APLICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: PILAS DE COMBUSTIBLE 1.OBJETIVO Obtención de las curvas características de una célula solar y una ceda de combustible. 2.FUNDAMENTO TEORICO Células Solares Las células solares son dispositivos que producen electricidad por un proceso de conversión directa de energía solar en energía eléctrica. Cuando la luz solar incide sobre ciertos materiales llamados semiconductores los fotones son capaces de transmitir su energía a dicho material. Las células solares están constituidas básicamente por una homo o heterounión de dos semiconductores con distinto tipo de conducción, denominados tipo p o n. Uno de los semiconductores es el encargado de absorber la radiación solar creando pares electrón-hueco que el campo eléctrico existente en la heterounión acelerara para obtener la conducción. El valor de la banda prohibida del gap del semiconductor absorbente deberá encontrarse cercana al valor de la energía donde la radiación solar o de la fuente luminosa utilizada sea máxima. Las células solares tienen una vida muy larga y se utilizan sobre todo en los aviones, como fuente de electricidad para el equipo de a bordo. El uso tanto industrial como doméstico también está bastante extendido. Pila de combustible La primera célula de combustible se fabricó en 1839 y desde 1960 se han hecho grandes esfuerzos en su desarrollo. Son dispositivos en donde mediante un mecanismo electroquímico la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados. Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible — comúnmente hidrógeno, amoníaco, hidracina o metanol— y un cátodo en el que se introduce un oxidante —normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrolito iónico conductor. En el caso de una pila de combustible de hidrógeno-oxígeno con un electrolito de hidróxido de metal alcalino, la reacción del ánodo es 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e- y la reacción del cátodo es O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-. Los electrones generados en el ánodo se mueven por un circuito externo que contiene la carga y pasan al cátodo. Los iones OH- generados en el cátodo son conducidos por el electrolito al ánodo, donde se combinan con el hidrógeno y forman agua. El voltaje de la pila de combustible en este caso es de unos 1,2 V pero disminuye conforme aumenta la carga. El agua producida en el ánodo debe ser extraída continuamente para evitar que inunde la pila. Las pilas de
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combustible de hidrógeno-oxígeno que utilizan membranas de intercambio iónico o electrólitos fueron utilizadas en los programas espaciales Gemini y Apolo. La pila de metanol/aire consiste en una membrana que permite el flujo de iones de hidrógeno (protones). En una cara de la membrana se presenta metanol (CH3OH) y en la otra oxígeno. Como consecuencia de la reacción se produce un potencial eléctrico, agua y anhídrido carbónico como productos residuales. En cada lado de la célula hay una placa metálica con unos microsurcos que sirven para encauzar el combustible y como colector eléctrico. El metanol tiene una alta concentración de energía (6KW/m 3) y es barato, (0'15 euros/litro). La célula de demostración fabricada por Motorota para uso portatil por ejemplo, ha proporcionado 200mA a 0'5 voltios, con un volumen de 10 centímetros cúbicos, lo que representa una densidad de energía de 10KW/m3. Se espera conseguir una densidad de energía diez veces superior a las actuales baterías de IonLítio y la recarga de la batería se efectuará con pequeños cartuchos de metanol. Ejemplo de un sistema real.
Monocelda
Sistema de control de gases
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CENTRAL DE H2 SOLAR EN MINIATURA El equipo denominado central solar en miniatura es que el está a disposición del estudiante para el desarrollo experimental. El funcionamiento del equipo es el siguiente: El módulo solar transforma energía luminosa en energía eléctrica, esta es utilizada en la disociación del agua en oxigeno e hidrogeno, por lo tanto es una transformación de energía eléctrica en emergía química y la combinación de ambos gases mediante los electrocatalizadores alojados en la celda de combustible es utilizada para generar energía eléctrica nuevamente. Módulo Solar Transforma luz en corriente eléctrica
Disociación de H2O
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Partes del equipo experimental
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS 1.Obtención de la curva característica de una célula solar Montar el sistema de acuerdo a la figura adjunta. En dicho esquema el significado de la letra A es (Amperímetro),V(Voltímetro) y R (Reostato, siendo este una resistencia variable).
a) Iluminar bien el modulo solar con una lámpara, la distancia entre el módulo y la lámpara debe ser de unos 30 cm, la corriente ha de ser entre 200-300 mA). b) Esperar 5 minutos hasta que el módulo alcance la temperatura constante. c) Se medirán valores de potencial e intensidad a distintas resistencias con el fin de construir la curva característica. d) Rellenar la Tabla I, potencial (V) e intensidad (I) empezando con resistencia cero (posición SHORT CIRCUIT, corto circuito) y aumentando la resistencia poco a poco (1, 3, 5, 10, 50, 100,200 Ω). La medición final se toma en posición OPEN (circuito abierto, es decir R = ∞). e) Repetir la experiencia colocando la lámpara a 40 cm. Del módulo solar. 7
TABLA I Resistencias(Ω) Distancia 30cm.
Voltaje(V) Corriente (mA)
Resistencias (Ω) Distancia 40 cm
Voltaje ( V ) Corriente (mA)
Evaluación f) Representar las gráficas IV g) Interpretar las curvas característica h) Determinar la máxima potencia representando potencia (P= VxI) frente al voltaje. i) Determinar el Fill Factor de la célula solar. (Fill Factor = Pmaxima / Icorto circuito Vcircuito abierto ) 2.Obtención de la curva característica de un electrolizador. Montar el sistema de acuerdo a la figura adjunta. En dicho esquema el significado de la letra A es (Amperímetro),V(Voltímetro) y R (Reostato, siendo este una resistencia variable), y llenar las probetas del electrolizador con agua destilada hasta la señal de 0 mls.
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Ajustar la corriente del módulo solar variando la intensidad de la luz moviendo convenientemente la distancia de la lámpara al módulo solar. Ajustar distintos valores de corriente comenzando por valores pequeños del orden de 10 mA y aumentando hasta 350 mA (dependiendo del tipo de lámpara utilizada). Realizar 8 medidas de corriente y tensión durante la electrolisis y anotar los valores en la Tabla III. (El interruptor de la caja de mediciones deberá estar en la posición de cortocircuito) Tabla III Tensión (V)
Corriente ( mA)
Evaluación a) Dibujar la curva, Tensión frente a Intensidad (V-I)
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b) Interpretar la curva característica. 3. Comprobación de las leyes de Faraday Según se indica en el diagrama adjunto, el esquema de montaje es idéntico al experimento anterior pero se sellará la probeta de almacenamiento de H2 mediante uno de los tapones de tubo. Asegúrese de que las dos probetas de almacenamiento de agua destilada están llenas hasta la señal de 0 mls. El interruptor de la caja de medida ha de estar en corto circuito.
1a Ley de Faraday Disponga el módulo solar de tal manera que la corriente que debe de llegar desde el módulo solar sea entre 200-300 mA y además constante. Anótese el tiempo necesario para obtener distintos volúmenes de H2 hasta obtener 10 ml. (completar la Tabla IV) Tabla IV Tiempo ( s)
Volumen ( ml)
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Evaluación a) Trazar la gráfica Volumen frente a tiempo a partir de las medias. b) Estudiar la relación entre el volumen de H2 generado y la carga transportada. (1a Ley de Faraday). 2a Ley de Faraday Con el mismo montaje del apartado anterior, tomar un tiempo constante (por ejemplo 180 s). Regular la corriente, variando la distancia de la lámpara al módulo solar, de tal manera que obtenga 100, 200, 300 y 400 mA y a tiempo fijo anotar la cantidad de H2 obtenido. Tabla V Corriente(mA)
Volumen ( ml)
Evaluación a) Obtener la 2a Ley de Faraday.
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CURVA CARACTERISTICA DE LA PILA DE COMBUSTIBLE H2/O2 Montar el esquema que se indica a continuación:
a) Comprobar bien las polaridades y las conexiones de de los gases entre el electrolizador y la pila de combustible. b) Poner el interruptor de la de mediciones en OPEN (circuito abierto). c) Asegurarse de que las probetas del electrolizador están llenas de agua destilada hasta la señal de 0 ml. d) Aplicar mediante el módulo solar una corriente entre 200 y 300 mA. e) Purgar el sistema entero (compuesto por el electrolizador, la pila de combustible y los tubos) durante 5 minutos con los gases producidos. A continuación situar el interruptor de la caja de mediciones en 3Ω durante 3 minutos. El amperímetro ahora indicará una corriente. f) Purge de nuevo el sistema con el interruptor en la posición OPEN durante 3 minutos. g) Cerrar los tubos de la celda de combustible con los tapones dispuestos para ello. (Ver siguiente figura). h) Volver a conector el módulo solar al electrolizador y almacenar los gases en las probetas del electrolizador. Interrumpir el suministro de corriente cuando el lado del H2 haya alcanzado 10ml.
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i) Quitar los cables del módulo y del electrolizador y utilizarlos para conectar el voltímetro de la caja de mediciones a la pila de combustible. (Ver figura adjunta) j) Trazar la curva característica de la pila de combustible variando la resistencia, comenzando en la posición OPEN ( circuito abierto), luego se reduce la resistencia poco a poco. Anotar la tensión y la corriente para cada resistencia. Esperar 30 s cada vez antes de comenzar la siguiente medida. Incluir los resultados en la tabla adjunta. Finalmente tome medicines para la lámpara y el motor eléctrico. Cuando se ha acabado de medir poner el interruptor en OPEN y retirar los tapones de la pila de combustible Tabla VI Resistencias(Ω)
Voltaje(V)
Corriente (mA)
Evaluación a) Representar la curva caracteristica VI b) Interpretar la curva característica c) Determinar la máxima potencia representando potencia (P= VxI) frente al voltaje. d) Introduzca la corriente y tensión de la lámpara y del motor e) Calcular el consumo y potencia de la lámpara y el motor e introduzca los valores en el diagrama potencia intensidad. 13
4..BIBLIOGRAFIA Erhard Weidlich “Constitución y funcionamiento de las pilas de combustible”. Editorial Marcombo 1997. Ton Koppel. Powering the future the ballard fuel cell and the race to change the Word. Editorial John and Wiley and Sons. 1999. Peter Hoffmann. Tomorrow's energy hydrogen, fuel cells, and the prospects for a cleaner planet.Editorial MIT Press. 2002.
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