1.4 Kooperace fotovoltaického článku a elektrolyzéru pro výrobu vodíku

Transkript

1 1.4 Kooperace fotovoltaického článku a elektrolyzéru pro výrobu vodíku Cíle kapitoly: Cílem je změřit současně pracující energetické systémy a blíže se seznámit s jejich vazbami fotovoltaický panel, elektrolyzér a palivový modul. Jedním z cílů úlohy je také demonstrovat možnost akumulace energie v podobě vyrobeného vodíku. Analyzována bude i kontinuita dodávky výstupního výkonu palivového modulu a výkonu fotovoltaického panelu Úvod Hybridní systémy mohou představovat několik kooperujících energetických systémů. U hybridních systémů, které pracují jako autonomní zdroje, bývá nejčastěji využíváno energetických systémů typu: fotovoltaické, větrné a vodní elektrárny, baterie, palivové články, elektrolyzéry, kogenerační jednotky a další. Z výčtu těchto zdrojů je patrné, že výkon systému bývá závislý na atmosférických podmínkách v místě využití takovéhoto systému. V rámci této úlohy bude řešena spolupráce fotovoltaického panelu, elektrolyzéru a palivového modulu. V praxi se k výrobě elektrické energie z fotovoltaických panelů využívá několik technologicky odlišných druhů. Mezi nerozšířenější technologie výroby fotovoltaických panelů patří metoda krystalická a tenkovrstvá. Propojování fotovoltaických článků respektive panelů se řídí klasickými zákony z teorie obvodů. Elektrolyzér je zařízení skládající se z několika do série spojených článků umožňující výrobu čistého vodíku. Každý článek se skládá z kladné a záporné elektrody ponořené do elektrolytu. Při elektrolýze dochází k pohybu iontů obsažených v elektricky vodivé kapalině (elektrolytu), v našem případě ve vodě. Ve vodném roztoku pak dochází průchodem stejnosměrného proudu ke štěpení chemické vazby mezi vodíkem a kyslíkem. Ionty dle svého náboje putují k opačně nabitým elektrodám za vzniku různých chemických reakcí. Palivové články představují elektrochemická zařízení, která slouží k přímé přeměně chemické energie na energii elektrickou respektive na stejnosměrný elektrický proud. Obecně se palivové články skládají z vysoce porézních elektrod oddělených elektrolytem. Na elektrody jsou přiváděny aktivní materiály (např. vodík a kyslík), které jsou nezbytné pro správnou funkci palivového článku Rozbor úlohy V rámci úlohy bude využito měřících karet NI a výpočetní technika. Měřící karty NI 9215 (pro měření napětí) a NI 9227 (pro měření proud) budou pro studenty správně nakonfigurovány a připraveny pro okamžité měření. Již nakonfigurované karty je tedy nutno pouze správně zapojit do měřícího systému, podle množství využitých kanálů na měřících kartách. Propojení kontaktů měřících karet je naznačeno na Obr Obr. 1.1: Zapojení kontaktů měřících karet NI 9215 (napětí) a NI 9227 (proud) Nejdříve je tak nutné správně propojit jednotlivé komponenty měřícího systému dle Obr. 1.2.

2 Obr. 1.2: Schéma zapojení pracoviště spolupracujících energetických systémů Jakmile bude pracoviště zapojené a zkontrolované vyučujícím, je nutné vodní zásobník elektrolyzéru naplnit destilovanou vodou, minimálně po dolní rysku, která je zobrazena na zásobníku. Destilovanou vodu je také nutné doplnit do horní části vodíkového zásobníku. Voda steče do spodní části zásobníku. Odtud bude případně produkovaným vodíkem vytlačena zpátky do horní části zásobníku. Vody nalijeme tolik, aby voda dosahovala rysky s hodnotou 0 cm 3. Naplnění zásobníku si necháme zkontrolovat vyučujícím. Před samotným měřením se světelný zdroj nastaví do takové polohy, aby byl fotovoltaický panel přímo a rovnoměrně osvícen. Vzdálenost světelného zdroje od fotovoltaického panelu stanoví vyučující, tak aby odpovídala konkrétní hodnotě intenzity záření E. Během měření nesmí hodnota napětí překročit hodnotu 5V. Dále se na výpočetní jednotce spustí aplikace HYBRID, která je vytvořená v LabView a slouží pro měření zmíněného systému. Náhled na tuto aplikaci je na Obr Obr. 1.3: Aplikace HYBRID pro měření systému složeného z fotovoltaického panelu, elektrolyzéru a palivového modulu

3 V další fázi měření si všichni účastníci experimentu nasadí ochranné brýle. Zkontrolujeme, zdali je spodní ventil vodíkového zásobníku v otevřené poloze a zdali je i horní (vypouštěcí) ventil v otevřené poloze. Měření zahájíme pro výchozí hodnotu odporu R stanovenou vyučujícím. Spuštění měření se provede tlačítkem Save values. Po zmáčknutí se objeví i možnost pro uložení souboru (ve formátu*.txt) na pevný disk výpočetní jednotky. Nyní osvítíme fotovoltaický článek a sledujeme změny měřených veličin v aplikaci HYBRID. Na fotovoltaický panel budeme svítit pouze do té doby, dokud zásobník vodíku není zaplněn do objemu 75 cm 3 (vyučující může stanovit jinak). Výroba vodíku je pak zastavena, protože elektrolyzér není napájen. Měření však pokračuje do doby, než nebude vyrobený a naakumulovaný vodík vypotřebován palivovým modulem PEM. Časy významných změn stavu vodíku (zásobník naplněn, vyprázdněn a jiné) je dobré si zaznamenat. Změřené elektrické parametry v závislosti na čase poslouží jako vstupní data pro zhodnocení celého měření. Zaznamenané časy poslouží pro lepší čtení v grafických průbězích. Budeme-li chtít měření opakovat, je nutné vymazat stávající grafy, a to pomocí tlačítka Clear graphs. Další část úlohy bude probíhat obdobným způsobem, s tím rozdílem, že intenzita světelného záření dopadající na fotovoltaický panel nebude konstantní, ale bude proměnlivá. Proměnlivost intenzity budeme zajišťovat prostřednictvím stínítka či změnou vzdálenosti mezi fotovoltaickým panelem a světelným zdrojem. Můžeme tak simulovat denní průběh intenzity slunečního záření a sledovat tak změny elektrických parametrů v jednotlivých částech systému Úkol měření Pomocí měřících karet NI (napětí a proud) a výpočetní jednotky změřte kooperující energetické systémy fotovoltaický panel, elektrolyzér a palivový článek. Ze změřených dat (*.txt) bude získána představa o optimálním a reálnějším provozu takového systému jako celku s ohledem na dodávku elektrické energie z palivového článku. Optimálnější provoz představuje konstantní intenzita světelného záření, která svítí na fotovoltaický panel. Reálnější provoz je realizován proměnlivostí této intenzity. Ze zaznamenaných dat by se měla stanovit doba, za kterou se naplní zásobník vodíku, má-li z něj být kontinuálně odebírán vodík i pro palivový článek. Dále by měla být stanovena doba, na kterou by vydržela naakumulovaná zásoba vodíku pro kontinuální napájení palivového modulu Použité měřicí přístroje a komponenty - Palivový článek 2W - PEM elektrolyzér 15W se zásobníkem vody - Zásobník vodíku 80 cm 3 - Fotovoltaický panel polykrystalický 5W, stínítko - Měřící karty (NI 9215, NI 9227) nebo digitální multimetry - Výpočetní jednotka - Odporová dekáda nebo posuvný odpor - Destilovaná voda - Propojovací kabely Postup měření 1. Dle Obr 1.1.a Obr.1.2 zapojte pracoviště. Správnost zapojení měřícího pracoviště nechte zkontrolovat vyučujícím.

4 2. Naplňte zásobníky destilovanou vodou. Vodíkový po rysku 0 m 3, vodní zásobník minimálně po rysku Minimum. 3. Správnost naplnění si nechte zkontrolovat vyučujícím. Zkontrolujte otevřenost vypouštěcího respektive napouštěcího uzávěru u vodíkového zásobníku. 4. Svítidlo resp. světelný zdroj umístěte nad fotovoltaický panel do výšky, která bude odpovídat zadané hodnotě intenzity světelného záření E (zadá vyučující). 8. Nastavte výchozí hodnotu odporu na odporové dekádě či na posuvném odporu (stanoví vyučující). 9. Spusťte program HYBRID (na ploše PC) pro měření výkonové charakteristiky palivového článku. 10. Nasaďte si ochranné brýle. 11. Tlačítkem Save values zaznamenejte hodnoty a spusťte měření. Při prvotním zmáčknutí tlačítka se objeví možnost pro uložení souboru na pevný disk výpočetní jednotky. Uložte tedy soubor ve formátu *.txt. 12. Zapněte osvětlení a sledujeme změny měřených veličin v aplikaci HYBRID. Na panel sviťte pouze do té doby, dokud zásobník vodíku není zaplněn do objemu 75 cm 3 (vyučující může stanovit jinak). V měření pokračujte do doby, než nebude vyrobený a naakumulovaný vodík vypotřebován palivovým modulem PEM. Časy významných změn stavu vodíku (zásobník naplněn, vyprázdněn a jiné) si zaznamenejte. 13. Budeme-li chtít měření opakovat, je nutné vymazat stávající grafy, a to pomocí tlačítka Clear graphs. 14. Další část úlohy bude probíhat obdobným způsobem, s tím rozdílem, že intenzita světelného záření dopadající na fotovoltaický panel nebude konstantní. Proměnlivost realizujte pomocí stínítka či změnou vzdálenosti mezi fotovoltaickým panelem a světelným zdrojem. Časy významných změn stavu vodíku (zásobník naplněn, vyprázdněn a jiné) si zaznamenejte. 15. Po ukončení měření si data z pevného disku uložte na svůj flashdisk a z PC vymažte vámi ukládaná data Zpracování výsledků Z naměřených hodnot graficky zpracujte průběhy jednotlivých elektrických veličin v závislosti na čase. Průběhy zpracujte jak pro fotovoltaický panel, tak pro palivový modul. Zjistěte maximální dodávaný výkon palivovým článkem. Zjistěte čas, kdy byl vodíkový zásobník vyprázdněn. Ze zaznamenaných dat stanovte dobu, za kterou se naplní zásobník vodíku, má-li z něj být kontinuálně odebírán vodík i pro palivový článek. Dále stanovte dobu, na kterou vydrží naakumulovaná zásoba vodíku pro kontinuální napájení palivového modulu. Výsledky zdůvodněte Závěr Změřené hodnoty vyneste do grafů a stanovte požadované veličiny. Zhodnoťte měření Shrnutí kapitoly Laboratorní úloha seznámí s provozem hybridního systému, který se skládá z PEM palivového modulu, elektrolyzéru a fotovoltaického panelu. V rámci úlohy budou konfrontovány dva způsoby provozu, kdy jednou bude fotovoltaický panel osvícen konstantním intenzitou světelného záření a jednou bude osvícen intenzitou proměnlivou. Budeme pak vyhodnocovat vazby mezi intenzitou osvětlení, nastavenou zátěží a výkonem palivového článku respektive zásobou jeho vodíku. Měla by tak být stanovena Dále by měla

5 tak být stanovena i doba, za kterou by vydržela naakumulovaná zásoba vodíku pro kontinuální napájení palivového modulu Kontrolní otázky 1. Jaká je přibližná účinnost hybridního systému palivový článek-zásobník vodíkuelektrolyzér? 2. Jaké druhy zásobníku vodíku jsou ve světě nejpoužívanější? 3. Jakým způsobem se nejčastěji získává vodík pro palivové články? 4. Jsou hybridní systémy častěji využívány v grid-on nebo v grid-off systémech? Zdůvodněte. 5. Jaké barevné provedení pani tlakové lahve vodíku? 6. Jeví se výroba vodíku elektrolýzou a následné ukládání vodíků do zásobníků jako efektivní? Vysvětlete.