P11 Aplicaciones de La Energia Solar Fotovoltaica

7/25/2019 P11 Aplicaciones de La Energia Solar Fotovoltaica

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PRCTICA 11. Qumica Fsica I 1

APLICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: PILAS DE COMBUSTIBLE

OBJETIVO: Obtencin de las curvas caractersticas de una clula solar y una pila decombustible. (2 Sesiones)

1.FUNDAMENTO TERICO

Clulas Solares

Las clulas solares son dispositivos que producen electricidad por un proceso de conversin

directa de energa solar en energa elctrica. Cuando la luz solar incide sobre ciertos materiales

llamados semiconductores los fotones son capaces de transmitir su energa a dicho material.

Las clulas solares estn constituidas bsicamente por una homo o heterounin de dos

semiconductores con distinto tipo de conduccin, denominados tipo p o n. Uno de los

semiconductores es el encargado de absorber la radiacin solar creando pares electrn-hueco

que el campo elctrico existente en la heterounin, acelerar para obtener la conduccin. El

valor de la banda prohibida del gap del semiconductor absorbente deber encontrarse cercanaal valor de la energa donde la radiacin, solar o de la fuente luminosa utilizada, sea mxima.

Las clulas 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 domstico

tambin est bastante extendido.

Pila de combustible

La primera clula de combustible se fabric en 1839 y desde 1960 se han hecho grandes

esfuerzos en su desarrollo. Son dispositivos en donde mediante un mecanismo electroqumico

la energa de una reaccinqumica se convierte directamente enelectricidad.A diferencia dela pila elctrica o batera, 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 nodo en el que se inyecta el combustible

comnmente hidrgeno, amonaco, hidracina o metanoly un ctodo en el que se introduce

un oxidante normalmente aire u oxgeno. Los dos electrodos de una pila de combustible

estn separados por un electrolito inico conductor.

En el caso de una pila de combustible de hidrgeno-oxgeno con un electrolito de hidrxido de

metal alcalino, la reaccin del nodo es 2H2+ 4OH 4H2O + 4e

y la reaccin del ctodo es O2

+ 2H2O + 4e 4OH. Los electrones generados en el nodo se mueven por un circuito externoque contiene la carga y pasan al ctodo. Los iones OH

generados en el ctodo son conducidos

por el electrolito al nodo, donde se combinan con el hidrgeno y formanagua.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 nodo debe ser extrada continuamente para evitar que inunde la pila.

Laspilas de combustible de hidrgeno-oxgeno que utilizan membranas de intercambio inico

o electrlitos fueron utilizadas en losprogramas espaciales GeminiyApolo.

La pila de metanol/aire consiste en una membrana que permite el flujo de iones de

hidrgeno (protones). En una cara de la membrana se presenta metanol (CH3OH) y en la otra

oxgeno. Como consecuencia de la reaccin se produce un potencial elctrico, agua y anhdrido

carbnico como productos residuales. En cada lado de la clula hay una placa metlica conunos microsurcos que sirven para encauzar el combustible y como colector elctrico. El
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metanol tiene una alta concentracin de energa (6KW/m3) y es barato, (0'15 euros/litro). La

clula de demostracin fabricada por Motorota para uso portatil por ejemplo, ha

proporcionado 200mA a 0'5 voltios, con un volumen de 10 centmetros cbicos, lo que

representa una densidad de energa de 10KW/m3. Se espera conseguir una densidad de

energa diez veces superior a las actuales bateras de Ion-Ltio y la recarga de la batera se

efectuar con pequeos cartuchos de metanol.

Ejemplo de un sistema real.

2. MATERIALES Y REACTIVOS

CENTRAL DE H2SOLAR EN MINIATURA

El equipo denominado central solar en miniatura es que el est a disposicin del estudiante

para el desarrollo experimental. El funcionamiento del equipo es el siguiente: El mdulo solar

transforma energa luminosa en energa elctrica, esta es utilizada en la disociacin del aguaen oxgeno e hidrgeno, por lo tanto es una transformacin de energa elctrica en energa

Sistema de control de

gases

Monocelda


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qumica y la combinacin de ambos gases mediante los electrocatalizadores alojados en la

celda de combustible es utilizada para generar energa elctrica nuevamente.

Mdulo Solar

Transforma luz en corriente elctrica

Disociacin de H2O

Partes del equipo experimental


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3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS

1. Obtencin de la curva caracterstica de una clula solar

Montar el sistema de acuerdo a la figura adjunta. En dicho esquema el significado dela letra A es (Ampermetro), V (Voltmetro) y R (Reostato, siendo este una resistencia

variable).

a) Iluminar bien el modulo solar con una lmpara, la distancia entre

el mdulo y la lmpara debe ser de unos 30 cm, la corriente ha de

ser entre 200-300 mA).

b)

Esperar 5 minutos hasta que el mdulo alcance la temperatura

constante.c) Se medirn valores de potencial e intensidad a distintas

resistencias con el fin de construir la curva caracterstica.

d) Rellenar la Tabla I, potencial (V) e intensidad (I) empezando con

resistencia cero (posicin SHORT CIRCUIT, corto circuito) y

aumentando la resistencia poco a poco (1, 3, 5, 10, 50, 100, 200 ).

La medicin final se toma en posicin OPEN (circuito abierto, es

decir R = ).

e) Repetir la experiencia colocando la lmpara a 40 cm del mdulo

solar.


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TABLA I

Resistencias()

Distancia 30cm.

Voltaje(V) Corriente

(mA)

Resistencias ()

Distancia 40 cm

Voltaje ( V ) Corriente

(mA)

Evaluacin

f)

Representar las grficas IVg)

Interpretar las curvas caractersticas

h)

Determinar la mxima potencia representando potencia (P= VxI)

frente al voltaje.

i) Determinar el Fill Factor de la clula solar. (Fill Factor = P mxima /

Icorto circuitoVcircuito abierto)

2.

Obtencin de la curva caracterstica de un electrolizador.

Montar el sistema de acuerdo a la figura adjunta. En dicho esquema el significado de la

letra A es (Ampermetro), V (Voltmetro) y R (Reostato, siendo este una resistenciavariable), y llenar las probetas del electrolizador con agua destilada hasta la seal de 0 mL.


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Ajustar la corriente del mdulo solar variando la intensidad de la luz moviendo

convenientemente la distancia de la lmpara al mdulo solar. Ajustar distintos valores de

corriente comenzando por valores pequeos del orden de 10 mA y aumentando hasta 350 mA

(dependiendo del tipo de lmpara utilizada). Realizar 8 medidas de corriente y tensin durante

la electrolisis y anotar los valores en la Tabla III.

(El interruptor de la caja de mediciones deber estar en la posicin de cortocircuito)

Tabla III

Tensin (V) Corriente ( mA)

Evaluacin

a) Dibujar la curva, Tensin frente a Intensidad (V-I)

b) Interpretar la curva caracterstica.

3. Comprobacin de las leyes de Faraday

Segn se indica en el diagrama adjunto, el esquema de montaje es idntico al experimento

anterior pero se sellar la probeta de almacenamiento de H2mediante uno de los taponesde tubo. Asegrese de que las dos probetas de almacenamiento de agua destilada estn

llenas hasta la seal de 0 mL. El interruptor de la caja de medida ha de estar en corto

circuito.


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1aLey de Faraday

Disponga el mdulo solar de tal manera que la corriente que debe de llegar desde el mdulo

solar sea entre 200-300 mA y adems constante. Antese el tiempo necesario para obtener

distintos volmenes de H2hasta obtener 10 mL. (completar la Tabla IV)

Tabla IV

Tiempo ( s) Volumen ( ml)

Evaluacin

a)

Trazar la grfica Volumen frente a tiempo a partir de las medias.

b)

Estudiar la relacin entre el volumen de H2 generado y la carga

transportada. (1aLey de Faraday).

2aLey 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 lmpara al mdulo solar, de tal manera que

obtenga 100, 200, 300 y 400 mA y a tiempo fijo anotar la cantidad de H 2obtenido.

Tabla V

Corriente(mA) Volumen ( ml)

Evaluacin

a) Obtener la 2aLey de Faraday.


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CURVA CARACTERISTICA DE LA PILA DE COMBUSTIBLE H2/O2

Montar el esquema que se indica a continuacin:

a)

Comprobar bien las polaridades y las conexiones 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 estn llenas de agua destilada hasta

la seal de 0 mL.

d) Aplicar mediante el mdulo 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 continuacin situar el

interruptor de la caja de mediciones en 3 durante 3 minutos. El ampermetro ahora

indicar una corriente.

f)

Purge de nuevo el sistema con el interruptor en la posicin 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 mdulo 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 mdulo y del electrolizador y utilizarlos para conectar el

voltmetro de la caja de mediciones a la pila de combustible. (Ver figura adjunta)

j)

Trazar la curva caracterstica de la pila de combustible variando la resistencia,

comenzando en la posicin OPEN (circuito abierto), luego se reduce la resistencia poco

a poco. Anotar la tensin 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 mediciones para la lmpara y el motor elctrico. Cuando se ha

acabado de medir poner el interruptor en OPEN y retirar los tapones de la pila de

combustible

Tabla VI

Resistencias() Voltaje(V) Corriente (mA)

Evaluacin

a)

Representar la curva caracterstica VIb)

Interpretar la curva caracterstica

c)

Determinar la mxima potencia representando potencia (P= VxI)

frente al voltaje.

d) Introduzca la corriente y tensin de la lmpara y del motor

e) Calcular el consumo y potencia de la lmpara y el motor e

introduzca los valores en el diagrama potencia intensidad.

4..BIBLIOGRAFIA

Erhard Weidlich Constitucin 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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