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
Obr. 1 S Schéma fotoovoltaického o (solárního)) panelu přeevzato z
2.2.. Palivovýý článek Palivovvý článek jee elektrocheemické zaříízení, které s vysokou účinností, převádí chemickou energii reaktantů přímo p na energii elektriickou a teplo. Základem palivovéého článku je j vrstva elektrolytu nebo membrána, m která k je v ko kontaktu s porézními ellektrodami, katodou a anodou. Typickyy používanné elektroly yty jsou naapř. H3PO4, KOH, nebo n keram miky či meembrány povětšinnou z flurovvaných poly ymerů. Obeccné schémaa palivového o článku je nna Obr. 2.
Obr. 2 S Schéma palivového člán nku (www.httec.com)
2
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: H2 2H+ + 2e-
O2 + 4H+ 4e- H2O
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 (O2-), 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
Obr. 3 S Srovnání fun nkcí baterie (vlevo) a paalivového článku (vprav vo)
P Palivové články č s polymerní m membránou u (PEMFC C) Funkci elektrolytu zde plní po olymerní meembrána vo odivá pro vo odíkové ionnty (protony y), někdy se protto používá termín „p proton excchange mem mbrane (PEM)“, kterrá však musí m být zvlhčovvána. V drtivvé většině se s jedná o suulfonované fluoropolym mery, nejčaastěji Nafion n®. Jako katalyzáátor se nejččastěji použžívá platina,, nebo slitin ny platinový ých kovů, kkteré jsou nanesené n na povrrch GDL (pllynově difú úzní vrstva) a tak vytvááří GDE (ply ynově difúzzní elektrod da), GDL se zafixxovaným kaatalyzátorem m. Jako paliivo slouží vodík, v nebo metanol a jako okysliičovadlo kyslík, nnebo vzducch. Pracovn ní teplota je do 90°C, což c umožňu uje okamžitté flexibilníí použití, nevýhoddou je vysooká citlivostt katalyzátooru na katallytické jedy y, především m na oxid uhelnatý. u Tento ppalivový článnek se hodí pro mobilnní zařízení.
2.3.. Elektrollyzér Princip funkce elekktrolyzéru s protonově vodivou membránou m je j v zásadě inverzní k principu činnostii palivovéhho článku. Protonově vodivá membrána, m k níž jsou připojeny porézní elektroddy opatřenéé katalytick kou vrstvouu, je ponořeena do vod dy a k elekktrodám je připojen vnější zzdroj prouduu. Na anodě dochází k rozkladu molekul m vody na vodíkk a kyslík. Zatímco kyslík uuniká ve forrmě plynu pryč, vodík sse naváže na katalytick kou vrstvu eelektrody, kde dojde k jeho ooxidaci. 2H2O O2 + 4H+ + 4e−. Zatímcoo protony jsou přitaho ovány skrz membránu (elektrolyt) k zápornéé katodě, elektrony e odcházeejí vnějším obvodem ke k kladném mu pólu zdrroje. Na strraně katodyy dochází k redukci protonůů s elektronyy z vnějšího o zdroje za vvzniku plyn nného vodíku. 4H H+ + 4e− 2H 2 2. V elekttrolyzéru see tedy vždy y dvě molekkuly vody rozloží na dvě molekuuly vodíku a jednu molekullu kyslíku – objemy vodíku v a kyyslíku, unik kajících z ellektrolyzéruu za jednotku času, jsou teddy v poměruu 2:1. 2H2 O 2H2 + O2,
4
2.4.. Voltamp pérová ch harakterisstika Voltamppérová charrakteristika je závislosst elektrickéého proudu na napětí I = I (U). Prro pevné elektrickké vodiče obecně o fung guje lineárníí závislost, kdy konstan ntou úměrnnosti je odpo or a platí Ohmův zákon (I = R*U), vizz obr. Obr. 4 a). Poněk kud odlišný ý stav zaznaamenáme při p účasti elektrolytického vodiče. S ro ostoucím naapětím vzniká nepatrn ný proud, kkterý po čaase opět dy nepřekroočíme tzv. rozkladné r napětí. n Potéé již proud d vzrůstá zaniknee a to až do doby, kd s napětíím opět lineeárně, viz ob br. Obr. 4 b)).
Obr. 4 V Voltampérovvá charakteeristika a) peevného vodiiče, b) elektrrolytického vvodiče
5
3. Posstup prááce: 3.1.. Popis aparatury Pokusnoou aparaturru tvoří sto ojan s pěti ssamostatným mi moduly,, které lze vzájemně propojit. p K dispoozici je solárrní panel, ellektrolyzér, palivový článek, měřící modul a zátěžový modul, m na kterém jje umístěn elektromoto orek s vrtulíí, žárovka a odpor s naastavitelnouu hodnotou, viz Obr. 5.
Obr. 5 M Modelová sttanice palivo ové články, celkový poh hled
Samostaatnou část tvoří světeelný zdroj, kterým je v tomto přřípadě haloogenový refflektor o výkonu 250W. Modul M elektrrolyzéru je tvořen dvěěma elektro odami, mezzi kterými je PEM membráána. Modul je navržen pouze k ellektrolýze vody, v jejíž nepřetržitý n ppřísun zajiššťují dva průhleddné uzavřené válce. Prů ůběh elektrrolýzy indik kují unikajíccí bublinkyy vznikajícícch plynů (H2 a O2). Modul palivového o článku tvooří dva paliv vové články y mající sam mostatné ko onektory. Lze teddy využít jaak jeden tak k oba článkky a to jak v sériovém m tak v paraalelním zap pojení ke spotřebiiči. Odpor v zátěžovém m modulu lzze nastavit v rozsahu 0,3 – 100 . 6
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
3.3.. Charaktteristika fotovoltai f ického pa anelu JJe proudovvý a napěť ťový výstupp solárního o panelu stálý? Úkol: S Stanovte vooltampérovou charaktteristiku sollárního pan nelu a určeete jeho maaximální vvýkon! Přístrojje a pomůckky: ssolární paneel, měřící paanel, zátěžoový panel, zdroj z světla, kabely. Postup:: Sestavte aparaturu pod dle schématuu na Obr. 6. O Osvětlete soolární panell, vzdálenosst reflektoru u od panelu nastavte naa 30 cm. P Počkejte přřibližně 3 minuty na zahřátí so olárního pan nelu, kvůli konstantníí teplotě v průběhu měření. m Z Změřte nappětí a proud pro všecchny hodno oty odporů dostupné nna měřícím m panelu. M Měření začnněte v polozze „Short C Circuit“ a jak ko poslední měřte v pooloze „Open n“. Z Změňte vzddálenost meezi reflektoorem a soláárním panellem na 20 a 40 cm a měření oopakujte.
Obr. 6 S Schéma zapoojení kompo onent pro sttanovení cha arakteristiky y solárního ppanelu
Zpracovvání dat: Sestrojte vooltampérovo ou charakterristiku solárrního panelu u. harakteristikku solárního o panelu (P = U *I). Sestrojte výýkonovou ch S Stanovte maximální vý ýkon solárníího panelu.
8
JJak závisí intenzita proudu p na uhlu dopa adu světla na solárníí panel? Úkol:
S Stanovte záávislost elek ktrického prroudu na úhlu dopadu světla s na sollární panel!
Přístrojje a pomůckky: ssolární paneel, měřící paanel, zdroj ssvětla, kabeely. Postup:: Sestavte aparaturu pod dle schématuu na Obr. 7. N Nastavte vzzdálenost mezi m reflektoorem a solárrním panelem na 30 cm m. N Nastavte soolární panel tak aby svvětlo dopadaalo kolmo (úhel ( náklonnu solárního o panelu jje 0°). Z Změřte elekktrický prou ud. P Postupně poootočte soláární panel vvždy o 10° nejprve doleva a potéé i doprava, v každé ppoloze zaznnamenejte elektrický prroud pro každou polohu u panelu.
Obr. 7 S Schéma zap pojení pro sttanovení závvislosti inten nzity elektrického prouudu na úhlu u dopadu světla
Zpracovvání dat: Sestrojte záávislost prou udu na úhluu dopadu svěětla. Sestrojte záávislost prou udu na cosinnu úhlu dop padu.
9
3.4.. Voltamp pérová ch harakterisstika elek ktrolyzéru u Úkol: Stanovte vooltampérovo ou charakteeristiku elektrolyzéru a odhadnětte rozkladn né napětí S vvody! Přístrojje a pomůckky: ssolární paneel, elektroly yzér, měřící panel, zdro oj světla, kab bely. Postup:: Sestavte aparaturu pod dle schématuu na Obr. 8. Z Zkontrolujtte polaritu, kladný k pól ssolárního paanelu musí být připojenn ke kladnéému pólu eelektrolyzérru a záporný ý k zápornéému. N Nastavujte proud pro ocházející eelektrolyzérrem v krocíích od 10 mA do 350 mA, k nastavení využijte otáčení solárnního panelu u. O Odečtěte alespoň 10 ho odnot napěttí a proudu.
Obr. 8 S Schéma zapoojení pro sta anovení volttampérové charakterist c tiky elektrollyzéru
Zpracovvání dat: Sestrojte vooltampérovo ou charakterristiku elekttrolyzéru. Odhadněte rozkladné napětí n vody . O
10
3.5.. Charakteristika palivového p o článku Úkol: Stanovte záátěžovou voltampérov v vou charaktteristiku paalivového ččlánku a od dhadněte S m maximální výkon, v kterrý lze z článnku odebíratt! Přístrojje a pomůckky: ssolární paneel, elektroly yzér, palivovvý článek, měřící m paneel, zátěžovýý panel, zdro oj světla, hhadičky, kaabely. Postup:: Sestavte aparaturu pod dle schématuu na O Obr. 9. Z Zkontrolujtte propojeníí elektrolyzééru a palivo ového článk ku hadičkam mi, nastavtee rezistor ddo pozice „Open“. „
Obr. 9 S Schéma zapoojení pro přřípravu měřření voltamp pérové chara akteristiky ppalivového článku č
P Přesvědčte se, zda jsou u oba cylinddry elektroly yzéru napln něny vodou ppo rysku 0 ml. P Použijte sollární panel a nastavte kkonstantní proud p v mezzích 200-3000mA. 5 minut proomývejte celý systém (eelektrolyzérr, palivový článek a haadičky) vzniikajícími pplyny. N Nastavte reezistor do pozice 3 a ponech hte 3 minu uty běžet, aampérmetr by měl ddetekovat malý m proud d, poté nasttavte rezistor zpět do polohy „oopen“ a pon nechte 3 m minuty běžeet. O Odpojte naa okamžik elektrolyzéér od solárrního panelu a uzavřřete kratší hadičky ppalivového článku zátk kami, viz Obbr. 10.
11
Obr. 10 Uzavření hadiček paliv vového článk ku
Z Znovu proppojte elektro olyzér se soolárním panelem. Propo ojení přeruššte až ve ch hvíli, kdy v zásobníkuu elektrolyzzéru bude 300 ml vodíku u. O Odpojené kabely k použijte k připojjení palivov vého článku u k voltmetruu, viz Obr. 11 1 . Z Zaznamenej ejte hodnoty y napětí a pproudu pro o různé velikosti odpooru, měření začněte v pozici „O Open“. P Před každým m odečtením m hodnoty vvyčkejte aleespoň 30 vteřin. N Na konci měření m nastaavte rezistorr zpět do po ozice „Open“ a odstraaňte zátky z hadiček nna palivovéém článku. S Stejným způůsobem zm měřte napětí a proud pro o žárovku a elektromotoor s vrtulí.
Obr. 11 Schéma zap pojení pro měření m voltaampérové ch harakteristik ky palivovéhho článku
Zpracovvání dat: Sestavte vooltampérovo ou charakterristiku paliv vového článku. iinterpretujtee naměřeno ou křivku. zzakreslete hodnoty h pro o žárovku a elektromoto or. ssestrojte výýkonovou ch harakteristikku palivového článku. vvypočtěte sppotřebu eneergie žárovkky a elektromotoru a ho odnoty zaneeste do výko onové ccharakteristtiky. 12
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
