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“TESIS QUE COMO REQUISITO PARA OBTENER EL

GRADO DE MAESTRO EN CIENCIA EN ENERGÍAS

RENOVABLES”

TÍTULO:

“DISEÑO DE UN SISTEMA HIBRIDO SOLAR-

HIDROGENO”

ALUMNOS:

RUFINO ALBERTO CHÁVEZ ESQUIVEL

RAÚL GARCÍA GARCÍA

DIRECTOR DE TESIS:

DR. JOSÉ ALBERTO DUARTE MOLLER

COASESOR DE TESIS:

DR. JUAN MANUEL OLIVAREZ RAMÍREZ

SAN JUAN DEL RÌO, QRO. FEBRERO, 2013

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS, S.C.

DEDICATORIA

ALBERTO:

A MI ESPOSA E HIJAS QUE MOSTRARON UN ENTUSIASMO, FESTEJANDO COMO SUYOS MIS LOGROS OBTENIDOS Y SUFRIMIENTOS, LOS TROPIEZOS A LA PAR, ESPERO DISFRUTEN ESTE LOGRO TANTO COMO YO.

AGRADECIMIENTOS

ALBERTO:

A mi familia, que siempre mostro interés y preocupación, por los ofrecimientos de apoyo, pero sobre todo por la confianza que siempre me demostraron.

A dios por permitirme vivir, tener salud, unos padres que me inculcaron valores y permitirme tener una esposa e hijas excelentes.

A la Universidad Tecnológica de San Juan, por todo el apoyo que me dio durante todo el proceso de esta Maestría.

A mis compañeros de Maestría, por compartir sus conocimientos, por sus ayuda y por los momentos tan agradables que pasamos algunos fines de semana.

A los profesores del CIMAV, por sus enseñanzas, sugerencias y su apoyo.

A mi asesor de tesis Dr. Alberto Duarte Moller, por su apoyo, enseñanzas, preocupación, confianza y amistad que siempre tuve de él.

A mi coasesor de tesis Dr. Juan Manuel Olivares Ramírez, de estar siempre al pendiente de terminar nuestra tesis.

DEDICATORIA

RAÚL:

A DIOS POR HABERME PERMITIDO LLEGAR A FELIZ TÉRMINO, EN EL PRESENTE TRABAJO, EL CUAL DEDICÓ A MIS PADRES:

SR. MARCELINO GARCÍA COROLADO+

SRA. JUANA GARCÍA ARROYO

A MI ESPOSA E HIJO: MA. ELENA URIBE COLÍN, RAÚL ASHER Y CARLÓS EMANUEL GARCÍA URIBE.

A MIS HERMANOS: RUBÉN, SATURNINO, GUADALUPE, MIGUEL ÁNGEL, LIDIA Y MARCO ANTONIO.

RECONOCIMIENTOS

Al Doctor José Alberto Duarte Moller, por sus asesoramientos, ya que sin estos no podría haber concluido este proyecto.

Por el apoyo:

Juan Manuel Olivares Ramírez

Bernardo Ramírez Piñeiro

Marco Zamora Antuñano

Rufino García Mendoza

Marco Antonio Olivo Flores

A CIMAV, que por medio de ellos complemente mi formación académica.

A la UTSJR, por su apoyo durante este proyecto de vida.

Todos mis compañeros de la 1ª generación de la maestría.

i

INDICE

DEDICATORIA ................................................................................................................................ 3

1. RESUMEN ................................................................................................................................... 5

2. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 8

2.1 La radiación Solar ................................................................................................................10

2.1.1 Espectro luminoso ........................................................................................................11

2.1.2 Masa de aire .................................................................................................................12

2.1.3 Variación del espectro luminoso .................................................................................13

2.1.4 Insolación ......................................................................................................................13

2.1.5 Unidades de medida.....................................................................................................14

2.1.6 Variación de la insolación ............................................................................................14

2.1.7 Irradiación del sol ..........................................................................................................15

2.1.8 Día solar promedio .......................................................................................................15

2.1.9 Representación de los datos .......................................................................................16

2.1.10 Panorama del manejo de pilas y baterías convencionales .....................................17

2.1.12 Panorama de las geometrías en las celdas de combustible ..................................19

2.2 Sistema fotovoltaico ............................................................................................................22

2.2.1 Panorama actual. ..........................................................................................................22

2.2.2 La carga eléctrica .........................................................................................................29

2.2.3 Tipos de carga ..............................................................................................................29

2.2.4 Valor energético ............................................................................................................30

2.2.5 La célula fotovoltaica ....................................................................................................30

2.2.6 El panel fotovoltaico .....................................................................................................31

ii

2.2.7 La batería plomo-acido.................................................................................................33

2.2.8 La batería solar .............................................................................................................35

2.2.9 El control de carga ........................................................................................................36

2.2.10 El inversor de carga ...................................................................................................36

2.2.11 Los cables de conexión..............................................................................................37

2.2.12 Componentes auxiliares ............................................................................................39

2.3 Celda de combustible PEM.................................................................................................41

2.3.1 Dispositivos Electroquímicos .......................................................................................41

2.3.2 Celda de combustible ...................................................................................................42

2.3.4 Clasificación de las celdas de combustible ................................................................44

2.3.5 El hidrógeno como combustible de las celdas ...........................................................47

2.3.6 Formas de producción..................................................................................................47

2.3.7 Electrocatalizador .........................................................................................................50

2.3.8 Membrana de Intercambio Protónico ..........................................................................51

2.3.9 Principio de operación ..................................................................................................53

2.3.10 Arreglo de mono-celdas (stack) ................................................................................55

2.2.11 Software Ansys Fluent V 12 ......................................................................................57

2.4 Hipótes is .........................................................................................................................59

2.5 Objetivo.................................................................................................................................59

2.6 Objetivos específicos...........................................................................................................59

2.7 Justificación ..........................................................................................................................59

3 MÉTODOS Y MATERIALES .....................................................................................................61

3.1 Metodología del sistema fotovoltaico .................................................................................61

3.2 Materiales del sistema fotovoltaico ....................................................................................62

3.3 Metodología de una celda PEM .........................................................................................65

iii

3.4 Materiales de una celda PEM .............................................................................................66

4 RESULTADOS Y DISCUSION ..................................................................................................68

4.1 Localización geográfica del Estado de Querétaro ............................................................68

4.1.1 Ubicación .......................................................................................................................68

4.1.2 En un periodo anual......................................................................................................69

4.1.3 Estudio de disponibilidad del recurso solar en San Juan del Río ............................71

4.1.4 Graficas del estudio de disponibilidad en San Juan del Río, Querétaro .................75

4.1.5 Resultados del equipo y consideraciones del sistema fotovoltaico .........................76

4.1.5.1 Suministro de energía ...............................................................................................77

4.1.5.2 Consideraciones del sistema....................................................................................77

4.1.5.3 Equipamiento de la vivienda rural ............................................................................77

4.1.5.4 Costo del sistema fotovoltaico ..................................................................................78

4.1.5.5 Costo de iluminación .................................................................................................78

4.1.5.6 Calculo de corriente requerida .................................................................................79

4.1.5.7 Calculo del número de paneles requeridos .............................................................79

4.1.5.8 Calculo de las baterías de ciclo profundo ...............................................................79

4.1.5.9 Tensión del sistema en C.A. .....................................................................................80

4.1.5.10 Selección del controlador .......................................................................................80

4.1.5.11 Calculo del inversor .................................................................................................80

4.1.5.12 Ensamble del sistema fotovoltaico en prototipo en casa solar............................81

4.2 Análisis en Ansys .................................................................................................................82

4.3 Diseño y construcción de una monocelda .........................................................................84

4.4 Evaluación del desempeño .................................................................................................88

4.5 Determinación del número de ensambles .........................................................................89

4.6 Determinación del número de ensambles .........................................................................89

iv

4.7 Dimensiones de la celda .....................................................................................................90

5 CONCLUSIÓN ........................................................................................................................92

BIBLIOGRAFÍA ..........................................................................................................................93

ANEXOS .....................................................................................................................................96

Reconocimientos ........................................................................................................................96

Diseño de un Sistemas Hibrido Solar – Hidrógeno Capítulo 1

5

1. RESUMEN

La disponibilidad de energía está directamente relacionada con el bienestar de

una sociedad. Un país desarrollado es aquel que dispone de energía eléctrica

suficiente para asegurar sus actividades productivas, salud y educación. Por otra

parte, una sociedad que vive en la pobreza, paga un alto precio por la energía, al

carecer de tecnología para transformarla y transportarla.

El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo. Sin embargo, el

hidrógeno molecular (H2) no se encuentra libre en la naturaleza en cantidades

apreciables. Los átomos de hidrógeno se encuentran asociados con otros

elementos formando millones de especies químicas. Las formas usuales de

producir hidrógeno molecular son la reformación de hidrocarburos (o de biomasa)

y la electrólisis del agua. Diferentes moléculas orgánicas son portadoras de

hidrógeno (metanol, etanol, hidrocarburos) y pueden ser consideradas como

combustibles de gran utilidad práctica.

Para este trabajo se desarrollaron dos sistemas de conversión de energía, uno

que permite la conversión directa de la energía solar a eléctrica, denominado

Sistema Fotovoltaico, y otro sistema que permite la conversión directa de Energía

contenida en el Hidrógeno a eléctrica, mediante un proceso electroquímico de

oxido-reducción. En ambos casos la conversión a energía eléctrica es completa

y no se obtiene ningún contaminante de los subproductos.

En este proyecto se realizo un prototipo que utiliza la energía solar para

producir la electricidad que es consumida por la carga eléctrica instalada en una

casa habitación de una zona rural y se alimenta hidrógeno como combustible a

una celda, para generar solamente el10% de la energía eléctrica generada por el

sistema fotovoltaico (SF), la cual será utilizada únicamente para la iluminación,

solo en caso de falla del sistema fotovoltaico.

El documento esta constituido por tres secciones básicas que son: Introducción,


6

metodos y materiales ,resultados y discusión, los cuales se describen brevemente

a continuación.

En la introducción; se da a conocer el estado del arte del sistema hibrido solar

hidrogeno, se presentan los conceptos de las partes principales y auxiliares que

integran un sistema fotovoltaico, incluye el estudio de la radiación solar en la

localidad de San Juan del Río Qro.

Así como el panorama de lo efectuado por otros investigadores con respecto a las

geometrías de un sistema formado por celdas tipo PEM, bases teóricas de su

constitución, su principio de operación así como su fuente principal de alimentación

y los punto relevantes del software de simulación ansys.

Métodos y materiales; muestra en diagrama de bloques la secuencia de las

actividades realizadas para obtener cada uno de los sistemas que integran el

sistema hibrido solar-hidrogeno, así como los materiales utilizados para su

realización.

Resultados y discusión: En esta sección se presentan los datos obtenidos de

localización, gráficas y resultados del equipamiento del sistema fotovoltaico de

una vivienda rural de baja potencia. También se presentan los resultados

experimentales, realizados al complemento del sistema hibrido solar hidrogeno a

nivel laboratorio y simulación en ansys


7

ABSTRACT

The availability of energy is directly related to the welfare of society. A developed

country is one that has enough power to ensure its production, health and education.

Moreover, a society living in poverty, pays a high price for energy, the lack of

technology to transform and transport.

Hydrogen is the most abundant element in the universe. However, the molecular

hydrogen (H2) is not free in nature in appreciable amounts. Hydrogen atoms are

associated with other elements forming millions of chemical species. Common forms

of molecular hydrogen is produced from hydrocarbon reforming (or biomass) and the

electrolysis of water. Various organic molecules are hydrogen carrier (methanol,

ethanol, hydrocarbons) and can be considered as fuels practical use.

This work aims to develop two energy conversion systems, one that allows the direct

conversion of solar energy into electricity, called photovoltaic system, and a system

that allows the direct conversion of electrical energy to hydrogen by an

electrochemical process called redox hydrogen and oxygen. In both cases the

electrical energy conversion is completed and no contaminants is not obtained as the

product of conversion. This project will use solar energy to produce electricity that is

consumed by the installed electrical loaded and it´s to a hydrogen fuel cell to

generate only el10% of the electricity generated by the photovoltaic system (SF),

which will be used only for illumination, only in case of failure of the photovoltaic

system.


8

2. INTRODUCCIÓN

Cuando pensamos en la energía solar, dos manifestaciones de está, luz y calor, son

fácilmente reconocidas. Ambas juegan un papel vital en la vida de nuestro planeta.

La luz solar hace posible el proceso de la fotosíntesis, sin el cual el reino vegetal y

animal desaparecerían, el calor controla el clima y evapora las aguas del mar, las

que, libres del contenido salino, son devueltas al planeta en forma de lluvia. Seres

humanos, animales y plantas deben su existencia a este simple mecanismo de

purificación.

Varias de las civilizaciones antiguas, conscientes de la dependencia, convirtieron

al sol en una deidad dogma de veneración.

Otras manifestaciones de la energía solar no son tan obvias. La energía eólica es

un ejemplo. El viento es el resultado del movimiento de masas de aire causado por

la rotación de la tierra, diferencias térmicas en la atmosfera y la diferente absorción

térmica entre los mares y los continentes.

La radiación solar puede ser transformada directamente en energía eléctrica. A

este fenómeno se le denomina efecto fotovoltaico. A mediados del siglo XIX

(1839) el físico Francés Becquerel descubrió el efecto fotovoltaico (FV). Varios

Físicos como Willbughby Smith (1837) y Lenard (1900) verifican su existencia bajo

diversas condiciones. Einsten (1905) proporciona la base teórica del fenómeno,

ganando el premio Nobel de Física. Millikan (1920), un físico norteamericano,

corrobora la teoría de Einsten. Sin embargo, la aplicación práctica de esta

conservación de la energía no comenzó hasta 1954, cuando se necesito una

fuente generadora de energía eléctrica que pudiere alimentar los circuitos

eléctricos de los satélites espaciales, sin recurrir al uso de combustible y con una

vida útil de larga duración.

Las primeras aplicaciones terrestres del fenómeno FV comienzan en 1972, Desde


9

esa fecha, una sucesión de nuevos procesos industriales, junto con la expansión

del mercado de consumo, permitieron una drástica reducción del costo inicial de

los paneles generadores (más de 100 veces desde su debut espacial). A pesar de

ello el uso extensivo de los sistemas FVs en lugares del planeta que carecen de

electricidad no ha alcanzado el nivel requerido. En el presente se estima que

millones de seres humanos carecen de electricidad en el planeta. Se considera

que existen tres factores que contribuyen a retardar su difusión: bajos ingresos,

falta de crédito y carencia de conocimientos tecnológicos por parte de los

presuntos consumidores.

La ausencia de crédito, combinada con el bajo poder adquisitivo de algunos

sectores de la población, así como la imposición de aranceles en las aduanas a

los componentes importados, hace que sistemas básicos (uno o dos paneles),

resulten prohibitivos, en la parte de crédito, aun en México no se usa como una

parte de fomentar el interés para el uso de los sistemas fotovoltaicos. Es

importante que las autoridades en los países subdesarrollados reconozcan que el

otorgamiento de estos créditos representa la solución más económica para

extender el sistema eléctrico, en particular cuando existen algunas poblaciones

aisladas de la energía eléctrica.

Deberá tenerse en cuenta que el uso de los sistemas fotovoltaicos no representa

una solución económica cuando se pretende suplantar los servicios de la red

eléctrica, ya que la inversión inicial de un sistema equivalente es muy elevada.

Si bien es cierto que los sistemas FVs no son una panacea, sin duda alguna

representa la solución más efectiva en lugares remotos, permiten un enorme del

estándar de vida de la población. La generación de energía eléctrica hace posible

mejorar las condiciones sanitarias de una comunidad y el uso de los refrigeradores

para preservar los alimentos perecederos y medicinas que necesitan de la

refrigeración para evitar su descomposición

.


10

2.1 La radiación Solar

La luz, sea esta de origen solar, o generada por un foco incandescente o

fluorescente, está formada por un conjunto de radiaciones electromagnéticas de muy

alta frecuencia, que están agrupadas dentro de un cierto rango, llamado espectro

luminoso. Las ondas de baja frecuencia del espectro solar (infrarrojo) proporcionan

calor, las de alta frecuencia (ultravioleta) hacen posible el proceso de fotosíntesis o

el bronceado de la piel. Entre esos dos extremos están las frecuencias que forman la

parte visible de la luz solar. La intensidad de la radiación luminosa varía con la

frecuencia. La Figura 2.1 muestra en forma no detalla, la composición del espectro

luminoso.

Infrarojo

Ultravioleta

Figura 2.1 Longitud de onda y frecuencia (espectro visible)

l = c / f

El “color” de la luz solar depende de la composición del espectro de frecuencia. Los

fabricantes de focos luminosos, consientes de este fenómeno, tratan de dar a estos

un espectro de radiación luminosa similar al de la luz solar que llega a la Tierra

cuando el sol alcanza la posición del Zenit (luz blanca). La intensidad y frecuencia

del espectro luminosos generado por el sol sufre alteraciones cuando la luz atraviesa

la atmosfera. Ello se debe a la absorción, reflexión y dispersión que toma lugar

dentro de esta. Los gases presentes en la capa atmosférica actúan como filtros para

ciertas frecuencias, las que ven disminuidas su intensidad o son absorbidas

totalmente. El proceso fotovoltaico responde a un limitado rango de frecuencia


11

dentro del espectro visible, de manera que es importante definir el espectro de

radiación de la fuente luminosa que se utiliza para evaluar las celdas fotovoltaicas,

Esto se hace especificando un parámetro denominado Masa de Aire.

2.1.1 Espectro luminoso

El espectro solar puede dividirse en un 51% de infrarrojo, 40% visible y 9% de

ultravioleta. El conocimiento de su conformación es de suma importancia para un

desarrollo óptimo de las aplicaciones solares. La máxima emisión corresponde a una

longitud de onda de 0,5 mm, es decir, el color verde; además, aproximadamente el

80% de la energía proveniente del sol corresponde a la longitud de onda de menos

de 1,5 mm.

Para la instalación de un sistema fotovoltaico, se hace necesario el conocimiento del

mapa de radiación solar de la zona.

Figura 2.2 Espectro de la radiación solar


12

2.1.2 Masa de aire

La posición relativa del sol respecto a la horizontal del lugar determina el valor de la

masa de aire. Cuando los rayos solares caen formando un ángulo de 90° respecto a

la horizontal, se dice que el sol ha alcanzado su zenit.

Para esta posición la radiación directa del sol atraviesa una distancia mínima a

través de la atmósfera. Cuando el sol está más cercano al horizonte, esta distancia

se incrementa, es decir, la “masa de aire” es mayor, como se muestra en la Figura

2.3.

Figura 2.3 Masa de aire

A la posición del zenit se le asigna una masa de aire igual a 1(M1). Cualquier otra

distancia tendrá una masa de aire que pueda calcularse usando la expresión:

Masa de Aire = 1 / cosa

Donde a es el ángulo formado entre la posición del zenit y la posición del sol en ese

momento y cosa es el valor de coseno de ese ángulo, el que varía entre 1 y 0

cuando el ángulo varía entre 0° y 90º. Para valores de a mayores que cero, el valor

de cosa es siempre menor que la unidad, de manera que el valor de la masa de aire

se incrementa. Valores para las masas mayores que la unidad indican que la

radiación directa debe atravesar una distancia mayor dentro de la atmosfera. El


13

ángulo de inclinación respecto a la posición del zenit (vertical) puede ser calculado

por la expresión anterior. Se deduce así que una masa de aire de 1,5 corresponde a

un ángulo a de unos 48º. Algunos autores asignan, arbitrariamente, el valor M=0

para el espectro luminoso fuera de la atmosfera, este valor carece de sentido

matemático.

2.1.3 Variación del espectro luminoso

Al incrementar la distancia, la absorción, reflexión y dispersión de la luz solar

también se incrementan, cambiando el rango de frecuencia que integran el espectro

luminoso, así como la intensidad del mismo. Esto explica las variaciones de

intensidad y color de la luz del sol durante la salida y puesta del sol. La fuente

luminosa usada para medir la potencia de salida de un panel FV tiene un espectro

luminoso correspondiente a una masa de 1.5 (M1.5), el que ha sido adoptado como

estándar. La intensidad es muy cercana a 1KW/m2.

2.1.4 Insolación

La cantidad total de radiación solar (directa y reflejada) que se recibe en un punto

determinado del planeta, sobre una superficie de 1 m2, para un determinado ángulo

de inclinación entre la superficie colectora y la horizontal del lugar, recibe el nombre

insolación, el termino deriva de la palabra inglesa insolation, la que, a su vez,

representa un acrónimo derivado de otras tres palabras del mismo idioma incident

solar radiation (radiación solar incidente).

El valor de la insolación en una dada localización debe reflejar el valor promedio de

la misma. Para obtenerlo, se necesita tener en cuenta las variaciones cíclicas

estacionarias, conduciendo mediciones de la radiación solar diaria durante 10 o más

años. En los Estados Unidos de Norteamérica. Esta tarea es llevada a cabo por el

National Renewable Energy Laboratory (NREL) con sede en Golden Colorado,


14

desde 1961.Las mediciones de insolación diaria se toman usando colectores fijos,

con distintos ángulos de inclinación con respecto a la horizontal, así como colectores

móviles (los que siguen la trayectoria del sol automáticamente) El Centro de

Estudios para la Energía Solar (censolar) publica datos para la insolación media, en

un plano horizontal. (1)

2.1.5 Unidades de medida

Se usan diferentes unidades para expresar el valor de la insolación de un lugar. La

más conveniente para nuestra aplicación es el Kw-hora por metro cuadrado

(Kwh/m2), o su valor equivalente en miliwatt hora por centímetro cuadrado

(mWh/cm2). Si la energía del sol se utilizará para calentar agua, resulta más

conveniente usar como unidad las calorías por metro cuadrado (Cal/m2) o los Btu/f2.

La reducción de una cantidad a la otra puede hacerse recordando que 1 KWh/m =

860 cal/m2 = 317.02 Btu/f2.

2.1.6 Variación de la insolación

Si la superficie colectora mantiene un ángulo de inclinación fijo, el valor de la

insolación es una dada locación depende las condiciones atmosféricas y la posición

del sol respecto del horizonte. La presencia de nubes incrementa la absorción,

reflexión y dispersión de la radiación solar. Las zonas desérticas, dada la carencia

de nubes, tienen los mayores valores de insolación en el planeta. La posición del sol

respecto a la horizontal cambia durante el día y con las estaciones. El valor de la

insolación al amanecer y al atardecer, así como en el invierno, es menor que el de

mediodía o el verano.


15

2.1.7 Irradiación del sol

Irradiación es el valor de la potencia luminosa. Los fabricantes de paneles

fotovoltaicos (FVs) determinan la máxima potencia eléctrica de salida usando una

fuente con una potencia luminosa de 1 KW/m2. Este valor, conocido con el nombre

de Sol. Se ha convertido en un estándar para la industria, facilitando la comparación

de paneles de distintos orígenes. Recordar que 1 m2 = 10,000 cm2, y que 1 KW =

1,000 W se tiene que:

1 SOL = 1 KW/m2 = 100 miliwatts/cm2

Las dos cantidades son usadas, indistintamente, en las especificaciones de paneles

FV´s.

2.1.8 Día solar promedio

El valor de la irradiación varia al cambiar la masa de aire, la que cambia

constantemente desde el amanecer al anochecer. Para simplificar el cálculo de la

energía eléctrica generada diariamente por un panel fotovoltaico, se acostumbra a

definir el día solar promedio. Este valor es el número de horas, del total de horas

entre el amanecer y el anochecer, durante el cual el sol irradia con una potencia

luminosa de 1 SOL. Supongamos, como ejemplo, que el promedio de insolación

diaria de una locación es de 5 KW/m2. Si este valor es dividido por un SOL, se

obtiene el valor (en horas) del día solar promedio para esa locación y esa

inclinación.

En nuestro ejemplo:

DIA SOLAR = 5 KW/m2 / 1KW /m2 = 5 horas

Recordar que los paneles son evaluados usando una intensidad luminosa de un

SOL. La duración del día solar promedio representa la cantidad de horas, del total


16

horas de luz diaria, en que el panel es capaz de generar la potencia máxima de

salida especificada por el fabricante. (2)

2.1.9 Representación de los datos

El NREL publica, en forma periódica, los valores de insolación promedio, para una

locación dada, usando colectores fijos con cinco ángulos de inclinación, horizontal

(0°), latitud del lugar menos 15°, latitud, latitud más 15° y vertical (90°). Estos datos

son complementados con mediciones tomadas, usando superficies colectoras

móviles, las que son montadas en aparatos, que automáticamente siguen la

trayectoria del sol. Complementando los datos de insolación, se tienen datos

meteorológicos de la máxima y mínima temperatura, % de humedad relativa y la

velocidad promedio del viento para lo locación. Un dato importante, el de los días

consecutivos promedio sin sol.

El ángulo de inclinación de la superficie colectora es el que forma con la horizontal,

tal como lo ilustra la figura 2.4 [3]

Figura 2.4 Ángulo de inclinación


17

2.1.10 Panorama del manejo de pilas y baterías convencionales

Pese a los grandes progresos de la electrónica portátil, las pilas o baterías utilizadas

no han cambiado mucho. Sus versiones más pequeñas siguen siendo la única

solución para productos populares que consumen hasta 20 Watts, desde juguetes a

computadoras portátiles y telefonía celular. Pesan bastante, son caras y se agotan

sin previo aviso obligando a su reposición, además generan residuos que provocan

problemas ambientales.

La contaminación por pilas y baterías en México es un problema que se viene

gestando desde hace ya algunas décadas. En un estudio publicado por el instituto

Nacional de Ecología [4] se menciona que desde el año de 1943, hasta la fecha, se

han liberado en el ambiente aproximadamente 635 mil toneladas de pilas y baterías.

De la misma forma y con relación a las baterías de los teléfonos celulares, se estima

que el periodo comprendido de 1995 a 2003 se han consumido más de dos mil

toneladas de baterías provenientes de alrededor de 27 millones de usuarios. Esto

sin tomar en cuenta el contrabando de pilas, estimado en alrededor del 50% del

consumo de pilas de forma legal, lo que representa anualmente alrededor de

quinientos millones de pilas, que ingresan a México por la vía del contrabando.

Las pilas y baterías convencionales usadas constituyen un residuo peligroso de

características complejas por varias razones, entre las que destacan [5]:

a) Son productos individualmente constituidos por varios agentes polucionantes.

b) La innumerable variedad de pilas (químicamente) posibles multiplica

enormemente la cantidad de contaminantes a los que el ambiente puede

potencialmente exponerse.

c) La multiplicidad de características e importancias toxicológicas que se derivan

de la complejidad mencionada.

d) La innumerable variedad de usos, usuarios, diseños, tamaños y formatos.


18

e) La elevada proporción en la que intervienen en la cantidad total de residuos

generados.

f) Se encuentran normalmente asociadas a los residuos domésticos.

La toxicidad de las pilas y baterías usadas es diferente de acuerdo con el tipo de pila

o batería considerada: no todos sus componentes poseen el mismo grado de

toxicidad en cuanto a sus efectos sobre la salud y el ambiente [6]. En este aspecto,

las que poseen mercurio, cadmio o plomo son las que presentan un riesgo mayor. Si

estas pilas se tiran a la basura, irán a los vertederos y de ahí, ya sea por

incineración o deterioro de la carcasa de las pilas, contaminaran el medio ambiente.

Por ejemplo. El mercurio se puede filtrar en la tierra y de allí pasar a las aguas

subterráneas. Una consecuencia directa sería la contaminación de los alimentos

vegetales que se desarrollan nutriéndose del suelo y luego serán consumidos por el

hombre y los animales, poniendo en peligro su salud. A modo de otros ejemplos,

puede comentarse que algunos estudios recientes han llegado a las siguientes

conclusiones:

1. Una pila seca puede contaminar 3,000 litros de agua por unidad.

2. Una sola pila alcalina puede contaminar 175,000 litros de agua.

3. Una pila botón de óxido de mercurio (micro pila) puede contaminar 600,000

litros de agua por unidad.

4. Una pila de óxido de plata puede contaminar 14,000 litros de agua por unidad.

Es por las razones expuestas anteriormente, que es necesario desarrollar nuevos

dispositivos que suministren energía eléctrica para satisfacer las necesidades de la

población en general, pero que no sean contaminantes y que puedan ser reciclables

en alto grado para estar acorde a los nuevos procesos de desarrollo sustentable que

se requieren para un mejor nivel de la calidad de vida de las sociedades actuales y

futuras.


19

2.1.12 Panorama de las geometrías en las celdas de combustible

Durante la última década se han diseñado geometrías muy diversas entre ellas

están las de puntos cuadrados, interdigitales, de serpentín, espirales, en bloques

serpentín-paralelo, entre otras; incluyendo el uso de placas porosas. Mas sin

embargo los resultados que se obtienen pueden no ser suficientes para asegurar el

buen diseño de la geometría de flujo de la placa bipolar y en conjunto de la celda de

combustible ya que intervienen una gran variedad de variables En particular, una

geometría que genere un perfil de velocidades aparentemente homogéneo, pero que

introduzca unas caídas de presiones muy grandes en el flujo circulante (como es el

caso de las geometrías de serpentín simple o serpentín-paralelo) puede dar lugar a

una difusión no homogénea y, consecuentemente, a una mala distribución de gases

sobre el catalizador. Un estudio comparativo de diversas tipologías con sus ventajas

e inconvenientes puede encontrarse en varios artículos de Los cuales podemos citar

los siguientes trabajos:

S. O. Obayopo. [2006], Desarrollo diseños en paralelo y serpentín con Potencia ≤

1000 W, donde la Caída de presión es del orden de 0,5-1 bar [7].

Arum K Tangirala [2006]. Z-TYPE U-TYPE 2U-TYPE 4U-TYPE Encontró que dentro

de la celda en operación se mantiene constante la temperatura a 80° C y la presión

de 60 mbar [8].

XuanLiu [2006]. Desarrollo una geometría en Paralelo, pudo observar que la tasa de

la inundación en el lado del cátodo alcanzó 49,56% en condiciones experimentales,

sin embargo, era cero en el lado del ánodo [9].

JesperLebæk [2009]. Trabajó los arreglos Z y U. La geometría elegida es una

variedad con baja altura y ancho H / W = 0,175 y sobre la base de una célula de 70

pilas, encontró que era un 23.5% más eficiente que otras celdas [10].


20

Pi Hyong Lee [2008]. Utilizó el diseño en Paralelo para el análisis del flujo en una

celda con un solo canal con micro reacción electroquímica La caída de presión fue

de 11 Pa a 22,5 Pa en el ánodo y en el cátodo con un canal de flujo para 0,5 V [11].

E. Middelman, W. Kout, B. Vogelaar, J. Lenssen, E. de Waal [2003]. Realizaron

arreglos en Z y U, diseñaron los platos bipolares utilizando materiales compòsito

desarrollado NedStack a base de grafito. El tamaño del canal es 0:6 mm x0.6 mm. El

espesor total de las placas bipolares a 2 mm. La celda operando incrementó la

densidad de potencia en hasta 2 kW [12].

Hui-Chung Liua [2004]. Propone una geometría de arreglo Z a un solo canal. Estudia

el efecto del flujo del agua en la celda. Y este factor debe ser considerado en el

modelado. Identifica caídas en el voltaje del de 0,7 V a 0,2 V durante la

experimentación [13].

Akyalcın and S. Kaytakoglu [2008].Realizaron su experimentación en geometrías

Serpentín e Interdigital. Compararon recubrimientos de aluminio y grafito. Con el

recubrimiento de aluminio se redujo en 56% el espesor. Utilizó una placa de 250 cm2

de área activa con un borde 2 cm. [14].

Derieth et al. [2008]. Trabajaron geometrías con diferentes arreglos. Desarrollaron

materiales especiales (combinaron composites de grafito ZBT) para fabricación de

platos. Lograron temperaturas de operación superiores a los 200°C.En stacks de 45

celdas [15].

Rivas [2008]. Utilizó arreglos Serpentín/Interdigital. Realzó un recubrimiento de

Molibdeno sobre acero inoxidable austenítico 316 y acero al carbono como sustratos

en una placa de 10 cm2

utilizó los parámetros establecidos en la Norma ASTM G5-

94. Los resultados presentados aquí indican que se depositan los óxidos de Mo

protección contra la corrosión solo se da en unas partes específicas de una

superficie de acero [16].

V.A. Paganin, E. A. Ticianelli & E.R. González [1995]. Utilizaron diferentes

materiales, acero inoxidable, aluminio y grafito. Estudiaron el comportamiento de un


21

conjunto de celdas en un rango de temperatura de 50-80 °C. Se encontró que un

aumento de temperatura como resultado un mayor rendimiento. El aumento de

temperatura provocado el incremento de la capacidad de vapor dentro de la celda,

permitió que se evaporara el exceso de agua y el suministro de reactivos

aumentando drásticamente, lo que resultó en un aumento de la densidad de

corriente límite en un 15 % [17].

F. Ardabi, R. Roshande, G. Karimi Moghaddam [2012]. Geometrías

Cuadrada/cruzada, espiral/serpentín/ porosa. En material grafito con resistencia a la

corrosión y por la facilidad de fabricación, alta conductividad eléctrica, de peso

ligero; mejoro las condiciones de la densidad de masa, presión y velocidad en un 8%

respecto a las geometrías convencionales de acero inoxidable [18].

M. Grundler, [2012] Geometrías: Serpentín/Paralelo/Interdigital, realizó

combinaciones de recubrimiento de materiales de platos colectores con nanotubos

de carbón, mejorando en un 13% el peso de platos de acero inoxidable con

recubrimientos de grafito [19].


22

2.2 Sistema fotovoltaico

2.2.1 Panorama actual.

Recientemente, el hombre ha aprendido a obtener electricidad a partir de la energía

solar mediante procesos fototérmicos y fotovoltaicos. Los primeros operan bajo

principios semejantes a lo de las centrales convencionales. Los fotovoltaicos,

presentan una simplificación con respecto a los procesos energéticos

convencionales, debido a que transforman una energía primaria, la solar, en

electricidad en forma directa, es decir, sin trasformaciones intermedias en otras

formas de energía. De lo anterior, podemos decir que las celdas fotovoltaicas son

dispositivos capaces de transformar la radiación solar en electricidad, de modo

directo.

Un sistema fotovoltaico es un conjunto de subsistemas cuya función es generar

electricidad con la luz solar, acondicionar la energía, almacenarla y distribuirla

para su posterior uso. El módulo o panel fotovoltaico es el principal dispositivo de

un sistema fotovoltaico y es el encargado de transformar la energía solar a energía

eléctrica en forma de una señal de corriente continua. El tiempo necesario para

transformarla es del orden de microsegundos, y en esos mismo tiempos, si se deja

de iluminar, se pierde la energía. Por lo tanto, un sistema fotovoltaico, en la mayor

parte de las aplicaciones, debe de incluir un subsistema de acondicionamiento

eléctrico y almacenamiento de energía. Comúnmente, el acondicionamiento

eléctrico se realiza por medio de dispositivos electrónicos (seguidores de máxima

potencia, controladores de carga e inversores CD/CA), cuya función es acoplar el

generador fotovoltaico con las cargas eléctricas a alimentar. Por otra parte, el

almacenamiento de energía se realiza con acumuladores electroquímicos del tipo

de la celda plomo-ácido, ó níquel-cadmio o hidruros metálicos. Sin embargo, hay

sistemas de almacenamiento y manejo de energía más sofisticados como lo es la

producción de hidrógeno a partir de agua mediante electrólisis y su posterior

conversión a energía eléctrica mediante celdas de combustible. Ya que la

producción y almacenamiento de energía es en corriente continua, también se


23

necesita de un inversor para transformar la corriente continua a corriente alterna a

60 Hz, para ser compatible con los dispositivos de uso final, que son conectados a

la red eléctrica.

Las principales ventajas de los sistemas fotovoltaicos son:

No contienen partes móviles que requieran mantenimiento.

No emiten ruidos ni contaminantes.

Los paneles fotovoltaicos, en condiciones normales de operación, no sufren

desgaste de ningún tipo, prácticamente, su tiempo de vida es infinito, aunque

se garantizan generalmente por 20 años.

La fuente de energía, el sol, es gratuita y favorecida en la mayor parte de este

país.

Su configuración es modular y fácilmente adaptable a cualquier tipo de

necesidad (Chávez, 1996).

Chávez, 2005. Baterías (SICK, 1996) Inversores. (20)

Las principales desventajas son:

Aun no son económicamente competitivos, desde un punto de vista

estrictamente comercial, comparados con las fuentes de generación de energía

convencionales como carbón, gas natural, combustóleo, etc.

La fuente de energía es intermitente y está sujeta a los caprichos del

impredecible medio ambiente.

Sin embargo, actualmente los sistemas fotovoltaicos representan la tecnología

más confiable, ecológica y sustentable para aplicaciones de baja potencia que

se encuentran situadas a tres o más kilómetros de la red eléctrica. Actualmente

la mayor parte de los sistemas fotovoltaicos son aplicados en:

Pequeñas plantas de tratamiento de aguas residuales.

Bombeo de agua en lugares remotos.


24

Pequeños sistemas autónomos o interconectados a la red.

Sistemas de iluminación.

Sistemas de enfriamiento de leche o vacunas.

Sistemas de comunicación.

Sistemas de señalización, entre otros.

Recientemente, la energía fotovoltaica también se está utilizando para la

generación limpia de hidrógeno mediante la electrolisis del agua. Esta tecnología

se puede considerar como renovable y sustentable debido la utilización de

hidrógeno para generar el electricidad, agua y calor en la celda de combustible.

La Tecnología de elaboración de celdas solares está basada en materiales

semiconductores mono cristalinos, poli cristalinos y amorfos, los cuales,

dependiendo del tipo de semiconductor, se pueden elaborar en película delgada

(del orden de 1 micrómetro de espesor) o gruesas (del orden de cientos de micra

de espesor). Las celdas solares se identifican por parámetros eléctricos como lo

son: el voltaje a circuito abierto (Vca), la corriente de corto circuito (Icc), que son los

valores máximos en voltaje y corriente que genera la celda bajo condiciones de

iluminación; el voltaje Vm y la corriente Im para la máxima generación de potencia

eléctrica Pm (Pm=Vm Im); y la eficiencia de conversión, definida como la razón entre

la máxima potencia generada a la potencia de la radiación solar incidente; todos

ellos medidos bajo condiciones estándares de prueba (STC: potencia de la

radiación solar de 1.0 kW/m2 ó 1 sol; temperatura de celda de 25ºC y masa de aire

AM1.5).

Existen otra clase de celdas solares basadas en monocristales de compuestos

semiconductores tales como arseniuro de galio (GaAs) o fosfuro de indio (InP),

materiales cuya elaboración es muy cara pero que satisfacen los requerimientos

de alta eficiencia y bajo peso (GaAs presenta el récord de más alta eficiencia

31.3%), características que las hacen ideales para las aplicaciones espaciales.

Para este tipo de aplicaciones, donde se busca bajo peso y alta eficiencia, la


25

relación costo/beneficio es pequeña. También se ha impulsado líneas de

investigación y desarrollo tecnológico en celdas fotoquímicas basadas en tintes

sensitivos, como las desarrolladas por Sharp, entre otros laboratorios, para las

cuales se ha logrado una eficiencia del 10.4% en área pequeña (1.0 cm2) y hasta

6.3% para un submódulo de 26.5 cm2 de área. El programa Japonés ha

considerado como meta para el 2030 llegar al 15% de eficiencia en áreas de 1

cm2, y en producto comercial al 8% para áreas de 900 cm2. Con respecto a

materiales orgánicos como lo son los polímeros semiconductores, se han realizado

notables esfuerzos de investigación que han permitido elaborar celdas solares con

eficiencias alrededor de 3%.

Tabla 1. Estado actual de la tecnología de fotovoltaica


26

La Tabla. Muestra que el record de eficiencia en celdas experimentales de silicio

es de 24.7%, valor que no ha cambiado desde que en la Universidad de Nueva

Gales del Sur, en Australia, obtuvo ese record en el año 1999 con su diseño de

contactos enterrados.

Un intento prometedor para mejorar la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos

sería apilar las celdas individuales de heterounión en la parte superior de uno al

otro para formar una estructura de múltiples capas. Usando el mismo material para

las distintas celdas, el dispositivo se denomina "apilados de celdas”, en contraste

con lo que se llama "celda solar en tándem". En este caso, las celdas se procesan

con diferentes materiales y por lo tanto tienen diferentes espectros de absorción.

Por otra parte, el valor más grande de eficiencia, 31.3%, lo tienen las celdas

solares tipo tándem basadas en arseniuro de galio, las que desde el año 2003 no

se ha podido incrementar.

En el año 2002, y Forrest Yakimov describe una eficiencia mejorada drásticamente

de las celdas se evapora apilados en serie mediante el uso de cobre-ftalocianina

(CuPC) y perylenetetracarboxylicbis-bencimidazol (PTCBI) conectados por una

capa de 0,5 nm plata recombinación centro. La eficacia fue del 2,5%. En 2004,

Rand, Uchida, Xue y Forrest llegó a la conversión de potencia máxima la eficiencia

por encima del 5% con celdas asimétricas multicapa de copperphthalocyanine y

C60 - un hito en la estructura orgánica photovoltaics. De la celda se describe en la

Figura 2.5.

Figura 2.5. Estructura de la serie de celdas conectadas apilados, basados en moléculas

pequeñas.


27

Debido a que cada tipo de material aprovecha sólo una parte del espectro

electromagnético de la radiación solar, mediante la combinación de dos o tres

tipos de materiales es posible aprovechar una mayor parte del mismo. Con este

tipo de paneles se ha llegado a lograr rendimientos del 35%. Teóricamente con

uniones de 3 materiales podría llegarse hasta rendimientos del 50%.

Figura 2.2.- El rendimiento total será en teoría la suma de los rendimientos de ambos tipos células

por separado.

Figura 2.6. Unión de materiales

Una celda tándem en cascada la cual posee tres celdas solares, la de mayor

ancho de banda prohibida, InGaP, se encuentra en la parte superior, donde

absorbe los fotones de mayor energía. A continuación aparece la celda en base a

InGaAs con menor ancho de banda prohibida. Finalmente viene la celda de Ge

que posee el menor valor de banda prohibida, de manera que prácticamente

absorbe toda la radiación solar. También aparecen diodos túneles, que son uniones

p-n con alta concentración de impurezas, los cuales garantizan que la corriente

que circula a través de toda la celda tándem es la misma para cada una de las

celdas particulares, que es un requisito indispensable para el funcionamiento de

este tipo de celdas. La capa colchón realiza la misma función que en las celdas

de p-AlxG1-xAs/p-GaAs/n-GaAs.


28

Figura 2.7. Celda tándem InGaP/InGaAs/Ge

Logros recientes (2006) muy significativos son los alcanzados en las celdas de

silicio fabricadas con monocristales producidos por la técnica de zona flotante, que

es más económica que la de Czochralski, en donde en áreas grandes de 147 cm2

se ha logrado obtener eficiencias del 21.8%.

Tabla 2. Celdas solares sin

concentración.


29

Tabla 3. Celdas solares con concentración

Otros avances significativos son los realizados en celdas fotoquímicas con colorantes

en donde se reportan eficiencias del 11.1% y en celdas de polímeros orgánicos

con un 4.8%. Estas dos últimas están todavía muy lejos de tener un desarrollo

comercial debido a los problemas de transporte eléctrico inherentes a las mismas

[21].

2.2.2 La carga eléctrica

Un sistema fotovoltaico consiste en la integración de varios componentes, cada uno

de ellos cumpliendo con una o más funciones específicas, a fin de que este pueda

suplir la demanda de energía eléctrica impuesta por el tipo de carga, usando como

combustible la energía solar. La definición anterior deja claramente establecido que la

carga eléctrica determina el tipo de componentes que debe utilizarse en el sistema. La

completa definición de la carga debe tener en cuenta tres características que la

definen: el tipo, el valor energético y el régimen de uso.

2.2.3 Tipos de carga

Existen tres tipos de cargas: C.C, C.A, Y mixta (c.c. c.a.). Cuando la carga tiene

aparatos de C.A, se necesitaran incorporar al sistema un inversor. Este componente


30

transforma el voltaje de CC proporcionado por los paneles en un voltaje de CA. Las

pérdidas de energía en estos sistemas es mayor que las de los de CC.

2.2.4 Valor energético

El valor energético representa el total de energías que consumirá la carga dentro de

un periodo determinado, generalmente un día. Para sistemas pequeños este valor

estará dado en Wh/día .Para sistemas de mayor consumo en KWh/día.

2.2.5 La célula fotovoltaica

El fenómeno fotovoltaico usa el concepto de material semiconductor y juntura N-P.

Comenzaremos estableciendo que un material conductor, como el cobre o el aluminio,

permite el fácil paso de una corriente eléctrica porque tiene un gran número de cargas

libres dentro del mismo. Un material es un no conductor (aislador), como el vidrio o el

plástico, porque no tiene cargas libres dentro del él. El silicio es el material más usado

en la fabricación células solares. En su forma cristalina pura, es un semiconductor,

con muy pocas cargas libres dentro de él. Su resistividad es muy alta. Usando un

proceso llamado de difusión se pueden introducir pequeñas cantidades de otros

elementos químicos, los que permiten decrecer el valor inicial de la resistividad,

creando, al mismo tiempo, zonas de diferentes tipos de cargas. La célula fotovoltaica

utiliza dos tipos de materiales semiconductores, el tipo N y el tipo P.

Cuando la sustancia difusa cede fácilmente electrones, se crea una zona dentro del

semiconductor que tiene un exceso de cargas negativas (electrones). Esto es lo que

se conoce como semiconductor de tipo N (negativo).

Cuando la sustancia difusa atrapa electrones libres, los átomos que se pierden

quedan cargados positivamente. En esta zona predominan las cargas positivas

(holees, en inglés) obteniéndose un semiconductor de tipo P (positivo).

El proceso de difusión es continuo, permitiendo la formación, en el mismo material, de


31

dos zonas semiconductoras adyacentes, una de tipo N, la otra de tipo P. El espacio

que separa ambas zonas es la juntura de transición.

La teoría muestra que las cargas mayoritarias en una zona se desplazan hacia la de

baja densidad en la zona opuesta. El desplazamiento de las cargas positivas y

negativas deja a la zona de la juntura totalmente libre de cargas. Las zonas

adyacentes a la misma tienen concentraciones de cargas minoritarias (cargas

negativas en el lado P y cargas positivas en el lado N). La acumulación de estas

cargas a ambos lados de la juntura crea una diferencia de voltaje que impide la

continuación del desplazamiento inicial.

La corriente de desplazamiento se anula. Se dice entonces que la juntura N-P ha

alcanzado el estado de equilibrio.

Figura 2.8. Juntura N-P en equilibrio

2.2.6 El panel fotovoltaico

El máximo voltaje de salida de las celdas es de alrededor de 0.5v. La superficie activa

de las celdas está diseñada para sostener una corriente de alrededor de 3,5 A. Como

el mínimo voltaje usado en los sistemas fotovoltaicos es de 12v nominal, para alcanzar

este valor se deben conectar varias celdas en serie. La estructura. La estructura

mecánica que contiene estas celdas se denomina panel fotovoltaico.


32

Figura 2.9. Panel fotovoltaico

El número de celdas en un panel, y por lo tanto su voltaje de salida, depende de la

estructura cristalina del semiconductor usado. El fabricante, teniendo en cuenta este

factor, así como el comportamiento anticipado para el caso más desfavorable, decide

qué número mínimo que garantiza la carga efectiva del banco de baterías. Pueden ser

de 36 o 44 celdas en serie. (21)

Terminales Parte posterior)

Marco de Aluminio

9x4=36 celdas Componen el Modulo

Celda solar

Figura 2.10. Formación de módulos fotovoltaicos


33

Figura 2.11. Curva característica de panel o curva intensidad-voltaje

2.2.7 La batería plomo-acido

La batería comercial, para poder ofrecer un voltaje de salida práctico, posee varias de

estas celdas conectadas en serie, las que están físicamente separadas por particiones

dentro de la caja que las contienen. Cada celda está compuesta por varias placas

positivas y negativas, las que tienen separadores intermedios. Todas las placas de

igual polaridad, dentro de una celda, están conectadas en paralelo. El uso de varias

placas de igual polaridad permite aumentar la superficie activa de una celda.

El voltaje proporcionado por una batería de acumulación de CC. Para cargarlas se

necesita un generador de CC, el que deberá ser conectado con la polaridad correcta.

Para poder forzar una corriente de carga el voltaje deberá ser algo superior al de la

batería.

La corriente de carga provoca reacciones químicas en los electrodos, las que

continúan mientras el generador sea capaz de mantener esa corriente, o el electrolito

sea capaz de mantener esas reacciones, el proceso es reversible. Si desconectamos

el generador y conectamos una corriente eléctrica a la batería, circulara una corriente a

través de esta, en dirección opuesta a la carga, provocando reacciones químicas en

los electrodos que vuelven el sistema a su condición inicial.


34

El tipo de acumulador más usado en el presente, dado su bajo costo, es la batería de

plomo y ácido sulfúrico con electrolito líquido. En ella los dos electrodos están hechos

de plomo y el electrolito es una solución de agua destilada y ácido sulfúrico.

Figura 2.12. Batería plomo-ácido

Tres características definen una batería de acumulación, la cantidad de energía que

puede almacenar, la máxima corriente que puede entregar, y la profundidad de

descarga que puede sostener. La cantidad de energía que puede ser acumulada por

una batería está dada por el número de watt,hora (wh) de la misma .La capacidad (c)

de una batería de sostener un régimen de descarga está dada por el número de

amperes, hora (Ah).

Parar una dada batería, el número de Wh puede calcularse multiplicando el valor del

voltaje nominal por el número de Ah:

Wh = voltaje nominal x Ah

Figura 2.13. Variación de voltaje en una batería Pb-Ácido


35

2.2.8 La batería solar

El modelo de batería usado en los automotores está diseñado para sostener corrientes

elevadas (200 a 300 A) por muy breves instantes (segundos) durante el arranque del

motor. El resto del tiempo la batería está siendo cargada o permanece inactiva. La

batería de un sistema solar, por el contrario, debe ser capaz de sostener corrientes

moderadas (una decena de amperes), durante horas. Además, en muchas

aplicaciones, deberá permanecer activa sin recibir carga alguna (noche). Normalmente

los periodos de reposo son nulos, ya que está siendo cargada o descargada.

Los electrodos de una batería solar tienen una aleación de antimonio, la que permite

adherir una mayor cantidad de material activo.

Dos características identifican a una batería solar, la mayor profundidad de descarga

(pd) y un alto valor para el ciclaje. La batería de automotor está diseñada para soportar

un leve PD. En invierno la corriente de arranque alcanza 350 A y dura segundos.

Durante el arranque la batería habrá entregado 0,29 Ah, representa solo el 0,36%.

Como la capacidad de estas baterías es 80Ah, los 0,29Ah representan una PD DE

SOLO0, 36%. Tomaría tres arranques consecutivos para que la PD llegara al 1%. La

batería solar permite una PD máxima del 80%, muchas veces a niveles de corriente

moderados. Es por ello que a estas baterías se les denomina de ciclo profundo (BCP).

(22)

Figura 2.14. Batería solar de ciclo profundo


36

2.2.9 El control de carga

La selección de un controlador de carga está determinada por los parámetros

eléctricos del sistema (voltaje y amperaje de trabajo), Los detalles de diseño. Los

numerosos modelos ofrecidos en el mercado pueden ser agrupados en dos categorías,

controladores en serie y controladores en paralelo. Esta clasificación está relacionada

con el paso que toma la corriente de carga, respecto al banco de baterías, cuando el

control empieza a restringir la gasificación. En un control en paralelo, cuando el voltaje

de batería alcanza un valor predeterminado (batería cargada), la corriente de los

paneles es desviada a un circuito que está en paralelo con el banco de baterías.

Cuando el voltaje de batería baja por debajo de un valor mínimo, predeterminado por

el fabricante, el proceso de carga se restablece nuevamente.

Tanto en el control paralelo, como en el de serie, el máximo valor de corriente de carga

está determinado por la diferencia entre el voltaje de salida de los paneles y el de la

batería. En el control en paralelo la corriente de carga existe o se anula totalmente. En

el control en serie, dependiendo del diseño, se tiene un proceso similar o de valor

variable.

Fig. 2.15. Controlador de carga

2.2.10 El inversor de carga

Un inversor, llamado también ondulador, es un circuito utilizado para convertir corriente

continua en corriente alterna. La función de un inversor es cambiar un voltaje de


37

entrada de corriente directa a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la

magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores son

utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de

alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta

potencia. Estos también son utilizados para convertir la corriente continua generada

por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc., en corriente

alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en

instalaciones eléctricas aisladas.

Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual es

utilizado para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada.

Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola

parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario.

Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal deberían ser

sinusoidales. Los inversores más modernos han empezado a usar formas más

avanzadas de transistores a dispositivos similares, como los tiristores, los triacs o los

IGBT´s. (23)

Figura 2.16. Inversor

2.2.11 Los cables de conexión

El cable de conexión representa el componente indispensable para el transporte de la

energía eléctrica, entre los diferentes bloques que integran un sistema FV. Es

inevitable que parte de esta energía se pierde en forma de calor, ya que la resistencia


38

eléctrica de un conductor nunca es nula. El material más indicado para la fabricación

de un cable conductor representa un compromiso entre un bajo valor de resistividad y

el costo del mismo. El cobre representa hoy día la mejor solución.

La resistencia eléctrica de un material conductor está dada por:

R = (p* L) / A

Donde p (rho) representa el valor de resistividad lineal en (ohm), L es el largo del

conductor (m), y A es el área de la sección del mismo (m2). El valor de p depende de

dos variables: el material conductor y la temperatura de trabajo que este alcanza, la

expresión anterior indica que para dado material conductor y temperatura (p

constante), si el valor del área A permanece constante, el valor de la resistencia

aumenta con su longitud. De igual manera puede deducirse que si p y L permanecen

fijos, la resistencia del conductor se reduce si el área de su sección aumenta. La

mayoría de los cables utilizados en instalaciones eléctricas tienen una sección circular.

Cuando el área del conductor, aumenta también lo hace su diámetro. Por lo tanto, para

una dada longitud un aumento en el diámetro significa una menos caída de voltaje en

el cable (menores perdidas de energía), pero un mayor costo (mas volumen por unidad

de longitud).

La dependencia entre el diámetro y el área del conductor permite establecer un

método de clasificación para los cables. A determinados diámetros se les asigna un

número en una escala, al que se le conoce como calibre del conductor. Conocida

como AWG (American Wire Guauge), calibre americano para conductores, y es

utilizado dentro y fuera de Estados Unidos.

El rango de calibres comienza con el calibre 4/0 (4 ceros), al que corresponde el mayor

diámetro, el número de ceros disminuye hasta alcanzar el valor 1/0. A partir de este

valor el calibre del cable está asociado a un valor numérico creciente (2, 4,6, etc.). Es

importante recordar que para estos calibres el diámetro del conductor se reduce

cuando el valor numérico asignado aumenta, para estas aplicaciones el máximo valor

numérico que se utiliza es el 16, ya que la resistencia eléctrica por unidad de longitud


39

resulta excesiva para calibres superiores a este valor. Los calibres 4/0 y 3/0, son

raramente usados, pues son difíciles de instalar, pues tiene un elevado peso por

unidad de longitud y un costo muy elevado.

Calibre AWG

Nº

Resistencia

Omhs/100m

Amperaje máximo (A)

Tipo de cable

Dimensiones

UF USE,TWH

TW,THWN

NM Diam

Mm

Área

cm 2

4/0 0.01669 211 248 13,412 1,4129

3/0 0,02106 178 216 11,921 1,1161

2/0 0,02660 157 189 10,608 0,8839

1/0 0,03346 135 162 9,642 0,7032

2 0,05314 103 124 7,419 0,4322

4 0,08497 76 92 5,874 0,2710

6 0,1345 59 70 4,710 0,1742

8 0,2101 43 54 3,268 0,0839

10 0,3339 32 32 30 2,580 0,0523

12 0,5314 22 22 20 2,047 0,0329

14 0,8432 16 16 15 1,621 0,0206

Tabla 4. Cables de cobre a 25ºC

2.2.12 Componentes auxiliares

El fácil acceso, control y conversión de la energía generada por un sistema

fotovoltaico, crea la necesidad de incorporar al sistema tomacorrientes, interruptores,

lámparas de iluminación y aparatos domésticos de bajo voltaje. Estos componentes


40

forman parte de una numerosa lista de componentes auxiliares. Por otra parte el

perfecto monitoreo del sistema.

El soporte fijo es el de menor costo, pero no permite variar el ángulo de inclinación de

los paneles con respecto a la horizontal. Esta restricción no siempre constituye un

problema, ya que el régimen de carga puede, en muchas circunstancias, ser satisfecho

con la selección de un ángulo de inclinación fijo.

El diseño de estos soportes permite el ajuste manual del ángulo de inclinación.

Algunos modelos han sido diseñados para ser anclados directamente al suelo o al

techo de una casa, mientras que otros tienen sostenes que permiten su montaje a un

poste,. Existen numerosas variantes mecánicas para cualquiera de estos modelos, las

que permiten montar varios paneles en un mismo sostén. Los soportes con anclaje a

una superficie pueden acomodar hasta 14 paneles, satisfaciendo para una amplia

gama las necesidades de consumo de sistemas. Cuando el montaje se hace usando

un poste de sostén, el máximo se reduce a 4 paneles aproximadamente, ya que este

tipo de sostén tiene un mayor uso en aplicaciones de menor consumo.

Un soporte móvil, cuya posición varía durante el día. Sobre este soporte se sujetan los

paneles fotovoltaicos. Dependiendo del grado de libertad del movimiento se conocen

dos tipos: el seguidor de un eje y el de dos ejes.

El seguidor de un eje solo se mueve de este a oeste, (movimiento azimutal). El de dos

ejes combina el movimiento azimutal con el de norte a sur (elevación) Ambos pueden

acomodar numerosos paneles.

El uso de un seguidor automático de un eje aumenta considerablemente la duración

del día solar promedio respecto a una inclinación fija, este oscila entre el 10 y el 50% y

con un sistema automático se adiciona otro 3 al 5%.


41

2.3 Celda de combustible PEM

2.3.1 Dispositivos Electroquímicos

En general una pila o batería convencional es un dispositivo que almacena energía

eléctrica en forma de compuestos químicos y transforma estos a corriente eléctrica

directa mediante una reconversión operada por reacciones electroquímicas [24], un

diagrama ilustrativo se muestra en la Figura 2.17.

Figura 2.17. Partes constitutivas de una batería común.

La pila anteriormente descrita puede funcionar acorde a los materiales químicos –que

actúan como electrodos- como son: Oxido de Manganeso (MnO2), Hidróxido de Níquel

(Ni(OH)2) Oxido de plata ( Ag2O), Oxido de Mercurio (HgO), Cadmio Metálico (Cd), etc.

Pero en cuanto estos materiales se consumen la batería No Genera más corriente

eléctrica y es desechada, generando así residuos tóxicos que ya se describieron

anteriormente.


42

2.3.2 Celda de combustible

Una celda de combustible, también llamada célula o pila de combustible es un

dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, es decir, en

ambos dispositivos las reacciones químicas producen electricidad. Las pilas de

combustible, a diferencia de las baterías, están diseñadas para permitir el

reabastecimiento continuo de reactivos, esto significa que, producen electricidad

mientras esta sea alimentada por los reactivos. Los reactivos más usados son el

hidrógeno (H2) como agente reductor, aunque dependiendo del tipo de pila se pueden

utilizar metano, metanol, etc, y el oxígeno (O2) como agente oxidante, por lo general

proveniente del aire. Los productos son electricidad, calor y agua.

Es posible usar el Hidrógeno que provienen de la reacción de electrolisis de una

salmuera de Cloruro de Sodio (NaCl) para alimentar una pila de combustible. Las

reacciones electroquímicas de las pilas de tipo de membrana protónica (PEM, Proton

Exchange Membrane) son las siguientes [25]:

Ánodo: 2H2 4H+ + 4e-

Cátodo: O2 + 4H+ + 4e- 2H2O

De los componentes mencionados anteriormente, actualmente solo existen

proveedores nacionales de insumos para las placas de flujo. Además la industria

metal-mecánica en México está muy desarrollada, lo que permite el diseño y la

fabricación de placas de flujo para pilas de combustible con relativa facilidad.

La celda de combustible (Figura 2.18), es un dispositivo electroquímico que convierte

directamente la energía química de un combustible en electricidad mediante

reacciones de oxidación y reducción, generando como productos secundarios agua y

calor. Este dispositivo se compone esencialmente de dos electrodos (ánodo y cátodo)

con un electrolito interpuesto (un polímero especial ó cualquier material que deje paso

a los iones y bloquee a los electrones generados). Un combustible rico en hidrógeno

fluye hacia el ánodo (1), donde este hidrógeno libera electrones y deja iones de carga

http://es.wikipedia.org/wiki/Electroqu%C3%83%C2%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%83%C2%ADa_el%C3%83%C2%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad


43

positiva –protones- (2). Los electrones circulan por el circuito externo (3), mientras que

los protones se difunden a través del electrolito (4). En el cátodo se combinan los

electrones, los protones y el oxígeno para formar agua como subproducto (5). Las

reacciones de reducción y oxidación en la celda suele acelerarse con un catalizador,

de los que el prototipo es el platino [26].

Las celdas de combustible y las baterías se asemejan por depender ambas de la

electroquímica, pero, a diferencia de estas baterías o pilas convencionales, la celda de

combustible no almacena energía eléctrica, sino que la Genera, mediante un proceso

electroquímico a partir de hidrógeno o combustibles ricos en este elemento y oxígeno

proveniente del aire, es decir mientras se esté suministrando externamente

combustible a la celda esta funcionara, mientras que en las baterías o pilas reaccionan

los materiales almacenados en los electrodos.

Figura 2.18. Diagrama de una celda de combustible

En principio, las celdas de combustible son tan cómodas de utilizar como las pilas o

baterías convencionales, realizando una conversión silenciosa y limpia de la energía

química de un combustible en energía eléctrica. Pero su verdadera ventaja reside en la

asombrosa capacidad que tienen de liberar energía eléctrica del átomo de hidrógeno.

Una pila que funcione con metanol puede suministrar hasta veinte veces más energía


44

que las baterías de níquel-cadmio tradicionales y de volumen comparable, pero a

menor precio y con mucho menos peso. Otra ventaja es que las celdas de combustible

no requieren una recarga prolongada, sino que se restauran con rapidez sin más que

añadir combustible.

2.3.4 Clasificación de las celdas de combustible

Las celdas de combustible pueden ser clasificadas en función del electrolito empleado

[27], ya que dependiendo de este material es la temperatura de operación, el

catalizador, así como la aplicación de la celda. A continuación se muestra la

clasificación de estos dispositivos en función del electrolito usado.

1.-Celdas de Combustible Alcalinas (AFC por sus siglas en ingle Alkaline fuel cell)

Usan KOH concentrado (85 % peso) como electrolito para una temperatura de

operación alta (250 oc), y menos concentrado ( 30 – 50% peso) para una temperatura

de operación más baja (Menor 120 oc) el electrolito se almacena en una matriz

(asbesto) y pueden ser utilizados una gran variedad de electrocatalizadores (p.ej, Ni,

Ag, óxidos metálicos y metales nobles).Esta celda de combustible no es tolerante a la

presencia de co2, ya sea en el combustible o en el oxidante. Las celdas de combustible

alcalinas han sido utilizadas en programas espaciales desde la década de 1960’s

2.-Celdas de Combustible de Membrana Electrolítica Polimérica o de Membrana

intercambiadora de protones (PEMFC, protón electrolyte Membrane fuel cell o Protón

Exchange Membrane fuel cell). Utilizan una membrana polimérica conductora de

protones delgada (menor igual que 50 um) como electrolito. El catalizador (por lo

general pt) es soportado sobre carbono con cargas alrededor de 0.3 mg/cm2, o bien, si

el hidrogeno suministrado contiene trazas de CO, se utilizan aleaciones de PT-RU La

temperatura de operación se encuentra entre los 60 y 80 oc. Las celdas de combustible

tipo PEM tienen aplicaciones automotrices, de generación de potencia estacionaria en

pequeña escala, así como aplicaciones en dispositivos portátiles.


45

3.-Celdas de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC Phosphonic Acid Fuel Cell).

Utilizan ácido fosfórico concentrado (-100%) como electrolito. La Matriz Utilizada para

retener el ácido es normalmente SIC y el electrocatalizador tanto en el ánodo como el

cátodo es Pt. La temperatura de operación está entre 150 y 220o C. Las celdas de

combustible de ácido fosfórico se encuentran ya disponibles comercialmente para la

generación de electricidad estacionaria (200kW) y se han instalado cientos de

unidades en todo el mundo.

4.-Celdas de Combustible de Carbono Fundido (MCFC, Molten carbonate fuel cell).

El electrolito se encuentra compuesto por una combinación de carbonatos alcalinos

(Li,Na,K), la cual es retenida en una matriz cerámica de LiAlO2. La temperatura de

operación es de aproximadamente 600-700o C los carbonatos forman una sal fundida

altamente conductiva a estas temperaturas, con iones co3 2- proporcionando la

conducción iónica.

A estas altas temperaturas de operación no se requieren catalizadores a base de

metales nobles. Estas celdas de combustible se encuentran en un estado pre

comercial y de demostración para la generación de potencia estacionaria.

5.- Celdas de Combustible de Oxido Solido (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell). Utilizan

como electrolito un oxido metálico solido no poroso, normalmente Y2 O3 estabilizado

con ZrO2. Estas celdas de combustible operan entre 800 y 1000oc, temperaturas a las

cuales ocurre una conducción iónica debida a los iones oxígeno. De igual manera que

en las MCFCs, estas celdas de combustible se encuentran en un estado pre comercial

y de demostración para la generación de potencia estacionaria aunque están siendo

desarrolladas pequeñas unidades para la generación de potencia portátil y auxiliar en

automóviles.

6.-Algunas veces , la celda de combustible de metanol directo (DMFC) es clasificada

como otro tipo de celda de combustible , sin embargo , de acuerdo con la clasificación

anterior (basada en el tipo de electrolito), es esencialmente una PEMFC que utilizan

metanol como combustible , en lugar de hidrogeno.


46

Tabla 5. Características operacionales y estado tecnológico de diferentes celdas de

combustible.

Celda de combustible

Temperatura de

operación oC

Densidad de

potencia presentada Proyectada (Mw/cm2)

Nivel de potencia

proyectado (KW)

Eficiencia del

combustible (de energía química a eléctrica)

Tiempo de vida

proyectado (Horas)

Mayor que

Costo del capital

proyectado (u.s.$/kw)

Áreas de aplicación

AFC 60-90 (100-200)

Mayor 300

10-100 40-60 10000 Mayor

200

Espacial y

móviles

PAFC 160-220 (200)

250

100-5000 55 40000 3000 Potencia

dispersada

y distribuida

PEMFC 50-80 (350)

Mayor 600

0.01-1000

45-60 40000 Mayor

200

Portátil

móvil

espacial

estacionaria

MCFC 600-700 (100)

Mayor 200

1000-

100000

60-65 40000 1000 Generación

de potencia

distribuida

SOFC 800-1000 (240)

300

100-100000 55-65 40000 1500 Generación

de potencia

de carga

baja

DMFC 90 (230)

?

0.001-100 34 10000 Mayor

200

Portátil y

móvil


47

2.3.5 El hidrógeno como combustible de las celdas

El hidrógeno, descubierto en 1766 por Henry Cavendish, es el elemento que más

abunda en el universo, si bien no en su forma elemental, este se encuentra en

compuestos como el agua (H2O) e incluso en combustibles fósiles como el gas natural

(CH4). Se estima que constituye el 75% de la masa del universo y forma el 90% de sus

moléculas. El hidrógeno es aproximadamente catorce veces más ligero que el aire,

arde con llama azulada casi invisible formando agua, pero si se mezcla de forma

directa con oxígeno resulta ser sumamente explosivo.

Dentro de los combustibles, el hidrógeno tiene un contenido energético de 120 kJ/g, el

más alto si lo comparamos con los 45 kJ/g de la gasolina y los 50.19 kJ/g del gas

natural Conviene mencionar que el hidrógeno no es una fuente de energía, si no un

"vector energético" y como tal permite ser almacenado, trasportado y transformado en

energía eléctrica a través de las celdas de combustible. Es importante resaltar que el

hidrógeno posee propiedades y cualidades únicas [28], como por ejemplo:

Puede ser producido a partir de energía eléctrica y ser transformado

nuevamente en ella con una eficiencia relativamente alta.

Es un combustible completamente renovable, ya que en su combustión o en su

conversión electroquímica produce únicamente agua pura o vapor de agua y

calor como subproductos Puede almacenarse en forma gaseosa, líquida e

incluso en forma sólida (adsorbido sobre metales e hidruros)

Puede ser transportado a grandes distancia por medio de gasoductos o buques

cisterna que en ocasiones resulta ser más económico y eficiente que trasportar

electricidad.

2.3.6 Formas de producción

El hidrógeno puede producirse a partir de una gran variedad de recursos naturales

utilizando prácticamente cualquier fuente de energía. Estas incluyen desde recursos


48

fósiles, como el gas natural (CH4) y el carbón, hasta la biomasa o la electrolisis del

agua, siendo esta última con un aporte adicional de las energías renovables como la

solar o la eólica. En la actualidad, aproximadamente 48% de la producción de

hidrógeno en todo el mundo se lleva a cabo por el reformado con vapor de gas natural,

30% en el procesamiento de productos derivados del petróleo crudo, tales como la

nafta, el 18% por el carbón y el 3% como un subproducto del proceso de cloro álcali, la

electrólisis del agua con diversas fuentes de electricidad y la gasificación de biomasa

[29] Cada una de estas tecnologías se encuentran en etapas diferentes de desarrollo,

y cada una ofrece oportunidades únicas, beneficios y desafíos. La disponibilidad local

de las materias primas, la madurez de la tecnología, las aplicaciones del mercado, la

demanda, las cuestiones políticas y los costos son factores que influyen en su

elección.

Figura 2.19. Procesos de producción de hidrogeno a nivel mundial

La primera tecnología comercial, que data de finales de 1920 para la producción de

hidrógeno puro, fue la electrólisis. En la década de 1960, la producción industrial de

hidrógeno se desplazó lentamente hacia una materia prima de origen fósil, siendo hoy

en día la más utilizada. La obtención de éste gas a gran escala sólo es factible a largo

plazo. Pensando a corto y mediano plazo las tecnologías para la producción de


49

hidrógeno que se encuentran en operación son a partir de combustibles fósiles, éstas

incluyen la reformación de los vapores del gas natural, la oxidación parcial de

hidrocarburos y la gasificación del carbón. Sin embargo, estas tecnologías no

contribuyen a reducir la dependencia a los hidrocarburos, ni tampoco a disminuir las

emisiones de CO2.La reformación de los vapores del gas natural se lleva a cabo en un

tubo metálico sobre un catalizador de níquel a temperaturas que van desde 800 hasta

1,000o C y presiones de entre 3 a 25 bares. El gas obtenido contiene aproximadamente

12% de monóxido de carbono (CO), que puede se transforma en CO2 e H2 a través del

desplazamiento agua-gas, de acuerdo con las siguientes reacciones:

CH4 + H2O → CO + 3H2

CO + H2O → CO2 + H2

La descomposición térmica y catalítica de los hidrocarburos son los únicos procesos

mediante los cuales se puede obtener hidrógeno sin producir CO2. Estos métodos se

han utilizado para producir carbono, pero para la generación de hidrógeno rentable aún

se encuentra en fase de desarrollo bastante temprana, apenas mostrando la viabilidad

técnica en los laboratorios.

La electrólisis del agua (H2O → ½O2 + H2) es una tecnología madura y fue

desarrollada para producir cantidades de hidrógeno que van desde pocos cm3/min

hasta miles de m3/h. Aunque esta tecnología ya se encuentra en funcionamiento, el

precio del hidrógeno sigue siendo muy superior al producido a partir de los

combustibles fósiles, por lo que se investigan materiales de electrodo que puedan

aminorar dichos Costos. La energía eléctrica producida por los paneles fotovoltaicos

(PV´s) para llevar a cabo la electrolisis del agua tiene precios elevados y el hidrógeno

producido es incluso más caro. No obstante, estas tecnologías son suficientemente

maduras para permitir eventualmente ser usadas a gran escala tanto para producir

electricidad como hidrógeno.


50

2.3.7 Electrocatalizador

Un electrocatalizador, es una extensión de la palabra catalizador, pues de igual forma

que el segundo es aquel aditivo (elemento o compuesto) que permanece inalterado en

el proceso, pero acelera la velocidad de reacción o la inhibe, proporcionando un

mecanismo alternativo que requiera una menor energía de activación sin modificar el

estado termodinámico final. Como consecuencia de ello, parámetros macroscópicos

como el potencial aplicado al electrodo, concentración, presión y temperatura

requeridos para llevar a cabo dicha reacción se ven modificadas.

Para tal finalidad, un electrocatalizador debe contar con ciertas características de

interés tecnológico como un área superficial grande, una buena conductividad

eléctrica, poseer buenas propiedades electro catalíticas, estabilidad térmica, reducir el

burbujeo de los gases, buenas propiedades mecánicas y, por último, reducir sus

costos y aumentar su disponibilidad [30].

En las celdas de combustible de intercambio protónico que funcionan a base de

hidrógeno, la reacción de oxidación del combustible ocurre sorprendentemente muy

rápida al utilizar catalizadores bimetálicos de tipo Pt-M (M=metales nobles), es por ello

que el platino y sus aleaciones son los catalizador más eficientes para las reacciones

de evolución y oxidación del hidrógeno.

Debido a su elevada cinética de reacción, en una celda de combustible, la oxidación de

hidrógeno se encuentra controlada por la transferencia de materia.

La reacción electroquímica que se lleva a cabo es la siguiente:

2 Pt + H2 → 2 Pt – Had

Pt – Had → Pt + H+ + e-

Aunque esta reacción electroquímica es muy rápida, con una constante de reacción

aproximadamente de 10-5mol/s cm2, presenta algunos problemas cuando se utiliza

hidrógeno impuro. Los sistemas reales son alimentados con hidrógeno y pequeñas

trazas de CO, S y NH3. Para evitar la contaminación de los electrocatalizadores existen

varias alternativas como son la utilización de dispositivos de limpieza del H2, con la


51

desventaja de hacer los sistemas de celdas más costosos y complejos, añadir O2 o

H2O2 en el H2 para oxidar químicamente el

CO, o bien, utilizar catalizadores con mayor tolerancia al CO, siendo de gran

importancia hoy en día las investigaciones en la síntesis de nuevos y mejores

catalizadores.

Un electrocatalizador también consta de un soporte, el cual le provee una superficie

física para dispersar las partículas metálicas (material activo, Pt u otro) y lograr, así,

áreas superficiales altas. Muchas veces la función del soporte no solo se reduce a ser

un medio de dispersión para el catalizador, sino que puede de igual forma modificar las

características electrónicas mediante la interacción con el metal y el resultado es un

cambio en la capacidad catalítica del mismo. De manera general, el soporte catalítico

ideal debe reunir las siguientes características:

1) Elevada área superficial

2) Alta electro conductividad

3) Poseer elevada resistencia a la corrosión que se produzca bajo las condiciones a

las que opere la celda.

El carbón es por excelencia el material de soporte más utilizado en las celdas de

combustible, su alta resistencia a la corrosión y su elevada área superficial permiten

una buena dispersión del metal así como también un alto rendimiento con bajas cargas

de catalizadores y esto último contribuye a las disminución de costos de fabricación,

uno de los objetivos primordiales en la aplicación a gran escala de las celdas de

combustible.

2.3.8 Membrana de Intercambio Protónico

La membrana de intercambio protónico es el elemento más importante y distintivo de

una celda de combustible PEM (proton Exchange membrane fuel cell).

El óptimo desempeño de este tipo de celdas debe satisfacer los siguientes

requerimientos:


52

Ser química y mecánicamente estables en las condiciones de operación de celda

ya que la naturaleza acida de la membrana, aunado al ambiente oxidante presente

en el cátodo, producen condiciones muy agresivas que culminan, en la mayor de

las veces con la degradación de las membranas.

Funcionar como barrera para evitar la mezcla directa de los gases de reacción.

Tener la mínima caída óhmica en el transporte de protones.

El estado sólido del electrólito le confiere a este tipo de celdas características muy

importantes como son la operación ha bajas temperaturas altas densidades de

corriente y gran estabilidad adicionalmente su presentación en forma de membrana le

da a la celda de combustible un menor tamaño y poco peso lo que proporciona

ventajas adicionales para el transporte terrestre (motocicletas , autos , autobuses ,

etc.) en aplicaciones portátiles (celulares, computadoras portátiles , radios, etc.) junto

con sistemas fijos de respaldo de baja potencia portátiles (sistemas de

telecomunicaciones).

Una gran variedad de materiales se han empleado en la fabricación de las

membranas. Inicialmente se utilizaron membranas de ácido poliestiren-sulfonico

(PSSA) y de fenol 19 formaldehido-sulfonado, pero su vida útil estaba muy limitada ya

que se degradaban lentamente bajo las condiciones de operación de las celdas. Estos

problemas se resolvieron en gran medida con el descubrimiento del Nafion® por la

empresa dupont (USA). La NASA en 1966 fue la primera en usarlo en las celdas de

combustible.

Una membrana típica como el Nafion® (ver Figura 2.20) es la membrana comercial

más utilizada y presenta tres regiones características:


53

Figura 2.20. Composición y funcionamiento de una membrana poliperfluorosulfonada tipo

Nafion®.

I) Teflón, esqueleto fluorocarbonado, cientos de unidades –CF2-CF-CF2- repetidas a

todo lo largo.

II) Cadenas laterales, O-CF2-CF-O-CF2-CF2-, las cuales conectan el esqueleto

molecular a la tercera región.

III) Cúmulos iónicos los cuales consisten de ácido sulfónico, SO3- H+.

2.3.9 Principio de operación

Como ya se mencionó, la corriente eléctrica requerida por el electrolizador para llevar a

cabo la reacción química no espontánea, se alimenta a través de dos electrodos

(ánodo y cátodo) los cuales se encuentran sumergidos en agua y en contacto con los

electrocatalizadores depositados sobre la superficie de la membrana polimérica

(Electrolito). La electrolisis del agua es un proceso que permite descomponer la

molécula en los dos elementos que la constituyen (hidrógeno y oxígeno), ambos con

alta pureza y con una alta eficiencia.

El desempeño del electrolizador se logra mejorar al colocar difusores que distribuyen la

corriente eléctrica por toda el área catalítica y permitir, además, desalojar los gases


54

producidos por ambos electrodos para disminuir el sobre potencial, tal y como se

ilustra en la Figura 2.21.

Figura 2.21. Esquema de un electrolizador así como las partes que lo constituyen [31]

Por el lado del ánodo se lleva a cabo la oxidación del agua, dando como resultado la

liberación de oxígeno sobre la superficie del catalizador, la liberación de electrones así

como también de iones positivos (H+). Los electrones circulan a través del circuito

externo mientras que los iones H+ se difunden a través del electrolito (la PEM) hacia el

cátodo, de acuerdo con la siguiente reacción:

Reacción Anódica

1 H2O(l) → 4 e- + 4 H+ + O2 E° = 1.23 V

En el cátodo se lleva a cabo la reducción de los protones provenientes del ánodo, que

en presencia de los electrones provenientes del circuito externo forman hidrógeno

molecular en forma gaseosa que es liberado.

Reacción Catódica

2 H+ + 4 e-→2 H2 E° = 0.00 V


55

La reacción global que se lleva a cabo en el electrolizador con membrana polimérica

es la siguiente:

Reacción Global 2 H2O(l) → 2 H2 + O2 E°Celda = E°C - E°A = (0 – 1.23)V = -1.23

2.3.10 Arreglo de mono-celdas (stack)

Un arreglo o stack es un conjunto de mono-celdas conectadas entre sí, figura 2.22. El

arreglo permite alcanzar las necesidades de corriente, voltaje y potencia requeridos

para la operación de un dispositivo de baja potencia.

En los arreglos, los platos bipolares son el contacto eléctrico entre el ánodo de un MEA

y el cátodo del siguiente ensamble.

Figura 2.22. a) Estructura de una celda unitaria, b) Estructura de un arreglo o stacks de mono-

celdas de combustible con membrana polimérica.

En la Figura 2.23 se muestra de forma esquemática el principio de operación de un

arreglo o stack. Sobre el primer ánodo se produce la oxidación electroquímica del

hidrógeno molecular a protones y electrones. Los protones fluyen a través de la

membrana de conducción protónica hacia el primer cátodo. Mientras tanto los

electrones fluyen por un circuito externo a la celda de combustible hacia el último

cátodo del arreglo.

Los protones generados en el último ánodo, los electrones del primer ánodo y oxígeno

reaccionan electroquímicamente para formar agua en el último cátodo. Los electrones,


56

liberados en el último ánodo fluyen a través del plato bipolar hacia el penúltimo cátodo,

donde reaccionan con los protones del penúltimo ánodo y oxígeno para producir agua.

Este proceso se repite hasta que los electrones liberados en el segundo ánodo llegan

al primer cátodo y se cierra el ciclo. La operación de una celda de combustible es

compleja ya que en ellas se llevan a cabo al menos los siguientes procesos:

1. Flujo de los gases reactantes a través de los canales de los platos colectores y

platos bipolares.

2. Transporte de los gases reactivos a los sitios activos del electrocatalizador.

3. Reacciones electroquímicas interfaciales.

4. Transporte de protones a través de la membrana de conducción protónica.

5. Conducción de electrones a través de los platos colectores, bipolares, circuito

externo y conexiones eléctricas.

6. Evacuación del agua formada: transporte desde los sitios activos, difusores de

gases y canales en los platos(los canales de alimentación también evacuan el agua

formada).

7. Transferencia de calor liberado en las reacciones electroquímicas y medios de

enfriamiento.

Figura 2.23.Principio de operación de un arreglo o stack de celdas de combustible


57

2.2.11 Software Ansys Fluent V 12

Da soporte a la ingeniería e industria a través de simulación para predecir cómo

funcionará y reaccionará determinado producto bajo un entorno real. Está desarrollado

para funcionar bajo la teoría de elemento finito para estructuras y volúmenes finitos

para fluidos [32].

Figura 2.24. Creación de geometría, mallado, simulación y resultados

ANSYS está dividido en tres herramientas principales llamados módulos: pre-

procesador (creación de geometría y mallado), procesador y post-procesador (ver

Figura 2.24). Tanto el pre-procesador como el post-procesador están previstos de una

interfaz gráfica. Este procesador de elemento finito para la solución de problemas

mecánicos incluye: análisis de estructuras dinámicas y estáticas (ambas para

problemas lineales y no-lineales), análisis de transferencia de calor y fluid dinámica, y

también problemas de acústicas y de electromagnetismo. Usualmente el uso de estas

herramientas se utiliza simultáneamente logrando mezclar problemas de estructuras

junto a problemas de transferencia de calor como un todo. Este software es usado

también en ingeniería civil y eléctrica, física y química.

Pre-proceso

Establecimiento del modelo, se construye la geometría del problema, creando

líneas, áreas o volúmenes. Sobre este modelo se establecerá la malla de

elementos. Esta parte del pre-proceso es opcional, dado que la ubicación de los

elementos de la maya puede provenir de otras aplicaciones de diseño.

http://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Simulaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9todo_de_los_elementos_finitos

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=M%C3%A9todo_de_los_vol%C3%BAmenes_finitos&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9todo_de_los_elementos_finitos

http://es.wikipedia.org/wiki/Fluidodin%C3%A1mica

http://es.wikipedia.org/wiki/Ac%C3%BAstica

http://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo


58

Se definen los materiales a ser usados en base a sus constantes. Todo

elemento debe tener asignado un material particular.

Generación de la malla, realizando una aproximación discreta del problema en

base a puntos o nodos. Estos nodos se conectan para formar elementos finitos

que juntos forman el volumen del material. La maya puede generarse a mano o

usando las herramientas de generación automática o controlada de mallas.

Proceso

Aplicación de cargas, Se aplican condiciones de borde en los nodos y

elementos, se puede manejar valores de fuerza, tracción, desplazamiento,

momento o rotación.

Obtención de la solución, que se obtiene una vez que todos los valores del

problema son ya conocidos.

Post-proceso

Visualización de resultados, por ejemplo como dibujo de la geometría

deformada del problema.

Listado de resultados, igualmente como datos en una tabla.

59

2.4 Hipótes is

Un sistema alterno de generación de energía eléctrica hibrido puede ser capaz de

suministrar energía durante todo el año sin importar las condiciones climatológicas.

2.5 Objetivo

Desarrollar un sistemas hibrido sustentable basado en fuentes renovables de

energía, tales como la solar y de hidrógeno, mediante sistemas fotovoltaicos y

celdas de combustible tipo PEMFC, en el suministro de energía eléctrica para su

aplicación en viviendas rurales o instalaciones de baja potencia.

2.6 Objetivos específicos

Desarrollar un sistema fotovoltaico mediante un módulo fotovoltaico, controlador,

inversor, baterías, para una vivienda rural o de baja potencia.

Analizar la geometría interdigital de la celda de combustible de hidrogeno a través

de la simulación en Ansys, para evaluar la distribución del combustible y las

condiciones de operación que afecten en la eficiencia del electrocatalizador.

Diseñar y calcular la celda o stack para el suministro del 10% de energía eléctrica

con respecto al (SF).

2.7 Justificación

El mundo encara el agotamiento progresivo de sus recursos energéticos, basados

mayoritariamente en combustibles no renovables y, al mismo tiempo, el consumo

de energía aumenta a ritmos cada vez mayores. Por otro lado, el consumo global

de combustibles genera enormes cantidades de gases contaminantes que son

liberados a la atmosfera, causando cambios significativos en el clima del planeta,

60

por lo que se ha convertido en una de las problemáticas que más preocupan a los

gobiernos, las comunidades y la opinión pública en general. La utilización de un

sistema hibrido Solar-hidrogeno contribuirá a la ecología y la capa de ozono ya

que no generan emisiones atmosféricas.


61

3 MÉTODOS Y MATERIALES

3.1 Metodología del sistema fotovoltaico

Figura 3.1. Metodología de un SF


62

3.2 Materiales del sistema fotovoltaico

Panel fotovoltaico policristalino 130W/12V

Características eléctricas:

Potencia pico: 130Wp.

Voltaje en circuito abierto (Voc): 21,60V.

Voltaje en el punto de máxima potencia (Wmp): 17,2V.

Corriente de cortocircuito (Isc): 8,02A.

Corriente nominal (Impp): 7,56A.

Sistema de voltaje Máximo: 715VDC.

Rendimiento del módulo: 13,2%.

Tolerancia: +/- 5%.

Coeficiente de temperatura (Voc): -0,36%/ºC.

Coeficiente de temperatura (Isc): +0,033%/ºC.

Coeficiente de temperatura (Pmax): -0,44%/ºC.

Características físicas:

Tipo de célula: Policristalino.

Dimensiones del módulo: 1483x665x35mm.

Peso: 12 Kg.

Número de células: 36 (4x9).

Tamaño de célula: 156mm.

Margen de temperatura: -40 a +85ºC.

Controlador de carga

Modelo pocos cx20

Volt 12/21v

Amp I máx. 20ª


63

Batería

Marca Cale

Especificaciones

Voltaje normal 12V

Largo 330.2 mm

Ancho 172 mm

Altura 217.8 mm

Altura total 240.3 mm

Peso 27.3 Kg.

Capacidad 115 Ah a 100

Tiempo de vida 5 años

Instrucciones de carga

Voltaje de flotación 13.5 V a 80°F

Voltaje de igualación 15.5 V a 80° F

Inversor

Potencia 600W

Rango máximo 1500W

Voltaje de entrada CD 10-15 V

Voltaje de salida CA 120V

Temperatura de operación -40° a +45°

Eficiencia 85%

Dimensiones 190x113x62 mm

Peso 1.5 Kg

Marca Power

Iluminación

Focos de tecnología Fluorescente

Potencia 13W


64

TV 19W

Marca Samsung

Radio 15W

Licuadora 400w (6seg)

Sensor de presencia

Cables calibre 12

Gabinete para baterías


65

3.3 Metodología de una celda PEM

Figura 3.2. Metodología de una celda PEM


66

3.4 Materiales de una celda PEM

Preparación de la tinta catalítica

1.- Platino xc-72R al (30%)/ Vulcan (70%) de Sigma aldrich

2.- Viales plastibrand de 200 microlitros

3.- Ethanol al ≥ 99.5 % de pureza de Sigma Aldrich

4.- Nafion Líquido al 5%

Voltamperometria cíclica

1.-Electrodo de referencia de Hg/HgSO4

2.-Contra electrodo de platino

3.-Electrodo de trabajo de carbón vítreo.

4.-Gas Nitrógeno alta pureza praxair

5.-H2 SO4 de J.T Baker densidad 1.8

6.-Agua destilada

.

Ensamble Membrana-Electrodo

1.-Membrana de Nafion 115

2.-Tela de carbón

3.-Solución de H2 SO4 0.5 (Medir 27.66 ml de H2 SO4 y aforar a un litro con agua

destilada)

Curvas de desempeño

1.- Tanque de Hidrogeno alta pureza praxair


67

2.-Tanque de Oxigeno alta pureza praxair

3.-Celda tipo PEM


68

4 RESULTADOS Y DISCUSION

4.1 Localización geográfica del Estado de Querétaro

El Estado de Querétaro se ubica en la parte central de la República Mexicana.

Cuenta con una superficie total de 11,769 km2 y su territorio se ubica en dos

cuencas hidrológicas; Río Pánuco con 9,316 km2 la cual vierte al golfo de México y

la del río Lerma - Chapala, con 2,453 km2 que desemboca al Océano Pacífico.

Está dividido en 18 municipios, con una población de 1,546,524 habitantes (según

estimaciones de la CEA, a Julio del 2003), cerca del 52 % asentado en la zona

conurbada de la ciudad de Querétaro, razón por la cual, Querétaro se encuentra

entre los Estados con mayor densidad poblacional por kilómetro cuadrado.

4.1.1 Ubicación

El Estado de Querétaro se encuentra ubicado en el centro geográfico de la

República Mexicana, entre las coordenadas:

20° 01' 16" y 21° 35' 38" Latitud Norte. 99° 00' 46" y 100° 35' 46" Longitud Oeste

Figura 4.1. Ubicación geográfica del Estado de Querétaro


69

Se obtuvieron los valores de radiación solar global sobre una superficie horizontal

en 14 puntos distribuidos en el estado de Querétaro, basado en el programa RADII

proporcionado por la Comisión Estatal del agua (CEA ) Qro.

4.1.2 En un periodo anual

Resumen de la radiación solar global medida en la Ciudad de Santiago de

Querétaro de julio 2008 a mayo 2010.

Mes Radiación

promedio

mensual sobre

una superficie

horizontal

(MJ/m2)

Temperatura

ambiente, promedio

mensual

(ºC)

Humedad relativa

promedio

mensual

(%)

Velocidad del

viento

(m/s)

Enero 13,72 15,3 6

1

,

8

2,1

Febrero 18,07 16,6 51,9

2,6

Marzo 20,09 19,1 47,1

2,4

Abril 22,07 20,7 4

4

,

9

2,4

Mayo 23,80 20,6 5

2

,

6

2,8

Junio 20,92 20,9 5

4

,

6

2,8

Julio 21,78 20,4 6

3

,

8

2,5

Agosto 21,13 19,8 6

9

,

9

2,2

Septiembre 19,58 19,8 7

1

,

0

2,2

Octubre 19,62 18,9 6

8

,

5

2,7

Noviembre 15,37 16,1 62,0

2,2

Diciembre 14,98 14,8 5

5

,

7

2,0

Tabla 6. Radiación solar global media en Querétaro


70

En el Estado de Querétaro, durante el tiempo en que se realizaron las

mediciones, de Febrero del 2011 a Febrero del 2012, se reciben en promedio

20,4 MJ/m2 diarios, comparado con otros Estados como Michoacán que recibe

en promedio anual 17,7 MJ/m2 y Guanajuato 19,7 MJ/m2. En Querétaro el uso

de la energía solar representa una fuente importante de energéticos para el

presente y para el futuro. Ésta podría destinarse a calentamiento de agua,

secado de granos, cocción de alimentos, refrigeración, aire acondicionado,

calefacción, bombeo de agua, generación de energía eléctrica, entre otros.

Las mediciones meteorológicas relacionadas con la energía solar, los datos de

radiación medidos directamente, son la mejor fuente de información para elaborar

mapas climatológicos de irradiación global, y es común medir ésta en sus

componentes directa y difusa, valoradas en unidades de energía por unidad de

tiempo, por unidad de área sobre un plano horizontal. Con estas mediciones se

pueden dimensionar de forma exacta los sistemas solares.

Contar con datos meteorológicos es de suma importancia, ya que proporcionan

información para clasificar los climas de una región y permiten obtener parámetros

de diseño para la construcción de viviendas confortables, con un mínimo de

consumo de energía. Estudios del clima como el que se presenta en este trabajo,

tiene aplicaciones prácticas en el campo del diseño bioclimático de edificaciones,

proyecciones agrícolas, pronósticos meteorológicos y estudios de dispersión de

contaminantes.

Figura 4.2. Estación meteorológica en UT San Juan del Rio, Qro


71

4.1.3 Estudio de disponibilidad del recurso solar en San Juan del Río

1.- Datos

Ubicación: San Juan del Río Qro.

Latitud ø=20º 23' 19,83" Norte=20.3888o

Norte

Longitud =99º 59' 46,71" Oeste=99.63o

Altura sobre el nivel del mar= 1978 y 2200 mts

Constante solar Hcs=1367 W/m2

Angulo acimutal = Reflectividad del suelo (albedo)

2.-Calculo de la altura solar máxima y mínima anual ángulos de inclinación:

3. Establecimiento del día representativo de n y su correspondiente al año juliano Día 21 de Marzo

n=59+i=59+21=80

4.- Declinación solar (Ecuación de Cooper):

δ = 23.4° sen [2π(284+n)/365]= -0.4036

5. Altura solar h: (w = 0o) a las 12 horas

hmax=90°-(-)=69.2075o

hmin=90°-(+)=

parawa= 0°

hmax=90°-(-)=

S1=20.3888o Anual

S2=30.5832° Invierno

2

S3=10.1944° Verano

2


72

6. Ángulo horario de salida y puesta de sol:

7.044 X 10-3 Radianes

.3558 Radianes

Ws=ArCos (-tan φ tan ) = 1.568 rad=89.85°

7. Hora de salida del sol

8. Hora de insolación= (H.I):

H .I 2

9. Ángulo horario de salida del sol para los planos con inclinación S1, S2 y S3

-7.044 X 10-3 Radianes

.3558 Radianes

S1 = =20.3888o Anual =.3558 rad

S2=30.5832° Invierno =.5337 rad

2

S3=10.1944° Verano=.1778 rad

2

Ws=W=ArCos (-tan φ - ) tan )=

Ws1=1.5707 rad= 89.99°

Ws2=1.5720 rad=90.068°

Ws3=1.5695rad=89.92°

Para Ws se escoge el menor y Ws para cada inclinación.

10. Se introduce los datos de radiación global en el plano horizontal diaria promedio

mensual.

W 15

(TSV)s =1 ArcCos(-tan φ tan )=12-1 Ws=5.99 Hrs.

15 15


73

H

s

H G , H ,d MJ

m 2 dia

468.680 W/m2 día

Nota: Este valor se obtuvo promediando solo los datos de dos meses que fueron

Enero y Febrero.

11. Calculo de la radiación extraterrestre en el plano horizontal.

H 0 MJ

m 2 dia

=2204.8792 W/m²día

Para el día n=80 del año.

12. Factor de claridad

H

K G , H ,d

0

13. Relación difusa /global (Liu Jordán)

14. Relación Rb= H b.I.d para las tres inclinaciones S1, S2, S3 H b.H.d

W

i =El valor mínimo de las siguientes expresiones

a) Ws cos 1

( tan tan )

b) W= cos 1

( tan( -S)tan )

Relación Kd= Hd.I.d para las tres inclinaciones Hd.H.d

R 1 cos(S )

d 2

16. Relación

R p Rref

H p,c y

H G.H.d

H d...H....d =

G.H.d t t t


74

R 1 cos S

p

2

17. Relación R H G , I ,d

H G , H ,d

para las tres inclinaciones S1,S2 y S3

R H d .H ,d

Rd R

1-

H d , H ,d

H G , H ,d H G , H ,d

18. Calculo de la radiación difusa

19. Calculo de la radiación directa H b, H ,d en el plano horizontal .

H G , H ,d = H d , H ,d

+ H b, H ,d

20. Radiación solar directa en el plano S3

H b, I ,d para las tres inclinaciones S1,S2 y

H b, I ,d = H b, H ,d Rb

21. Radiación difusa en el plano inclinado H d , I ,d para las tres inclinaciones S1, S2 y

S3.

H d , I ,d = H d , H ,d Rd

22. Radiación reflejada por el suelo hacia el plano

S1, S2 y S3

H ,c para las tres inclinaciones

H ,c = H G , H ,d R

23. Radiación global en el plano

H G , I ,d = H b, I ,d + H d , I ,d + H ,c = H G , H ,d

H G , I ,d

R

para las tres inclinaciones S1,S2 y S3

H d...H..d= H G...H...d (H d...H..d) H G...H...d


75

4.1.4 Graficas del estudio de disponibilidad en San Juan del Río, Querétaro

Figura 4.3. Irradiación global diaria en San Juan del Río, Qro.

Figura 4.4. Irradiación global mensual en San Juan del Río, Qro.


76

Figura 4.5. Parámetros solares en San Juan del Río, Qro.

Figura 4.6. Horas de Insolación para los diferentes planos en San Juan del Río, Qro.

4.1.5 Resultados del equipo y consideraciones del sistema fotovoltaico


77

4.1.5.1 Suministro de energía

Tabla 7. Equipo para suministro de energía

4.1.5.2 Consideraciones del sistema

Tabla 8. Consideraciones del sistema

4.1.5.3 Equipamiento de la vivienda rural

Tabla 9. Equipamiento de la vivienda


78

4.1.5.4 Costo del sistema fotovoltaico

Tabla 10. Costos del sistema fotovoltaico

4.1.5.5 Costo de iluminación

.

Tabla11. Costos de iluminación


79

4.1.5.6 Calculo de corriente requerida

Tabla 12. Corriente necesaria

4.1.5.7 Calculo del número de paneles requeridos

Tabla 13. Número de paneles fotovoltaicos

4.1.5.8 Calculo de las baterías de ciclo profundo


80

Tabla 14. Número de baterías

4.1.5.9 Tensión del sistema en C.A.

Tabla 15. Tensión necesaria

4.1.5.10 Selección del controlador

Tabla 16. Regulador seleccionado

4.1.5.11 Calculo del inversor


81

Tabla 17. Inversor necesario

4.1.5.12 Ensamble del sistema fotovoltaico en prototipo en casa solar

Figura 4.7. Prototipo casa solar

Fig. 4.8. Instalación Fotovoltaica aislada de la red.


82

4.2 Análisis en Ansys

A) Análisis de la presión

Figura 4.9. Presión en los canales Figura 4.10 Distribución de Presión

Se observa en la primera mitad de la geometría del plato (Figura 4.9) en donde entra

el combustible y se distribuye hacia los canales principales (canales en color naranja

y amarillo) una presión uniforme (color naranja) a excepción en uno de los canales

(color amarillo) en la cual la caída de presión existente no es drástica.

En la segunda mitad de la geometría del plato en donde se distribuye el combustible

que entro hacia los canales contiguos (canales en color verde paja y canal verde

limón) existe una caída una presión uniforme (color verde paja) a excepción en uno

de los canales (color verde limón).

Lo anterior indica que la variable presión en una celda de combustible con

geometría interdigital se podría mejorar para intentar igualar la presión en toda la

geometría en la cual la caída de presión existente no es drástica; ya que

aproximadamente el 93% se encuentra distribuida en el rango de 0.002471 a

0.008553 pascales como se observa en el grafico 4.10


83

B) Análisis de la velocidad

Figura 4.11. Velocidad en los canales Figura 4.12. Distribución de velocidad

Se observa en la primera y segunda mitad de la geometría del plato (Figura 4.11) en

donde entra y sale el combustible distribuyéndose hacia los canales principales y

contiguos (canales en color azul rey y azul claro) un comportamiento muy similar a

excepción en los canales de los extremos en donde se observa la menor velocidad

(canales totalmente en color azul rey). Lo anterior indica que la variable velocidad en

una celda de combustible con geometría interdigital se podría mejorar modificando

las dimensiones y forma de los canales y no necesariamente todos tendrían que ser

iguales. Mas sin embargo observamos que aproximadamente el 74 % de la

velocidad se encuentra distribuida en el rango de 9.88X1 0 -6 a 0.014 m/s como se

observa en el grafico 4.12

C) Análisis del flujo másico


84

Figura 4.13. Velocidad en los canales Figura 4.14. Distribución de velocidad

Se observa en la primera y segunda mitad de la geometría del plato (Figura 4.13) en

donde entra y sale el combustible distribuyéndose hacia los canales principales y

contiguos (canales en color azul rey y azul claro) un comportamiento muy similar a

excepción en los canales de los extremos en donde se observa la menor velocidad

(canales totalmente en color azul rey). Lo anterior indica que la variable velocidad en

una celda de combustible con geometría interdigital se podría mejorar modificando

las dimensiones y forma de los canales y no necesariamente todos tendrían que ser

iguales. Mas sin embargo observamos que aproximadamente el 74 % de la

velocidad se encuentra distribuida en el rango de 9.88X1 0 -6 a 0.014 m/s como se

observa en el grafico 4.14

4.3 Diseño y construcción de una monocelda

A) Preparación de la tinta catalítica

Para verificar el comportamiento catalítico se preparó la tinta utilizando platino

(30%)/ Vulcano (70%) de aldrich y por cada miligramo pesado se procedió de la

siguiente manera.


85

Figura 4.15. Tinta catalítica contenida en un vial

1) Adición de 60 microlitros de etanol a un vial

2) Sonicado ultrasónico Por 20 minutos

3) Adición de 10 microlitros de Nafion liquido al 5%

4) La muestra anterior se sónica por 20 min.

B) Voltamperometria cíclica

Para verificar el comportamiento catalítico se realizaron voltamperogramas cíclicos

utilizando como electrodo de referencia uno de Hg/HgSO4, Como contra electrodo

uno de platino y como Electrodo de trabajo uno de carbón vítreo.

Los tres electrodos se introdujeron a la celda electroquímica (Ver figura 4.16)

inundándola con H2 SO4 0.5M de tal forma que quedaran completamente cubiertos

por la solución.


86

Figura 4.16. Celda electroquímica en medio ácido

Posteriormente la solución se puso a burbujear por 20 min. Con nitrógeno, se

obtiene el blanco del electrodo de carbón vítreo (para verificar que esté limpio), se

retira el electrodo de trabajo de la celda se enjuaga con agua destilada, se seca y se

deposita la tinta catalítica.

Esperamos a que seque y la celda que contiene H2 SO4 0.5M. En la cual se

encuentran completamente inundados los dos electrodos restantes se deja

burbujear con nitrógeno por 30 segundos, se introduce el electrodo de trabajo con la

tinta y se determinan los voltamperogramas.

Figura 4.17. Voltamperograma cíclico del platino


87

C) Ensamble membrana electrodo

El ensamble se realizó utilizando membrana de Nafion 115, utilizando como

electrocatalizador una base platino/vulcan soportada en tela de carbón.

Figura 4.18 Ensamble Membrana-Electrodo

El procedimiento seguido para su elaboración consistió primeramente en activar la

membrana para lo cual se realizaron los pasos siguientes cada uno de ellos a 80oC

y durante una hora:

1) Se deja remojar la membrana en peróxido al 3% durante una hora.

2) Se enjuaga con agua y se deja en agua una hora.

3) Preparar una solución de H2 SO4 0.5 Molar e introducirla por espacio de una

hora.

4) Nuevamente enjuagar con agua y se deja en agua una hora.

Posteriormente se realiza con ayuda de un aerógrafo el depósito de la tinta catalítica

previamente preparada como se mencionó anteriormente sobre la membrana

colocada en una estufa a 80oc para ayudar al secado y se coloca en una prensa.


88

Figura 4.19 Prensa corber

Finalmente la membrana se coloco en la prensa corber (ver Figura 4.19) por un

minuto a una temperatura de 120 oC y 3 bar de presión.

4.4 Evaluación del desempeño

La figura muestra la curva de desempeño que se obtuvo de la mono-celda de

combustible suministrando una presión de alimentación de H2 y O2 de 20 Psi a 23 oC

y velocidad de barrido de 50 mV/s.

Figura 4.20. Gráfica de desempeño de la monocelda de combustible H2/O2


89

De la figura 4.20 se obtuvo para el máximo desempeño experimental un potencial de

0.317 V, Densidad de corriente 110.59 mA/cm2 y Densidad de potencia 42.560mW/

cm2.

4.5 Determinación del número de ensambles

Para la determinación del número de ensambles se considera únicamente el 10%

del consumo total en W/Día de la vivienda. Que será únicamente para iluminación

de 3 lámparas fluorescentes de 13 Watts a 12 Volts conectadas en paralelo.

No. de Celdas= V

V

317.0

12= 37.8548. El número de celdas a ensamblar será de 38.

La corriente demanda por lámpara=V

W

12

13=1.08 Amp.

La corriente total para las 3 lámparas conectadas en paralelo considerando un factor

de seguridad de 1.25 será:

I= 25.13..

08.1 LampXXLamp

Amp=4.05Amp =4050mAmp

El área catalítica para cada ensamble será igual a la corriente requerida dividida por

la densidad de corriente de la mono-celda.

Área Catalítica= 2*59.110

4050cmmAmp

mAmp =36.62cm2

4.6 Determinación del número de ensambles

Para la determinación del número de ensambles se considera únicamente el 10%

del consumo total en W/Día de la vivienda. Que será únicamente para iluminación

de 3 lámparas fluorescentes de 13 Watts a 12 Volts conectadas en paralelo.


90

No de Celdas= V

V

317.0

12= 37.8548. El número de celdas a ensamblar será de 3.

La corriente demanda por lámpara=V

W

12

13=1.08 Amp.

La corriente total para las 3 lámparas conectadas en paralelo considerando un factor

de seguridad de 1.25 será:

I= 25.13..

08.1 LampXXLamp

Amp=4.05Amp =4050mAmp.

El área catalítica para cada ensamble será igual a la corriente requerida dividida por

la densidad de corriente de la mono-celda.

Área Catalítica= 2*59.110

4050cmmAmp

mAmp =36.62cm2

4.7 Dimensiones de la celda

Vista superior Vista posterior

8.0 6 cm

Vista Lateral Corte Transversal


91

.06cm 8 .06 cm

La longitud de las placas finalmente quedo de 8.06 cm de lado y la longitud del área

de contacto con el electrocatalizador se redondeó a 6.06 cm por lado.

Diseño de un Sistemas Hibrido Solar – Hidrógeno

92

5 CONCLUSIÓN

En el presente proyecto de investigación se diseña y construye un prototipo

funcional de un sistema fotovoltaico para su aplicación como fuente de energía

principal y como un suministro alterno, energía proporcionada por una celda tipo

PEM.

Se obtuvo el desempeño y diseño de la celda tipo PEM para la generación de

energía a partir de hidrogeno en el sistema hibrido resultando viable; sin embargo,

los reactivos y materiales utilizados son costos por lo que la simulación es una

excelente posibilidad de evaluar el desempeño de cada una de las variables al

predecir el comportamiento del fluido en el interior de la celda a un costo menor.

El sistema hibrido solar hidrogeno, resulta viable para una vivienda de tipo rural

aislada de la red, mencionando que la celda PEM, suministra un 10% adicional al

sistema fotovoltaico.


93

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[32] http://www. Página oficial del software Ansys.18 Diciembre 2012


96

ANEXOS

Reconocimientos

Participación con el prototipo en expociencias bajío 2012, dentro del marco del II

foro juvenil de Ciencia, Tecnología y desarrollo social, obteniendo una mención

honorifica y pase al Nacional a celebrarse en la Ciudad de Puebla.

Fig. Reconocimientos en exposiciones de casa solar

“tesis que como requisito para … “tesis que como requisito para obtener el grado de maestro en...

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