Pokusy s obnovitelnými zdroji energie
V rámci projektu vaše škola dostala kromě samotného RC modelu auta také box, zaměřený na pokusy s obnovitelnými zdroji energie. V boxu najdete několik experimentů, které vám pomohou pochopit princip fungování těchto zdrojů.
Galvanický článek a elektrický potenciál
Proč to funguje?
Spojením dvou odlišných vodivých materiálů (kovových) vniká potenciálový rozdíl, který generuje elektromotorické napětí.
Kde to funguje?
Tužkové baterie („suchý článek“), autobaterie.
– omezená životnost, využití těžkých kovů škodlivých k životnímu prostředí
Experiment č. 1 – Galvanický článek
Pomůcky: solný článek, chlorid sodný – NaCl, měděný plíšek
Poskytnutý solný článek naplňte roztokem chloridu sodného asi do dvou třetin a následně zasuňte hořčíkovou anodu. Takto sestavený článek připojte pomocí vodičů k libovolnému spotřebiči, či multimetru, který umožní měřit napětí na článku. Při znalosti Ohmova zákonu lze stanovit i jeho výkon. Po seznámení vyzkoušejte rovněž odlišné scénáře a rozhodněte, které faktory ovlivňují účinnost galvanického článku:
a) Koncentrace elektrolytu
Ověřte, zda se napětí na článku mění s koncentrací solí v elektrolytu. Při pokusu uvažujte reálné koncentrace, které mohou nastat, pokud by solný článek měl sloužit jako zdroj energie např. říční voda, mořská voda, aj. Průměrná koncentrace solí (salinita) v mořské vodě je zhruba 35 g/l. Naměřené hodnoty zapište do tabulky:
| c (g/l) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| U (mV) | |||||
| P (W) |
b) Teplota elektrolytu
Při zachování vstupní koncentrace elektrolytu ověřte, zda se napětí změní, bude-li se měnit teplota elektrolytu. Opět pracujte v reálném rozmezí teplot (0-60°C).
| T (°C) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| U (mV) | |||||
| P (W) |
c) Materiál anody
Zaměňte hořčíkovou elektrodu, za jiný kov (např. zinek, železo, či měď) a pozorujte, zda se mění napětí na článku.
Seebeckův jev a Peltieruv článek
Proč to funguje?
Teplotní gradient (rozdíl) mezi dvojicí odlišných polovodičů generuje elektromotorické napětí.
Kde to funguje?
Termočlánky, tepelné systémy pro elektroniku, ochrana potrubí, vesmírné sondy
– menší účinnost, špatný odvod tepla - přehřívání
Experiment č. 2 – Seebeckův jev
Pomůcky: termoelektrický článek, lihový teploměr – 2ks, teplá voda, led
Poskytnutý termoelektrický článek naplňte na jedné straně teplou, a na druhé straně studenou vodou, do obou nádobek zasuňte lihové teploměry. Obdobně jako v předchozím experimentu připojte sestavený článek pomocí vodičů k libovolnému spotřebiči, či multimetru, a zaznamenávejte napětí na článku v průběhu experimentu. Vyzkoušejte různé kombinace teplot vstupní vody.
a) Jaký byl minimální teplotní gradient, při kterém článek stále generoval elektrický proud/měřitelné napětí?
b) Bude se výdrž článku a minimální teplotní gradient měnit pokud experiment provedete i s jiným pracovním médiem (např. etanol, olej)?
c) Opakem Seebeckova, či termoelektrického jevu je Peltierův jev. Pokud prochází proud obvodem se dvěma rozdílnými polovodiči zapojenými v sérii, pak se jedna ze styčných ploch ochlazuje a druhá zahřívá. Tohoto se hojně využívá například v elektronice, dokážete říci proč?
Elektrolýza vody a vlastnosti vodíku
Proč to funguje?
Při dostatečně velkém napětí je molekula vody disociována (rozštěpena) na vodík a kyslík.
Kde to funguje?
Termočlánky, tepelné systémy pro elektroniku, ochrana potrubí, vesmírné sondy
– vysoká spotřeba elektrické energie
Experiment č. 3 – Elektrolýza vody
Pomůcky: elektrolyzér nebo reverzibilní palivový článek, libovolný zdroj elektrické energie, destilovaná voda, injekční stříkačka, mýdlová směs, krbové zápalky/špejle
Po vyjmutí z ochranného obalu je nutné nejprve membránu elektrolyzéru i palivového článku navlhčit. Pro navlhčení použijte injekční stříkačku s hadičkou připojenou k libovolnému otvoru po stranách článku. Dostatečné zavlhčení, lze poznat podle vody vytékající z otvorů na druhé straně článku. Membránu není nutné vlhčit před každým experimentem, pokud probíhají v rámci jedné vyučovací hodiny, pouze při delších prodlevách. Po ukončení experimentů uchovávejte články v uzavíratelných sáčcích, abyste předcházeli jejich vysychání.
K otvorům zavlhčeného elektrolyzéru připojte silikonové hadičky, tak aby jejich vyústění na každé straně vedlo k právě jedné ze zásobních nádrží (označeno H2 a O2). Zbylé otvory utěsněte záslepkou. K takto sestavenému článku připojte nejprve tužkové baterie, abyste ověřili jeho funkčnost. Pokud vidíte, že se zásobní nádrže plní vodíkem a kyslíkem, pak elektrolyzér funguje a můžete pokračovat i se složitější kombinací zdrojů el. energie.
a) Napište rovnici elektrolýzy vody, přijdete na to proč se zásobní nádrž s vodíkem plní rychleji?
b) Jak lze dokázat, že vznikající plyn je opravdu vodík? Uvolněte hadičku ze zásobní nádrže a umístěte ji do misky s mýdlovou směsí, malé množství vodíku zachyceného v bublinách je možné zapálit špejlí. Pamatujte, vodík je extrémně hořlavý plyn, a proto pracujte vždy pod dohledem učitele!
c) Elektrolýza vody je velice energeticky náročný proces. Z dodaného Horizon Energy Boxu vyberte obnovitelné zdroje energie, o kterých si myslíte, že dokáží elektrolyticky generovat vodík a připojte je k elektrolyzéru. Dokázal to některý? Pokud ano porovnejte jejich účinnost z hlediska množství vyprodukovaného vodíku za daný časový úsek, např. 1 minuta.
Přeměna chemické energie na elektrickou a PEM palivový článek
Proč to funguje?
Palivový článek přeměňuje skrze protonově vodivou membránu chemickou energii reakce vodíku a kyslíku na energii elektrickou.
Kde to funguje?
Viz kapitola historie palivových článků
– omezená životnost, použití drahých kovů pro katalyzátory – vysoká cena
Experiment č. 4 – Vodík, skrytá energie
Pomůcky: reverzibilní palivový článek, libovolný elektrický spotřebič (max. příkon 3W), destilovaná voda, injekční stříkačka
Pokud jste pro předchozí experiment využili reverzibilní palivový článek, stačí namísto zdroje připojit jakýkoliv spotřebič a palivový článek začne automaticky produkovat elektrickou energii. Pokud jste použili elektrolyzér, odpojte silikonové hadičky (pozor – musí být zaškrcené, aby nedošlo k úniku plynů) a připojte je obdobným způsobem k zavlhčenému palivovému článku (viz výše). Dbejte na to, abyste připojili správnou zásobní nádrž k patřičně označené straně palivového článku (označeno H2 a O2). Pokud palivový článek nezačne vyrábět elektrickou energii ihned po otevření svorky, „probuďte“ jej opakovaným zmáčknutím přívodní hadičky vodíku.
a) Obdobně jako v předchozím experimentu si zvolte alespoň 2 spotřebiče z Horizon Energy Boxu a porovnejte výkon vodíkového palivového článku s ostatními obnovitelnými zdroji. Jaké jsou výhody této technologie?
b) Účinnost membránových procesů je závislá na teplotě, zjistěte, zda se změní výkon palivového článku, pokud jej budete ochlazovat nebo naopak mírně zahřejete (např. fénem). Stejným způsobem lze provést i pro elektrolyzér, kdy měříme rychlost vylučování vodíku.
c) Uvažujte 10 ml vodíku, jehož spalné teplo činí 12 760 kJ/m3. Spočítejte, kolik kWh získáte spálením 10 ml a kolik kWh získáte přeměnou chemické energie 10 ml vodíku na elektrickou, pomocí 3W palivového článku (1Wh = 3,6 kJ)?