ŘÍZENÍ BEZPEČNÉ VÝROBY VODÍKU

Mendelova univerzita v Brně Provozně ekonomická fakulta

ŘÍZENÍ BEZPEČNÉ VÝROBY VODÍKU Bakalářská práce

Vedoucí práce: Dr. Ing. Radovan Kukla

Daniel Andrejčík

Brno, 2013

Chci poděkovat Dr. Ing. Kuklovi za možnost se věnovat tomuto nestandardnímu tématu a Univerzitě za propůjčení měřicích přístrojů.

Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vyřešil samostatně s použitím literatury, kterou uvádím v seznamu.

V Brně dne 1. ledna 2013

................................................................

4

Abstract Andrejčík, D. Safe and controled hydrogen production . Bachelor thesis. Brno 2013 This thesis theoretically deals with posibility of safe and effective hydrogen production from water. In this work is made draft of platform for testing varios thesis about decomposition of water molecule, measurement effectivity of this process, and handeling saefty issues. Key words Thesis, Hydrogen, Test platform, Electrolysis, Safety.

Abstrakt Andrejčík, D. Řízení bezpečné výroby vodíků. Bakalářská práce. Brno 2013 Práce se teoreticky zabývá výrobou vodíku z vody, efektivitou a bezpečností. Je zde proveden návrh testovací platformy pro měření vlivů různých druhů impulzních signálů na proces disociace vody. Mezi dílčí cíle patří návrh bezpečnostních opatření a návrh měření efektivity. Ke konci se tato práce zabývá možným praktickým využitím navrhnuté platformy Klíčová slova Závěrečná práce, Vodík, testovací platforma, bezpečnost, elektrolýza.

5

CONTENTS

Contents 1 Úvod a cíl práce 9 1.1 Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Cíl práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Teoretická část 2.1 Standardní elektrolýza . . . . . . . . 2.2 Typy současně používaných článků . 2.2.1 Plechové . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Drátové . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Trubkové . . . . . . . . . . . 2.2.4 Technická realizace . . . . . . 2.3 Nestandardní způsoby rozkladu vody, 2.3.1 Disociace frekvenci . . . . . . 2.3.2 Disociace vysokým napětím . 2.3.3 Disociace radiovým zářením . 2.3.4 Termo-elektrická disociace . . 2.4 Možné využití v praxi . . . . . . . . 2.4.1 V automobilovém průmyslu . 2.4.2 Svařování a řezání . . . . . . 2.4.3 Ostrovní systémy . . . . . . . 2.4.4 Závěr kapitoly . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Disociace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

3 Metodika řešení 4 Praktická část 4.1 Teorie k ověření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Teorie podle Stana Meyera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Teorie odvozená z pozorování . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Teorie podle výzkumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Analýza problémů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Nároky na obvod při použití v kombinaci s plechovým elektrolyzérem v automobilu při praktickém využití . . . . . . . 4.2.2 Nároky na obvod pro ověřování přístupů k rozkladu vody . . 4.3 Zhodnocení rizik při výrobě a návrh protiopatření . . . . . . . . . . 4.4 Rizika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Protiopatření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Řešení problému řídicího členu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Řídicí jednotka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Návrh zapojení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Požadované funkce řídicího členu pro účel testování . . . . . 4.5.4 Programová část . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Problém měření efektivity disociace . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11 11 12 12 12 13 13 14 15 15 15 15 17 17 17 17 18 19

. . . . .

20 20 20 20 21 21

. . . . . . . . . . .

22 22 22 23 23 24 25 25 25 26 28

6

CONTENTS

4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5

Měření efektivity pomocí úbytku vody . . . . . . . . . . . . Měření efektivity pomocí plnění odměrného válce . . . . . . Měření efektivity pomocí vytlačení vodní hladiny na stupnici Měření pomocí průtokoměru plynů . . . . . . . . . . . . . . Měření efektivity pomocí elektronických mikrosenzorů vodíku a kyslíku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.6 Měření pomocí převodů na jiný druh energie . . . . . . . . . 4.6.7 Porovnání efektivity podle tepelného úbytku na elektrolytu . 4.7 Ekonomická stránka řešení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Návrh zkušebního zapojení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Použité příslušenství při měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.1 Použité moduly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.2 Výkonový člen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.3 Indukčnost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.4 Elektrody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.5 Měřicí přístroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Ověření návrhu v praxi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10.1 Cíl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10.2 Průběh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10.3 Zhodnocení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11 Další plánované měření a využití . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11.1 Experiment se soustavou plochých bifilárních cívek dle Teslových patentů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11.2 Experiment s toroidním transformátorem dle Tesla-Boyce specifikací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11.3 Experiment s transformátorem dle patentů Stana Meyera . . 4.11.4 Experiment pomocí návrhu Bi-Toroid transformátoru dle patentů Thane C. Heins PD inc. . . . . . . . . . . . . . . . 4.11.5 Experiment s impulsovými motory a cívkami podle modelu Mirka Rodina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Závěr a diskuze 5.1 Plánované rozšíření řídicí jednotky . . . 5.2 Diskuze a zhodnocení praktického testu . 5.3 Diskuze k návrhu řídicí jednotky . . . . 5.4 Návaznost na na tuto práci . . . . . . . 6 Literatura

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

29 29 29 30

. . . . . . . . . . . . . . . .

30 31 31 31 32 32 33 35 35 35 36 36 36 36 37 37

. 38 . 39 . 39 . 39 . 40 . . . .

41 41 41 42 42 44

SEZNAM OBRÁZKŮ

7

Seznam Obrázků Obr. 1: Molekula vody. Zdroj : http://www.apswater.com

11

Obr. 2: Konfigurace plechů. Zdroj : http://reduceyourfuelbill.com.au

12

Obr. 3: Drátovy návrh elektrod. Zdroj : http://i1.ytimg.com/vi/11Qn4CGlZp4/0.jpg

13

Obr. 4: Trubkový návrh elektrod

13

Obr. 5: Obrázek z testování termoelektrické reakce ve Francii

16

Obr. 6: Výňatek z patentů Stana Meyera

21

Obr. 7: Návrh vodní předlohy s ochranami

24

Obr. 8: Návrh zapojení

25

Obr. 9: Zjednodušený vývojový diagram

26

Obr. 10: Výstup na LCD po kalibraci bez zátěže

28

Obr. 11: Ovládací tlačítka, relé a ampérmetr

28

Obr. 12: Obrázek plnění odměrného válce

29

Obr. 13: Obrázek vytlačování vodní (VANAGS, 2012)

30

Obr. 14: Mikrosensor O2 od firmy unisense. Zdroj: http://www.unisense.com/Flow

30

Obr. 15: Obrázek zapojení řídicího

32

Obr. 16: Obrázek principu elektro zapojení

32

Obr. 17: obrázek desky ArduinaMega

33

Obr. 18: obrázek DDS modulu

34

Obr. 19: Obrázek relé modulu

34

Obr. 20: Obrázek modulu ampérmetru

35

SEZNAM OBRÁZKŮ

8

Obr. 21: Obrázek vyrobených elektrod

36

Obr. 22: foto průběhu na osciloskopu

37

Obr. 23: foto elektrod v tom samém momentu

37

Obr. 24: Tesla flat bifilar coil

38

Obr. 25: toroidní transformátor dle Tesla-Boyce specifikací

39

Obr. 26: Výňatek z patentu Stana Meyera

39

Obr. 27: Bi-Toroid transformátor

40

Seznam zkratek DAC Digital-to-Analog Converter DEFIE Digital Electronic Fuel Injection Enhancer FCHEA The Fuel Cell and Hydrogen Energy Association HHO Oxyhydrogen LENR Low Energy Nuclear Reaction NASA National Aeronautics and Space Administration (USA) NREL National Renewable Energy Laboratory PEM Proton exchange membrane PWM Pulse-width modulation

1

ÚVOD A CÍL PRÁCE

1 1.1

9

Úvod a cíl práce Úvod

Během svého studia jsem vypozoroval, že nejvíce ze všeho mne přitahují témata, která by se dala lidmi využít v každodenní praxi. Kromě jiného se zajímám i o problematiku obnovitelných zdrojů. Například ropa pro naši společnost představuje nepostradatelnou komoditu, na které závisí téměř veškerá lidská činnost. Zhruba 90 procent potravin je pěstováno za pomocí ropy. Údajně asi 95 procent zboží potřebuje ke své výrobě ropu. Například na výrobu jediného počítače se spotřebuje několikanásobek jeho hmotnosti ropy. Naše společnost ropu využívá, a zřejmě bude dál využívat, ještě mnoho a mnoho let. Mluví se o tom, že je stále těžší najít nová ložiska ropy, dá se tedy předpokládat i neustálé zvyšování její ceny. I kdyby se zdroje ropy na naší planetě v nejbližší budoucnosti nevyčerpaly úplně, jedna věc je jistá: Ropa není obnovitelný zdroj energie. Přesto, že se už některé vyspělejší země snaží, jak z ekonomického, tak i z ekologického hlediska, co nejvíce zefektivnit používání ropy, zatím se příliš nedaří uvádět do života alternativní řešení. Například funkční elektromobily jsou známy už delší dobu a přesto to zatím nevypadá, že bychom se, patrně z důvodů vysokých nákladů při jejich výrobě, dočkali jejich masového využívání. Obdobně mi připadá logické, že pokud chceme, například v automobilovém průmyslu začít masově používat alternativy ropných derivátů, bylo by dobré mít nejdříve nějaký mezistupeň, který využije současný nedokonalý návrh pohonu automobilu z hlediska přeměny energie. V praxi bych tedy viděl cestu ve vylepšení standardní pohonné jednotky automobilu právě pomocí vysoce výbušného alternativního aditiva, například vodíku. Tím by se teoreticky dosáhlo výrazných ekonomických úspor při provozu vozidla, protože by se výrazně zvýšila účinnost jeho spalovací jednotky. Bylo by však třeba toto přídavné zařízení vytvořit na určité úrovni a začít jej vyrábět průmyslově ve velkém, aby mohlo být zcela bezpečné a jeho montáž by pak mohl provádět buď sám výrobce automobilů anebo kterákoliv certifikovaná firma, podobně jako je tomu v současné době při přestavbě pohonu automobilů na plyn. Motory na vodík a spalovaní obecně není nejefektivnější řešení z hlediska přeměny energie, protože musíme provést několik dějů s malou efektivitou. Vodík je jako alternativní palivo nebo aditivum výhodné právě proto, že jde použít ve většině současných spalovacích zařízení. Stačí k tomu jen mála technická úprava. Právě to by mohlo v současných ekonomických podmínkách posloužit jako určité přechodné řešení (ekonomická a ekologická záplata) současného doznívajícího systému postaveného na ropě, alespoň do té doby než vymyslíme něco lepšího. Vodík není žádná žhavá novinka, modely vycházející z vodíku jsou známe už více než sto let (Our Common Future, 1987). V ideálním světě by bylo nejlepší, kdyby se vodík vyráběl ve speciálních střediscích a dovážel přímo k zákazníkovi. Bohužel v praxi je to problematické už proto, že vodík je ve stlačeném stavu extrémně výbušný. Jeho přeprava by byla tedy nákladná

1.2

Cíl práce

10

a nebezpečná. Pokud chceme vodík používat jako palivo, zbývá tedy pouze vodík vyrábět v menším množství a rovnou jej spalovat. Způsobů, jak vyrábět vodík, je samozřejmě nespočet. Vzhledem k omezenému rozsahu této práce bych se rád soustředil pouze na elektrochemické reakce rozkladu vody a následně na automatizaci těchto procesů. Voda kolem nás je zatím levná a dostupná a jako dočasná alternativa k ropným derivátům je tedy výhodná. Myslím, že rozhodně má smysl se touto problematikou zabývat na vysokoškolské půdě, protože potenciál tohoto tématu je v případě úspěchu veliký. Pokud se v budoucnu budeme chtít zabývat otázkou efektivního rozkladu vody, musíme si stanovit co je a není reálně možné. Při zkoumání neověřených teorií je lepší, než ručně nastavovat a sledovat parametry, mít platformu, která to udělá za nás. Stejně tak současný spotřebitel nebude doma experimentovat a hledat nejefektivnější zapojení nebo cokoliv fyzicky upravovat. Největším problémem tohoto tématu je samotná automatizace jednotlivých dějů. Právě k tomu potřebujeme snadno postavitelnou, upravitelnou a replikovatelnou technickou platformu pro testování, řízení a monitorování. Proto jsem si toto velice nestandardní téma zvolil v mém studijním oboru. Tato činnost je časově a hlavně finančně náročná. Samotná problematika je obecně docela složitá, jak chemicky, fyzikálně, elektrotechnicky, tak i z pohledu informačních technologií. Proto se v této práci chci soustředit hlavně na návrh této platformy.

1.2

Cíl práce

• Nastudovat dostupné metody výroby vodíku z vody. • Analyzovat problém. • Navrhnout experimentální zařízení pro testování různých přístupů k rozkladu vody. • Navrhnout řízení a monitorování procesu. • Zhodnotit možné hrozby při výrobě vodíků. Navrhnout systém, který bude těmto hrozbám předcházet. • Pokusit se o dosažení optimální bezpečné minimalizace systému výroby vodíku. • Navrhnout způsob měření efektivity. • Navrhnout možné využití v praxi.

2

11

TEORETICKÁ ČÁST

2 2.1

Teoretická část Standardní elektrolýza

Proces elektrolýzy je znám desítky let a proto není nutné toto téma moc rozebírat. Zopakuji pouze informace týkající se mé práce. Pokud vyrábíme vodík pomocí elektrolýzy a plánujeme dlouhodobý provoz, hlavní nevýhodou je nutnost destilované vody s nebezpečným hydroxidem, jako například KOH. Při použití nedestilované vody se elektrody rychle zanesou a zvednou odpor obvodu. Se stoupajícím odporem roste množství energie přeměněné v teplo a tím klesá efektivita procesu. Dalším problémem je zdroj napětí, který musí zvládnout dlouhodobé vysoké proudové zatížení, a aby toho nebylo málo, pak ještě musíme odvádět teplo, jak ze zdroje, tak z elektrolytu. Množství vyrobeného plynu vyplývá ze zákonů (REICHL, 2011) : 1. Faradayův zákon : Hmotnost vyloučené látky je přímo úměrná náboji, který prošel elektrolytem m = kQ . Konstanta k se značí jako A (elektrochemický ekvivalent) m = AQ = AIt 2. Faradayův zákon : Elektrochemický ekvivalent určíme podle vzorce: A = (M n)/(F v) . A se liší pro různé látky (různe Mn, molární hmotnosti) i pro 1 látku v různých sloučeninách. Při tomto procesu se snažíme doslova roztrhnout kovalentní vazbu mezi kyslíkem a vodíkem v molekule vody (viz obrázek č. 1) proudem. Výslednou směs tvoří ionty H+ a OH-.

Obr. 1: Molekula vody. Zdroj : http://www.apswater.com

2.2

Typy současně používaných článků

2.2 2.2.1

12

Typy současně používaných článků Plechové

Tyto články jsou nejrozšířenější v současné době. Na internetu je najdeme pod názvem „dry hho cell“. Vyznačují se vysokou spolehlivostí, jak název napovídá, jsou suché, nenamáčejí se do elektrolytu, ale elektrolyt proudí uvnitř. Nejčastěji se takové články vyrábějí z tenkého nerezového plechu, který jsou nařezány na několik stejných částí, a ty pak fungují jako elektrody. Mezi jednotlivé plechy je vložen gumový nebo plastový profil. Tato guma vytváří mezeru mezi elektrodami a zároveň tvoří malou nádržku/komoru, ve které proudí elektrolyt. Samotné plechy se pak skládají do různých konfigurací podle napětí baterie a podle požadovaného odběru proudu. Například konfigurace elektrod pro 8 V může vypadat takto : +NNN-NNN+ (viz obrázek č. 2). Mínus značí zápornou elektrodu, plus naopak kladnou. „N“ je neutrální elektroda. Neutrální elektrody se používají ke snížení provozního napětí mezi dvěma elektrodami a zvýšení pracovní plochy. Pokud počítáme s tím, že mezi všemi elektrodami máme stejnou vzdálenost a mezi dvě elektrody vložíme elektrodu neutrální, tak dostaneme mezi elektrodami napětí poloviční s dvojnásobnou plochou. Reakce je nejefektivnější při napětí 1,25 V mezi elektrodami (to znamená, že nejméně energie se přemění v teplo) v ideálních podmínkách. V praxi to závisí na použitém elektrolytu a pracovní hodnotu udržujeme mezi 1,8 V - 2,5 V.

Obr. 2: Konfigurace plechů. Zdroj : http://reduceyourfuelbill.com.au

2.2.2

Drátové

Tyto články mají nízkou efektivitu, ale jsou levné na výrobu. Elektrody tvoří spirály z chemicky odolného drátu (viz obrázek č. 3). K tomuto účelu jdou použít například staré ukotvovací nerezová lanka nebo pružiny.

2.2

Typy současně používaných článků

13

Obr. 3: Drátovy návrh elektrod. Zdroj : http://i1.ytimg.com/vi/11Qn4CGlZp4/0.jpg

2.2.3

Trubkové

Elektrody tvoří několik rozměrově různých bezešvých trubek v sobě (viz obrázek č. 4). Tyto články jsou mnohem přesnější, jednodušší na údržbu a jsou odolnější. Elektrody z trubek můžeme skládat do dvojic vedle sebe nebo můžeme použít více trubek o různém průměru a snažit se, co nejlépe využít prostor.

Obr. 4: Trubkový návrh elektrod

2.2.4

Technická realizace

Pro realizaci v praxi, například v automobilu, k takovému článku potřebujeme: • Hadičky, kabely. • PWM člen, který omezuje množství energie dodávané do článku. Nemůžeme připojit takovýto článek přímo na alternátor, protože by se mohlo stát, že by auto nemělo dostatek energie pro chod nezbytné elektroniky v autě anebo by elektroinstalace auta nemusela snést zátěž článku. V praxi si uživatelé regulují PWM člen sami po dobu jízdy. Toto řešení sice funguje, ale jeho správná

2.3

Nestandardní způsoby rozkladu vody, Disociace.

14

funkce je závislá na uvažování řidiče. Zatím, protože tyto technologie používají pouze lidé technicky zdatní, nebyla nutnost tento proces automatizovat. Pokud bychom ale chtěli rozšířit tento systém masově, bude nutno vytvořit jednoduchý obvod, který bude hlídat napětí v okruhu a řídit modulaci automaticky. • Jednocestný ventil nebo bubler (vodní předloha). Nechceme ovšem ať se nám, v případě poruchy, vrátí plamen do článku a zničí ho. Stejně tak není přijatelné, aby se nám do sání dostala vodní pára. Proto je nutné umístit nějaký jednoduchý filtr mezi sání a bubler. • Upravit sání motoru. Výstup ze článku je potřeba přivést k sání ideálně za vzduchový filtr. • Zkontrolovat výfukové potrubí a chlazení. Při spalovaní směsi kyslíku a vodíku se vytváří vodní pára, která může razantně urychlit rezavění potrubí. Nedostatečné chlazení motoru může v kombinaci s vodíkem vést k poruchám. • Upravit informace proudící z lambda sondy do palubního počítače u aut s katalyzátorem. Například pomoci DEFIE. V dnešní době, je spalování u většiny automobilů řízeno elektronicky. Zjednodušeně řečeno, řídicí jednotka podle informací z lambda sondy a podle úrovně plynového pedálu se rozhoduje kolik se má vpravit (vstříknout) do válce. Tím, že se upraví směs, tak změníme „součinitel přebytku vzduchu“, což má za následek, že elektronika si myslí, že směs není dostatečně výbušná pro chod motoru, to ale v realné situaci není pravda. To může vést k zastavení motoru.

2.3


V této oblasti se mi nepodařilo dohledat věrohodné zdroje informací v češtině. Docela velké množství Čechů a Slováků sice experimentuje s vodíkem hlavně v automobilech, ale nepodařilo se mi dohledat žádnou publikaci zabývající se rozkladem vody pomoci rezonančních obvodů nebo pulzního napětí. Jako hlavním zdrojem informací byly pro mne pokusy a dokumentace Jean-Louis Naudina (NAUDIN, 2013) a Russ Griese (GRIES, 2012), jejichž výzkumná práce je velice pozoruhodná. Teoretické znalosti jsem hledal v patentech Stana Meyera, Nikoly Tesly, Tech reportů z NASA (NASA, 2011) a jiných výzkumných středisek a článcích na Internetu. Jinak je ovšem toto téma stále velice kontroverzní. Veliké množství vědců v minulosti tvrdilo, že vodík je palivo budoucnosti a že můžeme vodík efektivně vyrábět z vody. Několik z nich tvrdilo, že lze i vodík rozkládat energeticky efektivně (HORVATH, 1976; SPIRIG, 1978; THEMU, 1980; PUHARICH, 1983; MEYER, 1986; SANTILLI, 2001; CHAMBERS, 2002). Poslední dobou se o toto téma začínají zajímat známější výzkumná střediska jako např. Univerzita v Litvě. Tato zkoumala v roce 2012 efektivitu elektrolýzy indukčním impulzním signálem(VANAGS, 2012). Zmíním hlavně nejznámější teorie a způsoby rozkladu.

2.3


2.3.1

15

Disociace frekvenci

Stan Meyer byl jeden z prvních badatelů, který poukázal na to, že něco takového je možné v mediích. Svoje patenty ukázal i několikrát v televizi. Už několika lidem se podařilo jeho experimenty částečně replikovat. Sice ne s takovou efektivitou jako sám Meyer, ale přesto s efektivitou větší než udávají rovnice elektrolýzy. Jako další příklad bych rád zmínil vědce jménem Dave Lawton, Andrija Puharich MD, Ravi Raju, díky kterým známe alespoň základní principy. Zajímavostí je, že se o prodejní a mediální prosazení této technologie snažila v roce 2007 firma Xogen. Prodejní potenciál tohoto odvětví podle jejich slov je v bilionech. Firma ale byla ,pravděpodobně z konkurenčních důvodů, odkoupena a o dva roky později zanikla. Meyer tento proces postavil na principu vysokonapěťových impulzů vznikajících v LC obvodu. Vodíkový článek zapojíme do LC obvodu jako vodní kondenzátor a snažíme se dosáhnout rezonance. V praxi to není tak jednoduché, jak to vypadá. Prvním problémem je voda, která je opravdu špatné a nestabilní dielektrikum. Dalším problémem je samotné udržení rezonance, protože kmitočet rezonance se po dobu reakce mění. Jenom samotné udržení rezonance byl v té době natolik velký problém, že Stan Meyer od tohoto přístupu upustil a snažil se o přeměnu vody v palivo přímo u vstřikování. 2.3.2

Disociace vysokým napětím

Disociace vysokým napětím je podobný princip jako disociace frekvencí. Rozdíl je v tom, že vysokonapěťové pulzy nevznikají rezonancí, ale pomocí pomocného transformátoru. Tento přístup je založen na tvrzení, že voda se chová jinak při nízkém, a jinak při vysokém napětí. Jisté náznaky o různém chování vody při rozdílném napětí jsem dohledal již v dokumentech od Nikoly Tesly. 2.3.3

Disociace radiovým zářením

John Kanzius při výzkumu možnosti léčby rakoviny objevil zajímavou věc. Slanou vodu lze disociovat pomocí radiovln(KANZIUS, 2009). Jedná se o polarizované radiové záření o frekvenci 13.56 MHz. Bylo o tom odvysíláno několik dokumentů a bylo to i potvrzeno úřady. Slaná voda je všude, bylo by zajímavé zkusit tento pokus replikovat. 2.3.4

Termo-elektrická disociace

Reakce začíná jako klasická elektrolýza, ve slaném roztoku je vytvořen elektrický oblouk mezi dvěma chemicky a tepelně odolnými elektrodami. Postupně roste napětí a proud, díky čemuž stoupá teplota a spotřeba. Po určitém čase se ale dostaneme do stavu, kdy elektrolýzou vytvořený vodík se samovolně pod vodou vznítí, čím vytvoří značné množství energie a v kombinaci s napětím, vzniká pod vodou plazma(viz

2.3


16

obrázek č. 5). Podle měření několika nezávislých středisek při této reakci vzniká mnohem více energie ve formě tepla, než je vloženo ve formě elektrické energie (MIZUNO, 2005)(2x a více, někteří dokonce získali osminásobek vložené elektrické energie). Tento proces je mnoha vědci považován jako budoucnost LENR. Nejenom, že by nevyzařoval veliké množství radiace, ale nevytvářel by ani žádný radioaktivní odpad jako jaderné elektrárny(KANAREV, 2003).

Obr. 5: Obrázek z testování termoelektrické reakce ve Francii

Kdybychom byly schopni převést vyzařované teplo, jenom dejme tomu s padesáti procentní efektivitou, můžeme prakticky vytvořit smyčku, kdy by takový generátor napájel sám sebe , k tomu produkoval malé množství energie a zpotřebovával u toho pouze vodu jako palivo. Když se nad tím zamyslím, tak teoreticky by toho mělo být možné dosáhnout v kombinaci parní turbíny a Peltierova článku. Parní turbína má účinnost cca 45 procent, předpokládám, že nepřeměněné teplo turbínou by se přivedlo na Peltierovy články, které mají efektivitu cca 20 procent. V součtu by to teoreticky bylo 45 + (55*0.2) = 56 procent. Samozřejmě jsou i jiné, účinnější způsoby, jak proměnit teplo na elektrickou energii (např. ENECO Thermal Chip). Z tohoto pohledu můžeme usuzovat, že je možné i ve školních podmínkách, postavit takovýto malý, samopoháněcí generátor. Možná by zatím neměl praktické nebo průmyslové využití, ale v rámci akademické půdy by takové zařízení mohlo znatelně zvednout prestiž univerzity, i kdyby vyrábělo jen o pár watů více, než by spotřebovalo. Mnoho fyziků, chemiků a elektrikářů by mohlo na tomto zařízení postavit své závěrečné práce.

2.4

Možné využití v praxi

2.4 2.4.1

17

Možné využití v praxi V automobilovém průmyslu

Jak jsem již nastínil v úvodu, osobně nejsem zastánce používání fosilních paliv ve spalovacích motorech. Přístup naší generace k této otázce bych přirovnal k drogově závislému člověku, který ví že drogy škodí, ale pořád si jich bere víc a víc. Je známo, že spalování ropných derivátu má negativní dopad na ekologii. Stejně tak i my dobře víme, co spalování ropných derivátů způsobuje nám i naší Zemi, přesto navyšujeme její spotřebu. V roce 1970 NASA demonstrovala, že i malé množství vodíku v spalované směsi může zvýšit efektivitu spalování a drasticky snížit emise a zvednout sílu motoru. Proto jsou vodíkové články na bázi klasické elektrolýzy tak rozšířené. Proces sice zatím není efektivní, ale většina alternátorů je vůči elektrické spotřebě automobilu předimenzována a zvládnou zátěž takového elektrolyzérů. Ovšem současná legislativa nedovoluje jejich montáž oficiálně. Navíc můžeme získat energetický přebytek v obvodu automobilu, když nahradíme klasickou autobaterii soustavou superkondenzátorů. Kdybychom dokázali proces jenom trochu zefektivnit a vyloučit nutnost mít v rámci reakce hydroxid a destilovanou vodu, bylo by možné navrhnout projekt výroby vodíků, který byl šel bez problémů zlegalizovat. Takovýto článek by šel používat jako zdroj aditiv pro spalovací motory nebo je dokonce pohánět úplně. Na internetovém portálu overunity.com byla vyhlášená soutěž, kterou vyhrál německý projekt, kde byla vytvořena smyčka mezi benzinovou elektrocentrálou a vodíkovým článkem. Elektrocentrála byla upravena tak, aby dokázala fungovat na směs vodíku a kyslíku. Proud vyráběný touto centrálou byl víc než dostatečný k tomu, aby napájel samotný vodíkový článek plus 400 W zátěž. Celý projekt by bylo možné ještě víc zefektivnit a zautomatizovat pro komerční prototyp anebo by bylo zajímavé celý proces aplikovat na větší motor, například na automobil. Dále by takový prototyp byl výbornou vizitkou Univerzity na různých soutěžích nebo prezentacích a lákadlem pro budoucí studenty. 2.4.2

Svařování a řezání

V současné době se při řezání a svařovaní kovů používá směs vysoce hořlavých a výbušných plynů. Čistě teoreticky by je bylo možno nahradit vodíkem, za předpokladu, že bychom jej byly schopní vyrábět na místě, z bezpečných sloučenin jako je například voda. Vodíkové řezačky se současně používají hlavně ve specializovaných šperkařských dílnách, kde je potřeba malý, ale silný plamen a k tomu je směs vodíku a kyslíku ideální. 2.4.3

Ostrovní systémy

Takový generátor vodíku by šel využít v ostrovních systémech v kombinaci s fotovoltarikou a palivovými články, které umí vyrobit z vodíku elektrickou energii. Těmito články se zabývá veliké množství agentur jako NREL(NERL, 2013),

2.4

Možné využití v praxi

18

FCHEA(FCHEA, 2013) a další. V návrhu ideálního domu bychom mohli například získávat přes den elektřinu z fotovoltarických panelů. Energie, která by se nespotřebovala, by se použila na výrobu vodíku z vody. Tento vodík bychom naopak proměnili v elektřinu v době, když slunce nesvítí. Vodíkově články se začaly používat již v době prvních raketoplánů, protože byly schopné produkovat efektivně proud a pitnou vodu. Problém bych viděl hlavně v automatizaci a nutnosti mít speciálně postavený vodíkový generátor, který už při reakci zrovna separuje kyslík a vodík anebo vodíkový článek upravit, aby uměl zpracovat směs kyslíku a vodíku. 2.4.4

Závěr kapitoly

O vodíku se už dříve mluvilo jako o palivu budoucnosti. Myslím si, že v tomto odvětví je veliký prostor na zlepšení. Teorií a možných postupů jde najít hodně, je potřeba ale ověřit, které z nich jsou funkční a použitelné v praxi.

3

3

METODIKA ŘEŠENÍ

19

Metodika řešení

V této kapitole bude popsána metodika potřebná k splnění cílů práce Stanovení teorií - Vzhledem k tomu, že bylo stanoveno za cíl práce vytvoření návrhu experimentálního zařízení pro testování různých přístupů k rozkladu vody, musí se stanovit jako první věc, teorie, která se bude v budoucnu ověřovat. Ke každé teorii, pokud je to možné, je potřeba dohledat teoretické informace. Stanovení nároků na řídicí část - V situaci když už víme, co budeme v budoucnu testovat, můžeme odvodit, které vlastnosti jsou pro nás nezbytné. Ve chvíli, kdy je ujasněno, co očekáváme od celku, můžeme stanovit nároky na řídicí část. Analýza možných rizik a návrh bezpečnostních opatření - Před samotným návrhem je nutné se zamyslet nad bezpečnostní stránkou problému. Je potřeba si vyjmenovat možné rizikové situace, které můžou nastat, a pokusit se těmto situacím předcházet protiopatřeními. Návrh řídicí části - V této části se budeme zabývat samotným výběrem součástí pro řídicí část a návrhem jejich propojení. V dalším kroku stanovíme vyžadované funkce programu a podle nich se navrhne program řídicího členu. Návrh měření efektivity zařízení - V této části se budeme zabývat otázkou měření efektivity celku. Cílem je zjistit a vypsat možné způsoby měření efektivity samotné reakce a zjistit jejich výhody a nevýhody. Ověření návrhu systému v praktických podmínkách - V případě, že je návrh hotový, můžeme otestovat základní části návrhu v praxi. Díky získaným poznatkům v této části můžeme v budoucnu návrh vylepšit a ověřit teoretické poznatky v praxi. Dále můžeme zmínit další možnosti využití pro celek.

4

PRAKTICKÁ ČÁST

4

20

Praktická část

Řídicí jednotka byla navržena dostatečně univerzální na to, aby mohla být upravována průběžně dle aktuální potřeby. Touto jednotkou se budou zkoušet, porovnávat a zkoumat v budoucnu různé složitější přístupy k rozkladu vody.

4.1

Teorie k ověření

V dnešním světe, který je přeplněn informacemi, můžeme najít spoustu různých teorií a různých návodů, které mnohdy porušují základy elementární fyziky. V kontrastu s množstvím dezinformací lze však nalézt i několik hodnověrně vypadajících odkazů na vědce, dokonce i vědecká střediska, která zkoumají, jak rozložit vodu energeticky efektivně. Přesto že se to může na první pohled zdát jako honba za mýtem, dle mého názoru, je to téma zasluhující pozornost z několika důvodu: 1. Vodík je základním stavebním kamenem vesmíru. V případě, že se jej naučíme vyrábět efektivně z něčeho pro nás tak obyčejného a dostupného jako je například voda, bude to přínos pro naši společnost. 2. Voda má několik anomálií. Například horká voda zamrzne dříve než studená. A podle posledních vědeckých výzkumů vody těchto anomálií existuje celá řada. Je docela možné, že anomálií s vodou, o kterých nevíme, existuje více. 3. V poslední době se podařilo najít několik nových experimentů, které potvrzují staré domněnky a patenty slavných vědců jako byl Tesla nebo Meyer. Některé z nich mají i video-dokumentaci, fotografie, nákresy a záznamy z měření, takže se těžce vyvracejí. 4.1.1

Teorie podle Stana Meyera

Názory odborníků na práci Stana Meyera (MEYER, 1989) se diametrálně odlišují. Podle nich nelze momentálně stanovit, zda-li frekvence a modulace signálu má nějaký vliv na samotnou vodu (viz obrázek č. 6), nebo jsou pouze prostředkem k dosažení rezonančních vysoko-napěťových impulzů. Jeho práce už byla několikrát replikována. Potřebujeme tedy „něco“, co dokáže projít široké spektrum frekvencí a zastaví se na bodu rezonance. Pak můžeme v budoucnu zkoušet různé nastavení modulace a porovnat efektivitu celku vůči standardním elektrolyzérům. 4.1.2

Teorie odvozená z pozorování

Podle mého názoru a podle toho, co jsem již v praxi vyzkoušel, si myslím, že nemá cenu se příliš fixovat na staré patenty. Myslím si, že cílem není samotná rezonance, ale dosažení bodu, kdy se voda mezi elektrodami začne chovat co nejvíce jako dielektrikum. My se pak budeme snažit toto dielektrikum prorazit. Právě při proražení dielektrika vzniká v krátkém časovém úseku veliké množství proudu.

4.2

Analýza problémů

21

Obr. 6: Výňatek z patentů Stana Meyera

Takže se budeme snažit náš vodní kondenzátor nabíjet, nechat prorazit co nejvíce krát za vteřinu. V případě použití obyčejné pitné vody musíme počítat s tím, že je velice špatné dielektrikum, a proto ji pomůžeme tím, že necháme zanést elektrody minerály. Teoreticky by pak měla jít lépe rozkládat i obyčejná nedestilovaná voda s podobnou efektivitou jako destilovaná s KOH. 4.1.3

Teorie podle výzkumu

V roce 2012 byl vydán pomocí serveru Intech výzkum „Water Electrolysis with Inductive Voltage Pulses“ (VANAGS, 2012). Autoři zkoumali vliv velice krátkých impulzů v rámci elektrolýzy a jejich vliv na efektivitu celkové reakce. Jejich závěr byl: Změnou vzdálenosti mezi elektrodami a vodivostí elektrolytu je experimentálně prokázáno, že jednotka elektrolyzérů se chová jako kondenzátor s vysokým koeficientem Q, když na něj přivádíme střídavé impulzní napětí se šířkou pod 1 us. Během této krátké doby se kondenzátor (elektrolyzér) nabíjí podobně jako v případě nabíjení dvojvrstvého elektrolytického kondenzátoru. Po přerušení krátkého napěťového pulsu se nahromaděná energie v kondenzátoru začne pomalu vybíjet (pulsní výbojový zákmyt) a to právě aktivuje reakci rozkladu vody na elementární částice. V důsledku toho je prokázáno, že reakce s krátkými impulzy v elektrolytu nemůže být považována za elektrochemickou reakci v procesu elektrolýzy, protože nezávisí na koncentraci elektrolytu. Proudová účinnost 50 procent byla zaznamenána při vysokonapěťových reaktivních krátkých impulsech, přičemž energetická účinnost je v rozmezí 70 až 100 procent. V případě, že je jejich výzkum pravdivý, můžeme zefektivnit současné používané elektrolyzéry.

4.2

Analýza problémů

Vycházíme z toho, že v budoucnu budeme stavět různé systémy pro rozklad vody na vodík a kyslík. Z důvodu zachování efektivity budeme muset zvolit rozdílné zapo-

4.3

Zhodnocení rizik při výrobě a návrh protiopatření

22

jení, jak pro obvody se střídavým napětím, tak i pro stejnosměrné obvody. Rozklad vody na vodík a kyslík bych chtěl řešit pomocí impulzů jdoucích do LC obvodu, kde kondenzátor bude řešen pomocí elektrod ve vodě. Ať již plánujeme v budoucnu rozkládat vodu elektrolýzou nebo zkoušet ověřovat různé způsoby disociace, potřebujme signál, kterým se bude budit výkonový prvek. Zjednodušeně, potřebujeme nastavitelný generátor a modulátor se samoregulací. 4.2.1

Nároky na obvod při použití v kombinaci s plechovým elektrolyzérem v automobilu při praktickém využití

Jak bylo zmíněno výše, tak současné používané vodíkové generátory v automobilech nadšenců, nemají dořešeno řízení procesu. Cílem by v tomto případě bylo efektivní hospodaření s energií v autě. V případě, že bychom chtěli vytvořit řešení, které by bylo možné legalizovat a získat na něj homologaci, je nutno regulovat množství energie proudící do článku v závislosti na aktuálních podmínkách. 1. Monitorovat napění v obvodu a na baterii. Podle těchto hodnot řídit PWM modulaci tak, aby nehrozilo vybití baterie anebo aby nedošlo k ohrožení základních funkcí automobilu. V případě poklesu napětí je nutno okamžitě vypnout elektrolyzér. 2. Monitorovat napětí v obvodu a na baterii. Podle těchto hodnot řídit PWM modulaci tak, aby nehrozilo vybití baterie anebo aby nedošlo k ohrožení základních funkcí automobilu. V případě poklesu napětí je nutno okamžitě vypnout elektrolyzér. 3. Hlídání stavu elektrolytu. Je potřeba kontrolovat hladinu elektrolytu, jeho teplotu. Tyto hodnoty je potřeba průběžné zaznamenávat a vyhodnocovat. 4.2.2

Nároky na obvod pro ověřování přístupů k rozkladu vody

Vybral jsem si několik teorií, které bych chtěl ověřit. Cílem obvodu je v první fází teorie potvrdit nebo vyvrátit. V druhé fázi, v případě úspěchu, řídit reakci co nejvíce efektivně. Ve všech případech se bude řídit reakce podle protékajícího proudu článkem. Za předpokladu, že například patenty Stana Meyera jsou pravdivé a že opravdu jde vodu rozkládat efektivně, potřebujeme veliký rozsah frekvence a regulaci množství impulsů do článku.

4.3

Zhodnocení rizik při výrobě a návrh protiopatření

Při návrhu se musí zohlednit i otázka bezpečnosti. Výsledný návrh musí být bezpečný pro používání. V současné fázi testování není bezpečnost problém, protože na vstupu reakce máme bezpečné napětí o malém výkonu a destilovanou vodu. Na výstupu je směs vodíku a kyslíku, která není pod velikým tlakem. Takže i v situaci

4.4

Rizika

23

úmyslného nebo neúmyslného vznícení směsi nehrozí vážné ohrožení na zdraví. Situace se mění v případě použití v praxi. Zde je potřeba co nejvyšší produkce směsi ideálně pod tlakem. Velikým plusem je u nás absence hydroxidů, čím nám některe rizika odpadnou.

4.4

Rizika

1. Riziko nahromadění vodíku a jeho vznícení mimo požadované místo. Například v případě zanesení hořáků nebo odvodů může nastat situace, kdy směs nebude mít kam unikat a bude se tlakovat v uzavřeném prostoru. V úplně nejhorším případě se tato vysoce natlakovaná směs může vznítit a způsobit explozi. 2. Riziko zhasnutí plamene. Může nastat výše zmíněná situace. 3. Riziko vrácení plamene. V případě nedostatečného tlaku se může plamen vrátit zpět a způsobit poškození. 4. Riziko mechanického poškození elektrod nebo řídicí elektroniky. V případě elektrického nebo mechanického poškození nemusí řízení nebo elektronika obecně pracovat správně. Tato situace může vést k výše zmíněným rizikům. 5. Riziko úniku vody. V malém rozsahu není problémem. Ve velkém může vést k ohrožení okolního prostředí, například tím, že způsobí zkrat. 4.4.1

Protiopatření

1. Hlídaní tlaku (viz obrázek č. 7). Vzhledem k závažnosti možných následků výbuchu natlakované směsi kyslíku a vodíku by se tento problém neměl řešit pouze jedním protiopatřením. Hlídání tlaku bych řešil ve prostoru vodní předlohy (4 výstup z „elektrolyzérů“, 3 finální výstup ze systému připojen například na hořák). Navrhoval bych řešení pomocí elektronického tlakového senzoru (1), přetlakového mechanického ventilu (5) a elektricky řízeného solenoidu (2). Tlakový senzor (například kapacitní) bude hlídat v normálním provozu tlak. Podle tlaku se může regulovat množství energie přiváděné do článků a tím předcházet vážnějším situacím. Solenoid by se umístil na výstup tak ,aby ve stavu bez napětí byl otevřen. Tím dosáhneme toho, že v případě výpadku proudu nezůstane nádoba natlakovaná. Mechanický přetlakový ventil bude jako poslední záchrana v případě chybné funkce elektroniky, například pro případ zacyklení Arduina. 2. Hlídaní plamene. Není rozumné vyrábět výbušnou směs a nekontrolovat, zda-li hoří tam, kde potřebujme. Hlídaní plamene můžeme provádět jednoduchým infračerveným senzorem, protože vodík hoří na vysoké teplotě. V případě zapojení do spalovacího motoru můžeme kontrolovat, zda-li motor běží, pomocí propojení s řídicí jednotkou nebo termočlánkem.

4.5

Řešení problému řídicího členu

24

Obr. 7: Návrh vodní předlohy s ochranami

3. Hlídání hladiny elektrolytu/vody. V případě nedostatků elektrolytu poklesne funkční plocha elektrod, čím poklesne výstupní tlak systémů, a to může způsobit vrácení plamene. Této situaci můžeme předcházet právě hlídáním a automatickým doplňováním hladiny elektrolytu/vody. 4. Hlídaní napětí. Razantní pokles napájecího napětí výkonového prvku může znamenat poruchu zdroje. V případě, že sdílíme zdroj s jinými nepostradatelnými systémy, (například v autě) nemůžeme si dovolit ohrozit jejich funkci, takže musíme výkonový prvek odpojit. 5. Hlídání proudu. Nárůst proudu proudícího do výkonové části může znamenat chybu. Výkonový prvek se odpojí, aby nezkratoval napájecí zdroj. 6. Spínání proudu na výkonovou část. V případě nefunkčnosti řídicí jednotky není bezpečné přivádět napětí na výkonové prvky.

4.5


Zpočátku jsem se snažil problém generování signálů nekomplikovat a řešit pomocí jednoduchých integrovaných obvodů a generátorů signálu. První pokusy začaly s obvody 555, které jsou levné a docela rychlé. Použil jsem obvody dva a zapojil je za sebe, čímž jsem simuloval burst modulaci. Tyto obvody spínaly výkonový stupeň. Sice to jako celek fungovalo, ale vznikal problém s regulací, která byla nepřesná. Navíc řídit funkci 555 obvodů jinak než potenciometrem je problém. Dalším pokusem o vyřešení generace signálů byl pomocí VCO obvodů, konkrétně pomocí 4046. Původní plán byl řídit obvody pomocí záporné zpětné vazby. Bohužel se mi to nepovedlo realizovat ze dvou důvodů. Prvním byla nestabilita obvodů při zátěži celku. Stačí pokles napájecího napětí o pár milivolt a frekvence se posunula jinam. Dalším problémem, na který jsem narazil, byla nelinearita samotného systému a nepodařilo se mi přijít na to, jak navrhnout zpětnou vazbu pro tento systém. Došel

4.5


25

jsem tedy k závěru, že bude nejjednodušší řešit problém řízení mikroprocesorovou technologií. 4.5.1

Řídicí jednotka

Ve své práci budu pracovat s platformou Arduina z důvodu dostupnosti, univerzálnosti a faktu, že je to open-source platforma. Díky tomu můžu postavit testovací základnu, kterou bude možné snadno replikovat. 4.5.2

Návrh zapojení

Navrhovaný koncept zapojení lze nejlépe popsat obrázkem č. 8.

Obr. 8: Návrh zapojení

4.5.3

Požadované funkce řídicího členu pro účel testování

1. Monitorování funkce celku, zajištění snadno zpracovatelného výstupu na sériové lince. 2. Manuální stav, kdy si můžeme sami nastavit frekvence. 3. Automatický stav, při kterém jednotka hledá frekvenci, kdy je proud nejnižší. 4. Automatický stav, při kterém jednotka hledá frekvenci, kdy je proud nejvyšší. 5. Frekvenční analýza ve zvoleném pásmu s výstupem na sériový port. 6. Hlídání proudu.

4.5


4.5.4

26

Programová část

Obr. 9: Zjednodušený vývojový diagram

Program pro řídicí jednotku (viz obrázek č. 9) má za úkol inicializovat moduly, v případě potřeby je kalibrovat, zajistit ovládaní celku, vybírat mezi funkcemi, zajistit komunikaci mezi uživatelem a vyhodnocovat situaci. Samotný program pro Arduino, který byl použit u praktického testu, naleznete na školním serveru akela.medndelu.cz ve moji sekci (ANDREJČÍK, 2013). Probírat v této prací detailně samotný kód je zbytečné protože nelze zatím stanovit je finální verzi. Důvodem je to, že aktuální verze kódu úzce závisí na tom, jestli chceme něco pouze zkoumat/testovat, nebo chceme řídicí člen nasadit do dlouhodobého provozu. Dalším faktorem zásadně ovliňující vzhled kódu jsou použité moduly a druh vstupních ovládacích prvků. Velikou pomocí pro nás může být použití předefinovaných knihoven pro jednotlivé moduly jako například knihovna arduina pro základní display nebo knihovny tvořené komunitou. #include // k n i h o v n a pro d i s p l a y #include // k n i h o v n a pro g e n e r á t o r

4.5


27

Ne ale všechny moduly jdou najít knihovny, pro to bude potřeba v budoucnu vytvořit pro koncového uživatele forum kde bude seznam podporovaných modulů a jednotlivé knihovny na stažení. K tomu se pak přizpůsobí program. Uživatel pak bude moct si program poskládat jako stavebnici Lega tím že naincludujem jednotlivé knihovny podle potřeby. Hlavním problémem jsou moduly s analogovým výstupem, například modul ampérmetru, které je potřeba před použitím kalibrovat(viz obrázek č. 10). Na tyto moduly nikdo knihovny nedělá protože se liší model od modelu. Níže je znázorněn příklad kalibrovací funkce pro analogový ampérmetr, kde využívám bezpečnostní relé k rozpojeni obvodu, a tím můžu nastavit nulovou hodnotu. i n t determineVQ ( i n t PIN ) { Seria l . print ( ” z j i s t u j i ␣ klidové ␣ napeti : ” ) ; long VQ = 0 ; // č p r e t u 5000 h o d n o t f o r ( i n t i =0; i <5000; i ++) { VQ += analogRead ( PIN ) ; delay ( 3 ) ; // n a s t a v i t p o d l e s a m p l o v a c í f r e k v e n c e } VQ /= 5 0 0 0 ; S e r i a l . p r i n t (map(VQ, 0 , 1 0 2 3 , 0 , 5 0 0 0 ) ) ; S e r i a l . p r i n t l n ( ” ␣mV” ) ; return i n t (VQ) ; } f l o a t r e a d C u r r e n t ( i n t PIN ) { int c u r r e n t = 0 ; // c i t l i v o s t daná d o k u m e n t a c i pro ACS712−20A int s e n s i t i v i t y = 1 0 0 . 0 ; // p r e c t u 5 h o d n o t f o r ( i n t i =0; i <5; i ++) { c u r r e n t += analogRead ( PIN ) − VQ; delay ( 1 ) ; } c u r r e n t = map( c u r r e n t / 5 , 0 , 1 0 2 3 , 0 , 5 0 0 0 ) ; return f l o a t ( c u r r e n t ) / s e n s i t i v i t y ; } Dále se v budoucnu musíme zamyslet nad tím, jak budeme celý systém ovládat. V současném stavu používám šestici mikrospínačů (viz obrázek č. 11) které více než dostačují pro testovací potřeby. V případě použití v praxi by bylo lepší a uživatelsky přívětivější, využít rotační enkodéry.

4.6

Problém měření efektivity disociace

28

Obr. 10: Výstup na LCD po kalibraci bez zátěže

Obr. 11: Ovládací tlačítka, relé a ampérmetr

Co se týče výstupních dat, v současném návrhu je používán jako hlavní vystup sériová komunikace ve formátu CSV. Jako sekundární výstup považuji LCD. V současné situaci, při vypsání na sériový výstup, při každém kroku se vypisuje aktuální hodnota proudu a modulovaná frekvence. Vedle toho je vypsán doposud nalezený extrém. Formát dat výstupu : 2.880;30108;1.68;2100;

4.6


V dalším bádání budeme muset měřit efektivitu celku, ať můžeme určit, zda-li některá z navrhovaných metod je výhodnější z pohledu efektivity přeměny energie.

4.6


29

Potřebujeme měřit množství energie spotřebované k vytvoření určitého množství směsi kyslíku a vodíku. Není problém měřit množství spotřebované energie, ale problém nastává při měření množství rozložené vody. Máme několik možností, jak tuto situaci vyřešit, a ideální by bylo použít dva různé způsoby pro vzájemnou kontrolu. 4.6.1

Měření efektivity pomocí úbytku vody

V případě krátkých testů, u kterých můžeme předpokládat, že množství ztracené odpařováním se blíží k nule, by teoreticky mohlo jít dopočítávat množství vyrobené směsi z úbytku vody. Dle níže zmíněných vzorců vyplývá, že měření by bylo nejpřesnější při nízké teplotě a malé ploše pro odpařování. mw = εA(ps − pd ) A ps pd ε 4.6.2

plocha vodní hladiny tlak syté vodní páry při teplotě vody v bazénu parciální tlak vodní páry ve vzduchu součinitel odparu

Měření efektivity pomocí plnění odměrného válce

Jednoduchý způsob, jak měřit plyny pod atmosférickým tlakem obecně, je pomocí plnění odměrného válce například pod vodou. Plyn se jímá do odměrné nádoby a vytlačí z něj ven kapalinu (viz. Obrázek č. 12). Výhodou je jednoduchost provedení, nevýhodou je nepřesnost a nemožnost toto měření automatizovat.

Obr. 12: Obrázek plnění odměrného válce

4.6.3

Měření efektivity pomocí vytlačení vodní hladiny na stupnici

Podobný způsob jako výše zmíněný s tím, že zde můžeme pohodlně odečítat ze stupnice. Princip funkce znázorňuje obrázek č. 13.

4.6


30

Obr. 13: Obrázek vytlačování vodní (VANAGS, 2012)

4.6.4

Měření pomocí průtokoměru plynů

V situaci jako je naše, kdy se snažíme co nejvíce automatizovat měření, by bylo výhodné využít nějaký ze široké nabídky průtokoměrů plynů. Jejich výhodou je nízká odezva na změnu průtoků, vysoká přesnost. Nevýhodou je vysoká cena. 4.6.5

Měření efektivity pomocí elektronických mikrosenzorů vodíku a kyslíku

V případě, že by nás nezajímala přesná hodnota množství vyrobeného plynu, ale chtěli bychom porovnávat pouze efektivitu dvou různých teorií, můžeme využít elektronických mikrosenzorů H2 a O2 . Jejich výhodou je nízká cena a vysoká odezva na změny. Z doposud nalezených dokumentů ale nejsem schopen určit jejich citlivost na směs kyslíku a vodíku (viz obrázek č. 14).

Obr. 14: Mikrosensor O2 od firmy unisense. Zdroj: http://www.unisense.com/Flow

4.7

Ekonomická stránka řešení

4.6.6

31

Měření pomocí převodů na jiný druh energie

Opět v případě, že by nás nezajímala přesná hodnota množství vyrobeného plynu, ale chtěli bychom porovnávat pouze efektivitu dvou různých teorií, můžeme zkusit jiný přístup. Nemusíme přímo měřit množství vyrobeného vodíků, ale můžeme vnitřní energii vodíků převést na jiný druh energie. Například můžeme směs spalovat a měřit za jaký čas se ohřeje něco na danou teplotu. Nebo s pomocí Peltierova článku nebo malého Stirlingova motoru převést teplo vydané na snadno měřitelný proud a napětí. 4.6.7

Porovnání efektivity podle tepelného úbytku na elektrolytu

Jako spíše doplňkový způsob měření efektivity můžeme považovat sledovaní teploty elektrolytu. V případě, že vzniknou veliké tepelné ztráty, lze předpokládat, že rozklad nebude efektivní. Naopak pokud se nám podaří rozkládat vodu a přitom ji zahřát jen minimálně, mužeme předpokládat efektivitu vysokou.

4.7

Ekonomická stránka řešení

Jestliže kdokoliv chce ověřovat různé způsoby rozkladu vody, potřebuje k tomu vybavené pracoviště. Pro většinu lidí není přijatelné utratit desítky tisíc korun za nastavitelné generátory funkcí a osciloskop. Potřebujeme tedy alternativu pro tyto drahé přístroje. Výbornou věcí v našem globalizovaném světovém systému je možnost nakupovat ze zahraničí a díky tomu můžeme sehnat i specializované moduly pro Arduino za nízké ceny s poštovným zdarma. Nevýhodou je dlouhá čekací doba, až měsíc. Pro svou práci jsem využil takzvaný wholesale server Aliexpress. Většinu součástek jsem objednával od čínských dodavatelů. Aliexpress má jednu z nejlepších ochran pro kupující. Sice se všechny balíčky musí platit předem, ale dodavatel dostane peníze až po dodání zásilky. Navíc na něm existuje hodnocení dodavatelů a situaci vylepšuje i veliká konkurence. V případě, že se objedná cokoliv od osvědčených dodavatelů je jen malá šance, že by balík nedorazil. Problémem je clo, takže je ekonomické objednat více malých balíků a tím se clu vyhnout. Název součástky Cena v zahraničí Cena v ČR Arduino mega2560 cca 307 Kč($15.38) 1230 Kč AD9850 DDS modul cca 83 Kč($4.19) 360 Kč Ampermetr ACS712 cca 172 Kč($8.64) Nedostupné v ČR Display HD44780 cca 71 Kč($3.56) 170 Kč Jak můžeme vidět výše, nákupem ze zahraničí jde omezit cenu řídicí a měřicí techniky o více než 50 procent. Horší to je ale s transformátorem, cívkami a zdrojem. Tyto díly je potřeba vyrobit na míru pro jednotlivé aplikace, čím se cena celku prodraží. Navíc je velice obtížné dopočítat potřebné parametry bifilárních cívek. Elektrody jsou další finančně náročná věc, protože je zapotřebí, aby byly z kvalitní nerezové oceli.

4.8

4.8

Návrh zkušebního zapojení

32

Návrh zkušebního zapojení

Obr. 15: Obrázek zapojení řídicího

Obr. 16: Obrázek principu elektro zapojení

Indukčnost bude tvořit feritová tyčinka, na které je namotáno bifilární vynutí, kapacitu budou tvořit samotné elektrody ve vodě. Voda bude sloužit jako dielektrikum a pomocí změny frekvence se bude celý okruh udržovat v rezonanci, nebo-li co nejmíň vodivý. Pomocí rezonance by měly vznikat VN impulzy a teoreticky by mělo nastat proražení dielektrika, vody. Při každém takovém proražení se uvolní veliký proud energie, který vodu rozloží. K tomu bude sloužit takzvaný „pulse trian“ signál. Je to obdélníkový signál s „burst“ modulací. K tomu je potřeba přesně regulovat frekvenci podle stavu článku a upravovat rezonanční bod několikrát za vteřinu. Právě pro to je ideální, že celý proces bude řídit Arduino. Velikost napětí je sice teoreticky v rezonanci bifilárního vinutí nekonečná, ale v praxi je omezena kvalitou a indukčnosti cívky. Zapojení znázorňují obrázky č. 15 a 16.

4.9

Použité příslušenství při měření

Teoreticky výše zmíněný návrh řídicího členu by měl být postavitelný a funkční. Přesto ale před konstrukcí celkového řešení ve velikém měřítku je výhodné otestovat

4.9


33

funkci návrhu alespoň v malém měřítku. 4.9.1

Použité moduly

Arduino mega Jádrem je mikroprocesorová jednotka založená na chipu ATmega1280(viz obrázek č. 17). Mezi hlavní znaky patří: Microcontroller ATmega1280 Operating Voltage 5V Input Voltage (recommended) 7-12 V Input Voltage (limits) 6-20 V Digital I/O Pins 54 (of which 15 provide PWM output) Analog Input Pins 16 DC Current per I/O Pin 40 mA DC Current for 3.3V Pin 50 mA Flash Memory 128 KB of which 4 KB used by bootloader SRAM 8 KB EEPROM 4 KB Clock Speed 16 MHz

Obr. 17: obrázek desky ArduinaMega

2x DDS modul s chipem AD9850 Přestože můžeme pomoci Arduina programem generovat signál, nemůžeme jej použít jako primární generátor z důvodů omezeného rozsahu a nepřesností. Pokud chceme v budoucnu zkoumat na laboratorní úrovni vliv krátkých impulzů (<1 us) na proces elektrolýzy, potřebujeme generátor schopný dosáhnout frekvence v řádech jednotek MHz. Původně plán byl použít VCO obvody s kombinací s analogovým výstupem Arduina nebo DAC převodníkem. V praxi ale toto řešení není dostatečné. Zatím se jako výhodné řešení ukázalo použití modulů s IO AD9850 (viz obrázek č. 18). Mezi hlavní charakteristiky IO jsou:

4.9


34

125 MHz Clock Rate On-Chip High Performance DAC and High Speed Comparator DAC SFDR > 50 dB @ 40 MHz 32-Bit Frequency Tuning Word Simplified Control Interface: Parallel Byte or Serial Loading Format Phase Modulation Capability 3.3 V or 5 V Single-Supply Operation Low Power: 380 mW @ 125 MHz (5 V) Power-Down Function

Obr. 18: obrázek DDS modulu

Modul Relé je určeno ke spínání výkonové části a kalibraci ampérmetru. Jak takový modul může vypadat, je patrné z obrázku 19.

Obr. 19: Obrázek relé modulu

Modul Ampérmetru je určen k monitorování funkce výkonového členu. Modul obsahuje IO Allegro ACS712(viz obrázek č. 20), který měří proud pomocí BiCMOS Hall senzoru. Odpor ampérmetru je pouze 1.2 mΩ. Rozsah ampérmetru je 20 A a citlivost 10 mV/A.

4.9


35

Obr. 20: Obrázek modulu ampérmetru

4.9.2

Výkonový člen

Výkonový člen tvoří MOSFET IRFP450 v kombinaci s dvěma Ultra-rychlými výkonovými diodami HFA 15 TB 60PBF. Kombinace těchto součástek byla zvolena kvůli dobrému poměru ceny/rychlosti spínaní/výkonu. Vstupní napětí zajišťuje spínaní zdroj ze starého notebooku 19 V / 4 A. 4.9.3

Indukčnost

Vzhledem k tomu nemám k dispozici ani pracoviště ani navíjecí pomůcky pro motání cívek. Indukčnost tedy byla doslova motána „na koleně“ ručně. Jádro tvoří feritová tyčka o délce 120 mm a průměru 10 cm. Na ní je namotané bifilární vinutí o délce 5 m, takže celkem se na ní nachází 10 m smaltovaného drátu. I přes několika hodinové snažení se nepodařilo namotat indukčnost těsně kolem jádra tak, aby při průchodu proudem nevibrovala. Tento problém jde vyřešit v budoucnu pevným uchycením jádra při navíjení, například ve svěráku. Dočasně jsem tento problém alespoň částečně vyřešil tím, že jsem cívku s jádrem ponořil do vodou ředitelného laku(kvůli smaltu) a nechal zatvrdnout. Výsledek můžete vidět na obrázků níže. Lze očekávat, že právě tato indukčnost bude tvořit problém při testování. 4.9.4

Elektrody

Při výrobě elektrod jsem se nechal inspirovat elektrolyzérem Stana Meyera (MEYER, 1992) a zvolil jsem trubkový návrh. Při výrobě byly použity trubky kruhové bezešvé a byly nakráceny na výšku zavařovací sklenice(viz obrázek č. 21), která bude tvořit dočasný obal pro testování. Samozřejmě sklo v dalších větších pokusech je nevhodný materiál z hlediska bezpečnosti. Vnější trubka je o průměru 22.00 mm, vnitřní o 16.00 mm. Obě trubky mají tloušťku stěny 1,5 mm a jsou z nerezového materiálu 1.4571, známého spíše ve světě pod označením 316Ti. Mater-

4.10

Ověření návrhu v praxi

36

iál byl zvolen z důvodu vysoké tepelné a chemické odolnosti. Výsledek můžete vidět na obrázků níže.

Obr. 21: Obrázek vyrobených elektrod

4.9.5

Měřicí přístroje

Měření bude v budoucnu plně prováděno modulově a zaznamenáno Arduinem sériovým výstupem. V současné testovací fázi se měří průběhy osciloskopem a stále vstupní veličiny laboratorním mulimetrem.

4.10

Ověření návrhu v praxi

4.10.1

Cíl

Cílem je ověřit základní funkce řídicí jednotky a správnost programu. Získat hrubé informace o tvaru průběhu napětí a proudu na elektrodách. Díky těmto informacím můžeme v budoucnu upravit návrh výkonové části, tak ať můžeme ověřit jednu z teorií. 4.10.2

Průběh

Všechny části byly propojeny podle výše zmíněných nákresů. Program byl nastaven na nalezení bodu rezonance v rozsahu 10 – 100 kHz. Průběh byl sledován osciloskopem a multimetrem. K pokusu byla použita destilovaná demineralizovaná voda ze zdrojů Univerzity. Na obrázku 22 můžeme vidět, jak vypadá signál při frekvenci, kterou řídicí jednotka označila jako rezonanční. Díky nekvalitní indukčnosti není dosáhnuto rezonance v pravém slova smyslu. Dále jsem si všiml, že se jednotka nezastaví přímo na bodu rezonance, ale pod ním díky chybě v měření ampérmetru. Na elektrodách při tomto nastavení vzniká docela efektní reakce (viz obrázek č. 23).

4.11

Další plánované měření a využití

37

Obr. 22: foto průběhu na osciloskopu

Obr. 23: foto elektrod v tom samém momentu

4.10.3

Zhodnocení

V pokusu se zjistilo, že pomocí impulzního signálu jde i ve velice málo vodivém prostředí rozkládat vodu elektrickým proudem. Dále můžeme potvrdit, že návrh řídicí jednotky je funkční.

4.11


Vzhledem k tomu, že máme postaven programovatelný generátor a modulátor s regulací, byla škoda se v budoucnu specializovat pouze na oblasti rozkladu vody.

4.11


4.11.1

38

Experiment se soustavou plochých bifilárních cívek dle Teslových patentů

Nikolaj Tesla (TESLA, 1894) popisuje bezdrátový způsob přenosu energie mezi dvěmi plochými cívkami (viz obrázek č. 24). Můžeme změřit frekvenční charakteristiku této soustavy a zhodnotit potenciál použití v praxi.

Obr. 24: Tesla flat bifilar coil

Při spojení jednoduché a bifilární cívky dostaneme dokonalé oddělení dvou obvodů, schopné přenést veliké množství energie. V praxi se něco podobného používá na indukčních vařičích s nebifilárním návrhem. Sestavy plochých cívek jsou schopné přenést vysokofrekvenční průběh, což nám vyhovuje v případě, že bychom chtěli testovat vliv krátkých impulzů na proces elektrolýzy. Další uplatnění bych viděl v návrhu oddělovacích systémů pro bezpečnostní impulzní zdroje. Nebo jiné v oboru mobilní technologie jako bezdrátová nabíječka. Ať si již vybereme jakékoliv uplatnění, musíme si vytvořit na základě praktického testování model chování soustavy, podle kterého pak můžeme navrhnout prototyp zařízení. A právě k tomu můžeme využít navrhovaný model pro testování, stačí k tomu drobná úprava.

4.11


4.11.2

39

Experiment s toroidním transformátorem dle Tesla-Boyce specifikací

Tento speciálně vinutý toroidní transformátor (viz obrázek č. 25) by měl při správně modulovaném signálu na primárních vinutí generovat s vysokou efektivitou vysokonapěťový signál na sekundárním vinutí. Bylo by zajímavým pokusem tuto teorii ověřit.

Obr. 25: toroidní transformátor dle Tesla-Boyce specifikací

4.11.3

Experiment s transformátorem dle patentů Stana Meyera

Při studování patentů Stana Meyera (MEYER, 1986) jsem si všiml této zvláštní kombinace transformátorů s bifilárním vinutím (viz obrázek č. 26). Můžeme jej postavit a zjistit jeho charakteristiky.

Obr. 26: Výňatek z patentu Stana Meyera

4.11.4

Experiment pomocí návrhu Bi-Toroid transformátoru dle patentů Thane C. Heins PD inc.

Další ze zajímavých návrhů transformátorů je od Thane C. Heins PD inc (viz obrázek č. 27). Dle jeho patentů by měl být velice efektivní (HEINS, 2009). Praktické

4.11


40

uplatnění pro tento druh transformátoru existuje skoro ve všech oborech, kde se používají dnes obyčejné transformátory.

Obr. 27: Bi-Toroid transformátor

4.11.5

Experiment s impulsovými motory a cívkami podle modelu Mirka Rodina

Matematické modely cívek založené na takzvaném „Vortex Based Math“ se vyznačují silným magnetickým polem v jednom bodu za použití malého množství drátu. V kombinaci s kvalitními magnety by bylo možné sestrojit velice efektivní vysokootáčkový impulzní motor. Stačí k tomu jen malá úprava programu. Uplatnění pro tyto motory by bylo například v návrhu moderního elektromobilu nebo elektrokola, protože cívky podle návrhu Mirka Rodina mají malou hmotnost oproti cívkám konvenčním se stejným magnetickým polem.

5

ZÁVĚR A DISKUZE

5

41

Závěr a diskuze

V teoretické části jsem čtenáře seznámil s dostupnými metodami výroby vodíku z vody pomocí elektrochemických reakcí. Byla provedena analýza problému, včetně stanovení nároků. V praktické části byl proveden návrh řídicí části a elektrického obvodu. Monitorování funkce řídicího členu a samotného testovaného procesu je možné pomocí propojení Arduina s osobním počítačem. Samotný výstup je už nachystán v tvaru pro csv formát, který je vhodný, jak pro zpracování Excelem, tak pro Mathlab. Při analýze problémů byly stanoveny možné hrozby a pro každou hrozbu bylo navrhnuto protiopatření. Zařízení je jednoduché na postavení díky modulům a otevřenosti platformy Arduina, byl přikládán důraz i na zajištění nízké ceny řídicího členu. V práci bylo navrhnuto několik možností jak měřit efektivitu celku. Bylo zmíněno několik možných způsobů, jak měřit nebo porovnávat efektivitu celku. Závěrem jsem načrtl možné využití v praxi pro řídicí člen a v teoretické části bylo zmíněno uplatnění pro vyvíječ vodíků. Cíle zadané v úvodu se nejenom podařily splnit, ale podařilo se i ověřit alespoň částečně testovací platformu v praxi. Díky tomu, že je to celé postavené na mikroprocesorové jednotce Arduina, je možné celek doplňovat podle potřeby. Celek je velice univerzální a jde jej použít prakticky na cokoliv od charakteristik impulzních motorů až po frekvenční charakteristiky. Díky této práci jsem získal praktické zkušenosti s řízením pomocí mikroprocesorové techniky, měření fyzikálních veličin a automatizaci měřicích dějů.

5.1

Plánované rozšíření řídicí jednotky

Současný postavený prototyp, přestože je funkční, není z důvodů vysoké ceny jednotlivých dílů kompletní. Je v plánů dokončení a zdokonalování této platformy. Díky jádru založenému na Arduinu není problémem rozšiřovat celek o další senzory, řídicí prvky nebo generátory. • Snímání napětí. V současném stavu monitoruji pouze proud, ale je potřeba v budoucnu i monitorovat napětí na elektrodách. K tomuto účelů by šlo využít vnitřní AD převodníky, ale je potřeba vyřešit otázku změny rozsahu a ochrany vstupu Arduina. Mám již rozpracované řešení pomocí soustavy relátek a odporů. Cílem je zjistit průměrnou hodnotu napětí na výstupu. • Bezpečnostní prvky z výše zmíněných důvodů. IR senzor, Kapacitní tlakoměr, solenoid. • Microsenzory H2 a O2 k měření aktuální efektivity.

5.2

Diskuze a zhodnocení praktického testu

Hlavním poznatkem, jak jsem již zmínil, je, že pomocí impulzního signálu jde i ve velice málo vodivém prostředí rozkládat vodu elektrickým proudem. Nepodařilo

5.3

Diskuze k návrhu řídicí jednotky

42

se mi ověřit přímo nebo vyvrátit výše zmíněné teorie, protože nemám k dispozici kvalitní zdroj, a mnou ručně namotaná bifilární cívka má malou indukčnost a navíc není přesně navinutá. Přesto se ale výstupní signál podobá signálu popisovanému v patentech Stana Meyera. Při měření jsem nezaznamenal zahřívání vody, což lze brát za známku vysoké efektivity. Lze tedy předpokládat, že při dalším pokusu s lepším zdrojem a indukčnosti dosáhneme lepších výsledků. Lze vypozorovat, že destilovaná voda ztrácí pod vlivem indukčních impulzů rychle své izolační vlastnosti přesto, že byly předtím elektrody vyvařené v kyselině a veškeré chemicky neodolné kovové kontakty jsou zaizolovány. Z naměřeného průběhu osciloskopem si lze všimnout, že obvodem protéká značná část stejnosměrného proudu. V případě, že bychom chtěli opravdu vytvořit signál podobný patentům Stana Meyera, musíme upravit obvod tak, aby mezi elektrodami netekl stejnosměrný proud. Předpokládám, že bude nutné mít dvě úrovně napájecího napětí a dva výkonové stupně.

5.3

Diskuze k návrhu řídicí jednotky

Z hlediska funkce návrhu můžeme potvrdit jeho funkci v praxi. Z hlediska funkce program jsem našel několik nedostatků v měření proudu. První problém je nepřesnost měření proudu. Modul ampérmetrů měří ve své vzorkovací frekvenci a občas se „trefí“ do momentu, kdy obvodem neteče žádný proud, čím rozhodí program. Tím vzniká nutnost opakování měření a průměrování proudu, aby nevznikaly chyby v měření. Tato funkce má ale za následek značné prodloužení měření. Nebo další možností je upravit obvod a měřit proud na jiném místě. V budoucnu bude potřeba znovu zvážit výběr ampérmetru a vybrat modul s vyšší citlivostí. Další problém je v provizorně vytvořeném modulu tlačítek z repasovaných dílů, který se nechová stabilně, pravděpodobně jedno z tlačítek nemá dobrý kontakt a tím vytváří zákmit, který vytváří nekorektní údaj na digitálním vstupu Arduina. Celkově ovládání pomocí mikrospínačů je sice levné, ale neelegantní řešení. Tohle lze vyřešit ve finální fázi dvojice implementačních rotačních enkodérů.

5.4

Návaznost na na tuto práci

Hlavním cílem snažení v oblasti rozkladu vody není vytvořit perpetuum mobile ani snaha o vyvracení fyzikálních zákonů. Vycházím z předpokladu, že všechno kolem nás je svým způsobem energie, a tím i samotná voda může být považována za palivo, pokud dokážeme její energii uvolnit. Zde se dostávám do roviny složité fyziky, kterou ještě dostatečně nechápu na to, abych o ní mohl dostatečně odborně psát. Pokud se tímto problémem budu chtít zabývat dále, budu muset zjistit do jaké míry se jedná o elektrochemickou rekci, a kdy začínají hranice elektrostatiky. Bylo vypozorováno, že při použití impulzního napětí se elektrolyt zahřívá mnohem méně než v situaci, kdy přivedeme na elektrody stejné množství energie ve formě stejnosměrného napětí. Toto pozorování by bylo potřeba ověřit laboratorním pokusem, k čemuž lze použít navrženou platformu.

5.4

Návaznost na na tuto práci

43

Dalším teoretickým problémem je otázka kvality plynu. Nevím, zda-li je z hlediska energetické efektivity lepší se snažit o co nejvyšší produkci směsi (co nejvíce litrů za minutu) nebo raději energii využít na úpravu plynu. Teoreticky můžeme sestrojit články, které budou vodík a kyslík separovat přímo u disociace. Pak by, opět čistě teoreticky, mohlo jít vodík ionizovat a tím zvednout výslednou energii výstupního plynu. Další překážku jsem našel v oblasti výpočtu a simulaci indukčnosti. Není problém nasimulovat jednoduchou cívku nebo transformátor. Problém nastává v případě použití bifilárních návrhů cívek. Nepodařilo se mi najít žádný použitelný matematický model, který by mi v tomto směru pomohl. Nebylo by špatné se tím zbývat a takový model vytvořit. Poslední otázkou do budoucna je využití vodíku. Jak jsem již zmínil, můžeme vodík používat jako aditivum do spalovacích motorů pro zvýšení efektivity reakce. Z dlouhodobého hlediska to nemá ovšem smysl, protože spalovací motory mají malou efektivitu. Mnohem lepší cesta je pomocí PEM vodíkových článků. Tyto články mají 2 až 3 krát vyšší efektivitu než spalovací motor. Tyto články umí zpracovat nejenom čistý vodík, ale i směs vodíku a kyslíku. Můžeme vytvořit plynovou baterii, která se bude nabíjet přívodem plynu, například pomocí domácího elektrolyzérů. Uschovanou energii můžeme využít u ostrovních systémů nebo ji převést na mechanickou energii v kombinaci s elektromotorem. K těmto všem procesům je potřeba vytvořit návrhy řízení a monitorování reakce, a mimo to zajistit bezpečnost. Celé téma mi přijde zajímavé i v případě, že se mi nepodaří potvrdit žádnou z teorii. Postavená platforma pro generování signálu a měření veličin jde využít skoro kdekoliv. Všeobecně se mi zdá lepši tyto, možná výstřední, věci zkusit a neuspět, než se tím vůbec nezabývat. Protože to, že něco teoreticky podle zákonů nejde udělat, neznamená, že je to nemožné. Možná jenom zatím nevíme jak na to. A právě my, studenti vysokých škol, bychom se věcmi, co nejdou, měli zabývat.

6

LITERATURA

6

44

Literatura

ANDREJČÍK, Daniel. Programy z praktického měření. [online]. 2013 [cit. 201305-20]. Dostupné z: https://akela.mendelu.cz/ xandrejc/bp_andrejcik/ . CHAMBERS, S.B. Method for producing orthohydrogen and/or parahydrogen. [patent] US Patent, 6419815. Uděleno 2002. GRIES, Russ. RWGresearch. Stanley Meyers wfc tech. [online]. 2012 [cit. 201305-12]. Dostupné z: http://rwgresearch.com/open-projects/stanley-meyerswfc-tec/. Fuel Cell and Hydrogen Energy Association. The Fuel Cell and Hydrogen Energy Association. [online]. 2013 [cit. 2013-05-14]. Dostupné z: http://www.fchea.org/. HEINS, Thane, C. Uděleno 18.1.2009.

BI-TOROID TRANSFORMER.[patent]. CA, 2594905.

HORVATH, St. Electrolysis apparatus.[patent] US Patent, 3954592. Uděleno 1976. PH.

KANAREV, M. THE FOUNDATIONS OF PHYSCHEMISTRY OF MICRO WORLD.[online]. 2003 [cit. 2013-05-14]. Dostupné z: http://guns.connect.fi/innoplaza/energy/story/Kanarev/book/index.html.

KANZIUS, J. Rf systems and methods for processing salt water.[patent] US Patent, 20090294300A1. Uděleno 2009. MEYER, S.A. Electric pulse generator.[patent] US Patent, 4613779. Uděleno 1986. MEYER, S.A. Gas generator voltage control circuit.[patent] US Patent, 4798661. Uděleno 1989. MEYER, S.A. Process and apparatus for the production of fuel gas and the enhanced release of thermal energy from such gas.[patent] US Patent, 5149407. Uděleno 1992. MIZUNO, Tadahiko Hydrogen Evolution by Plasma Electrolysis in Aqueous Solution.Japanese Journal of Applied Physics. 2005, č. 44. Dostupné z: http://www.lenr-canr.org/acrobat/MizunoThydrogenev.pdf. NAUDIN, Jean-Louis. JLN Labs. JLN Labs. [online]. 1997-2013 [cit. 2013-0512]. Dostupné z: http://jnaudin.free.fr/. NASA CENTER FOR AEROSPACE INFORMATION. NASA Technical Reports Server: NTRS. [online]. 2012 [cit. 2013-05-12]. Dostupné z: http://ntrs.nasa.gov/. Our common future. Oxford: Oxford University Press, 1987, xv, 400 s. ISBN 01928-2080-X..

6

LITERATURA

45

PUHARICH, H.K. Method & Apparatus for Splitting Water Molecules.[patent] US Patent, 4,394,230. Uděleno 1983. REICHL, Jaroslav a Martin VŠETIČKA. Encyklopedie fyziky. [online]. 2011 [cit. 2013-05-02]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/print/279faradayovy-zakony-elektrolyzy . VANAGS, Martins, Janis KLEPERIS a Gunars BAJARS Electrolysis: Water Electrolysis with Inductive Voltage Pulses.vyd. Litva: InTech, 2010. ISBN 978-953-51-0793-4. Dostupné z: http://dx.doi.org/10.5772/52453. U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. National Renewable Energy Laboratory. [online]. 2013 [cit. 2013-05-14]. Dostupné z: http://www.nrel.gov/. SANTILLI, R.M. Durable and efficient equipment for the production of a combustible and non-pollutant gas from underwater arcs and method therefore.[patent] US Patent, 6183604. Uděleno 2001. SPIRIG, E. Water decomposing apparatus.[patent] US Patent, 4113601. Uděleno 1978. THEMU, C.D. High voltage electrolytic cell.[patent] US Patent, 4316787. Uděleno 1980. TESLA, Nikola COIL FOR ELECTRO-MAGNETS.[patent]. US, 512,340. Uděleno 9.1.1894.

ŘÍZENÍ BEZPEČNÉ VÝROBY VODÍKU

Recommend Documents