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.