Σχεδιασμός και κατασκευή πειραματικού μοντέλου αυτόνομης λειτουργίας για την παραγωγή υδρογόνου ως καύσιμο

Abstract

Η παρούσα Πτυχιακή Εργασία αναφέρεται στον σχεδιασμό και την κατασκευή πειραματικού μοντέλου αυτόνομης λειτουργίας με σκοπό την παραγωγή υδρογόνου και την χρήση αυτού ως καύσιμο σε μια κυψέλη καυσίμου, η οποία παράγει ηλεκτρική ενέ-ργεια και την διοχετεύει σε έναν ηλεκτρικό κινητήρα. Η παραγωγή του πραγματοποιείται ηλεκτρολύοντας το νερό και η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια για την ηλεκτρόλυση προέρχεται από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Αυτή η μονάδα είναι εντελώς φιλική προς το φυσικό περιβάλλον, καθώς η εκπομπή ρύπων είναι μηδενική. Αυτός είναι και ο λόγος που αξίζει να πραγματοποιηθεί και να δοθεί μια ιδιαίτερη σημασία σε μία τέτοια μελέτη. Η ανάπτυξη του θέματος γίνεται σε τρία Κεφάλαια. Στο πρώτο Κεφάλαιο αναλύονται βασικές έννοιες. Αρχικά γίνεται μια αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπου αναλύονται τα είδη, οι τεχνολογίες τους, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους. Στη συνέχεια αναπτύσσονται τα υβριδικά συστήματα και οι κατηγορίες αυτών. Ακολουθεί, ο ορισμός και η ανάλυση του υδρογόνου ως καύσιμο, που είναι και το βασικό στοιχείο σε αυτή τη μελέτη. Επίσης, αναφέρονται οι εναλλακτικοί τρόποι παραγωγής του, η ιστορία του υδρογόνου και τα πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα του. Τέλος, εξηγείται η αρχή λειτουργίας της ηλεκτρόλυσης του νερού και αναλύονται οι διάφορες μέθοδοι ηλεκτρόλυσης του νερού και διάφορα εισαγωγικά και ιστορικά στοιχεία σχετικά με την ηλεκτρόλυση. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται και αναλύονται τα βασικά μέρη του πειραματικού μοντέλου, τα οποία είναι η φωτοβολταϊκή συστοιχία, η συσκευή ηλεκτρόλυσης, τα δοχεία συλλογής των αερίων υδρογόνου-οξυγόνου, το στοιχείο καυσίμου και το μοτέρ κίνησης-φτερωτή. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται μια ανάλυση του φωτοβολταϊκού φαινόμενου, των ειδών των φωτοβολταϊκών πάνελ, των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών που σχετίζονται με το φωτοβολταϊκό στοιχείο, των διαγραμμάτων που το χαρακτηρίζουν και των παραγόντων που επηρεάζουν τα διαγράμματα αυτά. Όσον αφορά τη συσκευή ηλεκτρόλυσης γίνεται μια περεταίρω ανάλυση του συγκεκριμένου τύπου ηλεκτρόλυσης με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (ΡΕΜ). Στα δοχεία συλλογής μελετώνται οι χημικές, φυσικές, μαγνητικές ιδιότητες του υδρογόνου, οι κίνδυνοι του υδρογόνου και οι τρόποι αποθήκευσης του υδρογόνου. Στη συνέχεια, αναφέρονται κάποια εισαγωγικά και ιστορικά στοιχεία για τις κυψέλες καυσίμου, η αρχή λειτουργίας τους, οι κατηγορίες αυτών και αναλύονται τα επιμέρους τμήματα που αποτελούν μια κυψέλη καυσίμου. Επίσης, αναγράφονται οι ιδιότητες, τα χαρακτηριστικά και οι εφαρμογές των κυψελών καυσίμου. Σχετικά με το μοτέρ κίνησης περιγράφεται η αρχή λειτουργίας των ηλεκτρικών κινητήρων και των κατηγοριών τους. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται η καταγραφή των πειραματικών μετρήσεων. Ακολουθεί η επεξεργασία αυτών και η κατασκευή των χαρακτηριστικών καμπύλων του φωτοβολταϊκού πάνελ, της ηλεκτρολυτικής συσκευής και της κυψέλης καυσίμου. Επίσης υπολογίζονται οι βαθμοί απόδοσης αυτών και αναφέρονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν. Τέλος, περιγράφονται οι λειτουργικοί περιορισμοί της ηλεκτρολυτικής συσκευής και της κυψέλης καυσίμου. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από αυτή την εργασία είναι πως τα οφέλη από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με αυτή τη διάταξη είναι ικανοποιητικά, καθώς ο βαθμός απόδοσης της είναι μεγαλύτερος σε σχέση με άλλες μεθόδους χωρίς να επιβαρύνεται το περιβάλλον. Επίσης, αυτή η τεχνολογία είναι αρκετά ώριμη για ευρεία εφαρμογή και περεταίρω ανάπτυξη με σκοπό την μελλοντική ανεξαρτητοποίηση από τις συμβατικές πηγές ενέργειας.