BADANIA NAD WYKORZYSTANIEM OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH W ROLNICTWIE I PRZEMYLE ROLNO-SPOYWCZYM. CZ II. BADANIA LABORATORYJNE

Transkrypt

1 Technica Agraria (1) 3, 1- BADANIA NAD WYKORZYSTANIEM OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH W ROLNICTWIE I PRZEMYLE ROLNO-SPOYWCZYM. CZ II. BADANIA LABORATORYJNE Marek Adamiec, Marek Kuna-Broniowski, Izabela Kuna-Broniowska Streszczenie. W artykule zostały przedstawione wyniki bada dotyczcych aspektów współpracy baterii ogniw fotowoltaicznych z laboratoryjnym elektrolizerem wody. Wyznaczone zostały charakterystyki prdowo-napiciowe elektrolizera (w rónych warunkach pracy) i modułów fotowoltaicznych (w rónych konfiguracjach połcze i w zalenoci od natenia napromieniowania słonecznego). Obliczone zostało zuycie energii elektrycznej w procesie elektrolizy wody i sprawno przemiany energii elektrycznej w energi chemiczn wodoru. W sposób graficzny zaprezentowane zostały wyniki dopasowania baterii ogniw fotowoltaicznych do zasilania elektrolizera, tak aby energia promieniowania słonecznego została jak najlepiej wykorzystana. Słowa kluczowe: ogniwo fotowoltaiczne, elektrolizer, wodór WSTP Wykorzystanie paliwa wodorowego w rolnictwie zwizane jest z rozwojem technologii, w których energia chemiczna wodoru przetwarzana jest na inne rodzaje energii (elektryczna, cieplna). W przemyle rolno-spoywczym wodór wykorzystywany jest w procesie uwodorniania olejów. Rozwój ogniw paliwowych moe znacznie zwikszy zapotrzebowanie na wodór i przyczyni si do wykorzystania naturalnych ródeł energii w procesie jego wytwarzania. Elektroliza wody jest jednym ze sposobów produkcji paliwa wodorowego, w którym otrzymywany gaz charakteryzuje si du czystoci. Woda posiada bardzo mał przewodno elektryczn, dlatego elektrolizie poddaje si wodne roztwory elektrolitu, który stanowi najczciej wodorotlenek sodu NaOH i wodorotlenek potasu KOH. Stosuje si roztwory alkaliczne % NaOH lub 5 3% KOH, cechujce si du przewodnoci elektryczn [Smoliski 199, Dylewski 1999]. Do sporzdzania roztworów elektrolitu powinno si stosowa bardzo czyst wod, tak aby

2 M. Adamiec, M. Kuna-Broniowski, I. Kuna-Broniowska zanieczyszczenia nie utrudniały reakcji chemicznych. Uzyskanie 1 m 3 wodoru wymaga zuycia energii o wartoci 4,3 do 5,7 kwh [Nowacki 193]. Elektrolizery stosowane do elektrolizy wody mona podzieli na: niskocinieniowe (pracujce pod cinieniem zblionym do atmosferycznego), wysokocinieniowe (cinienie wytwarzanych gazów osiga warto do 3 MPa), z elektrolitem ze stałego polimeru [Kisza a]. Elektrolityczne otrzymywanie wodoru jest kosztowne w porównaniu ze sposobami chemicznymi, w których wykorzystuje si surowce naturalne (wgiel i wod, gaz ziemny, oleje lekkie). Ekonomiczno procesu elektrolizy mona zwikszy przez zastosowanie, jako ródeł energii elektrycznej, urzdze bdcych przetwornikami energii pochodzcej ze ródeł naturalnych (ogniwa fotowoltaiczne, elektrownie wiatrowe, hydroelektrownie). Ogniwo fotowoltaiczne w sposób szczególny nadaje si do zasilania elektrolizera ze wzgldu na kształt swojej charakterystyki prdowo-napiciowej, która spełnia wymagania tego odbiornika [Kisza b]. METODY BADA Badania laboratoryjne przeprowadzone zostały w układzie, w którym energia promieniowania słonecznego została wykorzystana do wytwarzania wodoru w procesie elektrolizy wody. Główne aspekty bada stanowiskowych to modelowanie współpracy baterii ogniw fotowoltaicznych z elektrolizerem wody, wytwarzanie i gromadzenie paliwa wodorowego oraz obliczenie zuycia energii elektrycznej w procesie wytwarzania wodoru. Przeprowadzone zostały badania dotyczce dopasowania baterii ogniw fotowoltaicznych do współpracy z niskocinieniowym laboratoryjnym elektrolizerem wody w zmiennych warunkach nasłonecznienia. Pomiary w układzie ogniwo fotowolotaiczne elektrolizer analizowane były pod ktem wykorzystania mocy ogniwa. Do bada została uyta bateria ogniw fotowoltaicznych (Solar Power LTD Lapss) składajca si z szeciu modułów o maksymalnej mocy 3 W kady. Jeden moduł fotowoltaiczny pracował w stanie zwarcia i spełniał rol miernika natenia napromieniowania słonecznego. Pozostałe moduły zostały wykorzystane jako ródło energii elektrycznej do zasilania niskocinieniowego elektrolizera wody z elektrodami niklowymi w postaci prtów. Do gromadzenia wodoru w postaci gazowej skonstruowany został zbiornik szklany wyposaony w odpowiednie zawory. Zbiornik zaopatrzony został w podziałk, umoliwiajc pomiar objtoci zgromadzonego gazu. Stanowisko wyposaone zostało w komputer z kart pomiarow do rejestracji charakterystyk prdowo-napiciowych elektrolizera i ogniw fotowoltaicznych. W ramach bada elektrolizera została wyznaczona jego charakterystyka prdowo-napiciowa, przy rónych temperaturach elektrolitu (5 C, 3 C i 45 C), który stanowił wodny roztwór KOH (5% wag.). Charakterystyka I = f(u) w temperaturze 5 C została wyznaczona dla dwóch przypadków pracy elektrolizera. W pierwszym przypadku wydzielajcy si na katodzie wodór nie był zbierany i gromadzony w zbiorniku, natomiast w drugiej próbie prt stanowicy katod elektrolizera został przykryty kloszem szklanym w celu gromadzenia gazu w zbiorniku. Na podstawie pomiarów obliczone zostało zuycie energii elektrycznej przy wytwarzaniu 1 m 3 wodoru, dla rónych wartoci prdu płyn- Acta Sci. Pol.

3 Badania nad wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych w rolnictwie... 3 cego przez elektrolizer (,5 A, 1 A, 1,5 A), oraz sprawno termiczna elektrolizera. Nastpnie wyznaczone zostały charakterystyki odpowiednio połczonych modułów fotowoltaicznych, dla rónych nate napromieniowania słonecznego. W sposób graficzny przedstawione zostały na wspólnym wykresie charakterystyki elektrolizera i baterii ogniw fotowolotaicznych, przy takim połczeniu modułów, aby ich moc została jak najlepiej wykorzystana. WYNIKI BADA Na rysunku 1 zaprezentowane zostały charakterystyki prdowo-napiciowe elektrolizera, wyznaczone podczas elektrolizy wodnego roztworu KOH (5% wag.), dla rónych temperatur elektrolitu. Elektrolizer zbadany został w czasie pracy bez zainstalowanego zbiornika gazu oraz w stanie, gdy wytwarzany wodór był gromadzony w szklanym zbiorniku (katoda została przykryta szklanym kloszem). Na podstawie pomiarów obliczono zuycie energii elektrycznej przy wytwarzaniu wodoru metod elektrolizy wodnego roztworu KOH (5% wag.) dla trzech wartoci prdu. Wyznaczona została sprawno termiczna elektrolizera, przyjmujc warto opałow gazowego wodoru równ 13 MJ m -3 (tab. 1). Tabela 1. Obliczenie zuycia energii elektrycznej do wytwarzania wodoru w procesie elektrolizy wodnego roztworu KOH Table 1. The calculation of the consumption of electrical energy for production hydrogen during electrolyze of water solution KOH I, A t, s T, C V H, m 3 E, kwh 1-4 E kwh m -3 E, MJ m -3 W MJ m -3 t, % 3,4, , 7, 5,49 13,51 5, , 9, 34,7 13,37 7,4 1, , 14, 53, 13,4 U napicie na zaciskach elektrolizera the voltage on connectors of electrolyzer, I prd elektrolizera the current of electrolyzer, t czas, w którym uzyskano m 3 wodoru the time during it m 3 of hydrogen was obtained, T temperatura elektrolitu the temperature of electrolyte, V H objto wodoru the volume of hydrogen, E energia elektryczna zuyta do wytworzenia m 3 wodoru (E = U I t) the electrical energy used up for production m 3 hydrogen (E = U I t), E energia elektryczna potrzebna do wytworzenia 1 m 3 wodoru the electrical energy needed for production of 1m 3 of hydrogen, W górna warto opałowa gazowego wodoru the upper calorific value of gas-hydrogen, t sprawno termiczna elektrolizera ( t = W/ E ) the thermal efficiency of electrolyzer ( t = W/ E ). Technica Agraria (1) 3

4 4 M. Adamiec, M. Kuna-Broniowski, I. Kuna-Broniowska I, A 4 T = 45 C T = 3 C KOH (5 % wag.) (gromadzenie wodoru w zbiorniku) Rys. 1. Charakterystyki prdowo-napiciowe niskocinieniowego elektrolizera laboratoryjnego typu MT 347 Fig. 1. The current-voltage characteristics of low pressure laboratory electrolyzer MT I, A KOH (5% wag.) P max W m - 5 modułów mmodules 9 W m - 3 moduły 7 W m - 4 moduły W m - 3 moduły 95 W m - moduły Rys.. Charakterystyki prdowo-napiciowe baterii słonecznej i elektrolizera przy zmianach nasłonecznienia i konfiguracji układu (łczenie równoległe modułów) Fig.. The current-voltage characteristics of solar battery and of electrolyzer with changes of insolation and of configuration of system (parallel communication) Badania przeprowadzone w układzie ogniwo fotowolotaiczne elektrolizer wykazały, e najbardziej ekonomiczna współpraca, ze wzgldu na wykorzystanie mocy ogniwa, wystpuje w zakresie natenia napromieniowania słonecznego od do 95 W m -. Na rysunku zostały zaprezentowane charakterystyki I = f(u) ogniwa fotowoltaicznego przy równoległym połczeniu odpowiedniej liczby modułów, tak aby w zalenoci od natenia napromieniowania słonecznego, moc ogniwa zasilajcego elektrolizer została jak najlepiej wykorzystana (charakterystyka elektrolizera powinna przecina charakterystyk ogniwa w pobliu punktu mocy maksymalnej). Na charakterystykach ogniwa fotowoltaicznego zostały zaznaczone punkty, w których ogniwo osiga maksymaln moc. Acta Sci. Pol.

5 Badania nad wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych w rolnictwie I, A 4 W m W m W m 7 W m KOH (5% wag.) Rys. 3. Charakterystyki prdowo-napiciowe baterii słonecznej (trzy moduły połczone równolegle) i elektrolizera przy zmiennych nasłonecznieniach Fig. 3. The current-voltage characteristics of solar battery (three parallel communication modules) and of electrolyzer with changing insolation I, A W m - 9 W m - 95 W m - P max 7 W m - W m KOH (5% wag.) Rys.4. Charakterystyki prdowo-napiciowe baterii słonecznej (cztery moduły połczone równolegle) i elektrolizera przy zmiennych nasłonecznieniach Fig. 4. The current-voltage characteristics of solar battery (four parallel communication modules) and of electrolyzer with changing insolation Przyjmujc podczas bada kryterium zmiennoci nasłonecznienia, najlepsze dopasowanie charakterystyk ogniwa fotowoltaicznego do charakterystyki elektrolizera udało si uzyska przy równoległym połczeniu w bateri trzech i czterech modułów (rys. 3 i rys. 4). Technica Agraria (1) 3

6 M. Adamiec, M. Kuna-Broniowski, I. Kuna-Broniowska WNIOSKI 1. Temperatura elektrolitu (wodny roztwór KOH, 5% wag.) w przedziale 5 45 C ma niewielki wpływ na charakterystyk prdowo-napiciow niskocinieniowego elektrolizera wody. Korzystniejszy kształt charakterystyki uzyskiwany jest przy wyszej temperaturze elektrolitu. Zakrycie elektrody prtowej elektrolizera przez szklany klosz zbiornika gazu powoduje utrudnienie w procesie przepływu prdu jonowego przez elektrolit i wiksze straty mocy w procesie elektrolizy.. Wzrost prdu elektrolizera powoduje wiksze spadki napi na rezystancjach układu, zwikszenie si nadpotencjałów elektrodowych oraz straty cieplne. Czynniki te powoduj konieczno wzrostu napicia przyłoonego do elektrod elektrolizera, co w rezultacie powoduje wiksze zuycie energii elektrycznej przy wydzielaniu si takiej samej objtoci wodoru i obnienie sprawnoci termicznej elektrolizera. 3. Charakterystyka prdowo-napiciowa elektrolizera pozwala na ekonomiczne wykorzystanie do jego zasilania baterii ogniw fotowoltaicznych, przy odpowiedniej konfiguracji układu, w zalenoci od warunków natenia napromieniowania słonecznego. PIMIENNICTWO Dylewski R., Gnot W., Gonet M., Elektrochemia Przemysłowa wybrane procesy i zagadnienia. Wyd. Politechniki lskiej, Gliwice. Kisza A., a. Elektrochemia I jonika. WNT, Warszawa. Kisza A., b. Elektrochemia II elektrodyka WNT, Warszawa. Nowacki P. J., 193. Wodór jako nowy nonik energii. PAN, Wrocław. Smoliski S., 199. Fotowoltaiczne ródła energii i ich zastosowania. Wyd. SGGW, Warszawa. INVESTIGATION ON APPLICATION THE PHOTOVOLTAIC CELLS IN THE AGRICULTURE AND AGRO-ALIMENTARTY INDUSTRY. PART II. LABORATORY INVESTIGATION Abstract: The paper deals with aspects of the association photovoltaic battery with laboratory electrolyzer of water. The electrical current-voltage characteristics of electrolyzer and photovoltaic modules are given. The consumption of electrical energy during electrolyze of water and performance of conversion into chemical energy of hydrogen are calculated. The results of fitting the photovoltaic battery cells to feed of electrolyzer with the best exploit of solar energy are graphically presented. Keywords: photovoltaic cell, electrolyzer, hydrogen Marek Adamiec Katedra Pojazdów Samochodowych. Politechnika Lubelska, adamiec@archimedes.pol.lublin.pl Marek Kuna-Broniowski Katedra Podstaw Techniki. Akademia Rolnicza w Lublinie, mkuna@faunus.ar.lublin.pl Izabela Kuna-Broniowska, Katedra Zastosowa Matematyki. Akademia Rolnicza w Lublinie, izakuna@ursus.ar.lublin.pl Acta Sci. Pol.