Presentación de PowerPoint - Plataforma Solar de Almería

EL REACTOR FOTOCATALÍTICO:
ESTADO DEL ARTE
Dr. Julián Blanco Gálvez
PLATAFORMA SOLAR DE ALMERÍA
ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN
1. Reactores fotocatalíticos. Materiales y
factores condicionantes de diseño
2. Reactores basados en lámparas
3. Reactores basados en captadores
solares
4. Desarrollo y diseño de planta de
tratamiento
5. Reflexión final
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• Pequeños flujos de
iluminación los
productos de reacción
que se obtienen
dependen linealmente
con dicha iluminación
(orden 1).
1
• Flujos intermedios
la dependencia es con
la raíz cuadrada de la
intensidad de la luz
(orden ½).
• Flujos elevados de
iluminación, no
existe dependencia
(orden 0)
0
Velocidad de reacción
INTENSIDAD DE ILUMINACIÓN
Cinética = f2 (I0.5)
Cinética = f3 (I0)
Cinética = f1 (I1)
Intensidad de iluminación
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ILUMINACIÓN DEL REACTOR
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
Existen diversas formas básicas de iluminar un reactor fotocatalítico, condicionando
cada una de ellas las posibles configuraciones que puede adoptar el reactor para la
optimización del mismo. En el tercer caso, por ejemplo, la forma tubular no parece
la más adecuada
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DISPOSICIÓN DEL CATALIZADOR
hν
hν
Zona iluminada del reactor al ir aumentando [TiO2]
La forma de utilizar el catalizador
puede condicionar fuertemente la
configuración del reactor.
reactor En el caso
de usar el catalizador en suspensión,
para una concentración de 1 g/L de
TiO2, la luz solar directa penetra apenas
1 cm en el reactor; si el catalizador está
configurado en una forma sólida, el
condicionante es aún mayor
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SUPERFICIE REFLECTANTE
Ag
Reflectancia (%)
Al
Rh
Pt
Cu
Au
Longitud de onda (μm)
La plata es el mejor
elemento reflectante en
el visible (espejos
convencionales), pero
no asi en el intervalo
UV. Para aplicaciones
fotoquímicas en que los
fotones UV son
determinantes, el
aluminio es el mejor
material. Su protección
contra la intemperie se
puede realizar mediante
anodizado (delgada
capa de óxido) o
mediante películas de
plástico acrílico
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REACTOR FOTOQUÍMICO: MATERIALES
100
100
Quartz
Transmissivity (%)
80
80
TM
Pyrex
Glass
60
60
Standard Glass
40
40
TM
Duran
Glass
20
Transmisividad de distintos
materiales potencialmente
válidos como foto-reactores
PTFE
20
0
0
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
Entre los materiales
válidos como
reactores se
encuentran los
fluoropolímeros
(químicamente
inertes, con buena
transmisividad y
resistencia y buenos
difusores de luz UV),
materiales acrílicos y
varios tipos de
vidrio. El cuarzo es
también un material
excelente pero muy
costoso.
Wavelength (nm)
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REACTOR FOTOQUÍMICO: VIDRIO
1
0,9
0,8
A
Transmisividad UV de distintos
tipos de vidrio, en función de
su contenido en Fe
Transmitancia
0,7
0,6
B
0,5
C
0,4
A: 0 ppm Fe , 9 1 % (3 0 0 -4 0 0 nm)
D
B: 5 0 ppm F e , 8 8 %
E
0,3
C : 1 0 0 ppm F e , 8 4 .5 %
D : 1 5 0 ppm F e , 8 3 .5 %
F
0,2
E: 2 0 0 ppm F e , 8 1 %
F : 2 5 0 ppm F e , 8 0 %
0,1
0
250
275
300
325
350
375
400
Entre los
diversos
materiales
potencialmente
válidos, el
vidrio
(necesariamente con
bajo
contenido en
hierro ya que
este absorbe
UV) parece la
mejor opción
Longitud de onda (nm)
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ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN
1. Reactores fotocatalíticos. Materiales y
factores condicionantes de diseño
2. Reactores basados en lámparas
3. Reactores basados en captadores
solares
4. Desarrollo y diseño de planta de
tratamiento
5. Reflexión final
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INSTALACIÓN DE LABORATORIO
Existen dos conceptos diferentes de instalaciones de laboratorio para llevar a cabo
experiencias de fotocatálisis en agua. El primer concepto son los sistema de recirculación,
en el cual el fotorreactor es iluminado mediante una lámpara (normalmente de xenon). El
segundo concepto está basado en un reactor continuamente agitado,
agitado iluminado también
mediante una lámpara. En ambos casos se suelen disponer filtros para estudiar la influencia
de distintas longitudes de onda en el proceso.
Reactor en
recirculación
Esquema típico
de sistemas
experimentales
en fase acuosa
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REACTOR AGITADO
Reactor
continuamente
agitado
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REACTORES DE BAJA CONCENTRACIÓN
Catalizador soportado
Termopar (sensor)
Entrada
Salida
Lámpara fluorescente UV
Sistema de fotorreactor tubular con el catalizador
situado concéntricamente a la fuente de luz (lámpara
UV). Los desarrollos experimentales tratan de determinar
las mejores condiciones de tratamiento: superficie de
catalizador expuesta a la radiación, configuración
geométrica del catalizador, tiempo de residencia,
concentraciones a tratar, etc.
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REACTORES DE ALTA CONCENTRACIÓN
Proceso de optimización del reactor
para la obtención de los tiempo de
residencia adecuados, en función del
contaminante a tratar
Canal abierto
Canal cerrado
Anchura canal: 2.6 mm. Anchura canal: 3.6 mm.
I/O
O/I
T15
I = Inlet
O = Outlet
T2
T1
Termopares
frontales
T3
Termopares
traseros
Catalizador soportado
dentro del reactor
Ventana de cuarzo
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REACTORES COMERCIALES
Agua a
tratar
Lámpara
UV
Catalizador
soportado
Sistema comercial
para el tratamiento
fotocatalítico de
contaminantes en
agua, basado en
lámparas UV
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DESARROLLOS ELÉCTRICOS/SOLARES
Desde el un punto de vista medioambiental, el principal valor añadido de los sistemas
fotocatalíticos para el tratamiento de contaminantes se tiene cuando se utiliza la luz
solar como fuente primaria de energía para el proceso. Por ello, algunos desarrollos
realizados plantean la posibilidad de reactores híbridos (utilizando tanto luz solar como
lámparas eléctricas) o bien el uso alternativo de una u otra fuente de luz
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ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN
1. Reactores fotocatalíticos. Materiales y
factores condicionantes de diseño
2. Reactores basados en lámparas
3. Reactores basados en captadores
solares
4. Desarrollo y diseño de planta de
tratamiento
5. Reflexión final
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DESARROLLO TECNOLÓGICO
Principales objetivos del Grupo de Química Solar del CIEMAT:
¾ Desarrollo tecnológico para posibilitar la transferencia efectiva de conocimientos al
sector productivo
¾ Desarrollo científico para hacer viables y factibles aplicaciones concretas del proceso
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CAPTADORES CILINDRO-PARABÓLICOS
Sun Path
Parabolic mirror
Focus
2-ejes
Direct Normal
Radiation
Morning
1-eje
The Solar Collector
rotates along its axis
tracking the sun
Afternoon
Los primeros sistemas experimentales con tecnología solar para
detoxificación de agua se basaron, a finales de los años 80, en
captadores cilindro-parabólicos dado que era la tecnología en
la que históricamente se ha puesto una mayor énfasis (plantas
SEGS)
SEGS y podía ser fácilmente modificada para procesos químicos.
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INSTALACIÓN DE SANDIA (USA)
Primeros pasos en el
desarrollo de la
tecnológico:
Sandia National Labs
(USA) desarrolló en 1989
la primera instalación
solar para la detoxificación
de aguas contaminadas a
nivel pre-industrial,
usando colectores PTC
con seguimiento en un
eje.
CIEMAT,
CIEMAT en 1990, instaló
la segunda en la
Plataforma Solar de
Almería, usando
colectores PTC con
seguimiento en dos ejes.
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INSTALACIÓN DEL CIEMAT (PSA)
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CAPTADOR ESTÁTICO. EFICIENCIA ANUAL
40000
40000
Plataforma Solar de Almeria
Latitude: 37,0909 North
Longitude: 2,357 West
35000
-2
Daily integrated irradiance x cosθ (kJ.m )
35000
30000
30000
25000
25000
20000
20000
15000
15000
Yearly data and percentual value:
10000
37º
5000
60º
(100%)
-2
(70%)
-2
(65%)
-2
(54%)
2556 kWh.m
2388 kWh.m
Hor 1986 kWh.m
0
Jan
Feb
Mar
Apr
May
10000
-2
Total 3649 kWh.m
Jun
Jul
Months
5000
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
0
Eficiencia
anual de un
colector
estático
(placa
plana) para
distintas
orientaciones.
Ubicación
geográfica:
PSA. La
máxima
eficiencia
anual se
obtiene con
una inclinación
igual a la
latitud local
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MEDICIÓN DE RADIACIÓN UV
Sensor para medida de la radiación solar UV global
horizontal (izda) y radiación UV directa (dcha),
dispositivo que requiere sistema de seguimiento solar
Radiación directa:
directa
aquella que no sufre
interacción alguna con la
atmósfera en su
trayectoria hasta la
superficie terrestre. Dado
que es la única que se
conoce su trayectoria, es
la única que puede
concentrarse.
Radiación difusa:
difusa
aquella que interacciona
con las partículas de la
atmósfera, cambiando su
trayectoria.
Radiación global:
global es la
suma de la radiación
directa mas la difusa.
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RADIACIÓN UV GLOBAL Y DIRECTA
50
30
16/04/1993
40
35
30
25
20
15
10
Radiación UV directa
5
25,22
2
Irradiancia Solar UV m edia (W /m )
Radiación UV global
2
Irradiancia UV (W /m )
45
0
24,38
25
24,92
22,55
20
22,25
22,1
18,15
16,82
15
16,80
16,75
13,83
15,87
17,30
17,80
16,86
16,51
15,99
14,88
12,39
10,97
12,81
12,65
10
11,00
10,81
Nov
Dec
Radiación Solar UV Directa
Radiación Solar UV Global
5
0
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Hora Local
Irradiancia solar UV global (negro)
y UV directa (azul) en un día donde
confluyen una buena radiación
(mañana sin nubes) y una mala
radiación (tarde nublada) [PSA]
21
Jan
Feb
M ar
Apr
M ay
Jun
Jul
Aug
Sep
O ct
M eses del A ño
Irradiancia solar UV media (global y
directa) en la PSA (1991-1995). Valor
medio de la radiación UV directa: 14,94
Wm-2. Valor medio de la radiación UV
global: 19,20 Wm-2 (28,5% mayor)
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REACTORES SIN CONCENTRACIÓN SOLAR
Un gran número de colectores sin concentración (CR = 1) han sido diseñados y
ensayados con objeto de obtener los reactores más adecuados para procesos químicos en
general y de detoxificación solar en particular debido a sus importantes ventajas:
• Menor coste (no hay partes móviles ni sistema de seguimiento solar y sus
componentes son mucho más simples)
• La estructura que necesitan es también mucho más simple y fácil de instalar
• Menores requerimientos de operación y mantenimiento
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REACTORES SIN CONCENTRACIÓN SOLAR
Sin embargo,
el diseño de
reactores
robustos no es
sencillo debido
a los
requerimientos
de resistencia
a la
intemperie,
baja pérdida
de carga,
elevada
transmitancia
en el UV,
operación a
elevadas
presiones, etc.
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REACTORES BASADOS EN COLECTORES CPC
Superficie
reflectante
Foto-reactor
Conexiones entre tubos
Salida
de agua
VISTA “A”
Entrada
de agua
α
Inclinación
del colector
VISTA “A”
Los Concentradores
ParabólicoCompuestos (CPC)
son colectores
estáticos con una
superficie reflectante
que sigue una involuta
alrededor de un
reactor cilíndrico. Esta
configuración posee
una de las mejores
óptica para sistemas
sin concentración solar
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REACTORES CPC PARA FOTOCATÁLISIS
Ecuación del colector CPC (punto genérico S):
y
C=
1
sinθ a
ρ = rθ
θΑ
ρ=r
θ + θ a + π 2 − cos (θ − θ a )
1 + sin(θ − θ a )
for
for θ a +
θ ≤θa + π 2
π
2
≤θ ≤
3π
−θ a
2
Parte A-B
Parte B-C
C
R
r
O
θ
x
θΑ
S
A
B
El factor de concentración, C, es una
función del semiángulo de aceptancia, θa:
Si θa = 90 B C = 1
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ILUMINACIÓN GLOBAL EN REACTOR CPC
Distribución global de radiación en reactor CPC desde
el orto hasta el ocaso (hora solar entre 06:00 y 18:00)
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
UV
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COMPARATIVA DE REACTORES SOLARES
COLECTORES CILINDRO-PARABOLICOS
VENTAJAS
INCONVENIENTES
Flujo turbulento
No vaporización de compuestos
volátiles
Solo radiación directa
Alto coste
Baja eficiencia óptica
Baja eficiencia cuántica
Sobrecalentamiento del agua
COLECTORES SIN CONCENTRACIÓN
VENTAJAS
INCONVENIENTES
Radiación difusa y directa
Flujo laminar (baja transferencia de
materia)
Vaporización de productos
No calentamiento
Bajo coste
Alta eficiencia óptica y cuántica
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COMPARACIÓN DE EFICIENCIAS
El uso del Tiempo de Residencia puede llevar a conclusiones erróneas cuando se
tienen importantes diferencias en la radiación incidente sobre el foto-reactor (debido
a nubes o al uso de dias diferentes de experimentación). Una forma de evitar este
problema es el uso de una relación entre el tiempo de experimentación el volumen
del reactor, la superficie captadora y la energía radiante incidente sobre dicha
superficie (UVG = WUV/m2) de acuerdo con la siguiente expresión:
Q UV,n = QUV,n-1 + Δ t n UV G,n
A CPC
;
VTOT
Δ t n = t n - t n −1
QUV,n : energía total acumulada hasta el instante n en el foto-reactor, por unidad de
volumen, durante un experimento u operación del mismo [kJ L-1].
UVG,n: radiación solar media incidente sobre la superficie captadora del reactor
desde el tiempo tn-1 hasta el tiempo tn [kW m-2]
tn
: tiempo experimental transcurrido desde la muestra n-1 hasta la muestra n (s)
ACPC : área total captadora (de reactores tipo CPC) [m2]
VTOT : total plant volume (L)
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ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN
1. Reactores fotocatalíticos. Materiales y
factores condicionantes de diseño
2. Reactores basados en lámparas
3. Reactores basados en captadores
solares
4. Desarrollo y diseño de planta de
tratamiento
5. Reflexión final
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PLANTA DE FOTOCATÁLISIS SOLAR
Diseño conceptual
de una planta de
Detoxificación Solar
Contaminated
water
Pre-treatment
(pH
adjustment,
filtering, etc)
Oxygen
(Air)
Mixer
Sun
Tank
Pump
Contaminated
water
Treated
water
Chemical
oxidant
Catalyst
Solar UV
light
Filter
Chemical reactor
(Solar Collector
Field)
Post-treatment
(catalyst
recovering, pH
adjustment, etc.)
Batch process
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PROYECTO SOLARDETOX
Planta diseñada y construida en las instalaciones de la empresa HIDROCEN S.L.
(Arganda del Rey, Madrid, España), 2000.
• 100 m2 of campo de captadores CPC
• Volumen total de tratamiento: 800 L
• Operación en proceso por lotes
• Operación automática
• Aplicación: oxidación de CN- a OCNEL REACTOR FOTOCATALITICO: ESTADO DEL ARTE
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FABRICACIÓN DEL COLECTOR CPC
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EMBALAJE Y TRANSPORTE DE CPCs
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MONTAJE DE COLECTORES CPC
Latitud = 40,5° - Madrid
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SISTEMA DE CONTROL
El sistema de control implementado permite unos
mínimos requerimientos de operación. Un autómata
programable (PLC) recibe y almacena los siguientes
parámetros, en función de los cuales controla y opera
el sistema:
•
•
•
•
Radiación solar UV-A
Caudal de agua
Temperatura del agua
Temperatura
ambiente
• Nivel del depósito de
recirculación
• Nivel del depósito de
almacenamiento
• Nivel del depósito de
sedimentación
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AGRICULTURA INTENSIVA BAJO PLÁSTICO
Depósitos de
distribución
La agricultura intensiva bajo plástico requiere
un uso de plaguicidas y pesticidas unas 200
veces mayor que la agricultura convencional
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RECICLADO DE ENVASES DE PESTICIDAS
ƒ Recogida selectiva de
residuos plásticos de la
agricultura intensiva bajo
plástico para su reciclado
ƒ Aplicación de la
fotocatálisis solar para el
tratamiento del agua
residual procedente del
reciclado de envases de
pesticidas y otras sustancias
ƒ El proceso de Foto-Fenton
fue finalmente seleccionado,
después de un estudio de
viabilidad, para tratar
anualmente 1,875 m3 de
agua con 100 mg L-1 de
TOC (sobre 200 mg L-1 de
pesticidas)
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DISEÑO CONCEPTUAL
Conceptual design of the
proposed treatment system
Hydrogen
peroxide
Fe2+
Mixer
Sun
Pump
Pretreatments
(filtration, pH
adjustment, etc)
TOC >
100 ppm
Industrial
bottles
washing
process
OR
Tank
Pump
UV light
Filter
Contaminated
water
Chemical reactor
(solar collectors field)
TOC <
10 ppm
Catalyst separation
WASHING CYCLE
Recirculation
SOLAR DETOXIFICATION CYCLE
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DISEÑO Y DIMENSIONADO DE PLANTA
Parámetros de diseño:
a) Volumen total de agua
a tratar anualmente
(Vt): 1,875 m3
b) Horas anuales de
operación del campo
solar (Ts): 3000 h
QUV Vt 12 x 10 3 x 1875 x 103
Ar =
=
3000 x 3600 x 18.6
Ts UVG
⎡ J L−1 L ⎤
2
=
112
m
⎢
−2 ⎥
⎣sW m ⎦
Tamaño final seleccionado de la planta solar
(área de captadores solares): 150 m2
c) Valor medio anual de la
radiación solar UV
global (UVG), salida a
puesta de sol: 18.6
WUV m-2
d) Energía solar media
necesaria para degradar
los contaminantes
(QUV): 12 kJUV L-1
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DISEÑO Y OPERACIÓN DE LA PLANTA
Operación de planta:
H2SO4
Step 1
TOC<100 TOC>20
V=x
Step 2
TOC<20
V=x
TOC>2
Step 3
TOC<2
V=x
a) Un triple proceso de
lavado es aplicado al
plástico triturado (el
agua es usada hasta
TOC = 100 mg L)
Raw
water
WASHING CYCLE
Filter
Clean
water
Sludge
Water
Fe 2+
V = 5x
V = 5x
2.5 < pH < 4
Fe = 10 mg/L
H2O2 = 1 g/L
H2O2
2.5 < pH < 4
Fe = 10 mg/L
H2O2 = 0
TOC < 10
b) El agua es filtrada
para eliminación de
lodos y transferida a
un tanque de 3000 L
previo al tratamiento
fotocatalítico
Treated
water
V = 2y
V=y
Solar CPC Field
(150 m2)
c) Allí el pH es ajustado
y se añade Hierro
para preparar el agua
para el proceso de
Foto-Fenton
EL REACTOR FOTOCATALITICO: ESTADO DEL ARTE
SOLARSAFEWATER (PUERTO IGUAZU – MISIONES – ARGENTINA)
14-15 DE OCTUBRE DE 2004
DISEÑO Y OPERACIÓN DE LA PLANTA
Operación de planta:
n=14
UV
CPC solar
collectors
(150 m2)
N
Vent
S
Water
from
plastic
bottles
washing
plant
Recirculation
Tank
e) Las 4 filas de CPCs
están conectadas en
paralelo y los 14
módulos de cada
fila, en serie
Sampling
valve
T
H 2 O2
P
ORP
Treated
water
d) El sistema es operado
en proceso por lotes
usando un tanque de
recirculación de
2000 L
Hydrogen
peroxide
injection
f) Después del
tratamiento, el agua
es retornada al
sistema de lavado y
el tanque es llenado
con un nuevo lote
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DATOS FINALES DE LA PLANTA
Datos del campo solar:
a) Módulos individuales CPC
compuestos por 20 tubos
paralelos: 2.7 m2/módulo de
superficie
b) 4 filas paralelas con 14
módulos cada una sobre una
plataforma inclinada 37º
(latitud local)
c) Superficie total de captadores:
150 m2
d) Volumen total de
fotorreactores: 1,061 L
e) Volumen total por lote de
tratamiento: 1,500 a 2,000 L
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ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN
1. Reactores fotocatalíticos. Materiales y
factores condicionantes de diseño
2. Reactores basados en lámparas
3. Reactores basados en captadores
solares
4. Desarrollo y diseño de planta de
tratamiento
5. Reflexión final
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PLATAFORMA SOLAR DE ALMERÍA
Mayor y más completa
instalación existente en el
mundo para el ensayo de
tecnologías solares de
concentración y desarrollo
de sus aplicaciones
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PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN
APLICACIONES
MEDIOAMBIENTALES
DE LA ENERGÍA SOLAR
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POTENCIAL DE LA ENERGÍA SOLAR
• Consumo total
anual de energía
(2003): 12 TW
El 70% de la población del
planeta vive dentro de la
denominada “Franja Solar”
(105 E+6 GWh)
• Radiación media
anual de 2200
40 N
kWh/m2
• Eficiencia total de
captación: 35%
• Eficiencia ciclo
combinado: 45%
• Area de captación
que se requeriría:
8 cuadrados de
195 km de lado
(o 500 de 25 km)
35 S
Distribución mundial de la
Irradiación Solar, kWh m-2 año-1
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Muchas
gracias
por
su
atención
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