5th LACCEI International Latin American and Caribbean

Ninth LACCEI Latin American and Caribbean Conference (LACCEI’2011), Engineering for a Smart Planet, Innovation, Information
Technology and Computational Tools for Sustainable Development, August 3-5, 2011, Medellín, Colombia.
Generación de Energía Perpetua a Partir de Celdas de
Hidrogeno
Heine Morantin
Universidad APEC, Santo Domingo, República Dominicana, [email protected]
Juan Isidro Brito
Universidad APEC, Santo Domingo, República Dominicana, [email protected]
Pablo Mercader
Universidad APEC, Santo Domingo, República Dominicana, [email protected]
Katherine Hilario
Universidad APEC, Santo Domingo, República Dominicana, [email protected]
RESUMEN
Dada las condiciones precarias y los recursos que existen en los países sub-desarrollados, es necesario innovar e
invertir en fuentes de energía renovables que sean sustentables y que sea costeable para los sectores de bajos
recursos. El objetivo principal es idear una máquina que pueda operar con los requerimientos mínimos
energéticos y de bajo mantenimiento, que sea capaz de generar electricidad a partir de hidrogeno con la
implementación de celdas de combustibles como fuente generación, para que pueda generar energía de forma
autónoma y sin producir contaminantes al ambiente. Este proyecto está orientado hacia sectores con baja
capacidad adquisitiva y cuyo acceso a otras fuentes de energía sean limitados. De forma tal que puedan tener un
sistema que siempre este generando energía de forma limpia y a la vez ofreciendo una alternativa mucho más
económica.
Palabras claves: Hidrogeno, Celdas, Sensores, Baterías, Inversor.
ABSTRACT
Given the precarious conditions and resources that exist in underdeveloped countries, it is necessary to innovate
and invest in renewable energy sources that are sustainable and that is affordable for low-income sectors. The
main objective is to devise a machine that can operate with minimum energy requirements and low maintenance,
capable of generating electricity from hydrogen with the implementation of fuel cells as power generation, which
can generate power independently and without producing pollutants into the environment. This project is targeted
sectors with low purchasing power and with limited access to other energy sources So that they can have a system
that is always creating a clean energy while offering a much cheaper alternative.
Keywords: Hydrogen, Cells, Sensors, Batteries, Power Inverter.
1. Objetivos


Construir un sistema de generación de electricidad basado en las celdas de hidrógeno.
Crear un sistema de control que automatice el proceso.
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2. Idea Conceptual
Se pretende crear un dispositivo que pueda producir la suficiente energía eléctrica para alimentar una casa basado
en una celda de combustible utilizando hidrógeno como combustible, a la vez elaborar un sistema de control, el
cual automatice el proceso de generación y de seguimiento de cómo se está realizando. Por otro lado este
dispositivo debe velar por la seguridad del equipo en sí, es decir, verificar si hay fugas, mal funcionamiento, falta
de materia prima, entre otros.
3. Proceso de Operación del Proyecto
Los procesos que conformarían el proyecto serian: Una matriz central, sensores de seguridad, tanque de agua,
banco de celdas, banco de baterías, sensores de procesos y un inversor. Estos se detallaran a continuación:
3.1. Matriz Central
Figura 1: Un PIC18F4550 en Físico
Dentro de esta parte habrá un micro controlador que no es más que un circuito integrado que está conformado de
tres partes funcionales en un ordenador que son: Unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de
entrada y salida. Estos son diseñados para reducir el costo de fabricación así como el consumo de energía de un
sistema en particular.
En este proyecto emplearemos el PIC18F4550, el cual se puede apreciar en la figura 1. Este tiene como
características:







Una memoria tipo Flash
32Kb de memoria del programa
2Kb de memoria RAM
Puede trabajar a 48 MHz
Tiene 40 pines en total
Rango de voltaje operativo entre 2V y 5.5V
Tiene un rango de temperatura de trabajo entre -40 a 85 ᵒC
El micro controlador que utilizara, (el cual será el núcleo de todo el sistema), será el ya mencionado PIC18F4550,
el cual gracias a su cantidad de pines y que además que con este se puede crear una interfaz USB que permite al
dispositivo comunicarse con un ordenador, para esto emplearemos las librerías definidas por el fabricante. Con
esto podremos pasar las informaciones concernientes a la producción del equipo la cual es captada por los
sensores de proceso y los sensores de seguridad.
La cuales se plantea que sean visualizadas a través del mismo ordenador, vía web y una LCD grafica que estará de
manera local cerca del sistema. En este caso utilizaremos como lenguaje de programación python para escribir el
código que se comunicara con el PIC18F4550 que estará programado en lenguaje ensamblador y para la parte
web utilizaremos como base HTML, PHP, JavaScript y Django. Como es un sistema de generación que planea
utilizarse de forma privada se empleara una conexión VPN con la computadora que está conectada al equipo,
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además de la aplicación de un sistema de encriptación para que así se pueda interactuar con el sistema de por vía
remota. Además del micro controlador y el puerto USB estarán otros buses de datos los cuales se comunicaran
con las otras partes del sistema para que los datos puedan circular en ambas direcciones.
3.2. Pantallas LCD
Las pantallas de cristal líquido son una tecnología de pantallas pasivas. Esto significa que las LCD no emiten luz,
sino que manipulan la luz del ambiente. Al manipular esa luz, las LCD producen imágenes con baja energía. Esta
característica hizo que las LCD fueran la tecnología preferida cuando se trabaja con aplicaciones que requieren
bajo consumo de energía. Una LCD es básicamente una parte reflectora. Esta necesita luz del ambiente para
reflejarla hacia los ojos del usuario. En aplicaciones donde la luz del ambiente es baja o no existe, una fuente de
luz
puede
ser
usada
detrás
de
la
LCD,
a
esto
se
le
llama
“backlighting”. La luz de fondo puede ser lograda usando electroluminiscencia o con una fuente de luz LED.
El tipo de LCD que usaremos es una LCD gráfica. Las LCD graficas se encuentran disponibles en módulos. Los
módulos gráficos ofrecen la mayor flexibilidad en el formateo de los datos en la pantalla. Estas permiten el uso de
texto, gráficos, imágenes, o cualquier combinación de estas. Ya que el tamaño de los caracteres es definido por
software, los módulos gráficos permiten cualquier lenguaje o cualquier tipo de letras. Las limitaciones son puestas
por la resolución. Los módulos gráficos son organizados en filas (horizontales) y columnas (verticales) de pixeles.
Cada pixel es direccionado individualmente, lo que permite que cualquier pixel pueda estar prendido o apagado.
Las pantallas graficas están disponibles en una gran variedad de configuración de 64x32 a 640x480 pixeles
(columnas x filas). Desde un punto de vista de software, hacer interfaz con LCD gráficos es por lo menos en un
orden de magnitud más complejo que hacer interfaz con otro tipo de LCD. En la figura 2 podemos ver los tipos de
LCD.
Figura 2 : Tipos de LCD
La LCD que pretendemos utilizar es una del tipo gráfica, la cual tendrá las siguientes características:




Tiene una resolución 128x64 puntos
Rango de voltaje operativo entre -0.3V y 5.5V
Trabaja con una corriente de 8mA
Tiene una luz trasera que ilumina la pantalla
Esta se puede apreciar en la figura 3.
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Figura 3 : Una LCD Grafica de 128x64 Puntos
3.3. Sensores
Los sensores o transductores, en general, son dispositivos que transforman una cantidad física cualquiera, por
ejemplo la temperatura, en otra cantidad física equivalente, digamos un desplazamiento mecánico. En este reporte
nos referiremos principalmente a los sensores eléctricos, es decir aquellos cuya salida es una señal eléctrica de
corriente o voltaje, codificada en forma análoga o digital. Los sensores posibilitan la comunicación entre el
mundo físico y los sistemas de control, tanto eléctricos como electrónicos, utilizan doce extensivamente en todo
tipo de procesos industriales y no industriales para propósitos de monitoreo, control y procesamiento.
En un sentido más amplio, el uso de los sensores no se limita solamente a la medición o la detección DC
cantidades físicas. También pueden ser empleados para medir o detectar propiedades químicas y biológicas.
Asimismo, la salida no siempre tiene que ser una señal eléctrica. Por ejemplo, muchos termómetros utilizan como
sensor una lámina vi metálica, formada por dos metales con diferentes coeficientes de dilatación, la cual produce
un desplazamiento (señal mecánica) proporcional a la temperatura (señal térmica).
De hecho, desde un punto de vista teórico, tanto la entrada como la salida de un sensor pueden ser una
combinación cualquiera de los siguientes seis tipos básicos de variables existentes en la naturaleza:
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



Variables mecánicas. Longitud, área, volumen, flujo másico, fuerza, torque. Presión, velocidad,
aceleración, posición, longitud de onda acústica, intensidad acústica, etc.
Variables térmicas. Temperatura, calor, entropía, flujo calórico, etc.
Variables eléctricas. Voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia, constante dieléctrica,
polarización, campo eléctrico, frecuencia, momento bipolar, etc.
Variables magnéticas. Intensidad de campo, densidad de flujo, momento magnético, permeabilidad. etc.
Variables ópticas. Intensidad, longitud de onda, polarización, fase, reflectancia, transmitancia, etc.
Variables químicas o moleculares. Composición, concentración. Potencial redox, rata de reacción,
pH. olor, etc.
3.4. Sensor de Hidrogeno
Un micro sensor de gas es un transductor miniatura que detecta moléculas de gas y produce una señal eléctrica
con una magnitud proporcional a la concentración de gas. Un micro sensor de hidrogeno es un sensor miniatura
cuya operación es diseñada específicamente para detectar hidrogeno, pero es insensible a la mayoría de otros
gases. Los micro sensores de hidrogeno tienen muchas ventajas sobre los instrumentos convencionales para
detección de gases. Son de bajo costo, fáciles de mantener, compactos, duraderos, confiables, y pueden ser
operados por una persona de pocas habilidades.
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Los micros sensores tienen una gran cantidad de usos domésticos e industriales. Estos sensores pueden ser usados
en detectores de escapes de gas, y también pueden ser utilizados como monitores de concentración de hidrogeno.
Otra aplicación es juntar un sensor de hidrogeno con uno o más sensores de otro tipo de gas para saber el nivel de
concentración de un gas en la mezcla de gases o para determinar la composición en la mezcla de gases.
Estas aplicaciones demandan alta calidad de los micro sensores de hidrogeno. Para el detector de escape de gas, la
sensibilidad y la rapidez de la respuesta de tiempo son prioridades en el diseño del sensor. Para aplicaciones en las
que se pongan dentro de un aparato, que sea compacto, que tenga disipación baja de potencia, y se le deba dar
poco mantenimiento serian factores clave. En todas las aplicaciones, confiabilidad y solidez son requisitos básicos
para la comercialización satisfactoria de los micro sensores de hidrogeno.
El sensor de hidrogeno que pretendemos utilizar es el TGS821, él tiene una alta sensibilidad a las concentraciones
bajas de hidrógeno lo que nos permitirá detectar de inmediato cuando haya un mínimo escape de hidrogeno se
presente en la celda de hidrogeno. Este se puede apreciar en la figura 4.
Figura 4 : Un Sensor TGS821
3.5. Nivel de Voltaje en Baterías
Se necesita monitorear un conjunto de baterías de 12v. Cuando el voltaje de la batería cae debajo de 10.5 V, se
desea conectarla a un cargador para que esta recobre su estado previo de carga. Cuando el voltaje de la batería
alcanza 13.5 V, se desea que se desconecte el cargador. Por tanto, Vlt=10.5 V y Vut=13.5 V. Utilizaremos un
Voltaje de histéresis de 3 V, un voltaje central de 12 V, un voltaje de referencia de -15V y un voltaje de saturación
de ±13.0 V. Estos voltajes se encuentran mediante las ecuaciones que se muestran a continuación.
;
;
Elegimos arbitrariamente una resistencia de 10k, hallamos m y n despejando esos valores de las ecuaciones
anteriores, resultando m=1.25 y n=8.66, por lo tanto tendremos dos resistencias variables ajustadas en los valores
86.6kΩ para la resistencia nR y un valor de 12.5kΩ para la resistencia mR.
Cuando el voltaje de la batería cae debajo de 10.5 V, el Vo se vuelve negativo, liberando el relevador a su
posición normal cerrada. Los contactos por lo general cerrados del relevador (NC) conectan el cargador a la
batería. El diodo d1 protege al transistor contra polarización inversa excesiva cuando Vo= -Vsat.
Cuando la batería se carga a 13.5 V, Vo cambia a +Vsat, el cual enciende el transistor y opera el relevador. Sus
contactos NC se abren para desconectar el cargador. El diodo D2 protege tanto al amplificador operacional como
al transistor contra los transitorios desarrollados por el campo magnético al abrirse el relevador. A continuación
en la figura 5 se muestra el circuito a ser utilizado:
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Figura 5 : Esquemático del Circuito de Nivel de Voltaje
3.6. Sensor de Nivel
Los controles de nivel son dispositivos o estructuras hidráulicas cuya finalidad es la de garantizar el nivel del agua
en un rango de variación preestablecido. Existen algunas diferencias en la concepción de los controles de nivel,
según se trate de: canales; plantas de tratamiento; tanques de almacenamiento de agua o un embalse.
Los controles del nivel máximo del agua en un tanque de almacenamiento tienen la doble función de garantizar la
seguridad de las estructuras y de evitar el desperdicio de agua. El control del nivel máximo se hace mediante
un sensor de nivel conectado en alguna forma, ya sea mecánica o electrónica con la operación de una válvula a la
entrada del tanque. Como todo mecanismo siempre puede fallar en el momento de su operación, es importante
que el tanque disponga de un sistema de seguridad de funcionamiento totalmente automático como por ejemplo
un vertedero libre, eventualmente conectado con una alarma.
El control del nivel mínimo del agua tiene la función de garantizar el buen funcionamiento del sistema evitando la
entrada de aire en la tubería que se encuentra aguas abajo del tanque, como por ejemplo en la red de distribución
de agua, o en la succión de la o las bombas. En este caso también el sistema está compuesto por un sensor de nivel
conectado a una alarma, para que el operador intervenga, o en sistemas más sofisticados, el sensor actúa
directamente, para aumentar la entrada de agua al tanque.
El sensor que utilizaremos es un SLW 121_S_WT_MS_RD. Este sensor de nivel de agua es favorable para los
líquidos que tienen una conductividad de igual o más de 25m Siemens. El sistema es económico de instalar ya
que no se requiere un cable especial para la transmisión de la señal. La sonda de nivel y la unidad de evaluación
se pueden conectar mediante un cable largo. La corriente alterna se proporciona en la punta de prueba para
prevenir el deterioro del electrodo. Esto se puede apreciar en la figura 6.
Figura 6 : Diagrama del Sistema de Nivel de Agua
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3.6.1. Aplicaciones
Los SLW interruptores de nivel de agua en serie trabajan para mantener un nivel constante de agua para evitar el
desperdicio de material en su planta de proceso. Las aplicaciones comunes incluyen la conmutación bombas de
encendido y apagado para evitar el desbordamiento, el funcionamiento en seco y que indica el nivel de agua en un
tanque vacío para evitar el desgaste y la interrupción de la producción.
3.6.2. Principio
Un voltaje de corriente alterna de baja se aplica entre el electrodo de la sonda y la pared del tanque (o electrodo de
referencia en el caso del tanque de aislamiento). Cuando el agua y el líquido entra en contacto con la punta del
electrodo, una trayectoria conductora se establece entre el electrodo de sentido y la pared del tanque / electrodo de
referencia. Esta corriente es detectada, amplificada y hacer funcionar un relé cuyos contactos, a su vez puede ser
utilizado para el anuncio / control.
3.7. Banco de Celda
Para exponer esta parte debemos conocer cómo funciona una celda de combustible. En principio, una celda de
combustible opera como una batería. A diferencia de una batería, una pila de combustible no se agota ni requiere
recarga. Se producen energía en forma de electricidad y calor, siempre y cuando el combustible se suministra.
Una pila de combustible consiste en dos electrodos intercalados alrededor de un electrólito. Oxígeno pasa sobre
un electrodo e hidrógeno sobre el otro, de generación de electricidad, agua y calor. En la figura 7 se puede
observar cómo opera una celda de combustible.
Figura 7 : Esquema de Funcionamiento de una Celda de Combustible
El combustible de hidrógeno se alimenta en el "ánodo" de la célula de combustible. El oxígeno (o aire) entra en la
célula de combustible a través del cátodo. Animado por un catalizador, el átomo de hidrógeno se divide en un
protón y un electrón, que tomar caminos diferentes hacia el cátodo.
El protón pasa a través del electrólito. Los electrones crean una corriente separada que puede ser utilizado antes
de que regresen al cátodo, para reunirse con el hidrógeno y el oxígeno en una molécula de agua.
Un sistema de celda de combustible que incluye un "reformador de combustible" puede utilizar el hidrógeno a
partir de cualquier combustible de hidrocarburo - a partir de gas natural en metanol, y la gasolina, incluso. Desde
la celda de combustible se basa en la química y no de combustión, las emisiones de este tipo de un sistema
todavía sería mucho menor que las emisiones procedentes del combustible cuando los procesos de combustión
más limpia.
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En cuanto a la celda de combustible que implementaremos en nuestro proyecto será del tipo regenerativa la cual
nos permitirá energía mientras haya una presencia constante de combustible, en nuestro será la misma agua la cual
sometemos a una electrolisis previa para generar la condición previa para hacer la celda produzca electricidad a
partir de la unión del hidrogeno y el oxígeno al atravesar las dos barras que contienen el electrolito para que sea
posible la generación de corriente eléctrica.
3.8. Banco de Agua
Figura 8 : Ejemplo de un Banco de Agua
Este banco es aquel que almacenara el agua que utilizara en el proceso. Este recipiente tiene la función de
almacenar y proveer el agua que utilizara las celdas de combustibles, esto es debido a que esta se debe mantener
funcionando siempre y cuando se necesite. El contenedor tendrá un sensor de nivel el cual indicara a que nivel
está el banco de forma que pueda indicarle al propietario a que nivel de agua se encuentra. Dentro de su estructura
tendrá una compuerta la cual se activara cuando las celdas de combustibles necesiten agua de este para reiniciar el
proceso de la misma. Un ejemplo de este equipo es la figura 8. El tanque que emplearemos será uno de 50 galones
al cual se le adaptaran las características que requiere el proyecto para su correcto desarrollo.
3.9. Banco de baterías
Batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, se le denomina al dispositivo que
almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su
totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador
eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad
previamente mediante lo que se denomina proceso de carga. Son aquellas que tendrá la función almacenar la
energía generada por el banco de celdas. También una de esta será la que del impulso inicial al banco de celdas
para que haga la electrolisis y active dicho banco. La cantidad de baterías vendrá dado por la potencia que vaya a
entregar el inversor pero entre sus características están:
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

6 Voltios DC
225 Amperes Horas
Ciclo Profundo
17 Placas por Celdas
790 Ciclos de Vida, Aproximadamente
Duración Promedio: 4 años, sujeta al mantenimiento requerido
116 minutos de reserva a 75 Amps de descarga
Electrolito de 1270g/cm3.
Peso aproximado de 64 libras.
3.10.
Inversor
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Los convertidores de CD, (Corriente Directa), a CA, (Corriente Alterna), se conocen como inversores. La función
de un inversor es cambiar voltaje de entrada en CD a un voltaje simétrico de salida en CA, con la magnitud y
frecuencia deseadas. Tanto el voltaje de salida como la frecuencia pueden ser tipos fijos o variables. Si se
modifica el voltaje de entrada de CD y la ganancia del inversor se mantiene constante, es posible obtener un
voltaje variable de salida. Por otra parte, si el voltaje de entrada en CD es fijo y no es controlable, se puede
obtener un voltaje de salida variable si se varía la ganancia del inversor. La ganancia del inversor se puede definir
como la relación entre el voltaje de salida en CA y el voltaje de entrada en CD.
En los inversores ideales, las formas de onda de voltaje de salida deberían ser senoidales. Sin embargo, en los
inversores reales no son senoidales y contienen ciertas armónicas. Para aplicaciones de mediana y baja potencia,
se pueden aceptar los voltajes de onda cuadrada o casi cuadrada; para aplicaciones de alta potencia, son necesarias
las formas de onda senoidales de baja distorsión. Dada la disponibilidad de los dispositivos semiconductores de
potencia de alta velocidades, es posible minimizar o reducir significativamente el contenido armónico del voltaje
de salida mediante las técnicas de conmutación.
Los inversores se pueden clasificar en dos tipos: monofásicos y trifásicos. Pero sus partes son las mismas que son:
etapa de modulación, etapa de conversión y etapa de potencia
En nuestro caso emplearemos un inversor monofásico, el cual tendrá una potencia de 2Kw y será desarrollado de
forma que pueda se pueda comunicar con la matriz central para que dependiendo de las condiciones que presenten
los sensores el inversor este pueda poner a cagar las baterías o no y/o suministrar corriente alterna a los equipos
que se vaya a utilizar a partir de este.
4. Proceso Conjunto
Ya que hemos definido cada parte del proceso ahora veremos como este trabajaría en conjunto. Todo comenzaría
con el banco de agua el cual estará conectado al banco de celdas para suministrarle agua cuando lo necesite, el
mismo contara con un sensor de nivel de agua para verificar por donde está el tanque de agua y también contara
de una escotilla la cual se abrirá o cerrara cuando el sensor de nivel del banco de celdas así lo indique.
Dentro de la parte que corresponde a la celda de hidrógeno esta deberá poseer una protección, la cual cubrirá la
celda en sí. El otro sensor estará en la parte exterior del equipo, esto es como parte de las medidas de seguridad
que habrá que tomar dado a que el hidrógeno es un gas inflamable. En el ámbito de funcionamiento en si este
tendrá dos juegos de placas, una positiva y la otra negativa, hechas de una material electrolítico que permita la
electrolisis inicial y la obtención de corriente directa a partir de este. El mismo contara con un sensor que indique
cuando termina un ciclo de producción para así recargar la celda empleando agua fresca del tanque, mientras que
el agua sobrante puede ir a la cámara de agua o emplearse para otro fin.
Luego que se produce la corriente directa esta pasa a alimentar el inversor, cual se encargara de cargar las baterías
y de transformar la corriente directa en corriente alterna para poder proveer dicha corriente a los equipos que se
piensen alimentar. Independientemente de que el inversor este en uso o no, este estará en modo de carga siempre
y cuando no se esté utilizando la corriente alterna del inversor, este podría estar solamente cargando las baterías
hasta que estén un 100% de la carga. Ahora cuando la corriente alterna vuelva a estar en uso, la parte encargada
de cargar las baterías entrara en funcionamiento cuando estas alcancen un 40% de su carga total.
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Autorización y Renuncia
Los autores autorizan a LACCEI para publicar el escrito en las memorias de la conferencia. LACCEI o los
editores no son responsables ni por el contenido ni por las implicaciones de lo que esta expresado en el escrito
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