Charakteristika fotovoltaického panelu, elektrolyzéru a palivového článku

Transkript

1 Charakteristika fotovoltaického panelu, elektrolyzéru a palivového článku Fotovoltaické panely a palivové články v současné době představují perspektivní oblast alternativních zdrojů elektrické energie a v různé míře doplňují stávající klasické způsoby její výroby. Elektrická energie se stále nejčastěji získává poměrně komplikovaným způsobem, kdy se chemická energie paliva přemění nejčastěji spalováním na teplo. To se dále pomocí mechanického tepelného stroje přemění na energii mechanickou, přičemž účinnost této přeměny je z principu limitována (Carnotův cyklus). Mechanická energie se nakonec v generátoru přemění na energii elektrickou. Z tohoto důvodu je velice zajímavá přímá přeměna chemické energie paliva na energii elektrickou už proto, že chemické vazby vytvářející molekuly z jednotlivých atomů jsou elektrické (elektrostatické) povahy. Zařízení, v němž dochází k přímé přeměně chemické energie na energii elektrickou, nazýváme voltaický článek. Naopak zařízení, v němž průchodem elektrického proudu dochází k přeměně elektrické energie na energii chemickou, nazýváme elektrolytický článek, nebo zkráceně elektrolyzér. Voltaické články můžeme v zásadě rozdělit do tří skupin. Články primární mají jednorázové použití, neboť odběrem proudu u nich dochází k nevratným elektrochemickým procesům, které je postupně znehodnocují. Články sekundární akumulátory mají vícenásobné použití, průchodem proudu opačného směru je lze uvést do původního stavu (nabít). Články palivové mají rovněž vícenásobné použití, elektrická energie se zde získává z průběžně doplňovaného paliva. 1. Cíl práce Stanovit voltampérovou charakteristiku solárního panelu a určit jeho maximální výkon Stanovit závislost elektrického proudu na úhlu dopadu světla na solární panel Stanovit voltampérovou charakteristiku elektrolyzéru a odhadnout rozkladné napětí vody Stanovit zátěžovou voltampérovou charakteristiku palivového článku a odhadnout maximální výkon, který lze z článku odebírat 2. Základní vztahy a definice 2.1. Fotovoltaický článek: Fotovoltaický (sluneční, solární) článek je v podstatě polovodičová dioda. Schéma fotovoltaického panelu je zobrazeno na Obr. 1. Jeho základem je tenká křemíková destička s vodivostí typu P, na níž se při výrobě vytvoří tenká vrstva polovodiče typu N, obě vrstvy jsou odděleny tzv. přechodem P-N. Osvětlením článku vznikne v polovodiči vnitřní fotoelektrický jev, při kterém se v polovodiči začnou z krystalové mřížky uvolňovat záporné elektrony. Na přechodu P-N se vytvoří elektrické napětí, které dosahuje u křemíkových článků velikosti zhruba 0,5V. Energie dopadajícího světla se v článku mění na elektrickou energii. Připojímeli k článku pomocí vodičů spotřebič (například miniaturní elektromotorek s vrtulí), začnou se kladné a záporné náboje vyrovnávat a obvodem začne procházet elektrický proud (vrtule se roztočí). Je-li třeba větší napětí nebo proud, zapojují se jednotlivé články sériově či paralelně a sestavují se z nich fotovoltaické panely. 1

2 Obr. 1 Schéma fotovoltaickéhoo (solárního)) panelu převzato z Palivový článek Palivový článek je elektrochemické zařízení, které s vysokou účinností, převádí chemickou energii reaktantů přímo na energii elektrickou a teplo. Základem palivového článku je j vrstva elektrolytu nebo membrána, která je v kontaktu s porézními elektrodami, katodou a anodou. Typickyy používané elektrolyty jsou např. H 3 PO4, 4 KOH, nebo n keramiky či membrány povětšinou z flurovaných polymerů. Obecné schéma palivovéhoo článku je na Obr. 2. Obr. 2 Schéma palivového článku ( 2

3 V typickém palivovém článku je palivo (např. vodík, metan, metanol, kyselina octová, roztok glukózy) nepřetržitě přiváděno k anodě (záporné elektrodě) a oxidační činidlo, obvykle kyslík, nebo peroxid vodíku, thiokyanát draselný, ke katodě. Elektrochemická reakce probíhající na elektrodách produkuje elektrický proud. Reakce systému vodík, kyslík, voda jsou následující: H 2 2H + + 2e - O 2 + 4H + 4e - H 2 O Palivo (vodík) je na anodě katalyticky přeměněn na kationty H +. Uvolněné elektrony jsou navázány anodou a vytváří elektrický proud, který proudí přes elektrický spotřebič ke katodě. Na katodě se oxidační činidlo (kyslík) redukuje na anionty (O 2- ), a ty pak reagují s protony H + na vodu. Palivové články mají v porovnání s ostatními zdroji elektrické energie několik výhod: mají velký potenciál pro vysokou provozní účinnost, která významně nezávisí na jejich velikosti. mohou být snadno zvětšovány, či zmenšovány, skejling k dispozici je velké množství různých druhů paliva prakticky neprodukují emise skleníkových plynů nemají pohyblivé části, nezatěžují okolí vibracemi mají téměř okamžitou schopnost dobití na rozdíl od baterií Kromě výhod mají palivové články i své limity: nákladná technologie vodíkového hospodářství, doprava, skladování, atd. pokud není použito čisté palivo, je nutné uvažovat náklady na reformační technologii paliva při použití jiného paliva než vodíku, klesá výkon palivového článku v důsledky degradace katalyzátorů a znečištění elektrolytu Palivové články a baterie Palivové články mají s bateriemi několik společných vlastností, ale také několik podstatných odlišností. Obě zařízení produkují elektrickou energii přímo z elektrochemické reakce mezi palivem a oxidantem. Baterie jsou zařízení ke skladování energie. Maximální množství dostupné elektrické energie je v případě baterií dáno množstvím chemikálií v samotné baterii. Baterie má tedy palivo zabudováno v sobě (onboard storage). Některé typy baterií lze znovu nabít, tedy regenerovat chemické palivo přívodem elektrické energie z vnějšího zdroje. Životnost baterií je limitovaná množstvím paliva. Když palivo dojde, baterie elektřinu neprodukuje. Navíc na životnost baterie má vliv i pomalá elektrochemická reakce, která probíhá na elektrodách baterie i v případě, kdy baterii nepoužíváme a také životnost elektrod v baterii. Na rozdíl od baterií jsou palivové články zařízení na přeměnu energie, které jsou teoreticky schopné pracovat, dokud je zajištěn přívod paliva a oxidantu k elektrodám. Palivo je skladováni mimo palivový článek. Životnost palivového článku teoreticky závisí pouze na kvalitě paliva a oxidantu přiváděného k elektrodám. Výhodou je také absence koroze částí článku a průsaku paliva, když je článek mimo provoz. Srovnání palivového články s baterií je na obr Obr. 3. 3

4 Obr. 3 Srovnání funkcí baterie (vlevo) a palivového článku (vpravo) Palivové články s polymerní membránou (PEMFC) Funkci elektrolytu zde plní polymerní membrána vodivá pro vodíkové ionty (protony), někdy se proto používá termín proton exchange membrane (PEM), která však musí být zvlhčována. V drtivé většině se s jedná o sulfonované fluoropolymery, nejčastěji Nafion. Jako katalyzátor se nejčastěji používá platina,, nebo slitiny platinových kovů, které jsou nanesené na povrch GDL (plynově difúzní vrstva) a tak vytváří GDE (plynově difúzní elektroda), GDL se zafixovaným katalyzátorem. Jako palivo slouží vodík, nebo metanol a jako okysličovadlo kyslík, nebo vzduch. Pracovní teplota je do 90 C, což umožňuje okamžité flexibilníí použití, nevýhodou je vysoká citlivostt katalyzátoru na katalytické jedy, předevšímm na oxid uhelnatý. Tento palivový článek se hodí pro mobilní zařízení Elektrolyzér Princip funkce elektrolyzéru s protonově vodivou membránou je j v zásadě inverzní k principu činnostii palivového článku. Protonově vodivá membrána, k níž jsou připojeny porézní elektrody opatřené katalytickou vrstvou, je ponořena do vody a k elektrodám je připojen vnější zdroj proudu. Na anodě dochází k rozkladu molekul vody na vodíkk a kyslík. Zatímco kyslík uniká ve formě plynu pryč, vodík se naváže na katalytickou vrstvu elektrody, kde dojde k jeho oxidaci. 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e. Zatímco protony jsou přitahovány skrz membránu (elektrolyt) k zápornéé katodě, elektrony odcházejí vnějším obvodem ke kladnému pólu zdroje. Na straně katodyy dochází k redukci protonůů s elektrony z vnějšího zdroje za vzniku plynného vodíku. 4H + + 4e 2H 2. V elektrolyzéru se tedy vždy dvě molekuly vody rozloží na dvě molekuly vodíku a jednu molekulu kyslíku objemy vodíku a kyslíku, unikajících z elektrolyzéruu za jednotku času, jsou tedy v poměru 2:1. 2H 2 2O 2H 2 + O 2, 4

5 2.4.. Voltampérová charakteristika Voltampérová charakteristika je závislost elektrického proudu na napětí I = I (U). Pro pevné elektrické vodiče obecně funguje lineárníí závislost, kdy konstantou úměrnosti je odpor a platí Ohmův zákon (I = R*U), viz obr. Obr. 4 a). Poněkud odlišnýý stav zaznamenáme při účasti elektrolytického vodiče. S rostoucím napětím vzniká nepatrný proud, který po čase opět zanikne a to až do doby, kdy nepřekročíme tzv. rozkladné napětí. n Potéé již proud vzrůstá s napětím opět lineárně, viz obr. Obr. 4 b) ). Obr. 4 Voltampérová charakteristika a) pevného vodiče, b) elektrolytického vodiče 5

6 3. Postup práce: Popis aparatury Pokusnou aparaturu tvoří stojan s pěti samostatnými moduly,, které lze vzájemně propojit. K dispozici je solární panel, elektrolyzér, palivový článek, měřící modul a zátěžový modul, na kterém je umístěn elektromotorek s vrtulí, žárovka a odpor s nastavitelnouu hodnotou, viz Obr. 5. Obr. 5 Modelová stanice palivové články, celkový pohled Samostatnou část tvoří světelný zdroj, kterým je v tomto případě halogenový reflektor o výkonu 250W. Modul elektrolyzéru je tvořen dvěma elektrodami, mezi kterými je PEM membrána. Modul je navržen pouze k elektrolýze vody, jejíž nepřetržitý n přísun zajišťují dva průhledné uzavřené válce. Průběh elektrolýzy indikují unikající bublinky y vznikajících plynů (H 2 a O 2 ). Modul palivovéhoo článku tvoří dva palivové článkyy mající samostatné konektory. Lze tedy využít jak jeden tak oba články a to jak v sériovémm tak v paralelním zapojení ke spotřebiči. Odpor v zátěžovém modulu lze nastavit v rozsahu 0,

7 3.2. Příprava zařízení a bezpečný provoz Stanice připravena k práci obsahuje všechny výše popsané moduly, kabely (černé a červené)a zdroj světla. Moduly nejsou propojeny kabely. Na začátku měření zkontrolujte hladinu destilované vody ve válcích elektrolyzéru, pokud je pod vyznačenou úrovní doplňujte ji. Propojte moduly podle schématu uvedených u dílčích úloh. Zapojení konzultujte s vyučujícím. Zapojte zdroj světla do sítě a světlo nasměrujte na solární panel. Pozor, reflektor se poměrně rychle zahřívá. Před připojením přívodních hadiček k palivovému článku z nich vylejte nežádoucí vodu. Nejlépe následujícím postupem: Škrtítkem uzavřete výstupní hadičky co nejblíže k elektrolyzéru. Po připojení solárního panelu k elektrolyzéru začne probíhat elektrolýza a začnou se uvolňovat vodík a kyslík. Plastové nástavce nad zásobníky na vodu se začnou plnit vodou vytlačovanou z elektrolyzéru. Počkejte, dokud se plastový nástavec na vodíkové straně elektrolyzéru nenaplní do více než poloviny vodou. Stiskněte hadičku cca 1 cm od volného konce, povolte škrtítko, opatrně povolte stisk prstů a vypusťte část vodíku tak abyste měli jistotu, že v hadičce není žádná voda. Volný konec hadičky poté nasaďte na palivový článek. Totéž opakujte i pro kyslíkovou stranu elektrolyzéru. Po vysušení hadiček zkontrolujte, zda jsou povolena všechna škrtítka a vznikající plyny proudí do palivového článku. Při experimentech vizuálně kontrolujte funkci elektrolyzéru (vývoj bublinek plynů). Bezpečnost Při měření používejte ochranné brýle! Manipulace s otevřeným ohněm, či jinými iniciačními zdroji v blízkosti aparatury je přísně zakázána! Reflektor a solární panel se při měření významně zahřívají, dbejte zvýšené opatrnosti při manipulaci s těmito moduly. 7

8 3.3.. Charakteristika fotovoltaif ického panelu Je proudový a napěťový výstupp solárníhoo panelu stálý? Úkol: Stanovte voltampérovou charakteristiku solárního panelu a určete jeho maximální výkon! Přístroje a pomůcky: solární panel, měřící panel, zátěžový panel, zdroj světla, kabely. Postup: Sestavte aparaturu podle schématuu na Obr. 6. Osvětlete solární panel, vzdálenost reflektoru od panelu nastavte naa 30 cm. Počkejte přibližně 3 minuty na zahřátí solárního panelu, kvůli konstantníí teplotě v průběhu měření. Změřte napětí a proud pro všechny hodnoty odporů dostupné na měřícímm panelu. Měření začněte v poloze Short Circuit a jako poslední měřte v poloze Open. Změňte vzdálenost mezi reflektorem a solárním panelem na 20 a 40 cm a měření opakujte. Obr. 6 Schéma zapojení komponent pro stanovení charakteristikyy solárního panelu Zpracování dat: Sestrojte voltampérovou charakteristiku solárního panelu. Sestrojte výkonovou charakteristiku solárníhoo panelu (P = U *I). Stanovte maximální výkon solárního panelu. 8

9 Jak závisí intenzita proudu na uhlu dopadu světla na solárníí panel? Úkol: Stanovte závislost elektrického proudu na úhlu dopadu světla s na solární panel! Přístroje a pomůcky: solární panel, měřící panel, zdroj světla, kabely. Postup: Sestavte aparaturu podle schématuu na Obr. 7. Nastavte vzdálenost mezi reflektorem a solárním panelem na 30 cm. Nastavte solární panel tak aby světlo dopadalo kolmo (úhel( náklonu solárníhoo panelu je 0 ). Změřte elektrický proud. Postupně pootočte solární panel vždy o 10 nejprve doleva a potéé i doprava, v každé poloze zaznamenejte elektrický proud pro každou polohuu panelu. Obr. 7 Schéma zapojení pro stanovení závislosti intenzity elektrického proudu na úhlu dopadu světla Zpracování dat: Sestrojte závislost proudu na úhluu dopadu světla. Sestrojte závislost proudu na cosinu úhlu dopadu. 9

10 3.4.. Voltampérová charakteristika elektrolyzéruu Úkol: Stanovte voltampérovou charakteristiku elektrolyzéru a odhadněte rozkladné napětí vody! Přístroje a pomůcky: solární panel, elektrolyzér, měřící panel, zdroj světla, kabely. Postup: Sestavte aparaturu podle schématuu na Obr. 8. Zkontrolujte polaritu, kladný pól solárního panelu musí být připojenn ke kladnému pólu elektrolyzéru a záporný k zápornému. Nastavujte proud procházející elektrolyzérem v krocích od 10 ma do 350 ma, k nastavení využijte otáčení solárního panelu. Odečtěte alespoň 10 hodnot napětí a proudu. Obr. 8 Schéma zapojení pro stanovení voltampérové charakterist tiky elektrolyzéru Zpracování dat: Sestrojte voltampérovou charakteristiku elektrolyzéru. Odhadněte rozkladné napětí vody. 10

11 3.5.. Charakteristika palivového o článku Úkol: Stanovte zátěžovou voltampérov vou charakteristiku palivového článku a odhadněte maximální výkon, který lze z článku odebírat! Přístroje a pomůcky: solární panel, elektrolyzér, palivový článek, měřící panel, zátěžový ý panel, zdroj světla, hadičky, kabely. Postup: Sestavte aparaturu podle schématuu na Obr. 9. Zkontrolujte propojeníí elektrolyzéru a palivového článku hadičkami, nastavte rezistor do pozice Open. Obr. 9 Schéma zapojení pro přípravu měření voltampérové charakteristiky palivového článku Přesvědčte se, zda jsou oba cylindry elektrolyzéru naplněny vodou po rysku 0 ml. Použijte solární panel a nastavte konstantní proud v mezích mA. 5 minut promývejte celý systém (elektrolyzér, palivový článek a hadičky) vznikajícími plyny. Nastavte rezistor do pozice 3 a ponechte 3 minuty běžet, ampérmetr by měl detekovat malý proud, poté nastavte rezistor zpět do polohy open a ponechte 3 minuty běžet. Odpojte na okamžik elektrolyzér od solárního panelu a uzavřete kratší hadičky palivového článku zátkami, viz Obr

12 Obr. 10 Uzavření hadiček palivového článku Znovu propojte elektrolyzér se solárním panelem. Propojení přerušte až ve chvíli, kdy v zásobníku elektrolyzéru bude 300 ml vodíku. Odpojené kabely použijte k připojení palivového článkuu k voltmetru, viz Obr. 11. Zaznamenejte hodnoty napětí a proudu pro různé velikosti odporu, měření začněte v pozici Open. Před každým odečtením hodnoty vyčkejte alespoň 30 vteřin. Na konci měření nastavte rezistorr zpět do pozice Open a odstraňte zátky z hadiček na palivovém článku. Stejným způsobem změřte napětí a proud pro žárovku a elektromotor s vrtulí. Obr. 11 Schéma zapojení pro měření voltampérové charakteristiky palivového článku Zpracování dat: Sestavte voltampérovou charakteristiku palivového článku. interpretujtee naměřenou křivku. zakreslete hodnoty pro žárovku a elektromotor. sestrojte výkonovou charakteristiku palivového článku. vypočtěte spotřebu energie žárovky a elektromotoru a hodnoty zaneste do výkonové charakteristiky. 12

13 4. Kontrolní otázky: Jaký je princip solárního článku? Jaký je princip palivového články s PEM membránou? Jaký je rozdíl mezi palivovým článkem a elektrolyzérem? Vysvětlete, jakým způsobem prochází proud v kapalinách jako je voda? Jak lze změnit napěťový a proudový výstup solárního panelu? Co je to voltampérová charakteristika a co z ní lze určit? Co je to výkonová charakteristika? 13