی در انرژی اجباری شده است. مصرف انرژی در واحدهای تجاری و خانگی حدود 40 درصد کل میزان مصرف انرژی کشور است. لذا با توجه به نیاز شدید جامعه به مسکن و رشد روزافزون جمعیت و بحران های زیست محیطی استفاده از راهکار‎های جدید در صنعت ساختمان مشهود می باشد. از جمله منابع طبیعی و تجدیدپذیری که می تواند برای رسیدن به این اهداف موثر واقع شود، کاه و کلش می باشد که به دلیل داشتن مزایایی از جمله طبیعی بودن، قابل دسترس بودن و ارزان بودن، در این مطالعه از آن به عنوان عایق طبیعی استفاده شده است. لذا این تحقیق خصوصیات حرارتی بلوک های سفالی پر شده از کاه و کلش (به عنوان عایق طبیعی) را با هدف بهبود عملکرد حرارتی دیواره خارجی مورد بررسی قرار می دهد. مدل به کار رفته در طول آزمایش از چهار دیواره خارجی متشکل از بلوک های سفالی دارای ضخامت و مساحت یکسان که 50% از بلوک های مدل ساخته شده از کاه گندم با چگالی g/cm3 156/0 پر شده، تشکیل شده است. به منظور اندازه گیری مقدار اتلاف انرژی حرارتی از دیواره‎های مدل نیز، از دستگاه ترمومتر چهارکاناله دیتالاگردار مدل TM-947SD و چهار سنسور حرارتی سطحی مدل TP-04 استفاده شد. مقایسه خصوصیات حرارتی شامل ضریب هدایت حرارتی، نرخ انتقال حرارت و ضریب انتقال حرارت کلی در دو نوع دیواره بدون عایق و عایق کاری شده بهبود عملکرد حرارتی دیواره را به ترتیب ازW/m°C 2/0 به 04/0 ، W/m2 36/18 به 98/6 و C° W/m27/1 به 41/0 نشان می دهد. همچنین نتایج نشان داد که درصد بهبود عملکرد حرارتی 72% تا 81% در دیواره عایق کاری شده، بوده است.