Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Ćwiczenie Temat ćwiczenia:
Konspekt
nr 9 Ogniwo paliwowe odwracalne
Nr zespołu: Wydział, rok, grupa: Data
Ocena
Nazwisko i imiÄ™
Teoria Wykonanie ćwiczenia Końcowa z ćwiczenia
1.
2.
Elementy układu:
1) zespół ogniwo fotowoltaiczne  elektrolizer, ogniwo paliwowe- obciążenie zewnętrzne (wiatraczek)
2) z
ródło 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
Ë% z paliw kopalnych: na drodze reformingu gazu ziemnego, częściowego utlenienia ropy naftowej
oraz zgazowania węgla;
Ë% z biomasy: na drodze zgazowania lub poprzez fermentacje i reforming otrzymanego biogazu;
Ë% 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 z
ródeł 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 bazujÄ…cych na odtwarzalnych z
ródłach 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.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 1
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
dol US/GJ
dol US/GJ
50
50
1. Konwersja gazu ziemnego
1. Konwersja gazu ziemnego
45
45
2. Zgazowanie węgla
2. Zgazowanie węgla
40
40
3. Zgazowanie biomasy
3. Zgazowanie biomasy
35
35
4. Częściowe utlenianie ropy
4. Częściowe utlenianie ropy
30
30
naftowej
naftowej
25
25
5. Elektroliza (hydroenergia)
5. Elektroliza (hydroenergia)
20
20
6. Elektroliza (energia
6. Elektroliza (energia
15
15
wiatrowa)
wiatrowa)
10
10
7. Elektroliza (ogniwa
7. Elektroliza (ogniwa
5
5
fotowoltaiczne)
fotowoltaiczne)
0
0
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7
Rys. 9.1. Koszty wytwarzania wodoru z różnych z
ródeł (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/m3
Tlenek węgla ok. 1%
ZwiÄ…zki chloru << 1% do 100 mg/m3
ZwiÄ…zki amoniaku << 1%
ZwiÄ…zki fluoru do 20 mg/m3
Halogenopochodne << 1% do 50 mg/m3
__________________________________________________________________________
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 m3 biogazu na dobę
(wg danych z Toruńskiej Oczyszczalni Ścieków), można oszacować potencjalną ilość
wytworzonego biogazu na ok. 0,2 mld m3/rok. W przeliczeniu na czysty metan stanowi to
odpowiednik 0,11- 0,14 mld m3/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 m3
gazu wysypiskowego (instalacja w Szadółkach k. Gdańska). Wynika z tego, że z wysypiska w
Polsce mogą potencjalnie dostarczyć ok. 0,34 mld m3/rok biogazu, co w przeliczeniu na czysty
metan stanowi 0,05  0,20 mld m3/rok.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 2
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
W polskich gospodarstwach rolnych powstaje rocznie 38 mln m3 gnojowicy oraz 85 mln m3
obornika [2]. Przy założeniu, że z 1 m3 płynnych odchodów uzyskuje się ok. 20 m3 a z 1 m3
obornika ok. 30 m3 biogazu, można oszacować, że z tego z
ródła pochodzić może rocznie 3,3 mld
m3 biogazu  stanowi to równoważnik 1,8-2,3 mld m3 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 z
ródła może
wynosić 0,9-1,15 mld m3/rok.
W sumie, przy optymalnym wykorzystanie trzech podanych technologii, można uzyskać
potencjalnie 1,06-1,49 mld m3/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 m3/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
świecie 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 Å›cieków, 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
zanieczyszczeÅ„ z biogazu (zwiÄ…zki siarki, halogenopochodne, czÄ…stki powyżej 0.5 µm),
powiększenie średnic niektórych przewodów i zwiększenie wydajności wybranych urządzeń
pomocniczych ze względu na mniejszą zawartość metanu w gazie zasilającym.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 3
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Zgazowanie biomasy
Produktem zgazowanie biomasy jest tzw. gaz syntezowy składający się z wodoru (H2),
tlenku węgla (CO), metanu (CH4), dwutlenku węgla (CO2), pary wodnej (H2O) 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 dostosowujÄ…cym 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 + H2O H2 + CO2
a resztkowe ilości CO usunąć do zawartości poniżej 100 ppm - CO niszczy bowiem katalizator tych
ogniw. Gdy stosowane sÄ… 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 z
ródłem wodoru.
W przypadku zasilania jednostek z ogniwami paliwowymi oddalonych od gazogeneratorów
biomasy (dotyczy to również samochodów elektrycznych), dosyć powszechnie rozważa się syntezę
metanolu (CH3OH) 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+CO2+H2
przeprowadza się na katalizatorach (najczęściej Cu-Zn-Al lub Cu-Zn-Cr) pod ciśnieniem 40-110
bar w temperaturze 220-280°C wedÅ‚ug reakcji:
CO + 2H2 CH3OH
CO2 + 3H2 CH3OH + H2O
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]:
CH3OH + H2O CO2 + 3H2
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 4
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Otrzymany gaz praktycznie nie zawiera CO, gdyż w tych warunkach nie następuje termiczny
rozkład metanolu (CH3OH CO + 2H2) .
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:
Ë% z
ródłem 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;
Ë% do elektrolizy wykorzystuje siÄ™ taniÄ… energiÄ™ elektrycznÄ…, w okresach jej nadprodukcji (np. w
nocy) a otrzymany wodór jest zużywany w ogniwie paliwowym w okresie zapotrzebowania
szczytowego;
Ë% niektóre wielkie elektrownie wodne nie sÄ… wÅ‚Ä…czone w miÄ™dzynarodowy 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;
Ë% szczególne okolicznoÅ›ci pracy urzÄ…dzeÅ„ elektrycznych powodujÄ…, 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
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 5
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
(zazwyczaj 30% roztwór KOH) pojawiły się również elektrolizery z elektrolitem kwaśnym,
wykorzystujÄ…ce 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.
Elektrolizer
Do użytkownika
System H2
H2
zarzÄ…dzania
energiÄ…
Ogniwo
paliwowe
Rys.9.2. Schemat ogniwa paliwowego odwracalnego korzystajacego z energii słonecznej i
wiatrowej
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 6
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
I. Wykonanie ćwiczenia
zbiornik tlenu
zbiorniki kompensujÄ…ce
zbiornik wodoru
obciążenie - wiatraczek
elektrolizer
ogniwo paliwowe
moduł fotowoltaiczny
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].
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 7
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
3. Pomiar oświetlenia na powierzchni ogniwa fotowoltaicznego:
a) Zmierz powierzchniÄ™ 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.
Rys.9.4. Luksomierz
Wtyczka
luksomierza
Kapturek
sensora
sensor
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).
Sensor luksomierza
fotoogniwo
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.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 8
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
6. Zaciśnij dokładnie klipsy na rurkach wyprowadzających gaz z ogniwa paliwowego (Rys.9.3b).
Włącz stoper i zacznij mierzyć czas potrzebny do wydzielenia 20 cm3 H2. Wyłącz stoper. Odczytaj
czas t1. 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).
2
śmigiełko
1
4
V
ogniwo
paliwowe
3
A
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. Wez
przewód czerwony i
włóż go do gniazda czerwonego ogniwa paliwowego, drugi jego wtyk włóż do gniazda
(czerwonego)  V&!mA 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 gniez
dzie ogniwa paliwowego).
d) Wez
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  V&!mA amperomierza. Wiatraczek zacznie
się obracać.
11. Włącz stoper. Pozwól obracać się wiatraczkowi przez ok. 5 min.
12. Odczytaj czas t2, w którym zużyje się 10 cm3 H2. 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..
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 9
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
II Wyniki pomiarów i obliczenia
Tab. 9.2. Charakterystyka panelu fotowoltaicznego
Rodzaj i moc żarówki
Długość Szer. Pow. Oswietle Strumień Moc Energia Sprawność
a [m] b [ m] S [m2] nie światła strumienia promieniowania fotoogniwa
I [lux] J [lumen] Nśw. [W] E [J]
·fot
Tab. 9.3.Charakterystyka elektrolizera
Czas Energię Sprawność układu: Sprawność ogniwa
elektrolizy chemiczna ogniwo fotowoltaiczne+ fotowoltaicznego przy
t1 [s] wodoru elektrolizer założeniu, że
EH2 [J]
·fot.+e ·e = 0.9
Tab. 9.4.Charakterystyka układu napędowego- ogniwo paliwowe- wiatraczek
Czas Napiecie Natężenie Średnią moc Zużyta Sprawność Całkowitą
t2 [s] U [V] I [A] silniczka energia OP sprawność
Nwiatr Ewiatr. układu
·op
·1
Aproksymowany
czas zużycia 20
ml H2
Wartości średnie
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 10
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Tab.9.5. Tabela zbiorcza wyników
Sprawność Sprawność modułu Sprawność Sprawność Sprawność Sprawności
fotoogniwa ogniwo fotowoltaiczne- elektrolizera ogniwa układu układu
elektrolizer paliwowego
·fot ·1 ·2
·e
·1=·fotÅ"·eÅ"·op.
·fot.+e ·op Ewiatr
·2=
E
0,9
III. Opracowanie wyników pomiarów
1.Obliczenie energii strumienia światła padającego na ogniwo fotowoltaiczne.
a) Oblicz powierzchniÄ™ czynnÄ… ogniwa fotowoltaicznego korzystajÄ…c ze wzoru
S = a b [m2]. Zapisz wynik w Tab.9.2.
b) Oblicz strumień światła padający na powierzchnię ogniwa fotowoltaiczynego , uwzględniając
powierzchniÄ™ czynnÄ… ogniwa S[m2] korzystajÄ…c ze wzoru
J [lumen]= S [m2] Å" I [lux]
gdzie I- jest natężeniem światłą padającego [lux]-( wartość odczytana z luksomierza)
S- pole powierzchni czynnej ogniwa fotowoltaicznego [m2]
Wartości potrzebne do obliczenia strumienia świetlnego znajdują się w Tab.9.2.
3) Oblicz moc strumienia światła padającego zakładając, że żarówka jest z
ródłem światła o
temperaturze T= 3000 K .Skorzystaj ze wzoru:
NÅ›w. [W]= PPTÅ" J [lumen] / Km [lumen/W]
Gdzie: Km = 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 energiÄ™ promieniowania padajÄ…cego na powierzchniÄ™ ogniwa fotowoltaicznego w trakcie
wydzielenia 20 cm3 H2..Skorzystaj ze wzoru
E [J]= NÅ›w. Å" t1
gdzie :
t1`-`czas elektrolizy [s] ( Tab.9.3.)
Nśw- moc strumienia światła [W] (Tab.9.2)
Wartość energii padającego promieniowania zapisz w Tab.9.2.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 11
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
5. Oblicz energiÄ™ chemicznÄ… wydzielonego paliwa wodorowego korzystajÄ…c ze wzoru
EH2=V
Å" H0
H2
gdzie:
H0- wartość opaÅ‚owa 1 m3 wodoru, dla temperatury 20°C H0H = 11,920[kJ Å" m-3]
2
V -objętość wydzielonego wodoru V = 20 cm3
H2 H2
Wynik zapisz w Tab.9.3.
6) Oblicz całkowitą sprawność energetyczną układu ogniwo fotowoltaiczne+ elektrolizer
korzystajÄ…c ze wzoru:
EH2
·fot.+e =
E
gdzie:
EH2  energia chemiczna wydzielonego paliwa wodorowego [J] (Tab.9.3)
E- energiÄ™ promieniowania padajÄ…cego na powierzchniÄ™ ogniwa fotowoltaicznego. (Tab.9.2)
Wynik całkowitej sprawności energetycznej układu ogniwo fotowoltaiczne+ elektrolizer zapisz w
Tab.9.3 i 9.5.
7) Oblicz sprawność przetwarzania energii w ogniwie fotowoltaicznym ·fot zakÅ‚adajÄ…c, że
sprawność energetycznÄ… elektrolizera ·e =0,9,
·fot. = ·fot.+e
·e
gdzie:
·fot.+e - caÅ‚kowitÄ… sprawność energetycznÄ… ukÅ‚adu ogniwo fotowoltaiczne+ elektrolizer
(Tab. 9.3)
·e =0,9  sprawność elektrolizera
Wynik sprawnoÅ›ci przetwarzania energii w ogniwie fotowoltaicznym ·fot, zapisz w Tab.9.3. oraz
do Tab.9.5.
8. Oblicz wartości średnie I i U dla kręcącego się wiatraczka. Wpisz wyniki do Tab.9.4.
9.Oblicz średnią moc zużywana przez silnik wiatraczka.
Nwiatr= U Å" I [W]
gdzie U - średnie napięcie [V]
I  średnia wartość natężenia prądu [A]
Wartość średniej mocy zużywanej przez silnik wiatraczka energii zapisz w Tab. 9.3.
10.Oblicz energię zużytą przez silnik wiatraczka w czasie gdy zużyte zostanie 20 cm3 H2
Ewiatr.= Nwiatr Å" t Å" 2
2
gdzie
t2- czas zużycia 10cm3 H2 [s]
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 12
Ćwiczenie 9. Ogniwo paliwowe odwracalne.
Nwiatr.-średnia moc zużywana przez silnik wiatraczka [W] (Tab.9.4.)
Wartość energii zużytej przez silnik wiatraczka zapisz w Tab.9.4.
11.Oblicz sprawność energetyczną ogniwa paliwowego z równania
·op = Ewiatr
EH2
Wpisz wynik do Tab.9.4. i 9.5.
12. Oblicz całkowitą sprawność energetyczną układu  ogniwo fotowoltaiczne - elektrolizer-ogniwo
paliwowe korzystajÄ…c ze wzoru:
·1= ·fot Å" ·e Å"·op.
Wpisz wynik do Tab. 9.5.
12. Sprawdz
czy otrzymana wartość jest równa całkowitej sprawności układu
Ewiatr
·2=
E
gdzie:
Ewiatr- energię zużytą przez silnik wiatraczka [J] (Tab.9.3.)
E- energia promieniowania padajÄ…cego na powierzchniÄ™ ogniwa [J] (Tab.9.1).
Wpisz wynik do Tab. 9.5.
13. Zinterpretuj otrzymane wyniki w Tab.9.5.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 13