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1. Introducción. 30 enero, 2014

Posted by saulcid in 1ª etapa del Método Científico.
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La producción de energía eléctrica a partir de la luz del sol se conoce como “efecto fotovoltaico”, que consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas. Las células están elaboradas con de silicio e impurezas de otros elementos químicos (boro y fósforo), capaces de generar cada una corriente de 2 a 4 A, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V. Estas células se agrupan en serie sobre paneles solares para conseguir un voltaje mayor. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión y otra parte por transmisión. El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente.

El mayor inconveniente que presenta este tipo de tecnología es el coste del equipo y, en algunas ocasiones, el tamaño del campo de paneles. No obstante, en lugares alejados de la red de distribución eléctrica, lo más rentable suele ser instalar energía solar fotovoltaica.

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1.1. Hipótesis 29 enero, 2014

Posted by saulcid in 1ª etapa del Método Científico.
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Es posible diseñar y elaborar una célula fotovoltaica con materiales sencillos y muy económicos. Una vez encontrado un diseño funcional se puede encontrar la relación óptima entre el tamaño y dimensiones de sus diferentes componentes para obtener el máximo rendimiento de la placa fotovoltaica.

2. Materiales y métodos. 28 enero, 2014

Posted by saulcid in 2ª etapa del Método científico.
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MATERIALES.

  • Caja de cartón
  • Papel de aluminio
  • Pintura esmalte
  • Hilo de cobre monopolar
  • Sulfato de cobre, cloruro sódico
  • Pasta dentífrica y limón
  • Polímetro

METODOLOGÍA.

Forramos la tapa de una caja de cartón con papel de aluminio. En el centro delimitamos una franja trasversal pintada con esmalte sintético y sobre la que se montará una resistencia formada con un hilo de cobre monopolar dispuesto en zigzag, zona frontal de resistencia. Esta zona una vez preparada se impregnará con una solución de zumo de limón y pasta dentífrica.

A ambos lados de esta zona quedan dos áreas de papel de aluminio que se cubrirán con una disolución de cloruro sódico y sulfato de cobre y sobre la que posteriormente se esparcirán virutas de acero, zonas semiconductoras laterales.

Comprobada el correcto funcionamiento de la misma se ensayarán distintos tamaños 22×31 y 44×31 cm y en ambos casos se variará la relación entre las distintas zonas (semiconductora izquierda, frontal y semiconductora derecha.) siendo éstas 1:1:1 y 1:2:1.

Las reacciones redox son aquellas en las que se produce una transferencia de electrones entre dos especies. Uno de los reactivos cede electrones y se oxida, especie reductora,  mientras que el que acepta los electrones se reduce, especie oxidante. Las reacciones redox siempre transcurren por sistemas de pares conjugados. El reductor da electrones y se oxida mientras que el oxidante gana esos electrones y se reduce.

Un ejemplo muy sencillo de llevar a cabo es la reacción entre el aluminio metálico y una sal de cobre (II). El aluminio, Al, puede oxidarse perdiendo electrones y convertirse en Al3+, el Cu2+ puede ganar electrones y pasar a Cu según la siguiente reacción:

3 Cu+2 + 2 Al ⇌ 3 Cu + 2 Al+3

 Cuando se trata de equilibrios redox la reacción puede describirse como el resultado de dos semirreacciones, una de reducción:

Cu2+ + 2 e ⇌ Cu

y otra de oxidación:

Al ⇌ Al+3 + 3 e

Para llevarla a cabo basta con poner un poco de alguna sal de cobre (II) (p.e. cloruro de cobre o sulfato de cobre) sobre papel de aluminio (del que se usa en casa) y añadir unas gotas de agua. Al poco tiempo comienza a adquirir un color pardo y se desprenden gases y calor de forma bastante espectacular. Si el papel de aluminio puede llegar a perforarse si fino y hay cantidad suficiente de sal de cobre.

Hay que tener algo de cuidado con las proyecciones ya que la mezcla se calienta bastante (es una reacción exotérmica). El papel de aluminio llega a agujerearse y queda recubierto de un residuo de color pardo. El aluminio se disuelve en el agua y el residuo pardo es el cobre metálico que se forma por reducción.

La espontaneidad de la reacción viene dada por los potenciales redox del cobre y del aluminio:

El potencial de oxidación del Al es:

Al(s) → Al3+(aq) + 3e        +1.68 V

El potencial de reducción del cobre es:

Cu2+(aq) + 2e → Cu(s)           +0.34

Siendo el potencial de la ecuación general +2,02 V

2 Al(s) → 2 Al3+(aq) + 6e         + 1,68 V

3 Cu2+(aq) + 6e → 3 Cu(s)        + 0,34 V

De las cuales la ecuación general del proceso sería:

3 Cu+2 + 2 Al ⇌ 3 Cu + 2 Al+3          + 2,02 V

La Energía libre de Gibbs mide la espontaneidad de una reacción electroquímica. Cuando esta magnitud adquiere valor es negativo la reacción es espontanea en el sentido en el que está propuesta. Si por el contrario la Energía libre de Gibbs es positiva la reacción es espontánea en sentido inverso.

∆G = – n . F . E

Siendo:

∆G = Energía libre de Gibbs

n = número de electrones

F = Faraday, la carga de un mol de electrones, 96500 C

E = Potencial redox de la reacción

Por lo que se deduce analíticamente que la reacción es espontánea.

A las zonas semiconductoras laterales se ha añadido una disolución saturada de NaCl, CuSO4 y virutas de acero con lo que de todo lo anterior se deduce que en estas zonas tenemos un coctel de iones y metales:

 

 

Proceso redox

Pot. reduc

Pot oxidac.

Aniones: Cl

2Cl(aq) → Cl2(g) + 2e

– 1,36

Cationes: Fe+3

Fe2+(aq) + 2e → Fe(s)

+ 0,77

Cu+2

Cu2+(aq) + 2e → Cu(s)

+ 0,34

Na+

Na+(aq) + e → Na(s)

– 2,71

Metales: Al

Al(s) → Al3+(aq) + 3e

+ 1,68

Por el contrario en las zonas laterales se instaló una resistencia formada con un hilo de cobre monopolar sobre una superficie esmaltada. Posteriormente se roció con una disolución de zumo de limón, ácido cítrico, y pasta dentífrica, fluoruro de socio.

En este caso  el coctel de iones y metales es el siguiente:

 

 

Proceso redox

Pot. reduc

Pot oxidac.

Anión: F

2F(aq) → F2(g) + 2e

– 2,87

Catión: Na+

Na+(aq) + e → Na(s)

– 2,71

Metal: Cu

Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e

– 0,34

Las mezclas de los productos químicos son sencillas llevando las mezclas hasta el punto de saturación, Agua con sulfato de cobre (II) y agua con cloruro sódico. Es importante ir diluyendo progresivamente la disolución de sulfato de cobre (II)  para evitar que esta degrade por completo el papel de aluminio. Para ello se ensaya previamente este paso aparte. Encontrando las siguientes concentraciones óptimas:

  • En 250 ml de jugo de limón, disolver una medida de crema dental (lo que echamos en el cepillo de dientes, 1,5 g de media)
  • En 250 ml de agua añadimos 3 g de cloruro de sodio y 0,8 g de sulfato de cobre (II).

Otras precauciones a tener en cuenta en el montaje son:

  • procurar que la celda con la “resistencia” quede completamente aislada del resto del panel.
  • Revisar los contactos y asegurarse que el sol incida directamente sobre la superficie de la placa.

El conjunto una vez formado se expone a Sol lo que activa los procesos redox y se activa el funcionamiento.

El objeto de este trabajo es estudiar la relación la superficie de las distintas zonas de la placa. Para ello se prepararon dos tipos de relación entre superficies en dos tamaños distintos:

Dimensiones 22×31 cm:

Relación área semiconductora izda.-frontal-semiconductora drcha. 1:1:1

Relación área semiconductora izda.-frontal-semiconductora drcha. 1:2:1

 P111

Fig 1: Relación 1:1:1

P121

Fig 2: Relación 1:2:1

Dimensiones 44×31 cm:

Relación área semiconductora izda.-frontal-semiconductora drcha. 1:1:1

Relación área semiconductora izda.-frontal-semiconductora drcha. 1:2:1

G111

Fig 1: Relación 1:1:1

G121

Fig 2: Relación 1:2:1

Una vez acabada la construcción de la base del panel se ha procedido a la instalar la resistencia de cobre en a modo de zigzag en la zona frontal, encima esmaltada. Se procede a establecer las conexione: un polo conectado a la resistencia de cobre y la otra al papel de aluminio que recubre la base.

Sobre las  zonas semiconductoras laterales se aplica son un pincel la disolución NaCl y la de CuSO4. Posteriormente se esparcen virutas de acero por encima.

Por el contrario sobre la semiconductora intermedia se aplica zumo de limón y una disolución con fluoruro de sodio, pasta dentífrica.

Después de esperar entre 2 y 4 horas para que todos los procesos electroquímicos se estabilicen se exponen los paneles al sol y mediante un polímetro se procede a registrar la intensidad u el voltaje de la corriente generada.

3. Resultados 22 enero, 2014

Posted by alvarobbrro in 3ª etapa del Método Científico.
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Una vez expuestos al Sol todos los paneles se has registrado los siguientes valores de voltaje e intensidad:

  • Dimensiones 22×31 cm,  relación áreas 1:1:1, Voltaje 2,26 V, Intensidad 0,15 A
  • Dimensiones 22×31 cm,  relación áreas 1:2:1, Voltaje 2,14 V, Intensidad 0,17 A
  • Dimensiones 44×31 cm,  relación áreas 1:1:1, Voltaje 2,30 V, Intensidad 0,16 A
  • Dimensiones 44×31 cm,  relación áreas 1:2:1, Voltaje 2,52 V, Intensidad 0,17 A

A medida que aumentan las dimensiones de las placas aumenta la energía obtenida en las mismas (aumento de la fuerza electromotriz y de la intensidad).

La relación entre las distintas zonas (semiconductora izquierda, frontal y semiconductora derecha) no parece influir en los valores de voltaje e intensidad registrados.

En cuanto a la duración de las mismas se ha apreciado que las de mayor tamaño duran más tiempo, 55 días,  que las más pequeñas, 38 días.

 

4. Discusión y conclusiones. 20 enero, 2014

Posted by alvarobbrro in 3ª etapa del Método Científico.
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De todo lo anteriormente expuesto podemos concluir que es posible construir una célula fotovoltaica con materiales de uso cotidiano y con un coste mínimo.

Cabe matizar que dada la composición química de sus componentes esta placa no es una célula solar propiamente dicha. En realidad se trata de una de una pila electroquímica ya que en ella tiene lugar una reacción electroquímica. A pesar de ello la luz del Sol activa el proceso, y solo en presencia de luz los electrolitos reaccionan con el metal, por lo que sería una pila electroquímica solar.

Por otro lado cuanto mayor sea la superficie de la placa mayor es la energía que se puede obtener de ella. Del mismo modo se ha comprobado que la relación de la dimensiones entre las distintas áreas o zonas de las placas influye significativamente en el rendimiento de las mismas siendo la relación entre las zonas semiconductora izquierda, frontal y semiconductora derecha. 1:2:1 resultó ser sensiblemente más eficiente.

A los 55 días -paneles grandes- o 38 días –paneles pequeños- empieza a disminuir el voltaje generado por lo que se debe reemplazar el papel de aluminio por otro nuevo y volver a preparar las soluciones, prueba del carácter electroquímico del panel. Si bien en los paneles más pequeños hay que proceder a remplazar antes sus componentes ya que la cantidad de estos es menos debido a sus dimensiones.

En cuanto a la duración de los paneles se aprecia que los más grandes duran más tiempo ya que la cantidad de electrolitos, metales y otros reactivos es mayor. Esto es consecuencia más del carácter electroquímico del panel que de su carácter fotovoltaico.

Hay que recordar que en las placas fotovoltaicas no se produce un deterioro de los materiales en un periodo de tiempo breve, días o meses. Por el contrario las pilas electroquímicas agotan los reactivos de los electrodos y precisan de su reposición para que sigan funcionando.

5. Bibliografía 9 enero, 2014

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  • GLANVILLE, R. Científica. La guía completa del mundo de la ciencia.  Edición: Quality, Servicios Globales Editoriales, S.A. Producción: h.f.ullmann publishing GmbH. Potsdam, Alemania 2008. ISBN 978-3-8480-0078-4

Dosier fotográfico 8 enero, 2014

Posted by alvarobbrro in 2ª etapa del Método científico.
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WP_20140109_013

Foto1. Tapa de una caja de paquetes de folios como base del panel.

WP_20140109_020

 

Foto2. Forrado con papel de alumnio de la base del panel.

 

WP_20140109_014

Foto 3. Pintado de la zona semiconductora intermedia con esmalte sintético.

WP_20140109_016

Foto 4. Primera fase de la construcción de los paneles.

WP_20140109_023

Foto 5. Pintado de la segunda capa de la zona intermedia semiconductora.

WP_20140109_025

Foto 6. Relación de tamaños de los distintos paneles ensayados y la relación entre sus áreas centrales y laterales 1:2:1 y 1:1:1.

IMG_0471

Foto 7. Montaje de la resistencia central.

IMG_0486

Foto 8. Vista en perspectiva del panel acabado.

Buenas prácticas. 31 diciembre, 2013

Posted by saulcid in Derechos de autor.
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plagioSabías que…

  • Si valoras las ideas originales y auténticas,
  • Si valoras y respetas los derechos de autor,
  • Si valoras la inicitiva propia,
  • Si valoras el trabajo de los demás,
  • Si valoras el trabajo auténtico y creativo y las ideas propias de otras personas…

… entonces “eres de libro”.

El plagio atenta contra la propiedad intelectual y pone en peligro la creacción y producción de nuevas obras. Por eso, si nos gusta seguir leyendo buenos libros, escuchar música nueva, ver fantásticas películas… debemos respetar las obras y a los autores que nos han regalado ya parte de su talento.

Nosotros 12 diciembre, 2013

Posted by alvarobbrro in Nosotros.
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Somos Álvaro (izquierda) y Saúl (derecha) dos estudiantes de 2º de Bachillerato de Ourense y alumnos de las Aulas Tecnópole desde hace dos años.

En 2012 realizamos nuestro primer trabajo de investigación diseñando una estación flotante termoeléctrica para generar electricidad:  TERMOELECTRICIDAD. APLICACIÓN DE LAS PLACAS PELTIER A LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN PLATAFORMAS FLOTANTES con el que participamos en la Galiciencai del Parque Tecnológico de Galicia y en la XIII Exporecerca Jove de Barcelona.

Si queréis saber más cosas de nosotros y de las Aulas Tecnópole podéis visitar los enlaces del menú superior: Alvaro Babarro, Saúl Cid y Aulas Tecnópole.

Agradecimientos 8 enero, 2013

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