BADANIA NAD WYKORZYSTANIEM OGNIW

Technica Agraria 1(1) 2002, 41-51
BADANIA NAD WYKORZYSTANIEM OGNIW
FOTOWOLTAICZNYCH W ROLNICTWIE I PRZEMYĝLE
ROLNO-SOĩYWCZYM.
CZĉĝû I – PODSTAWY TEORETYCZNE
Marek Adamiec, Marek Kuna-Broniowski, Izabela Kuna-Broniowska
Streszczenie. W artykule przedstawiono nowe moĪliwoĞci zastosowania ogniw fotowoltaicznych w rolnictwie i przemyĞle rolno-spoĪywczym, uzyskane poprzez wykorzystanie ich
do wytwarzania wodoru metodą elektrolizy. Warunkiem uzyskania wysokiej sprawnoĞci
tego procesu, jest optymalne dopasowanie ogniwa do elektrolizera. W pracy zaprezentowano modele matematyczne elektrolizera i ogniwa fotowoltaicznego oraz symulacjĊ ich wzajemnego dopasowania. OkreĞlono dziĊki temu warunki zapewniające uzyskanie najwiĊkszej efektywnoĞci całego procesu transformacji energii słonecznej na energiĊ zmagazynowaną w paliwie wodorowym.
Słowa kluczowe: ogniwo fotowoltaiczne, elektrolizer, wodór
WSTĉP
Ogniwo fotowoltaiczne jest Ĩródłem energii odnawialnej i przetwarza energiĊ słoneczną bezpoĞrednio na energiĊ elektryczną. W ostatnich latach obserwujemy duĪy
postĊp w technologii modułów i systemów fotowoltaicznych oraz udane próby ich praktycznych zastosowaĔ. Ogniwa fotowoltaiczne mogą pracowaü w układach z bezpoĞrednim zasilaniem energią elektryczną lub w układach z akumulacją energii. Wytwarzane
obecnie moduły mają moce od kilkudziesiĊciu do kilkuset watów i mogą byü ze sobą
łączone, co pozwala na wykorzystanie Ĩródeł fotowoltaicznych zarówno w układach
lokalnych, jak i w wiĊkszych systemach energetycznych. Szczególne moĪliwoĞci zastosowaĔ stwarza tzw. mała energetyka, związana głównie z rolnictwem, gdzie ogniwa
fotowoltaiczne mogą byü wykorzystane w takich energochłonnych procesach, jak suszarnictwo i produkcja szklarniowa. Perspektywicznym sposobem uniezaleĪnienia rolnictwa od zewnĊtrznych Ĩródeł energii jest wytwarzanie i magazynowanie energii
w postaci wodoru, uzyskiwanego w elektrolizerach wody, które mogą byü zasilane
przez ogniwa fotowoltaiczne. Eliminuje to podstawową niedogodnoĞü w korzystaniu
z energii pochodzącej z ogniw słonecznych, jaką jest jej uzaleĪnienie od nasłonecznienia.
42
M. Adamiec...
Tak uzyskany wodór moĪe byü wykorzystany bezpoĞrednio do spalania, co jednak
wiąĪe siĊ z niebezpieczeĔstwem stosowania lub do zasilania ogniw paliwowych bĊdących przyszłoĞciowym Ĩródłem energii elektrycznej i mających duĪe szanse zastosowania w rolnictwie oraz przemyĞle rolno-spoĪywczym.
Ogniwa paliwowe jako wysokosprawne Ĩródła energii elektrycznej i cieplnej, mają
zastosowanie w postaci stacjonarnej do zasilania urządzeĔ elektrycznych oraz dostarczają ciepła o wysokich parametrach temperaturowych. Ciepło uzyskane z ogniw moĪe
byü wykorzystane w procesach technologicznych przemysłu rolno-spoĪywczego. Obiecującą perspektywą jest zastosowanie ogniw paliwowych w napĊdach rolniczych, dając
moĪliwoĞü wykorzystania odnawialnej energii pochodzącej ze Ĩródeł lokalnych.
PODSTAWY ELEKTROLIZY
Po zanurzeniu elektrody metalowej do roztworu elektrolitu rozpoczyna siĊ proces
przepływu ładunku elektrycznego przez granicĊ faz przewodzących metal-elektrolit.
Zanurzenie elektrody do roztworu elektrolitu (nawet nie zawierającego jonów metalu,
z którego jest wykonana) spowoduje, Īe w wyniku oddziaływania miĊdzy elektronami
metalu a cząsteczkami rozpuszczalnika i jonami elektrolitu elektroda naładuje siĊ do
pewnego potencjału. JeĪeli roztwór elektrolitu zawiera jony metalu, z którego jest zbudowana faza metaliczna elektrody, to w wyniku ich reakcji z elektronami metalu
M n + + ne− = M
(1)
nastąpi dodatkowe rozdzielenie ładunków i kolejna zmiana potencjału elektrody. Reakcja (1) w stanie równowagi biegnie w obu kierunkach, a z szybkoĞciami tej reakcji
(równymi sobie w obydwu kierunkach) jest związany pewien prąd wymiany. GĊstoĞü
prądu wymiany j0 wyraĪa dynamiczne zachowanie elektrody, w której w stanie równowagi w obie strony płynie pewien prąd, gdyĪ równowaga elektrody ma charakter dynamiczny – w jednostce czasu tyle samo moli postaci R (zredukowanej) przechodzi
w postaü O (utlenioną), co postaci O w postaü R. W stanie równowagi kaĪda elektroda
przyjmie właĞciwy dla niej potencjał, okreĞlony przez rodzaje i stĊĪenia substancji
obecnych w jej otoczeniu. Potencjał elektrody jest niemierzalny, jego wartoĞü okreĞla
siĊ w stosunku do potencjału standardowej elektrody wodorowej, który przyjĊto jako
równy zero. Równowagowy potencjał elektrody E okreĞlamy na podstawie wzoru
Nernsta [Kisza 2000a]:
RT a r
E = E0 −
ln
(2)
nF a 0
gdzie: E0 – standardowy potencjał elektrody, V (p = 105 Pa; T = 298,15 K)
R – stała gazowa 8,314207 J·mol-1·K-1
T – temperatura, K
n – liczba elektronów biorących udział w elementarnej reakcji elektrodowej
F – stała Faradaya (96484 C·mol-1)
ar – aktywnoĞü postaci zredukowanej reagenta na powierzchni elektrody
a0 – aktywnoĞü postaci utlenionej reagenta na powierzchni elektrody
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Acta Sci. Pol.
Badania nad wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych w rolnictwie...
43
Zgodnie ze wzorem (2) równowagowy potencjał anodowy przyjmuje wartoĞü dodatnią, a potencjał katodowy ujemną (konwencja sztokholmska).
Teoretyczne napiĊcie rozkładowe elektrolizera ∆Ur moĪemy obliczyü jako róĪnicĊ
równowagowych potencjałów dwóch elektrod (anody i katody), zwanych inaczej półogniwami:
∆U r = E a − E c
(3)
W czasie elektrolizy procesy elektrochemiczne zachodzą równoczeĞnie na obu elektrodach (brak równowagi) i na skutek przepływu prądu wystĊpuje zjawisko polaryzacji
elektrod. Praktyczne napiĊcie rozkładowe ∆U jest wiĊksze od teoretycznego o wielkoĞü
∆Un zwaną nadnapiĊciem:
∆U = ∆U r + ∆U n
(4)
NadnapiĊcie jest dodatkowym napiĊciem, jakie naleĪy przyłoĪyü do elektrod w celu
wywołania zjawiska elektrolizy. NadnapiĊcie jest skutkiem wystĊpowania nadpotencjałów elektrodowych (anodowego i katodowego). Nadpotencjał anodowy jest zawsze
dodatni, a nadpotencjał katodowy ujemny. WartoĞü nadnapiĊcia obliczamy jako róĪnicĊ
nadpotencjałów – anodowego i katodowego:
∆ U n = ηa − ηc
(5)
Nadpotencjał jest miarą wytrącenia elektrody ze stanu równowagi. Proces elektrodowy składa siĊ z kilku etapów (z kaĪdym z nich związany jest pewien nadpotencjał)
[Dylewski i in. 1999, Kisza 2000b]:
– proces przeniesienia ładunku elektrycznego (wymiana elektronów pomiĊdzy reagentem a elektrodą) – nadpotencjał aktywacyjny,
– transport reagenta od lub do elektrody spowodowany gradientem pola elektrycznego (migracja) – nadpotencjał omowy,
– transport reagenta od lub do elektrody spowodowany gradientem potencjału chemicznego, czyli na skutek róĪnicy stĊĪeĔ (dyfuzja) – nadpotencjał dyfuzyjny i stĊĪeniowy,
– proces krystalizacji produktu reakcji (metalu) na powierzchni elektrody – nadpotencjał krystalizacji,
– reakcje chemiczne bezpoĞrednio poprzedzające lub nastĊpujące po etapie wymiany
ładunku – nadpotencjał reakcji.
Z punktu widzenia elektrolizy istotna jest zaleĪnoĞü gĊstoĞci prądu elektrodowego j
od nadpotencjału elektrody η. Z powyĪszych rozwaĪaĔ wynika, Īe kaĪde utrudnienie reakcji przeniesienia ładunku wytwarza dodatkowy nadpotencjał, co sprawia
Īe doĞwiadczalnie wyznaczona zaleĪnoĞü j = f(η) moĪe byü obarczona wpływami róĪnych nadpotencjałów i jej interpretacja jest skomplikowana. NajwiĊksze znaczenie
w danej reakcji ma ten rodzaj nadpotencjału, z którym związany jest najwolniej przebiegający etap procesu elektrodowego. Z punktu widzenia kinetyki procesów elektrodowych decydującą rolĊ pełni tu reakcja przeniesienia ładunku i związany z nią nadpotencjał aktywacyjny. ZaleĪnoĞü gĊstoĞci prądu elektrodowego od nadpotencjału aktywacyjnego opisuje równanie Butlera-Volmera [Kisza 2000b], zwane krzywą polaryzacji elektrody:
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Technica Agraria 1(1) 2002
44
M. Adamiec...
­ ª
F º
F ·½
§
j = j0 ®exp «(1 − β )
η» − exp¨ − β
η ¸¾
RT ¼
RT ¹¿
©
¯ ¬
(6)
gdzie: j0 – gĊstoĞü prądu wymiany, A⋅cm-2
β – współczynnik symetrii (równy około 0,5)
ZaleĪnoĞü (6) dotyczy procesu, w którym w elementarnej reakcji elektrodowej wymieniany jest jeden elektron. Gdy w reakcji bierze udział wiĊksza liczba elektronów,
równanie Butlera-Volmera przyjmie postaü:
ª §
F ·
F ·º
§
j = j0 «exp¨ α a
η ¸ − exp¨ − α c
η ¸»
RT ¹¼
©
¬ © RT ¹
(7)
gdzie: αa – współczynnik przeniesienia ładunku dla procesu anodowego,
αc – współczynnik przeniesienia ładunku dla procesu katodowego.
Dla małych wartoĞci nadpotencjałów (-20 mV < η < 20 mV) moĪemy wystĊpujące
w równaniach (6) i (7) funkcje wykładnicze rozwinąü w szereg Maclaurina, uzyskując
nastĊpujące zaleĪnoĞci liniowe:
j = j0
j = j0
F
η – dla reakcji jednoelektronowej
RT
(αa + αc )F η
RT
– dla reakcji wieloelektronowej
(8)
(9)
W przypadku duĪych dodatnich wartoĞci nadpotencjału (ηa > 0,1 V), czyli dla anodowego utleniania, drugi człon w nawiasie równania (6) i (7) moĪna pominąü i wówczas otrzymujemy zaleĪnoĞci:
F
ª
º
ja = j0 exp «(1 − β)
ηa » – dla reakcji jednoelektronowej
RT ¼
¬
(10)
F
§
·
ja = j0 exp¨ α a
ηa ¸ – dla reakcji wieloelektronowej
© RT ¹
(11)
Analogicznie dla duĪych ujemnych wartoĞci nadpotencjału (ηc < -0,1 V), czyli dla
katodowej redukcji, pierwszy człon w nawiasie równania (6) i (7) moĪna pominąü
i wtedy uzyskamy równania:
F
§
·
jc = − j0 exp¨ − β
ηc ¸ – dla reakcji jednoelektronowej
RT
©
¹
(12)
F
§
·
jc = − j0 exp¨ − α c
ηc ¸ – dla reakcji wieloelektronowej
RT ¹
©
(13)
Miarą szybkoĞci procesu elektrodowego jest natĊĪenie prądu. ZaleĪnoĞü prądu elektrodowego I od potencjału elektrody E przedstawia rysunek 1.
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Acta Sci. Pol.
Badania nad wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych w rolnictwie...
45
I, A
I
II
III
IV
E, V
Rys. 1. ZaleĪnoĞü natĊĪenia prądu elektrolizy od potencjału elektrody
Fig. 1. Electrolysis current as the function of the electrode potential
W początkowej fazie prąd praktycznie nie płynie (obszar I), potencjał nie przekroczył jeszcze wartoĞci równowagowego potencjału elektrody. Niewielki wzrost natĊĪenia
prądu wynika z ładowania podwójnej warstwy elektrycznej metal – elektrolit. NastĊpnie
rozpoczyna siĊ znaczący wzrost natĊĪenia prądu wskutek intensywnego przebiegu reakcji elektrolizy (obszar II). Wzrost natĊĪenia prądu ma charakter wykładniczy. Decydujące znaczenie ma tutaj transport jonów z głĊbi roztworu do powierzchni elektrody, w
początkowej fazie wzrostu prądu szybkoĞü transportu jonów jest wiĊksza od szybkoĞci
reakcji elektrodowej. W tej fazie reakcji wystĊpuje głównie nadpotencjał aktywacyjny.
Dalsze zwiĊkszanie potencjału elektrody powoduje, Īe szybkoĞü procesów transportu
(migracji i dyfuzji) staje siĊ porównywalna z szybkoĞcią reakcji przeniesienia ładunku,
a nastĊpnie zaczyna maleü (obszar III). DuĪą rolĊ odgrywa teraz nadpotencjał omowy,
dyfuzyjny i stĊĪeniowy. Dochodzi do sytuacji, gdzie szybkoĞü procesu elektrodowego
jest znacznie wiĊksza od szybkoĞci transportu masy do elektrod i kaĪdy jon, który dotrze do elektrody, ulega natychmiastowej reakcji elektrodowej. Dalszy wzrost napiĊcia
nie powoduje juĪ wzrostu natĊĪenia prądu (obszar IV). Zjawiska te moĪemy wyjaĞniü
na podstawie równania:
[
]
I = nFAg i ci0 − c i (0, t )
(14)
gdzie: I – prąd elektrodowy, A
A – powierzchnia elektrody, cm2
gi – współczynnik przepływu masy, cm⋅s-1
ci0 – stĊĪenie reagenta w głĊbi roztworu, mol⋅dm-3
ci(0,t) – stĊĪenie reagenta na powierzchni elektrody, mol⋅dm-3
ZwiĊkszając szybkoĞü procesu elektrodowego przez wzrost potencjału, powodujemy
wiĊksze zuĪ ycie jonu i na elektrodzie i doprowadzamy do sytuacji, gdy to stĊĪenie spada do zera, a róĪnica ci0 – ci(0,t) osiąga wartoĞü maksymalną ci0. NatĊĪenie prądu reakcji
elektrodowej wzroĞnie w tym procesie do wartoĞci maksymalnej (prąd graniczny):
I gran = nFAg i ci0
(15)
Dla reakcji katodowej prąd graniczny przyjmuje znak minus. Elektrolizer powinien
pracowaü w drugiej czĊĞci obszaru II na charakterystyce I = f(E).
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Technica Agraria 1(1) 2002
46
M. Adamiec...
BILANS NAPIĉCIOWY ELEKTROLIZERA
Elektrolizer jest urządzeniem, w którym przepływ prądu elektrycznego powoduje
przebieg niesamorzutnych procesów chemicznych. Charakterystyka prądowonapiĊciowa elektrolizera została przedstawiona na rysunku 2.
I, A
In
U, V
∆Ur ∆Un In⋅R
Rys. 2. Charakterystyka prądowo – napiĊciowa elektrolizera
Fig. 2. Current-voltage characteristics of the electrolyser
W praktyce przy wiĊkszych wartoĞciach natĊĪenia prądu charakterystyka zbliĪa siĊ
do liniowej, poniewaĪ dominują spadki napiĊü na rezystancji elektrolitu i w elementach
konstrukcyjnych elektrolizera [Dylewski i in. 1999]. Na charakterystyce zostało zaznaczone teoretyczne napiĊcie rozkładowe ǻUr = Ea – Ec. NadnapiĊcie ǻUn = Șa – Șc moĪemy w przybliĪeniu wyznaczyü przez ekstrapolacjĊ prostoliniowej czĊĞci wykresu do
natĊĪenia prądu I = 0. WartoĞü In⋅R oznacza spadek napiĊcia na rezystancjach elektrolizera R przy przepływie prądu In. Bilans napiĊciowy elektrolizera jest to suma poszczególnych składowych napiĊcia przyłoĪonego do zacisków elektrolizera (nadpotencjały
omowe są tutaj traktowane jako spadki napiĊü na poszczególnych rezystancjach elektrolizera):
U = E a + ηa − E c − ηc + ∆U a + ∆U c + ∆U s + ∆U ma + ∆U mc
(16)
gdzie: Ea – równowagowy potencjał anody,
Ec – równowagowy potencjał katody,
ηa – nadpotencjał anodowy,
ηc – nadpotencjał katodowy,
∆Ua – spadek napiĊcia na rezystancji elektrolitu (pomiĊdzy anodą a separatorem),
∆Uc – spadek napiĊcia na rezystancji elektrolitu (pomiĊdzy katodą a separatorem),
∆Us – spadek napiĊcia na rezystancji separatora,
∆Uma – spadek napiĊcia w materiale konstrukcyjnym anody i na zacisku prądowym,
∆Umc – spadek napiĊcia w materiale konstrukcyjnym katody i na zacisku prądowym.
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Acta Sci. Pol.
47
Badania nad wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych w rolnictwie...
MODEL MATEMATYCZNY OGNIWA FOTOWOLTAICZNEGO
Elementarną czĊĞcią ogniwa fotowoltaicznego jest komórka, bĊdąca złączem półprzewodnika typu p i typu n. Fotony padające na komórkĊ fotowoltaiczną i posiadające
odpowiednią energiĊ, uwalniają elektrony, tworząc pary elektron – dziura. Elektron
uzyskując odpowiednią energiĊ, przemieszcza siĊ w kierunku złącza np, gdzie pod
wpływem pola elektrycznego zostaje skierowany do strefy n. MiĊdzy bokami n i p złącza powstaje napiĊcie. Komórka fotowoltaiczna posiada małą wytrzymałoĞü mechaniczną i brak odpornoĞci na wilgoü, a wytwarzane przez nią napiĊcie osiąga wartoĞü
około 0,5 V. Z tych wzglĊdów komórki łączone są w moduły szeregowo i równolegle,
dla uzyskania odpowiednich napiĊü i prądów. Do opisu pracy komórki fotowoltaicznej
moĪe byü wykorzystany jej prosty model jednodiodowy (rys. 3) [SmoliĔski 1998].
Rs
If
Id
D
IRsh
Rsh
I
U
Ro
Rys. 3. Schemat zastĊpczy komórki fotowoltaicznej
Fig. 3. Equivalent electrical schema of the photovoltaic cell
Na podstawie powyĪszego schematu moĪemy napisaü równanie opisujące charakterystykĊ prądowo-napiĊciową komórki fotowoltaicznej:
­ ª q (U + IR s ) º ½ U + IR s
I = I f − I 0 ®exp «
» − 1¾ − R
¯ ¬ mkT ¼ ¿
sh
(17)
gdzie: I – prąd wytwarzany przez komórkĊ fotowoltaiczną, A
U – napiĊcie na zaciskach komórki, V
If – fotoprąd (jest funkcją temperatury i nasłonecznienia), A
I0 – prąd nasycenia złącza (zaleĪny od temperatury), A
q – ładunek elementarny (1,602⋅10-19 C)
m – współczynnik dobroci diody (1...2)
k – stała Boltzmana (1,381⋅10-23 J⋅K-1)
T – temperatura komórki, K
Rs – rezystancja szeregowa komórki, Ω
Rsh – rezystancja równoległa komórki, Ω
R0 – rezystancja odbiornika, Ω
Na charakterystyce I = f(U) komórki fotowoltaicznej moĪemy wyróĪniü trzy charakterystyczne punkty:
– P1 (U = 0, I = Iz) – punkt okreĞlający prąd zwarcia komórki fotowoltaicznej,
– P2 (U = U0, I = 0) – punkt okreĞlający napiĊcie jałowe komórki fotowoltaicznej,
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Technica Agraria 1(1) 2002
48
M. Adamiec...
– P3 (U = Umax, I = Imax) – punkt okreĞlający napiĊcie i prąd w punkcie mocy maksymalnej komórki fotowoltaicznej.
I, A
Iz
P1
P3
(Umax, Imax)
P2
U0
U, V
Rys. 4. Charakterystyka prądowo-napiĊciowa komórki fotowoltaicznej
Fig. 4. Current-voltage characteristics of the photovoltaic cell
Na odcinku P1P3 charakterystyki ogniwo fotowoltaiczne pracuje jako Ĩródło prądowe, na
nachylenie charakterystyki wpływa rezystancja równoległa Rsh. Na odcinku P2P3 charakterystyki ogniwo fotowoltaiczne pracuje jako Ĩródło napiĊciowe, Rezystancja szeregowa Rs
wpływa na nachylenie charakterystyki. W punkcie P3 ogniwa fotowoltaicznego nie moĪna
zaliczyü do typowych Ĩródeł prądowych ani napiĊciowych [SmoliĔski 1998].
WSPÓŁPRACA OGNIWA FOTOWOLTAICZNEGO Z ELEKTROLIZEREM
Na pracĊ i charakterystykĊ I = f(U) ogniwa fotowoltaicznego najwiĊkszy wpływ ma natĊĪenie napromieniowania G oraz temperatura T. Na rysunku 5 przedstawiona została charakterystyka I = f(U) ogniwa fotowoltaicznego typu BP270L o mocy znamionowej 70 W dla
róĪnych wartoĞci natĊĪenia napromieniowania [Karta katalogowa ogniwa BP270L].
Rys. 5. Charakterystyka prądowo-napiĊciowa ogniwa fotowoltaicznego typu BP270L
Fig. 5. Current-voltage characteristics of the photovoltaic cell type BP270L
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Acta Sci. Pol.
Badania nad wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych w rolnictwie...
49
Na poszczególnych krzywych zaznaczone zostały punkty pracy ogniwa przy wytwarzaniu maksymalnej mocy Pmax. Dla najbardziej efektywnego wykorzystania ogniwa fotowoltaicznego jako Ĩródła zasilania, charakterystyka prądowo-napiĊciowa odbiornika powinna
przecinaü jego charakterystykĊ w punkcie mocy maksymalnej. Na podstawie rysunku 5
moĪemy stwierdziü, Īe odbiornik zasilany przez ogniwo fotowoltaiczne powinien charakteryzowaü siĊ małą wartoĞcią rezystancji dynamicznej dU/dI. Warunek ten bardzo dobrze
spełniają elektrolizery. Rysunek 6 pokazuje przykładowe dopasowanie charakterystyki
I = f(U) elektrolizera do charakterystyk prądowo-napiĊciowych ogniwa fotowoltaicznego.
Rys. 6. Dopasowanie charakterystyki prądowo-napiĊciowej elektrolizera do charakterystyk modułu fotowoltaicznego
Fig. 6. Fitting the current-voltage characteristics of the electrolyser with the characteristics of the
photovoltaic cell
Wpływ temperatury na charakterystykĊ ogniwa fotowoltaicznego typu BP270L
przedstawia rysunek 7 [Karta katalogowa ogniwa fotowoltaicznego typu BP270L].
Punkt mocy maksymalnej przemieszcza siĊ wzdłuĪ osi x, co oznacza, Īe wartoĞü natĊĪenia prądu Imax jest w przybliĪeniu stała, zmienia siĊ natomiast wartoĞü napiĊcia Umax.
Rys. 7. Wpływ temperatury na charakterystykĊ I = f(U) ogniwa fotowoltaicznego typu BP270L
Fig. 7. Effect of the temperature on the characteristic I = f(U) the photovoltaic cell BP270L
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Technica Agraria 1(1) 2002
50
M. Adamiec...
Temperatura pracy elektrolizera nie jest bezpoĞrednio związana z temperaturą otoczenia, w którym pracuje urządzenie zasilające (np. ogniwo fotowoltaiczne). Temperatura wpływa w róĪny sposób na poszczególne czynniki procesu elektrolizy i jej optymalna wartoĞü jest ustalana dla konkretnych procesów chemicznych i układów elektrolizerów. Charakterystyka I = f(U) elektrolizera zasilanego przez moduł fotowoltaiczny,
powinna byü dopasowana do jego charakterystyki prądowo-napiĊciowej w taki sposób,
aby straty mocy spowodowane róĪnicą temperatur były jak najmniejsze.
WNIOSKI
1. Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych bezpoĞrednio do zasilania elektrolizerów,
umoĪliwia zgromadzenie energii słonecznej w postaci paliwa wodorowego, które
nastĊpnie moĪe byü uĪ ytkowane przez róĪne odbiorniki energii. Aby jednak proces ten
był wydajny i opłacalny, naleĪ y uzyskaü dopasowanie ogniw do elektrolizera. Przedstawione modele i algorytmy umoĪliwiają matematyczne modelowanie takiego procesu.
2. Z analizy charakterystyk ogniwa fotowoltaicznego i elektrolizera wynika, Īe po
przekroczeniu napiĊcia rozkładowego elektrolizera, na jego charakterystyce prądowonapiĊciowej obserwujemy duĪ y wzrost natĊĪenia prądu przy niewielkim wzroĞcie napiĊcia. Taki kształt charakterystyki umoĪliwia zasilanie elektrolizera przez ogniwo
fotowoltaiczne i optymalne wykorzystanie jego mocy przy zmiennym natĊĪeniu oĞwietlenia. W rezultacie daje to moĪliwoĞü uzyskania wysokiej sprawnoĞci przemian energetycznych i pełnego wykorzystania obydwu urządzeĔ.
3. Elektrolizer moĪe byü wykorzystywany do uzyskiwania wodoru z innych Ĩródeł
energii niĪ ogniwo fotowoltaiczne (np. energii wiatru), dziĊki odpowiedniemu doborowi
charakterystyk moĪna przełączaü elektrolizer na róĪne Ĩródła zasilania bez utraty
sprawnoĞci i wydajnoĞci.
PIĝMIENNICTWO
Dylewski R., Gnot W., Gonet M., 1999. Elektrochemia Przemysłowa – wybrane procesy i zagadnienia. Wyd. Politechniki ĝląskiej, Gliwice.
Kisza A., 2000a. Elektrochemia I – jonika. WNT, Warszawa.
Kisza A., 2000b. Elektrochemia II – elektrodyka WNT, Warszawa.
SmoliĔski S., 1998. Fotowoltaiczne Ĩródła energii i ich zastosowania. Wyd. SGGW, Warszawa.
Karta katalogowa ogniwa fotowoltaicznego typu BP270L produkowanego przez BP Solar –
Wielka Brytania.
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Acta Sci. Pol.
Badania nad wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych w rolnictwie...
51
INVESTIGATIONS ON APPLICATION THE PHOTOVOLTAIC CELLS
IN THE AGRICULTURE AND AGRO-ALIMENTARY INDUSTRY.
PART I – THEORETICAL BASIS
Abstract. The paper describe new possibilities the application of the photovoltaic cells in agriculture and agro-alimentary industry, obtained by their use to produce the hydrogen by electrolyze.
The principal condition of the high efficiency of the process, is fitting the photovoltaic cell with
the electrolyser. In the paper are presented mathematics models of the elektrolyser and photovoltaic cell and also the simulation their mutually fitting. The optimal condition of the fitting were
established. It permit to obtain the maximal efficiency of the all process of the transformation the
solar energy into the energy stocked into hydrogen fuel.
Key words: photovoltaic cell, electrolyser, hydrogen
Marek Adamiec, Katedra Pojazdów Samochodowych Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka
36, 20-618 Lublin
Marek Kuna-Broniowski, Zakład Elektrotechniki i Systemów Pomiarowych Akademii Rolniczej
w Lublinie, ul. DoĞwiadczalna 50a, 20-218 Lublin
Izabela Kuna-Broniowska, Katedra ZastosowaĔ Matematyki Akademii Rolniczej w Lublinie,
ul. Akademicka 13, 20-950 Lublin
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Technica Agraria 1(1) 2002