Studenckie Koło Naukowe „Płomień” skonstruowało stanowisko fotowoltaiczne wyposażone w część do wytwarzania, magazynowania i zagospodarowania wodoru. Młodzi inżynierowie prowadzą też badania sprawności paneli w zależności od naturalnych zabrudzeń, zacienienia czy temperatury paneli.

Stanowisko znajduje się na terenie Instytutu Automatyki Systemów Energetycznych IASE, przy Hali Stulecia. Składa się z czterech paneli oraz części wewnętrznej, czyli szafy elektrycznej z falownikiem, dwoma akumulatorami i aparaturą pomiarową, dzięki której można śledzić w stanie rzeczywistym m.in. napięcie i natężenie prądu wytwarzane przez panele. Do stanowiska jego twórcy podłączyli także skonstruowany przez siebie układ wodorowy.

– Obecnie największą barierą w rozwoju instalacji OZE jest niestabilność źródeł energii i przeciążenia w sieci dystrybucyjnej – wyjaśnia Tomasz Rybak, student energetyki, członek SKN „Płomień”. – Możliwość wytwarzania wodoru w momentach największej produkcji energii z OZE, przy magazynowania go w bezpieczny i wydajny sposób, jest idealnym rozwiązaniem tego problemu. Dlatego jako koło, razem z doktorantami Dominikiem Bieleckim i Krystianem Krochmalnym, zbudowaliśmy stanowisko do wytwarzania zielonego wodoru w elektrolizerze PEM (z ang. Proton Exchange Membrane), które jest zasilane energią elektryczną z paneli fotowoltaicznych.

Jak to działa?

Konwersja energii elektrycznej na wodór w takim stanowisku odbywa się w procesie elektrolizy. Odpowiada za nią urządzenie o nazwie elektrolizer. Elektrolizer PEM jest wyposażony w membranę protonowymienną z dwiema dodatkowymi elektrodami: dodatnią i ujemną.

– Ta technologia zyskuje na popularności ze względu na szybki rozruch i możliwość dynamicznych zmian obciążeń, co doskonale współpracuje ze zmiennymi źródłami OZE – tłumaczy Dominik Bielecki.

Składnikami potrzebnymi do procesu elektrolizy są woda destylowana i energia elektryczna. Woda – która składa się z dwóch cząsteczek wodoru i jednej cząsteczki tlenu – jest rozdzielana na elektrodzie dodatniej. Powstaje w ten sposób tlen, który można, ale nie trzeba magazynować, oraz dodatnie protony wodoru i elektrony.

Membrana elektrolizera przepuszcza tylko protony wodoru, a ruch elektronów jest wymuszony przez zewnętrzny obwód dzięki doprowadzonej energii elektrycznej. Na elektrodzie ujemnej elektrony i protony wodoru łączą się, tworząc wodór o czystości nawet 99,999%, który można zmagazynować.

A dzięki temu w momencie większego zapotrzebowania na energię elektryczną można użyć go w procesie odwrotnym do elektrolizy – co dzieje się w ogniwie paliwowym. Efektem jest energia elektryczna, ale w mniejszej ilości niż energia, jaka jest potrzebna przy otrzymywaniu wodoru.

– Takie układy są intensywnie rozwijane ze względu na zwiększanie niesterowalnych źródeł odnawialnej energii, przez co trzeba będzie magazynować energię w szczytach jej produkcji i wykorzystywać, gdy będą jej braki, np. w nocy (patrząc na cykl dobowy) lub w okresie jesienno-zimowym (w cyklu rocznym) – dodaje Tomasz Rybak.

Bezpieczeństwo przede wszystkim

Co ważne wodór jest magazynowany w stanowisku w sposób gwarantujący bezpieczeństwo. Członkowie koła naukowego postawili na gromadzenie wodoru w butlach z wodorkami metali, co jest stabilniejsze niż magazynowanie ciśnieniowe (ze względu na brak wysokiego ciśnienia wewnątrz butli).

– Wodór jest zatłaczany pod niskim ciśnieniem do butli wypełnionej wodorkami metali, a następnie dzięki absorbcji „przyłącza” się do materiału stałego – opowiada Dominik Bielecki. – Pozwala to na uzyskanie dużej zdolności magazynowania w niewielkiej powierzchni. Pracujemy obecnie nad poszukiwaniem materiałów o właściwościach przyspieszających ten proces, ponieważ największym wyzwaniem w przypadku tej technologii jest tempo ładowania i rozładowywania magazynu.

Studenci i doktoranci budowali układ wodorowy pod okiem naukowców z Laboratorium Konwersji Energii, a same prace były możliwe dzięki grantowi z programu „Wspieramy Młodych Naukowców” prowadzonego przez Wydział Mechaniczno-Energetyczny PWr.

Co wpływa na produkcję energii?

Młodzi twórcy stanowiska fotowoltaicznego wykorzystują je teraz do prowadzenia badań sprawności paneli w zależności od naturalnych zabrudzeń, zacienienia czy temperatury paneli.

– Przebieg badań jest ciągle udoskonalany wraz z rozwojem projektu i kolejnymi iteracjami – opowiada Tomasz Rybak. – Na początku mierzyliśmy zmiany parametrów prądowo-napięciowych w czasie godziny, a następnie zdecydowaliśmy się na badania całodniowe. Wartości takie jak natężenie prądu, czy napięcie można śledzić w czasie rzeczywistym, ale pomiary temperatury i natężenia promieniowania słonecznego będą wykonywane co godzinę lub dwie. Pomiar temperatury zmierzymy przy pomocy kamery termowizyjnej, a wartość natężenia promieniowania dedykowanym miernikiem fotowoltaicznym IRM-1 udostępnionym nam dzięki uprzejmości firmy ZenitSolar.

Natomiast badania wpływu zacienienia studenci będą prowadzić przez zakrywanie fragmentów paneli oraz obserwację zmian wartości napięć i natężeń prądu, a następnie wyznaczenie wartości spadków i porównanie ich z wielkościami wyznaczonymi w obliczeniach teoretycznych.

– W naszym stanowisku wykorzystujemy dwa rodzaje paneli typu half-cut –  standardowe z białymi ramkami między ogniwami, oraz full-black, które są całe czarne – tłumaczy Tomasz Rybak. – Pomiar temperatury jest w naszych badaniach istotny, ponieważ tzw. full-blacki z racji koloru absorbują więcej promieniowania, zwiększając temperaturę paneli, ale jednocześnie zmniejsza się ich sprawność. Natomiast panele monokrystaliczne typu half-cut wyróżniają się tym, że są podzielone na dwie części (górną i dolną), przez co w niektórych przypadkach zacienienia generują więcej mocy niż panele wykonane w technologii tradycyjnej tzw. full-cell.

Z kolei badając wpływ zanieczyszczeń na panele fotowoltaiczne, studenci wybrali kilka ich rodzajów (np. liście czy plamy przypominające ptasie odchody). Jeden panel z danego rodzaju będzie więc czysty, a na drugim zostanie dodane zanieczyszczenie, a potem studenci wykonają pomiary służące wyznaczeniu względnego spadku sprawności.

Po zakończeniu badań studenci i doktoranci planują przygotowanie publikacji naukowej opisującej efekty swoich analiz.

Studenckie Koło Naukowe „Płomień” działa na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym. Obecnie tworzy je 14 studentów – nie tylko z W9, ale także z Wydziałów: Elektrycznego i Podstawowych Problemów Techniki. Koło prowadzi teraz nabór na nowych członków – by do niego dołączyć, należy skontaktować się kołem, np. poprzez profil na Facebooku.

Lucyna Róg