PRESENTADO POR:

NATALIA GARCIA ROSASLAURA ALEJANDRA HERNANDEZ VANEGAS

ANDREI RICARDO SALDARRIAGA GUTIERREZ

PRESENTADO A:

FREDDY LEONARDING. QUIMICO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDASFACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

INGENIERIA AMBIENTALFISICOQUÍMICA DE FLUIDOS

BOGOTA

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PRODUCCIÒN DE HIPOCLORITO DE SODIO MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE CELDAS ELECTROLITICAS, SAL MARINA Y ENERGIA SOLAR

2010

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION

1.1 OBJETIVOS 1.2 JUSTIFICACIÓN 1.3 GENERALIDADES

2. DESCRIPCION DEL PROCESO ALTERNATIVO

2.1 ELECTRÓLISIS DEL AGUA Y SAL MARINA 72.1 QUIMICA DEL PROCESO

2.3 REACCIONES

2.4 IMPORTANCIA TECNÓLOGICA Y AMBIENTAL

3. CELDAS FOTOVOLTAICAS 0

3.1 CONSTITUCIÓN DE UN SEMICONDUCTOR 3.2 MÓDULO FOTOVOLTAICO 3.3 EFECTO FOTOVOLTAICO 3.4 TIPOS DE CELDAS 3.5 VENTAJAS CELDAS FOTOVOLTAICAS

4. ANALISIS DE POTENCIA PARA GENERAR HIPOCLORITO DE SODIO

4.1 ANÁLISIS ELECTRICO 4.2 ANALISIS DE CARGA 4.3 ECUACIONES

5. MARERIALES Y MÉTODOS.

6. MONTAJE

6.1 PRUEBA DE HIPOCLORITO PRODUCIDO

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

GLOSARIO 5

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INTRODUCCIÒN

A pesar que Colombia es considerada una potencia referente a recursos hídricos, presenta actualmente diversos problemas de contaminación del agua, lo cual ha favorecido la presencia de numerosos gérmenes en los cuerpos de agua y el aumento de la morbilidad y mortalidad infantil en zonas apartadas de nuestro país. Estos gérmenes patógenos suelen estar en el suelo o en las aguas contaminadas con heces de personas o de animales. De este modo, el agua se convierte en un vehículo de transmisión de enfermedades como el cólera, tifoidea, paratifoidea, hepatitis, disentería amebiana y viral, entre otras. Actualmente, la mayor parte de las poblaciones rurales de los países en vías de desarrollo se abastece de agua no apta para el consumo humano. Como consecuencia de ello, los índices de enfermedades relacionadas con el agua son altos; sin embargo, estas enfermedades pueden ser evitadas mediante la desinfección del agua.

Desde los inicios del siglo XX, el cloro se transformó en la clave para eliminar enfermedades epidémicas originadas por el consumo de agua. Desde entonces ha sido un elemento invaluable para poder suministrar agua potable.

La desinfección del agua para consumo humano mediante la aplicación de cloro o sus derivados, es un proceso aceptado en todo el mundo para suministrar agua de buena calidad bacteriológica. Sin embargo, en la mayor parte de los países en vías de desarrollo, el abastecimiento regular de desinfectantes a ciudades apartadas o comunidades rurales, es un problema por la falta de un adecuado sistema vial que facilite el transporte y distribución del desinfectante. En el tratamiento del agua de consumo humano en el nivel rural y en algunos casos en el nivel urbano-marginal, la producción del desinfectante en el mismo lugar de tratamiento por medio de procesos electroquímicos, es una alternativa que cada día tiene mayor aceptación.

Con el presente trabajo se pretende desarrollar un sistema de producción de cloro en el que se pueda utilizar la sal marina y la energía solar en aquellos lugares donde la ubicación geográfica es apropiada para ello y en donde debido a las condiciones socioeconómicas no es posible la distribución de cloro o producción de forma convencional.

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1.1 OBJETIVOSGeneral:

Obtención de hipoclorito de sodio mediante la electrolisis de agua de mar, utilizando celdas fotovoltaicas.

Específicos:

Comprender las reacciones relacionadas con la electrólisis del agua salada y los productos resultantes.

Analizar el proceso de funcionamiento de las celdas fotovoltaicas, mediante la utilización de una celda monocristalina de 15 voltios.

Estudiar las principales ecuaciones relacionadas con la radiación solar y las celdas fotovoltaicas, teniendo en cuenta la constante de radiación de Stefan-Bolztman y pérdidas de calor.

1.2 JUSTIFICACIÒN

Entre los métodos conocidos, la producción de hipoclorito de sodio a través de la electrólisis del agua mar puede hacerse localmente de manera muy simple y muy económica, si se tiene en cuenta que se utiliza energía solar.

Mediante la implementación de pequeñas celdas fotovoltaicos en zonas de la costa colombiana donde la radiación solar es considerable y en donde los sistemas de tratamiento de agua potable son deficientes, la electrolisis de agua salada es una alternativa muy rentable para la utilización de hipoclorito de sodio, el cual es el desinfectante mas importante que ha demostrado su confiabilidad, simplicidad y bajo costo de operación y mantenimiento.

De esta manera por medio de la obtención de hipoclorito de sodio a pequeña escala, no sólo se está mejorando la calidad de vida de las personas, sino también incentivando la aplicación de sistemas y tecnologías apropiadas para el medio ambiente y concebidas mediante técnicas no contaminantes, inversión mínima y ecológicamente sanas con el aprovechamiento de recursos locales, proporcionando de esta forma una sostenibilidad ambiental.

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1.2 GENERALIDADES

El hipoclorito de sodio:

El Hipoclorito de Sodio se puede preparar en forma anhidro, con una pureza superior al 90%, pero se descompone con facilidad al cabo de pocos días, en ocasiones con fuerza explosiva. También forma un monohidrato que es difícil de obtener puro. Otro de sus hidratos tiene fórmula molecular NaOCl.2.5H2O, y se trata de un compuesto cristalino tetragonal, que tiene poca estabilidad para su uso comercial. El Hipoclorito de Sodio pentahidratado, NaOCl.5H2O, tiene un punto de fusión de 27ºC, por lo cual se debe mantener refrigerado para que conserve su estado sólido1

En vista de la inestabilidad del Hipoclorito de Sodio sólido, se encuentra más comúnmente en solución acuosa. Las concentraciones de Hipoclorito de Sodio encontradas en el comercio se pueden clasificar en dos grandes grupos: soluciones acuosas con concentración de Cloro activo inferior al 10%,y soluciones acuosas con concentración de Cloro activo superior al 10%.Las soluciones acuosas de Hipoclorito de Sodio poseen un ligero color amarillo, y un olor característico a Cloro.

PROPIEDADES FÍSICAS:

Aspecto: líquido.Color: Ligeramente amarillo verdoso.Olor: Olor a picante a cloro.Punto de ebullición: 216 º CPunto de congelación: –60 ºCDensidad: Aprox. 1,22 gr/ml.PH: 12,5 (solución al 12%)Tª de descomposición: 40 ºC (descomposición lenta).

PROPIEDADES QUÍMICAS

Las soluciones de Hipoclorito de Sodio caen dentro de dos clasificaciones: blanqueadores de uso doméstico, que contienen entre 5 y 5.5% de Cloro disponible, y soluciones fuertes o comerciales, que contienen entre 12 y 15% de Cloro disponible. El término “contenido de Cloro disponible”, también denominado Cloro activo y compara el poder oxidante del agente con aquel de la cantidad equivalente de Cloro elemental empleado para hacer la solución.

PROCESO CONVENCIONAL

Las soluciones de Hipoclorito de Sodio se descomponen en dos maneras: a Cloruro de Sodio (NaCl) y Oxígeno (O2) (reacción 1), o por desproporcionamiento a Cloruro de Sodio y clorato de Sodio (NaClO3) (reacción 2):

1 Hipoclorito de Sodio. Obtenido el día 29 de mayo de 2010 de “http://www.dadma.gov.co/paginas/guias%20ambientales/documentos/Guia18.pdf”

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La última de estas dos reacciones ocurre en dos pasos: un paso lento inicial en que se forma el clorito de Sodio (NaClO2) (reacción 3), y un paso rápido de desproporcionamiento entre el Hipoclorito y el clorito (reacción 4):

El Hipoclorito de Sodio puede reaccionar también con Acido Hipocloroso (reacción 5), así:

Esta última ecuación se emplea con frecuencia para enfatizar el hecho de que en medio Acido, el Hipoclorito se descompone con mayor facilidad que en medio básico, razón por la cual las soluciones de Hipoclorito de Sodio se mantienen a pH 11.

En las soluciones de Hipoclorito de Sodio se da un balance dinámico, que se representa por la siguiente ecuación (reacción 6)2:

De acuerdo con un estudio acerca del mecanismo de acción del Hipoclorito de Sodio sobre microorganismos, éste compuesto actúa como un solvente de materia orgánica, específicamente de Ácidos grasos, a quienes transforma en sales de Ácidos grasos (jabones) y glicerol (C3H8O3), reduciendo la tensión superficial de la solución remanente. Además, el Hipoclorito de Sodio neutraliza los aminoácidos, formando agua y sales. Con la disminución de iones Hidroxilo (OH-) mediante la formación de agua, se reduce el pH, estimulando la presencia de Acido Hipocloroso que en contacto con componentes orgánicos actúa como solvente, libera Cloro que se combina con el grupo amino de las proteínas, formando cloroaminas. El Acido Hipocloroso y los iones Hipoclorito (OCl-) llevan a la degradación e hidrólisis de aminoácidos.

DESVENTAJAS:

2 Ibid p. 4

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El transporte masivo de cloro a través de carreteras altamente transitadas y su paso por áreas residenciales, se ha convertido en un asunto de mucha preocupación con relación al concepto de seguridad. Tanto autoridades federales como municipales, están reconociendo el peligro latente del manejo de este químico y se están buscando las soluciones al problema.

Los reglamentos más estrictos en el manejo de gases tóxicos y los escapes accidentales de cloro han obligado a los administradores en la industria a buscar métodos alternos para la desinfección del agua.

EL transporte de mercancías peligrosas, además de ser arriesgado, no es barato, ya que se deben cumplir unas normas de seguridad que encarecen demasiado el coste de los productos. Para reducir los gastos del transporte, las empresas que utilizan grandes cantidades de cloro, hidrógeno o hidróxido de sodio, procuran construir sus fábricas cerca de las que producen estos reactivos.

2. DESCRIPCION DEL PROCESO ALTERNATIVO

Electro-síntesis:

Celdas electrolíticas:

 Son aquellas en las cuales la energía eléctrica que procede de una fuente externa provoca reacciones químicas no espontáneas generando un proceso denominado electrólisis. Las celdas electrolíticas constan de un recipiente para el material de reacción, dos electrodos sumergidos dentro de dicho material y conectados a una fuente de corriente directa

2.1 Electrólisis del Agua y sal marina.

Esquema de la celda electrolítica

Fuente: http://www.solvayiberica.es/static/wma/pdf/1/3/9/3/Ficha03a.pdf

2.2 Química del proceso

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El cloro se fabrica de tres formas distintas. Del proceso de producción se obtienen,además, varios productos secundarios muy útiles. El cloro se produce mediante laelectrólisis del cloruro de sodio (sal comun). Además del cloro en estado gaseoso,se obtiene hidrogeno y una solución de hidróxido sódico (llamada comúnmente sosacáustica).

El proceso de electrolisis consiste en aplicar una corriente electrica a una determinada sustancia ionica, lo que permite separar sus iones. La electrolisis se produce en una celda donde se distinguen dos compartimentos o electrodos: el polo positivo (o ánodo) y el polo negativo (o cátodo), de forma que al aplicar la corriente, los iones positivos se sienten atraidos hacia el polo de signo contrario (es decir, hacia el catodo) y los iones negativos se sienten atraidos hacia el anodo3:

. 2.3 REACCIONES

La reacción que se producen en este proceso es la siguiente:

El proceso de descomposición se desarrolla, en cada uno de los electrodos, de acuerdo con las siguientes reacciones:

La electrólisis del Cloruro de Sodio en el ánodo, conduce a la formación de Cloro:

El producto final depende de las condiciones de operación de la celda. El Cloro se hidroliza, formando Acido Hipocloroso, y éste último se disocia formando el Hipoclorito y el Cloruro::

La formación del Acido Hipocloroso y de Hipoclorito cesa cuando el electrolito se satura con Cloro, lo cual sucede si se alcanza un pH entre 2 y 3. En el cátodo se forman iones hidroxilo (OH-):

Bajo esta condición, la concentración del Cloro disuelto cerca de la superficie del ánodo permanece muy baja como para permitir la evolución del Cloro gaseoso que permite que el Hipoclorito sea el producto principal.

Reacción General:

3 Cómo se fabrica el cloro. Obtenido el día 26 de mayo de 2010 de “http://www.solvayiberica.es/static/wma/pdf/1/3/9/3/Ficha03a.pdf”

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2NaCl (aq )+2H 2O→2NaOH (aq )+Cl 2cloruro de sodio+agua−→sosa cáustica+cloro+hidrogeno

NaCL + H2O + 2e --> NaOCL (Hipoclorito) + Hidrógeno

Subproductos:

El hidrógeno es el único sub-producto. Las celdas electrolíticas y el tanque de almacenaje de hipoclorito es diseñado para contener y ventear en forma segura el hidrógeno que se produce en la celda hacia la atmósfera.

El hidrógeno, quién constituye uno bajo producto de la reacción, se elimina en forma de gas.

Dependencia producción:

La concentración del hipoclorito de sodio producido por energía solar esta en función de numerosos parámetros como:

Las condiciones de insolación El tiempo de funcionamiento del electrodo o El número de los paneles solares utilizados y su potencia Necesidades de la población

Sobre sector, la concentración máxima alcanzada es de cerca de 0.5 a del %, o sea 5 a 7 g/l. Esta concentración puede alcanzarse fácilmente utilizando de la energía fotovoltaica pero este último puede obtenerse más o menos rápidamente en función del número de los paneles solares utilizados y de su potencia4.

Cada proyecto por el que se presentan sus especificidades, es necesario por lo tanto realizar un estudio de antemano con el fin de evaluar las necesidades de la población y por lo tanto, el interés de una producción sobre 1, 2 o incluso 3 días.

Ventajas del proceso

Seguro Costo efectivo y eficiente Exento de uso de seguridad en el proceso Exento en la planificación del control de riesgos Calidad mejorada del agua

2.4 Importancia tecnológica y ambiental

4 cloración y producción de agua de lejía en el medio rural. Obtenido el dia 26 de mayo de 2010 de “http://www.hydropur.be/Documents/Produccion%20de%20lejia%20ES.pdf”

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La generación de hipoclorito de sodio se ha convertido en una alternativa para reemplazar el cloro en proceso industriales o de purificación de agua, por esto el conocimiento y estudio de este proceso y la tecnología que se deriva del mismo es importante para el papel profesional del ingeniero ambiental, así como conocer las desventajas del sector productivo y los posibles impactos generados, para así poderlos integrar con la generación de tecnologías endógenas que se apliquen en nuestro país, de esta forma realizar una apropiación tecnológica .

La generación de hipoclorito de sodio en sitio posee muchas ventajas sobre los sistemas convencionales de cloración. Entre las ventajas se incluyen aspectos de seguridad, costos operacionales reducidos, la concentración de la solución es muy consistente, se evita el riesgo del transporte, manejo y planificación de compra de químicos peligrosos y se reduce la producción de productos derivados. El más importante beneficio es el mejoramiento de la calidad del agua

La producción electroquímica in-situ de soluciones de Hipoclorito de Sodio diluido ha sido reconocida como una opción viable en circunstancias en que no se requiere un largo periodo de almacenamiento de la solución. Mediante el uso de una celda electroquímica, se obtienen soluciones de Hipoclorito de Sodio concontenido de Cloro activo superior a 10g/L.

3. CELDAS FOTOVOLTAICAS

El sistema de aprovechamiento de la energía del Sol para producir energía eléctrica se denomina conversión fotovoltaica.

Las células solares están fabricadas de unos materiales con unas propiedades específicas, denominados semiconductores. Para entender el funcionamiento de una célula solar, debemos de entender las propiedades de estos semiconductores.

En los semiconductores, los electrones que se encuentran orbitando al rededor del núcleo atómico no pueden tener cualquier energía, solamente unos valores determinados, que son denominados, niveles energéticos, a los que se pone nombre: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p.

Las propiedades químicas de los elementos están determinadas por el número de electrones en su última capa y por electrones que faltan para completarla. En el silicio, material que se usa para la construcción de una célula solar, en su última capa, posee cuatro electrones y faltan otros cuatro para completarla.

Cuando los átomos de silicio se unen a otros, comparten los electrones de las últimas capas con la de los átomos vecinos, formando lo que se denomina enlace covalente. Estas agrupaciones dan lugar a un sólido de estructura cristalina.

De la forma, que los electrones de un átomo no pueden tener cualquier energía, los electrones de un cristal tampoco pueden tomar cualquier energía.

Teniendo en cuenta que en el átomo sus propiedades se determinan en la última capa, ahora son agrupaciones de capas, llamadas bandas de energía, y que definen las propiedades electrónicas de un cristal.

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Las dos últimas capas ocupadas por electrones reciben el nombre de banda de conducción y banda de valencia. Estas están separadas por una energía denominada gap.

Para poder entender esto describiremos los tipos de materiales existentes, eléctricamente hablando:

Conductores, disponen de unos electrones de valencia poco ligados al núcleo y que pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina respondiendo a un estímulo externo.

Semiconductores, sus electrones de valencia están más ligados a sus núcleos que los conductores, pero basta suministrar una pequeña cantidad de energía para que se comporten igual que estos.

Aislantes, los electrones de valencia están fuertemente ligados al núcleo y la energía a suministrar para poder desprenderse del átomo sería excesivamente grande.

Llegando a este punto, podemos decir que a cierta temperatura, algunos electrones tendrán energía suficiente para desligarse de los átomos, a estos electrones libres se les denomina "electrones" y se les asocia con los niveles energéticos de la banda de conducción.

A los enlaces que han dejado vacíos se les denomina "huecos"; para entender mejor este racionamiento diremos que los "huecos" se comportan de la misma forma que partículas con carga positiva.

Si pusiéramos un cristal de estas características, lo único que conseguiríamos sería calentar el cristal, ya que los electrones se moverían dentro del propio cristal, se generarían pares electron-hueco, que constan de un electrón que se mueve y deja un hueco, a ese hueco irá otro electrón próximo, generando otro hueco y así sucesivamente.

Para generar una corriente eléctrica hace falta un campo magnético, que se consigue con la unión de dos cristales semiconductores, uno de tipo "p" y otro de tipo "n".

Estos semiconductores se obtienen con un cristal semiconductor muy puro, introduciéndoles impurezas (dopado).

Fuente: “http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_3/1.html”

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  3.1 Constitución de un semiconductor.  

Una de las regiones se dopa con fósforo, que tiene cinco electrones de valencia, uno más que el silicio, de forma que esta región dopada muestra una afinidad por los electrones mayor que el silicio puro. A esta región se le denomina de tipo n.

La otra región de dopa con boro, que tiene tres electrones de valencia, uno menos que el silicio, de forma que esta región muestra una afinidad por los electrones inferior que el silicio puro. A esta región se le denomina de tipo p.

De esta forma, teniendo un cristal semiconductor de silicio formado por una región de tipo p y otra región de tipo n, se consigue una diferencia de potencial que hace que los electrones tengan menos energía en la zona n que en la zona p. Por esta razón los electrones son enviados a la zona n y los huecos a la zona p.

Cuando inciden fotones sobre este tipo de semiconductor, unión p-n, es cuando entonces se rompen algunos enlaces, generándose de esta forma pares electrón-hueco.

Las células solares, para poder suministrar energía al exterior, van provistas de unos dedos o mallas de metalización frontal, que consisten en partes metálicas por la que circula al exterior la corriente eléctrica generada.

Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor que lo que se denomina longitud de difusión, estos pares serán separados por el fuerte campo eléctrico que existe en la unión, moviéndose el electrón hacia la zona n y el hueco hacia la zona p. De esta forma se da una corriente de la zona n a la zona p.

Si estos electrones consiguen ser recolectados por la malla de metalización, obtendremos energía eléctrica. Si la longitud de difusión es muy corta, el par electrón-hueco, se recombinará, lo cuál dará origen a calor. Por supuesto esto siempre que la célula esté iluminada.

De todas formas no todos los fotones incidentes generan electricidad, hay factores que hacen que existan pérdidas en esta generación.

Energía de fotones incidentes, hay veces que los fotones incidentes no disponen de la energía necesaria para romper un enlace covalente y crear un par electrón-hueco, y otras, el fotón tiene demasiada energía, lo cual se disipa en forma de calor.

3.2 El Módulo Fotovoltaico

Las celda solares constituyen un producto intermedio: proporcionan valores de tensión y corriente limitados en comparación a los requeridos normalmente por los aparatos usuarios, son extremadamente frágiles, eléctricamente no aisladas y sin un soporte mecánico. Se ensamblan de la manera adecuada para formar una única estructura: el módulo fotovoltaico, que es una estructura sólida y manejable.

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Los módulos pueden tener diferentes tamaños: los más utilizados están formados por 36 celdas conectadas eléctricamente en serie, con una superficie que oscila entre los 0,5 m 2 a los 1,3 m 2 . Las celdas están ensambladas entre un estrato superior de cristal y un estrato inferior de material plástico (Tedlar). El producto preparado de esta manera se coloca en un horno de alta temperatura, con vacío de alto grado. El resultado es un bloque único laminado en el que las celdas están “ahogadas” en el material plástico fundido.

Luego se añaden los marcos, normalmente de aluminio; de esta manera se confiere una resistencia mecánica adecuada y se garantizan muchos años de funcionamiento. En la parte trasera del módulo se añade una caja de unión en la que se ponen los diodos de by-pass y los contactos eléctricos.

Más módulos fotovoltaicos ensamblados mecánicamente entre ellos forman el panel, mientras que un conjunto de módulos o paneles conectados eléctricamente en serie, forman la rama. Más ramas conectadas en paralelo, para obtener la potencia deseada, constituyen el generador fotovoltaico. Así el sistema eléctrico puede proporcionar las características de tensión y de potencia necesarias para las diferentes aplicaciones.

3.3 Efecto fotovoltaico

Los módulos se componen de celdas solares de silicio (o fotovoltaicas). Estas son semiconductoras eléctricas debido a que el silicio es un material de características intermedias entre un conductor y un aislante.

Presentado normalmente como arena, mediante sofisticados procesos de manufactura, se obtiene el silicio en su forma pura. El cristal de silicio puro no posee electrones libres y por lo tanto resulta un mal conductor eléctrico. Para cambiar esto se le agregan porcentajes de otros elementos. Este proceso se denomina dopado. Mediante el dopado de silicio con fósforo se obtiene un material con electrones libres o material con portadores de carga negativa (silicio tipo N). Realizando el mismo proceso, pero agregando Boro en lugar de fósforo, se obtiene un material de características inversas; esto es déficit de electrones o material con cargas positivas libres o huecos (silicio tipo P). Cada celda solar se compone de una delgada capa de material tipo N y otra de mayor espesor de material tipo P ( Ver gráfico Fig.2 ).

Ambas capas separadas son eléctricamente neutras, pero al ser unidas, justamente en la unión (P-N), se genera un campo eléctrico debido a los electrones libres del silicio tipo N que ocupan los huecos de la estructura del silicio tipo P.

Fuente: http://www.solartronic.com/Energia_Solar/Sistemas_Fotovoltaicos/Curso_Breve/2_Fabricacion/

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Al incidir la radiación solar sobre la celda fotovoltaica, los fotones que la integran chocan con los electrones de la estructura del silicio dándoles energía y transformándolos en conductores. Debido al campo eléctrico generado en la unión (P-N), los electrones son orientados, fluyendo de la capa "P" a la capa "N". Mediante un conductor externo, se conecta la capa negativa a la positiva, generándose así un flujo de electrones (corriente eléctrica) en la conexión. Mientras la radiación solar siga incidiendo en la celda, el flujo de electrones se mantendrá.

La intensidad de la corriente generada, variará proporcionalmente según la intensidad de radiación solar incidente. Cada módulo fotovoltaico se conforma de una determinada cantidad de celdas conectadas en serie. Como vimos anteriormente, al unirse la capa negativa de una celda a la positiva de la siguiente, los electrones fluyen a través de los conductores de una celda a la otra. Este flujo se repite hasta llegar a la última celda del módulo, de la cual fluyen hacia el acumulador o batería. Cada electrón que abandona el módulo es reemplazado por otro que regresa del acumulador o batería.

El cable de la interconexión entre módulo y batería contiene el flujo, de manera tal que cuando un electrón abandona la última celda del módulo y se dirige hacia la batería, otro electrón ingresa a la primera celda desde la batería. Es por esto que se considera inagotable a un dispositivo fotovoltaico. Produce energía eléctrica como respuesta a la energía lumínica que ingresa en el mismo. Cabe aclarar que una celda fotovoltaica no puede almacenar energía eléctrica.

3.4 Tipos de Celdas:

Existen tres tipos de celdas; dependiendo su diferenciación según el método de fabricación.

- Silicio Monocristalino:

Estas celdas se obtienen a partir de barras cilíndricas de silicio Monocristalino producidas en hornos especiales.

Las celdas se obtienen por cortado de las barras en forma de obleas cuadradas delgadas (0,4-0,5 mm de espesor). Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es superior al 12%.

- Silicio Policristalino:

Estas celdas se obtienen a partir de bloques de silicio obtenidos por fusión de trozos de silicio puro en moldes especiales.

En los moldes, el silicio se enfría lentamente, solidificándose. En este proceso, los átomos no se organizan en un único cristal. Se forma una estructura policristalina con superficies de separación entre los cristales.

Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es algo menor a las de silicio Monocristalino.

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- Silicio Amorfo:

Estas celdas se obtienen mediante la deposición de capas muy delgadas de silicio sobre superficies de vidrio o metal.

Su eficiencia en conversión de radiación solar en electricidad varía entre un 5 y un 7%.

3.5 Ventajas celdas fotovoltaicas

Medio ambientales5:

No contamina: No produce emisiones de CO2  ni de otros gases contaminantes a la atmósfera.

No consume combustibles. No genera residuos No produce ruidos Es inagotable Socio-económicas Su instalación es simple Requiere poco mantenimiento Tienen una vida larga (los paneles solares duran aproximadamente 30 años) Resiste condiciones climáticas extremas: granizo, viento, temperatura,

humedad. No existe una dependencia de los países productores de combustibles. Instalación en zonas rurales → desarrollo tecnologías propias. Se utiliza en lugar de bajo consumo y en casas ubicadas en parajes rurales

donde no llega la red eléctrica general Venta de excedentes de electricidad a una compañía eléctrica. Tolera aumentar la potencia mediante la incorporación de nuevos módulos

fotovoltaicos.

ATLAS DE RADIACIÓN SOLAR DE COLOMBIA – UPME

En estos mapas se establece el valor promedio diario de radiación solar global, brillo y radiación ultravioleta solar que incide sobre una superficie plana por metro cuadrado.

El Atlas es un documento de referencia para Colombia que contribuye al conocimiento de la disponibilidad de sus recursos renovables y facilita la identificación de regiones estratégicas donde es más adecuada la utilización de la energía solar para la solución de necesidades energéticas de la población.

El conocimiento de la disponibilidad de la energía solar es indispensable porque facilita el aprovechamiento adecuado de este recurso energético mediante el uso de sistemas y tecnologías que lo transforman en diversas formas de energía útil; sistemas

5Energía solar fotovoltaica. Obtenido el día 27 de mayo de 2010 de http://www.miliarium.com/monografias/energia/E_Renovables/Fotovoltaica.htm

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fotovoltaicos o térmicos para la producción de electricidad, destilación solar para separación de contaminantes, climatización de edificaciones como tecnología fuente de confort térmico, y como fuente directa de producción de biomasa.

4. ANÁLISIS DE LA POTENCIA PARA GENERADOR DE HIPOCLORITO DE SODIO A PARTIR DE ELECTROLISIS CON UN SISTEMA FOTOVOLTAICO

Para el diseño del sistema, se toma como referencia el atlas de radiación solar6 que elaboró la unidad de planeamiento minero-energético UPME en convenio con el IDEAM.

Modelo de creación del atlas de radiación solar

Resultados para Bogotá

Fuente:

http://www.upme.gov.co/Docs/Atlas_Radiacion_Solar/0-Primera_Parte.pdf

4.1 Análisis eléctrico del sistema

Para llevar a cabo el proceso de electrolisis, es necesario garantizar un flujo de cargas a través del líquido, que permita realizar la formación de átomos de oxigeno e hidrogeno, la cantidad de hidrogeno y oxigeno es proporcional a la corriente eléctrica que circula a través del liquido.

Debido a que la carga (Electrolisis) va a ser alimentado por un sistema fotovoltaico, es necesario conocer cómo trabaja un sistema de este tipo.

Inicialmente, el modelado se realiza por energía total, debido a que no es posible garantizar un flujo de potencia constante en el tiempo (Condiciones Atmosféricas); esta energía depende principalmente de la radiación incidente promedio que hay sobre

6 Atlas de Radiación Solar. Obtenido el día 25 de Mayo de 2009 de “http://www.upme.gov.co/Docs/Atlas_Radiacion_Solar/0-Primera_Parte.pdf”

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un punto determinado, para el caso de Bogotá, se va a utilizar la aproximación que calculo la UPME en convenio con el IDEAM y que está expuesto en el atlas de radiación:

Radiación Incidente=3.5Kwh

m2

Las dimensiones del modulo fotovoltaico son:

Alto: 29 cm

Ancho: 15.5 cm

Área del modulo: 29*15.5 = 0.04495

Energía Max=3.5∗0.04495

Emax=0.1573Kwh=157.3Wh

4.2 Analisis de la carga

Para realizar el proceso de electrolisis, se requiere una corriente promedio igual a 300 mA con una tensión de 9 V; esto equivale a:

PotenciaTotal=9V∗0.3 A=2.7W

Características del Modulo fotovoltaico:

Potencia máxima: 5W +/- 5%Voltaje Máximo: 18VCorriente Máxima: 0.27 ANOCT 47 +/- 2°C

En el sistema se va a utilizar un acumulador de energía (Batería) de 12 V, que tiene una capacidad de corriente de 7.5 AH.

Autonomía del sistema

Para este sistema y en condiciones de 0 radiación solar, se tiene una autonomía igual a:

I = 300 mA/h

Capacidad de batería = 7.5 AH

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Númerodehoras de trabajo=7.5 AH0.3 A

=25Hora s

Se tiene autonomía de 25 horas para el caso de radiación solar nula.

Debido a que la tensión nominal de las cargas es de 12 VDC, se utilizara solamente una rama en serie de módulos para suplir la carga.

Calculo de la corriente hora del sistema:

I hora=912.5Wh /d12v

=76.04 Ah

De los datos suministrados por la UPME (unidad de planeación Minero Energética) y el IDEAM, se puede establecer de forma aproximada el número de horas de sol estándar del municipio:

Hss=3.8

Corriente Pico del generador:

I (PG )=76.043.8

=20.01 A

BATERIAS

Descripción de la batería a emplear en el sistema:

Tipo de batería: Plomo-AcidoProfundidad descarga: 0.4Capacidad Nominal: 7.5 Ah.Voltaje Nominal: 12 Vdc

4.3 ECUACIONES

Celdas fotovoltaicas

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De acuerdo condiciones ambientales y atmosféricas se han desarrollado algunos modelos teóricos7 en los que se tienen 4 flujos diferentes de energía para describir el balance de energía en módulos fotovoltaicos:

La energía solar que entra al módulo o celda fotovoltaico(E s)

E s=Spv (1−al bpv )G poa

Siendo E s la energía solar que entra al módulo o celda fotovoltaico

Donde:

Spv : Representa el área superficial frontal del módulo

G poa ¿1000W

m2 : Es la irradiación instantánea

La energía eléctrica producida por el módulo o celda fotovoltaico (Eel)

Eel=−Spv ηpv¿

Donde:

Spv Representa el área superficial frontal del módulo

ηpv Representa la eficiencia del módulo en condiciones estándar donde

G poa=1000W

m2(irradiacióninstantánea)y T pv=25° C

γ : Es el coeficiente de temperatura relativa de la eficiencia del módulo

Energía debido al Intercambio de radiación infrarroja(E¿¿ ir )¿

7Outdoor testing of PV module temperature and performance under different mounting and operational conditions. Jurij Kurnik n, Jankovec & et al. University fLjubljana, Faculty of Electrical Engineering, Trzaska25,1000Ljubljana,Slovenia.2009

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Eir=−2S pvσ [( ε pvf+ε pvi2 )T pv4−( ε pvf+ε pvi2 )T amb4]Donde:

σ : Es la constante de Stefan-Boltzmann

ε pvf y ε pvi : Representan La emisividad frontal del modulo y del fondo

ε pvf=0.91

ε pvi=0.93

Flujo de energía debido a la conducción y a la convección de intercambio de calor entre el modulo y el ambiente (E¿¿ con)¿

Econ=S pv (kconv1 +kconv 2 v )¿ T amb¿

T amb : Temperatura ambiente exterior 298 K

T pv :Temperatura estándar de la celda

k conv1 : Coeficiente libre de enfriamiento 7.2 W/ (m2 K)

k conv2 : Coeficiente de enfriamiento forzado

Ecuación de pérdidas por calor

La perdida de calor de un panel fotovoltaico es principalemte debido a la convexiòn y a la radiaciòn, pero en el caso que se tenga bajas temperaturas la pèrdida de calor por convexion es mas preponderante8.

Las perdidas de calor por convexiòn p con es proporcional al àrea superficial, A, de dondeel calor se pierde hacia el ambiente debido al contacto del aire.

Pcon=A∗h (T pv−T amb )

Donde es el coeficiente del calor transferido por convexion (W m-2ªC-1)

T pv: Es la temperatura del modulo

8 Theoretical and operational thermal performance of a ‘wet’ crystalline siliconPV module under Jamaican conditions. Wilson E. School of Engineering University of Technology, West Indies, Jamaica. Renewable Energy 34 (2009) 1655–1660

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T amb :Es la temperatura del ambiente respectivamente9. Ecuación de Diodo10

ID=I s(e−q∗V D

N∗σ∗T )Teniendo el cuenta el principio de funcionamiento de un diodo y una celda fotovoltaica los cuales se asemejan en el comportamiento matemático, se describe una ecuación para establecer la corriente exacta a través de un diodo.

De esta forma las variables son:

ID : Corriente del Diodo en Amperios (A)

I s : Corriente de saturación en (A)

e : Constante de Euler

V D :El voltaje aplicado al diodo o a través de la unión de dos cristales semiconductores, uno de tipo "p" y otro de tipo "n"(como en el caso de las celdas fotovoltaicas)

N: Coeficiente de emisión

σ : Constante de Stefan-Boltzmann (1.38∗10−23 J /K ¿

q : Carga del electrón (1.6∗10−19culombios)

T: Temperatura de Unión (semiconductores uno de tipo "p" y otro de tipo "n) en Kelvin

El término T∗σq

describe el voltaje producido entre la unión P-N debido a la acción de

la temperatura y que se llama Voltaje térmico o Voltaje de UniónV t:

Desarrollando esta última ecuación para el caso de nuestra celda fotovoltaica monocristalina:

Vt=T∗σ

q

Para determinar la Temperatura de unión en Kelvin:

9 Theoretical and operational thermal performance of a ‘wet’ crystalline silicon PV module under Jamaican conditions. Earle Wilson. School of Engineering University of Technology, West Indies, Jamaica. 34 (2009) 1655–1660

10 All about Circuit. Obtenido el día 27 de Mayo de 2010 de “http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_3/1.html”

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T=q∗V tσ

Teniendo en cuenta que el modulo está compuesto por 20 celdas y tiene un voltaje medio de 12 v, cada celda tendrá un voltaje de 0.6

V= 12 v /20= 0.6 V

σ=1.38∗10−23 J /K

q=1.6∗10−19 culombios

T=1.6∗10−9 culombios∗0.6V1.38∗10−23J /K

T=q∗V tσ

=6956.5K

Esta es la temperatura de Unión entre los semiconductores tipo "p" y de tipo "n” ( unión N-P) para cada una de las células de la celda fotovoltaico.

5. MATERIALES Y MÈTODOS

Una batería o panel Solar monocristalino con un voltaje entre 1.5 Voltios a 15 Voltios

Dos electrodos de una distancia de 8 cm aproximadamente

Agua y Sal Marina Tubo plástico Clips Sal marina Jeringas de 20 ml

Una batería de 12 V

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6. MONTAJE:

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6.1 Prueba de hipoclorito de sodio producido

Se tuvo en cuenta los siguientes valores de entrada:

Volumen agua salada inicial cátodo= 10 ml

Volumen agua salada inicial ànodo= 10 ml

T inicial Celda= 16°

Corriente= 230 miliamperiosVoltaje= 12 V

Después de la electrolisis de sal marina Tiempo= 1.18 min Volumen mezcla càtodo= 3 ml

Volumen mezcla ànodo= 10 ml

Volumen de cloro producido: aprox: 9.8 ml

Comparación sal comercial:

Volumen agua salada inicial càtodo= 10 ml

Volumen agua salada inicial ànodo= 10 mlT inicial Celda= 16°

Corriente= 460 miliamperiosVoltaje= 12 V

Después de la electrolisis de sal marina Tiempo= 2.14 min Volumen mezcla càtodo= 2.5 ml

Volumen mezcla ànodo= 10 ml

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CONCLUSIONES

Se comprendieron las reacciones relacionadas con la electrólisis del agua salina y los productos resultantes, dentro de los cuales el más importante a nivel ambiental corresponde al hipoclorito de sodio para su utilización como desinfectante.

Se analizó el proceso de funcionamiento de las celdas fotovoltaicas, mediante la utilización de una celda monocristalina de 15 voltios, la cual puede producir una carga suficiente en las celdas electrolíticas en un día medio soleado para producir 1 L de cloro en un tiempo aproximado de 40 minutos

Se estudiaron las principales ecuaciones relacionadas con la radiación solar y las celdas fotovoltaicas, teniendo en cuenta la constante de radiación de Stefan-Bolztman y pérdidas de calor.

GLOSARIO

Un electrolito es una sustancia que contiene iones libres que se comportan como un medio eléctricamente conductivo. En términos simples, un electrolito es un material que se disuelve en agua para dar una solución que conduzca corriente eléctrica.

Los principales electrolitos son: Sodio (Na+), Potasio (K+), Calcio (Ca2+), Magnesio (Mg2+), Cloro (Cl-), Fosfato (PO43-) y Carbonato de Hidrógeno (HCO3-).

Ión: Es un átomo o molécula que ha ganado carga eléctrica positiva o negativa por la perdida o ganancia de uno o mas electrones. Un ión cargado negativamente (tiene mas electrones que protones) se llama Anión. Un ión cargado positivamente (tiene menos electrones que protones) se llama Catión.

BIBLIOGRAFÌA

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