Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
1
Ć
wiczenie
nr 9
Temat ćwiczenia:
Ogniwo paliwowe odwracalne
Konspekt
Nr zespołu:
Wydział, rok, grupa:
Data
Ocena
Nazwisko i imię
Teoria
Wykonanie ćwiczenia Końcowa z ćwiczenia
1.
2.
Elementy układu:
1) zespół ogniwo fotowoltaiczne – elektrolizer, ogniwo paliwowe- obciążenie zewnętrzne (wiatraczek)
2) źródło światła,
3) żarówki- 1 szt,
4) miernik uniwersalny – 2 szt;
5) komplet przewodów;
6) stoper;
7) luksomierz;
8) linijka;
9) woda destylowana ( dejonizowana).
1. Wprowadzenie
Wodór dla ogniw paliwowych może być wytwarzany
○
z paliw kopalnych: na drodze reformingu gazu ziemnego, częściowego utlenienia ropy naftowej
oraz zgazowania węgla;
○
z biomasy: na drodze zgazowania lub poprzez fermentacje i reforming otrzymanego biogazu;
○
z elektrolizy wody.
Gdyby kierowano się wyłącznie kryteriami ekonomicznymi to jeszcze przez długie lata
wodór na skalę przemysłową pozyskiwany byłby wyłącznie z paliw kopalnych. Relacje kosztów
wytwarzania wodoru z różnych źródeł przedstawione zostały na Rys.1. Zaprezentowane
oszacowanie uwzględnia ceny surowców i technologie stosowane w 1999 r. - gdyby nawet przyjąć
optymistyczny, pięćdziesięcioprocentowy spadek kosztów pozyskiwania energii elektrycznej z
siłowni wiatrowych i ogniw fotowoltaicznych w najbliższych latach, to dalej byłyby to najdroższe
sposoby wytwarzania wodoru. Również i w tym zakresie konieczne jest więc ekonomiczne
stymulowanie rozwoju technologii bazujących na odtwarzalnych źródłach energii poprzez
utrzymywanie lub wprowadzenie systemu preferencji i kar finansowych. Na Rys.1. nie
przedstawiono kosztów otrzymywania wodoru z gazu fermentacyjnego i wysypowiskowego.
Paliwo to uzyskuje się prawie za darmo ponieważ jest produktem ubocznym oczyszczalni ścieków,
składowisk odpadów, zakładów przemysłu organicznego lub farm hodowlanych, jego znaczenie ma
ważny charakter lokalny, ale tylko w ograniczonym zakresie może pokryć zapotrzebowanie
konsumentów energii elektrycznej.
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1
2
3
4
5
6
7
1.
Konwersja gazu ziemnego
2.
Zgazowanie węgla
3.
Zgazowanie biomasy
4.
Częściowe utlenianie ropy
naftowej
5.
Elektroliza (hydroenergia)
6.
Elektroliza (energia
wiatrowa)
7.
Elektroliza (ogniwa
fotowoltaiczne)
dol US/GJ
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1
2
3
4
5
6
7
1.
Konwersja gazu ziemnego
2.
Zgazowanie węgla
3.
Zgazowanie biomasy
4.
Częściowe utlenianie ropy
naftowej
5.
Elektroliza (hydroenergia)
6.
Elektroliza (energia
wiatrowa)
7.
Elektroliza (ogniwa
fotowoltaiczne)
dol US/GJ
Rys. 9.1. Koszty wytwarzania wodoru z różnych źródeł (wg cen z 1999 r.)
Biogaz z oczyszczalni ścieków i biogazowni rolniczych oraz gaz wysypiskowy
Typowe składy gazu fermentacyjnego ze ścieków komunalnych oraz gazu wysypiskowego
podane zostały w Tabeli 9.1.
Tabela 9.1. Typowy skład gazu fermentacyjnego ze ścieków komunalnych oraz gazu
wysypiskowego
Składnik
Gaz fermentacyjny
Gaz wysypiskowy
Metan
55-70%
15-60%
Dwutlenek węgla
27-44%
10-40%
Wodór
0.2-1.0%
Siarkowodór
0.3-3.0%
do 200 mg/m
3
Tlenek węgla
ok. 1%
Związki chloru
<< 1%
do 100 mg/m
3
Związki amoniaku
<< 1%
Związki fluoru
do 20 mg/m
3
Halogenopochodne
<< 1%
do 50 mg/m
3
__________________________________________________________________________
Zgodnie z danymi GUZ roczna masa osadów ściekowych wytworzonych w 2000 r. w Polsce
wynosiła 3 280 000 ton. Przyjmując, że z 1 tony osadów uzyskuje się ok. 60 m
3
biogazu na dobę
(wg danych z Toruńskiej Oczyszczalni Ścieków), można oszacować potencjalną ilość
wytworzonego biogazu na ok. 0,2 mld m
3
/rok. W przeliczeniu na czysty metan stanowi to
odpowiednik 0,11- 0,14 mld m
3
/rok.
Dane GUZ z 2000 r. podają, że sumaryczna powierzchnia składowisk w Polsce wynosiła
3129 ha. Stosując technologię drenażu, można uzyskać w ciągu doby z 1 ha wysypiska ok. 300 m
3
gazu wysypiskowego (instalacja w Szadółkach k. Gdańska). Wynika z tego, że z wysypiska w
Polsce mogą potencjalnie dostarczyć ok. 0,34 mld m
3
/rok biogazu, co w przeliczeniu na czysty
metan stanowi 0,05 – 0,20 mld m
3
/rok.
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
3
W polskich gospodarstwach rolnych powstaje rocznie 38 mln m
3
gnojowicy oraz 85 mln m
3
obornika [2]. Przy założeniu, że z 1 m
3
płynnych odchodów uzyskuje się ok. 20 m
3
a z 1 m
3
obornika ok. 30 m
3
biogazu, można oszacować, że z tego źródła pochodzić może rocznie 3,3 mld
m
3
biogazu – stanowi to równoważnik 1,8-2,3 mld m
3
czystego metanu. Obecnie w Polsce prawie
nie wykorzystuje się technologii wytwarzania paliwa z odpadów pohodowlanych, a ze względu na
uwarunkowania związane z ich pozyskiwaniem i użytkowaniem trudno jest się spodziewać aby
stopień wykorzystania tych odpadów w przyszłości wynosił powyżej 50%. Przy takim
współczynniku wykorzystania, potencjalna ilość czystego metanu pochodzące z tego źródła może
wynosić 0,9-1,15 mld m
3
/rok.
W sumie, przy optymalnym wykorzystanie trzech podanych technologii, można uzyskać
potencjalnie 1,06-1,49 mld m
3
/rok czystego metanu w formie odtwarzalnego gazowego paliwa
biologicznego. Stanowi to 9,6-13,6% rocznego zapotrzebowania krajowego na metan zawarty w
zużywanym gazie ziemnym (ok. 11 mld m
3
/rok). Jeżeli jednak wykluczyć potencjalnie największy
wkład produkcji biogazu z gnojowicy i obornika – w szczególności w zakresie technologii
fermentacji metanowej odpadów stałych rokowania w Polsce na najbliższą przyszłość nie są
korzystne [2] – to udział ten spadnie do 1,5-3,1%.
Pomimo tak niewielkiego potencjalnego udziału biogazu w bilansie energetycznym (na
ś
wiecie udział ten kształtuje się na podobnym poziomie jak w Polsce), wielu producentów ogniw
paliwowych dostosowuje wytwarzane przez siebie generatory do tego typu zasilania. Ze względu na
prawie darmowe pozyskiwanie biogazu maleją koszty eksploatacyjne urządzeń energetycznych i w
ten sposób chociaż częściowo może być zrekompensowana wysoka cena ogniw paliwowych.
Towarzyszące takim przedsięwzięciom zyski ekologiczne (przeciwdziałanie ulatnianiu się do
atmosfery biogazu, który jest efektywnym gazem cieplarnianym, współwytwarzanie energii
elektrycznej i cieplnej w pobliżu konsumenta bez hałasu i zatrucia środowiska) stanowią ważne
argumenty propagandowe dla producentów w okresie wprowadzania nowej technologii.
Zmodyfikowane jednostki dostępnych komercyjnie generatorów OP z kwasem fosforowym zostały
zainstalowane w browarze Asahi w Sapporo (Toshiba), oczyszczalniach ścieków, np. GEW Köln
AG (ONSI – PC 25), wysypiskach śmieci (ONSI – PC 25), podjęto również próby z węglanowym
OP wykorzystującym gaz fermentacyjny z gnojowicy oraz stałotlenkowym OP zasilanym
bezpośrednio gazem wysypiskowym. Warunkiem powodzenia przedstawionych zastosowań było
przeprowadzenie odpowiednich adaptacji jednostek – dodatkowe usuwanie pewnych
zanieczyszczeń z biogazu (związki siarki, halogenopochodne, cząstki powyżej 0.5 µm),
powiększenie średnic niektórych przewodów i zwiększenie wydajności wybranych urządzeń
pomocniczych ze względu na mniejszą zawartość metanu w gazie zasilającym.
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
4
Zgazowanie biomasy
Produktem zgazowanie biomasy jest tzw. gaz syntezowy składający się z wodoru (H
2
),
tlenku węgla (CO), metanu (CH
4
), dwutlenku węgla (CO
2
), pary wodnej (H
2
O) i niewielkich ilości
wyższych węglowodorów. W zależności od typu użytego gazogeneratora uzyskuje się różne
udziały tych składników. Jeżeli generator z ogniwami paliwowymi znajduje się w niewielkiej
odległości od instalacji zgazowania biomasy, to oczyszczony gaz syntezowy może zostać
zastosowany na miejscu do zasilania tego generatora. Z reguły gaz zasilający musi zostać wtedy
poddany dodatkowym procedurom dostosowującym jego parametry do rodzaju ogniwa
paliwowego. Na przykład, dla OP polimerowych (PEMFC) należy w zewnętrznym reaktorze
przetworzyć tlenek węgla znajdujący się w gazie syntezowym w ilości ok. 30 – 60% w dodatkowe
ilości wodoru wykorzystując reakcję gazu wodnego:
CO + H
2
O → H
2
+ CO
2
a resztkowe ilości CO usunąć do zawartości poniżej 100 ppm - CO niszczy bowiem katalizator tych
ogniw. Gdy stosowane są ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe wtedy usuwanie CO nie jest
konieczne - tlenek węgla nie tylko nie jest substancją dla tych ogniw szkodliwą ale wręcz jest dla
nich gazem paliwowym lub dodatkowym źródłem wodoru.
W przypadku zasilania jednostek z ogniwami paliwowymi oddalonych od gazogeneratorów
biomasy (dotyczy to również samochodów elektrycznych), dosyć powszechnie rozważa się syntezę
metanolu (CH
3
OH) z gazu syntetycznego. Metanol, jako nośnik energii, ma jedną niewątpliwą
przewagę na wodorem – jest płynny w temperaturze otoczenia, a więc trudności z jego
magazynowaniem i transportem są dużo mniejsze. Syntezę metanolu z mieszaniny CO+CO
2
+H
2
przeprowadza się na katalizatorach (najczęściej Cu-Zn-Al lub Cu-Zn-Cr) pod ciśnieniem 40-110
bar w temperaturze 220-280°C według reakcji:
CO + 2H
2
→ CH
3
OH
CO
2
+ 3H
2
→ CH
3
OH + H
2
O
Otrzymany produkt (metanol) jest w niewielkim tylko stopniu zanieczyszczony produktami
ubocznymi, których masa (oprócz wody) nie przekracza 0,5%. Dostarczony do ogniwa paliwowego
metanol musi zostać poddawany reformingowi, w wyniku którego ponownie uzyskuje się gaz
bogaty w wodór. W takich przypadkach zalecana jest reakcja reformingu parowego na katalizatorze
miedzianym w temperaturze poniżej 260°C [7]:
CH
3
OH + H
2
O → CO
2
+ 3H
2
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
5
Otrzymany gaz praktycznie nie zawiera CO, gdyż w tych warunkach nie następuje termiczny
rozkład metanolu (CH
3
OH → CO + 2H
2
) .
Wodór z elektrolitycznego rozkładu wody
Na skutek przepływu prądu przez elektrolit wodny (doprowadzenia energii elektrycznej)
następuje jego rozkład na wodór i tlen. Z kolei w ogniwie paliwowym zachodzi proces odwrotny –
w wyniku elektrochemicznej syntezy wodoru i tlenu wytwarzana jest energia elektryczna a
produktem ubocznym procesu jest woda. Jeżeli mamy do czynienia z obiegiem zamkniętym:
energia elektryczna → elektroliza → wodór jako produkt elektrolizy → wodór jako paliwo ogniw
paliwowych → ogniwo paliwowe → energia elektryczna
to zawsze, na skutek strat w procesach pośrednich, energia elektryczna wyprowadzona będzie
mniejsza od energii elektrycznej wprowadzonej do układu. Jeżeli więc proces ten ma mieć
uzasadnienie ekonomiczne, to wodór uzyskany z elektrolizy może być stosowany jako paliwo w
ogniwie paliwowym tylko w szczególnych przypadkach:
○
źródłem prądu elektrolizera jest generator energii odnawialnej działający okresowo (elektrownia
wiatrowa, bateria ogniw fotowoltaicznych) w systemie energetyki rozproszonej, ogniwo
paliwowe zużywa paliwo wodorowe dla pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną w
okresie gdy nie działają zasadnicze urządzenia prądotwórcze;
○
do elektrolizy wykorzystuje się tanią energię elektryczną, w okresach jej nadprodukcji (np. w
nocy) a otrzymany wodór jest zużywany w ogniwie paliwowym w okresie zapotrzebowania
szczytowego;
○
niektóre wielkie elektrownie wodne nie są włączone w międzynarodowy system sieci
energetycznych (Brazylia, Quebec, Afryka) i dlatego ich potencjał produkcyjny nie jest w pełni
wykorzystany – ich moc nadmiarowa może być wtedy wykorzystana do wytwarzania wodoru na
sprzedaż;
○
szczególne okoliczności pracy urządzeń elektrycznych powodują, że korzystne jest uzyskiwanie
wodoru na drodze elektrolizy lub cena wodoru jest zaniedbywanie mała w stosunku do kosztów
eksploatacji (np. stacje tankowania samochodów elektrycznych, cele militarne, sprzęt
przenośny).
Stosowana od ponad stu lat na skalę przemysłową elektroliza wody jest najbardziej sprawdzoną
technologią otrzymywania czystego wodoru. Rozwój technologii elektrolitycznego rozkładu wody
spowodował, że oprócz powszechnie stosowanych dotąd elektrolizerów z elektrolitem alkalicznym
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
6
(zazwyczaj 30% roztwór KOH) pojawiły się również elektrolizery z elektrolitem kwaśnym,
wykorzystujące membrany polimerowe o przewodnictwie protonowym (identyczne ze
stosowanymi w polimerowych ogniwach paliwowych). Prowadzone są również zaawansowane
próby z elektrolizą pary wodnej w elektrolizerach z membraną z tlenku cyrkonu stabilizowanego
tlenkiem itru (materiał elektrolitu ogniw paliwowych stałotlenkowych). Wydawałoby się więc, że
łatwo można zbudować urządzenie działające jako elektrolizer i ogniwo paliwowe jednocześnie
(odwracalne ogniwo paliwowe). Takie rozwiązanie znacznie uprościłoby układ stosowany w
rozproszonym systemie energetycznym z wykorzystaniem elektrowni wiatrowej i ogniw
fotowoltaicznym. Jak do tej pory nie osiągnięto na tym polu zadawalającego postępu – stosuje się
zazwyczaj osobny układ elektrolizera i ogniwa paliwowego w systemie tzw. regeneratywnego
ogniwa paliwowego. Schematyczne przedstawienie współdziałania elementów w tym systemie
przedstawiono na Rys.9.2.
System
zarządzania
energią
H
2
Ogniwo
paliwowe
H
2
Do użytkownika
Rys.9.2. Schemat ogniwa paliwowego odwracalnego korzystajacego z energii słonecznej i
wiatrowej
Elektrolizer
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
7
I.
Wykonanie ćwiczenia
Rys. 9.3. Model ogniwa paliwowego odwracalnego, używanego w omawianym ćwiczeniu
1. Przygotowanie elektrolizera do pracy
a) Otwórz klipsy założone na obydwóch rurkach wychodzących z ogniwa paliwowego (Rys.9.3).
b) Wlej wodę dejonizowaną ( destylowaną) do cylindrów elektrolizera tak aby menisk wody był na
poziomie „0”. Jeżeli w elektrolizerze widoczne są pęcherzyki powietrza to usuń je pompując wodę
do elektrolizera poprzez rytmiczne uciskanie i zwalnianie wężyka. (Rys. 9.3)
c) Zakręć zbiorniki kompensujące. (Rys. 9.3).
2. Ustaw zespół ogniwo fotowoltaiczne-ogniwo paliwowe w ten sposób aby odległość żarówki od
ogniwa fotowoltaicznego wynosiła około l = 40-50 [cm].
zbiornik tlenu
zbiornik wodoru
elektrolizer
zbiorniki kompensujące
obciążenie - wiatraczek
ogniwo paliwowe
moduł fotowoltaiczny
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
8
3. Pomiar oświetlenia na powierzchni ogniwa fotowoltaicznego:
a) Zmierz powierzchnię fotoogniwa i zanotuj wyniki w Tab. 9.2.
b) Zanotuj moc i rodzaj stosowanej żarówki w Tab.9.2. Włącz lampę.
c) Wyjmij luxomierz z futerału i wyciągnij wtyczkę zespołu sensora z luksomierza.
d) Zdejmij kapturek, przełącz przełącznik czerwony w pozycję „lux”, naciskaj przycisk „Range”, aż
do momentu gdy w dolnej części wyświetlacza ukaże się napis „X 10 lux.” (Rys.9.4).
e) Wykonaj pomiar oświetlenia ogniwa fotowoltaicznego trzymając sensor równolegle do jego
powierzchni w osi centralnej ogniwa (Rys. 9.5).
Rys.9.5. Pomiar oświetlenia ogniwa luksometrem
f) Ustaw lampę tak aby oświetlenie na powierzchni ogniwa fotowoltaicznego wynosiło
od 15 -19 tys. luxów. Zanotuj w Tab. 9.2. wielkość oświetlenia panelu fotowoltaicznego.
4. Przyłącz ogniwo fotowoltaiczne do elektrolizera tak aby przewód czerwony ogniwa
fotowoltaicznego przyłączony był do gniazda czerwonego elektrolizera, a przewód czarny do
gniazda czarnego.
5. Odczekaj ok. 10 min. w celu wypłukania resztek powietrza ze zbiorników gazu i ogniwa
paliwowego.
Sensor luksomierza
fotoogniwo
Rys.9.4. Luksomierz
Wtyczka
luksomierza
Kapturek
sensora
sensor
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
9
6. Zaciśnij dokładnie klipsy na rurkach wyprowadzających gaz z ogniwa paliwowego (Rys.9.3b).
Włącz stoper i zacznij mierzyć czas potrzebny do wydzielenia 20 cm
3
H
2
. Wyłącz stoper. Odczytaj
czas t
1
. Zapisz wynik w Tab.9.3.
8. Rozłącz ogniwo fotowoltaiczne z gniazdami elektrolizera. Wyłącz lampę.
9. Przyłącz ogniwo paliwowe do silnika wiatraczka oraz przyrządów pomiarowych zgodnie z
podanym schematem na (Rys. 9.6).
Rys. 9.6. Schemat elektryczny ukladu pomiarowego.
a) Ustaw zakres woltomierza na „2000 mV”, a amperomierza na „200mA”.
b) Przyłącz woltomierz do ogniwa paliwowego dwoma przewodami. Weź przewód czerwony i
włóż go do gniazda czerwonego ogniwa paliwowego, drugi jego wtyk włóż do gniazda
(czerwonego) „VΩmA” woltomierza. Przewód czarny połącz z gniazdem czarnym ogniwa
paliwowego i gniazdem „COM” (czarnym) woltomierza..
c) Wtyk czerwony wiatraczka (2) przyłącz do gniazda czerwonego ogniwa paliwowego (1) (do
otworu we wtyku umieszczonym w gnieździe ogniwa paliwowego).
d) Weź osobny przewód czarny i przyłącz go z jednej strony do gniazda czarnego ogniwa
paliwowego zaś z drugiej do gniazda „COM” amperomierza. Czarny przewód od
wiatraczka przyłącz do czerwonego gniazda „VΩmA” amperomierza. Wiatraczek zacznie
się obracać.
11. Włącz stoper. Pozwól obracać się wiatraczkowi przez ok. 5 min.
12. Odczytaj czas t
2
, w którym zużyje się 10 cm
3
H
2
. Co ok. 2 min odczytuj napięcie na ogniwie
paliwowym i natężenie prądu płynącego przez silniczek wiatraczka. Zapisz wynik w Tab.9.4.
14. Rozłącz układ pomiarowy, wylej wodę z elektrolizera i uporządkuj stanowisko..
V
A
ś
migiełko
3
ogniwo
paliwowe
1
2
4
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
10
II Wyniki pomiarów i obliczenia
Tab. 9.2. Charakterystyka panelu fotowoltaicznego
Rodzaj i moc żarówki
Długość
a [m]
Szer.
b [ m]
Pow.
S [m
2
]
Oswietle
nie
I [lux]
Strumień
ś
wiatła
J [lumen]
Moc
strumienia
N
ś
w.
[W]
Energia
promieniowania
E [J]
Sprawność
fotoogniwa
η
fot
Tab. 9.3.Charakterystyka elektrolizera
Czas
elektrolizy
t
1
[s]
Energię
chemiczna
wodoru
E
H2
[J]
Sprawność układu:
ogniwo fotowoltaiczne+
elektrolizer
η
fot.+e
Sprawność
ogniwa
fotowoltaicznego przy
założeniu, że
η
e
= 0.9
Tab. 9.4.Charakterystyka układu napędowego- ogniwo paliwowe- wiatraczek
Czas
t
2
[s]
Napiecie
U [V]
Natężenie
I [A]
Ś
rednią moc
silniczka
N
wiatr
Zużyta
energia
E
wiatr
.
Sprawność
OP
η
op
Całkowitą
sprawność
układu
η
1
Aproksymowany
czas zużycia 20
ml H
2
Wartości średnie
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
11
Tab.9.5. Tabela zbiorcza wyników
Sprawność
fotoogniwa
η
fot
Sprawność modułu
ogniwo fotowoltaiczne-
elektrolizer
η
fot.+e
Sprawność
elektrolizera
η
e
Sprawność
ogniwa
paliwowego
η
op
Sprawność
układu
η
1
η
1
=η
fot
⋅ηe⋅η
op.
Sprawności
układu
η
2
η
2
=
E
E
wiatr
0,9
III. Opracowanie wyników pomiarów
1.Obliczenie energii strumienia światła padającego na ogniwo fotowoltaiczne.
a) Oblicz powierzchnię czynną ogniwa fotowoltaicznego korzystając ze wzoru
S = a b [m
2
]. Zapisz wynik w Tab.9.2.
b) Oblicz strumień światła padający na powierzchnię ogniwa fotowoltaiczynego , uwzględniając
powierzchnię czynną ogniwa S[m
2
] korzystając ze wzoru
J [lumen]= S [m
2
]
I
⋅
[lux]
gdzie I- jest natężeniem światłą padającego [lux]-( wartość odczytana z luksomierza)
S- pole powierzchni czynnej ogniwa fotowoltaicznego [m
2
]
Wartości potrzebne do obliczenia strumienia świetlnego znajdują się w Tab.9.2.
3) Oblicz moc strumienia światła padającego zakładając, że żarówka jest źródłem światła o
temperaturze T= 3000 K .Skorzystaj ze wzoru:
N
ś
w.
[W]= PPT
J
⋅
[lumen] / K
m
[lumen/W]
Gdzie: K
m
= 683 [lumen/W] - tzw. fotometryczny równoważnik promieniowania,
PPT- jest współczynnikiem uwzględniającym barwę światła, czułość luksomierza i charakterystykę
ogniwa fotowoltaicznego. Program do wyznaczania współczynnika PPT znajdziesz na stronie
domowej (plik „lux2e”)
J- strumień światła [lumen] – wartość strumienia J odczytaj z Tab.9.2.
Wynik mocy strumienia światła zapisz w Tab.9.2.
4) Oblicz energię promieniowania padającego na powierzchnię ogniwa fotowoltaicznego w trakcie
wydzielenia 20 cm
3
H
2.
.Skorzystaj ze wzoru
E [J]= N
ś
w.
1
t
⋅
gdzie :
t
1`
-`czas elektrolizy [s] ( Tab.9.3.)
N
ś
w
- moc strumienia światła [W] (Tab.9.2)
Wartość energii padającego promieniowania zapisz w Tab.9.2.
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
12
5. Oblicz energię chemiczną wydzielonego paliwa wodorowego korzystając ze wzoru
E
H2
=V
2
H
0
H
⋅
gdzie:
H
0
- wartość opałowa 1 m
3
wodoru, dla temperatury 20°C
[
]
3
0
920
,
11
2
−
⋅
=
m
kJ
H
H
V
2
H
-obj
ę
to
ść
wydzielonego wodoru V
2
H
= 20 cm
3
Wynik zapisz w Tab.9.3.
6) Oblicz całkowit
ą
sprawno
ść
energetyczn
ą
układu ogniwo fotowoltaiczne+ elektrolizer
korzystaj
ą
c ze wzoru:
η
fot.+e
=
E
E
2
H
gdzie:
E
H2
–energia chemiczna wydzielonego paliwa wodorowego [J] (Tab.9.3)
E- energi
ę
promieniowania padaj
ą
cego na powierzchni
ę
ogniwa fotowoltaicznego. (Tab.9.2)
Wynik całkowitej sprawno
ś
ci energetycznej układu ogniwo fotowoltaiczne+ elektrolizer zapisz w
Tab.9.3 i 9.5.
7) Oblicz sprawno
ść
przetwarzania energii w ogniwie fotowoltaicznym η
fot
zakładaj
ą
c,
ż
e
sprawno
ść
energetyczn
ą
elektrolizera η
e
=0,9,
η
fot. =
e
e
.
fot
η
η
+
gdzie:
η
fot.+e
- całkowit
ą
sprawno
ść
energetyczn
ą
układu ogniwo fotowoltaiczne+ elektrolizer
(Tab. 9.3)
η
e
=0,9 – sprawno
ść
elektrolizera
Wynik sprawno
ś
ci przetwarzania energii w ogniwie fotowoltaicznym η
fot,
zapisz w Tab.9.3. oraz
do Tab.9.5.
8. Oblicz warto
ś
ci
ś
rednie I i U dla kr
ę
c
ą
cego si
ę
wiatraczka. Wpisz wyniki do Tab.9.4.
9.Oblicz
ś
redni
ą
moc zu
ż
ywana przez silnik wiatraczka.
N
wiatr
=
U I
⋅
[W]
gdzie U -
ś
rednie napi
ę
cie [V]
I –
ś
rednia warto
ść
nat
ęż
enia pr
ą
du [A]
Warto
ść
ś
redniej mocy zu
ż
ywanej przez silnik wiatraczka energii zapisz w Tab. 9.3.
10.Oblicz energi
ę
zu
ż
yt
ą
przez silnik wiatraczka w czasie gdy zu
ż
yte zostanie 20 cm
3
H
2
E
wiatr
.=
2
t
N
2
wiatr
⋅
⋅
gdzie
t
2
- czas zu
ż
ycia 10cm
3
H
2
[s]
Ć
wiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
13
N
wiatr
.-
ś
rednia moc zu
ż
ywana przez silnik wiatraczka [W] (Tab.9.4.)
Warto
ść
energii zu
ż
ytej przez silnik wiatraczka zapisz w Tab.9.4.
11.Oblicz sprawno
ść
energetyczn
ą
ogniwa paliwowego z równania
η
op =
2
H
wiatr
E
E
Wpisz wynik do Tab.9.4. i 9.5.
12. Oblicz całkowit
ą
sprawno
ść
energetyczn
ą
układu –ogniwo fotowoltaiczne - elektrolizer-ogniwo
paliwowe korzystaj
ą
c ze wzoru:
η
1
= η
fot
⋅
ηe ⋅η
op.
Wpisz wynik do Tab. 9.5.
12. Sprawd
ź
czy otrzymana warto
ść
jest równa całkowitej sprawno
ś
ci układu
η
2
=
E
E
wiatr
gdzie:
E
wiatr
- energi
ę
zu
ż
yt
ą
przez silnik wiatraczka [J] (Tab.9.3.)
E- energia promieniowania padaj
ą
cego na powierzchni
ę
ogniwa [J] (Tab.9.1).
Wpisz wynik do Tab. 9.5.
13. Zinterpretuj otrzymane wyniki w Tab.9.5.