Archive for the ‘Fuel Cell’ Category
Se había tratado en un post anterior algo semejante para elementos que hacen almacenamiento de energía y creo, que lo había en varios posts. La presente es la gráfica de los principales fuentes de generación de energía eléctrica que están considerados dentro del grupo de las energías renovables. Es una apreciación bien práctica para saber la capacidad de generación por unidad de peso tanto de energía como de potencia. Hay una relación en que hay tecnologías que tienen alta potencia específica pero baja energía específica y viceversa (equipos con alta energía específica y baja potencia específica) a excepción de los elementos de combustión interna que tiene un comportamiento parejo en ambas variables. Hago recordar que las máquinas de combustión interna, se utilizan como respaldo al sistema microgrid en momentos de falta de abastecimiento sea durante condiciones normales o en caso de corte de suministro.
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Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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Desde el año 2008, he venido trabajando haciendo Modelamiento (en caso sea necesario) y simulaciones. Mi situación por aquella época era precaria, así que no me quedo otra que el autoaprendizaje de Matlab/Simulink partiendo por el Help de Matlab y la numerosa literatura disponible gratuita en la web. Hay cosas que necesitan hacer un Modelamiento, son aquellos nuevos casos o aplicaciones particulares y específicas que requieren detalles no contemplados en la literatura. Hay casos en que no es necesario hacer el Modelamiento pues ya hay libros o literatura que te da el o los modelos matemáticos y la tarea que se tiene es escribir en el Matlab/Simulink cada ecuación, enlazarlas y eliminar los errores (que a veces es una tarea épica). Las simulaciones recrean los diversos y diferentes escenarios que se desean conocer, aquí, el criterio del programador es de vital importancia para definir los límites de cada escenario de simulación y la evaluación de los resultados, por lo general gráficas lineales o en 2D ó 3D. Es una herramienta muy poderosa y gran utilidad los programas de programación, en especial, de alto nivel, reducen el tiempo de cálculo y brinda resultados de escenarios que trabajados de manera analítica (a mano) serían más que imposibles. Las únicas herramientas son un software de programación de alto nivel y una computadora. Esto es lo que puede hacer ya que en toda universidad hay computadoras. Sin embargo surge cosas curiosas, por ejemplo la falta de visión en no desarrollo de temas actuales. Por ejemplo, en mi país PERU, se están instalando mas de un ciento de MW de generación eólica y algo menos en generación solar, potencias importantes para nuestro sistema eléctrico nacional que es pequeño, y en este caso, NO hay una colaboración cercana entre Estado – Universidad – Empresa, no hay transferencia de tecnología ni alguna universidad se haya puesto a crear capacidades humanas y tecnológicas para atender tales instalaciones hoy y en el futuro. Hasta quienes como yo, que estoy haciendo algo de renovables, control y muchas simulaciones se nos hace difícil acceder a dichos mercados laborales y hasta resulta que no lo creo que hayan pasado varios meses y hasta ahora no logro que me contraten de nuevo para hacer docencia universitaria (alguna universidad o país se puede interesar en mis capacidades?). Puedo mencionar que quienes realizan simulaciones guardan o tienen muy en práctica, un estricta forma de razonamiento y orden de hacer las cosas, algo difícil de lograr en sistema educativo memorístico. Tal es mi apreciación, que ya desde la escuela y el colegio cursos de programación en programas de alto nivel deberían ya tener, la juventud y niñez captan mucho más rápido las herramientas tecnológicas. Como usuario de Matlab/Simulink y como Admin del Grupo de Matlab más grande de Facebook, ánimo a MathWorks Inc USA a desarrollar un paquete lo bastante básico, inspirador y que no afecte sus expectativas de negocios; para niños y jóvenes. En cuanto a la people universitaria sirve a todas las carreras y mejora mucho el entendimiento de cada tema. Seguiremos haciendo Modelamiento y simulaciones y aportando en este blog y los otros que tengo, y, espero que sirvan e inspiren.
Prestó para servirles.
ATTE:
Jorge Mírez.
Perú.
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El empleo de superficies de platino bien definidas y limpias por J. Clavilier [5], ha permitido profundizar en la comprensión de las propiedades electroquímicas y electrocatalíticas de superficies bien definidas, especialmente el Pt, aunque su método de fabricación y tratamiento de superficies puede ser extendido a otros metales (Au, Rh). Así, se ha podido comprender la influencia de la estructura superficial en los estados de adsorción del platino, modificando radicalmente el concepto que hasta entonces se tenía, y sentando las bases experimentales para el desarrollo de lo que podríamos llamar Electroquímica de Superficies, ciencia sobre que está basada la Electrocatálisis.
Un ejemplo claro de la influencia de la estructura superficial de un electrodo en su comportamiento electroquímico, es la reacción de electrooxidación de metanol para electrodos monocristalinos de Pt y para electrodos de Pt monocristalinos modificados con Ru. En ambos ejemplos, las actividades obtenidas para el proceso de oxidación electroquímica de metanol son diferentes en función de la estructura superficial del electrodo de Pt .
Desde un punto de vista más aplicado, la utilización de estos electrodos no es viable. No obstante, y aunque el efecto de la estructura superficial es más difícil de discernir en nanopartículas de tamaños comprendidos entre 2-5 nm, por motivos geométricos evidentes, queremos destacar en este punto que la obtención de nanopartículas con estructuras superficiales diferentes, y por lo tanto, con densidades de sitios diferentes, debería modificar la actividad del catalizador, siendo ésta una de las alternativas más interesantes en la búsqueda de catalizadores más activos. A este respecto se puede mencionar el trabajo de R. Van Hadeveld sobre el cálculo de los diferentes tipos de átomos superficiales en función del número de átomos totales y de la estructura. En la figura, aparecen reflejados algunos de los modelos geométricos utilizados para llevar a cabo dichos resultados.
Finalmente, otros de los aspectos que se debe de considerar en este tipo de catalizadores y que también está íntimamente relacionado con la estructura superficial de los mismos, es la influencia del tamaño de la partícula, cuya relación área/masa es una forma de expresar la relación átomos supeficiales/átomos en el seno del material y que, parece lógico, debe influir en las propiedades electrónicas superficiales y por ende en sus propiedades electrocatalíticas. En la figura 2, aparece reflejada la relación entre el área superficial y el tamaño de la partícula para nanopartículas de Pt, suponiendo una geometría esférica
Diferentes trabajos han revisado la influencia del tamaño de partícula en la reducción de oxígeno, electrooxidación de CO, metanol, etc.
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La química organometálica, es una rama de la química que estudia el comportamiento de las moléculas que forman un enlace entre un metal y un átomo de carbono. Este enlace químico tiene unas propiedades particulares que modifica enormemente la reactividad de las moléculas orgánicas enlazadas al metal, permitiendo así la construcción de nuevas moléculas difíciles de sintetizar por otros métodos más clásicos. Esta química se sitúa en la frontera entre la Química Orgánica (la química de los compuestos que forma el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno y el oxígeno fundamentalmente) y la Química Inorgánica (el resto de los elementos de la tabla periódica).
Son muchas y muy diversas e importantes las aplicaciones de la Química Organometálica, por ejemplo, la de los químicos Karl Ziegler y Giulio Natta que en año 1963 recibieron el Premio Nóbel por la síntesis de polímeros utilizando como catalizadores compuestos de titanio y aluminio. ¿Porqué fue tan importante este descubrimiento?. La respuesta es tan sencilla como que no nos podríamos imaginar el mundo actual sin plásticos, que no son más que polímeros sintetizados en su mayoría en forma artificial. Los polímeros se producen a partir de moléculas pequeñas (monómeros) que se van uniendo una a una hasta conseguir una cadena muy larga o polímero. Esta unión no es tan fácil de conseguir, pero Zielger y Natta diseñaron unos catalizadores que la facilitan. De manera sencilla, un catalizador de polimerización es una sustancia que se puede imaginar como una máqiuna microscópica que va tomando del entorno moléculas muy pequeñas y las van uniendo una a una hasta formar un polímero.
Un compuesto organometálico es un compuesto en el que los átomos de carbono forman enlaces covalentes (un enlace covalente entre dos átomos o grupos de átomos se produce cuando estos, para alcanzar el octeto estable, comparten electrones del último nivel, la diferencia de electronegatividades no es suficiente), es decir, comparten electrones con un átomo metálico. Los compuestos basados en cadenas y anillos de átomos de carbono se llaman orgánicos y éste es el fundamento del nombre organometálicos.
La electronegatividad es la medida de la capacidad de un átomo (o de manera menos frecuente un grupo funcional) para atraer hacia él los electrones, cuando forma un enlace químico en una molécula. La electronegatividad de un átomo determinado, está afectada fundamentalmente por dos magnitudes: su masa atómica y la distancia promedio de los electrones de valencia con respecto al núcleo atómico.
Un enlace químico es el proceso químico responsable de las interacciones atractivas entre átomos y moléculas, y que confiere estabilidad a los compuestos químicos diatómicos y poliatómicos. La explicación de tales fuerzas atractivas es descrita por las leyes de la química cuántica.
Formalmente, los compuestos organometálicos son aquellos que poseen, de forma directa, enlaces entre átomos de metal (o metaloides) y átomos de carbono, M+δ–C-δ, de mayor o menor polaridad. Es decir, un compuesto es considerado como organometálico si este contiene al menos un enlace carbono-metal. En este contexto el sufijo “metálico” es interpretado ampliamente para incluir tanto a algunos no metales (como el fósforo) y metaloides tales como B, Si y As así como a metales verdaderos. Esto es debido a que en muchos casos la química de los elementos B, Si, P y As se asemeja a la química de los metales homólogos respectivos. Por lo tanto, el término de compuestos organometálicos es también usado ocasionalmente para incluir dentro a los ya mencionados no metales y semimetales. En todos los casos se trata de elementos menos electronegativos que el carbono.
Además del enlace metal-carbono, el metal puede estar unido a otros ligandos formando unidades metal-ligando. El tipo de enlace fundamental entre el carbono y el metal es de tipo covalente, pero también existen compuestos con enlace de dos centros y dos electrones. Además, en los compuestos organometálicos con metales de transición es importante considerar la regla de los 18 electrones.
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El papel es el de proveer un camino energéticamente favorable para la reacción. Cuando a un mismo sobrepotencial, una determinada reacción electroquímica ocurre con velocidades diferentes dependiendo del sustrato electródico, a este fenómeno se le da el nombre de electrocatálisis.
La electrocatálisis puede definirse como el estudio o la determinación de la cinética de una reacción en función de parámetros macroscópicos como potencial aplicado al electrodo, concentración y temperatura.
La electrocatálisis puede definirse como el estudio o la determinación de la cinética de una reacción en función de parámetros macroscópicos como potencial aplicado al electrodo, concentración y temperatura. La electrocatálisis constituye una fuente de información de las reacciones heterogéneas multielectrónicas que implican especies reactivas y productos que transfieren sus electrones en la interfaz electrodo (catalizador)/solución electrolítica (E/E). Otro sistema heterogéneo de importancia tecnológica es aquel que se forma una interfaz sólido/gas.
La electrocatálisis trata sobre reacciones entre las especies que se adsorben sobre la superficie del catalizador. El papel de la superfici electrocatalítica es de proveer un camino energéticamente favorable para la reacción. Naturalmente, con el fin de encontrar una explicación acerca de la actividad catalítica de las sustancias, es esencial examinar las propiedades de la superficie más que en el seno del material. La característica de un átomo en la superficie es que éste tiene menos átomos vecinos que el átomo en el interior o en el seno del material. Esta coordinación no-saturada es la razón por la cual las propiedades electrónicas y vibracionales y algunas veces las posiciones cristalográficas de los átomos en la superficie difieren de la de los átomos en el seno del material. Por otro lado, las palabras activación y superficie del electrodo son términos muy usuales e inexactos que involucran un trabajo experimental y teórico a nivel molecular y/o atómico. La reacción con los sitios de superficie y su reactividad hacia el aducto en la interfaz E/E, puede dar lugar a la formación de complejo(s) de superficie.
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Un catalizador químico es una sustancia que altera la velocidad de la reacción química sin consumirse o generarse en el proceso. En la catálisis heterogénea, el catalizador actúa como un lugar de encuentro para los reactivos y promueve su unión.
El electrodo actúa como sitio o sustrato para la reacción electródica. Un electrodo es un catalizador de las reacciones de transferencia de carga o electrocatalizador, participa de la reacción aportando sitios para la adsorción de intermediarios.
La palabra catálisis se deriva del griego: kata (abajo) y lyein (aflojar, ayudar o facilitar) fue usada por primera vez por Berzelius en 1835. Ya que la catálisis puede resultar de aditivos homogéneos y/o heterogéneos, según el sistema bajo estudio, se ha la distinción entre la catálisis homogénea y la catálisis heterogénea. El uso de este concepto se extendió a los sistemas que comportan una interfaz sólido/líquido. En esta interfaz se llevan a cabo las reacciones electroquímicas. De ahí que la catálisis en sistemas electroquímicas se llame electrocatálisis.
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En esta parte complemento lo hecho en la entrada anterior. Resulta que a partir de la ecuación general de aletas los libros mencionan casos específicos de resolución de tal ecuación considerando la geometría. Así los casos de aleta triangular, cilíndrica y cónica son los más usuales. De su desarrollo analítico deducen ecuaciones para determinar su comportamiento. En el presente figura se da a saber los resultados de la utilización de ecuaciones para el modelo de aletas cilíndricas con dos coeficientes de transferencia de calor por convección. El límite de la aleta no se ha trabajado, debido a ello es que se tiene una parte de la curva ascendente, esto no indica que el modelo es falloso, sino que hay que tener en consideración que estos cálculos son aproximados y las matemáticas funcionan dentro de los límites del modelo. Acá en la figura tenemos margen fuera del modelo y lo dejo así para que vean que quien simula debe tener bastante criterio en la hora de evaluar los resultados (en el momento que se necesita comprender la gráfica).
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Las aletas son utilizados para evacuar calor hacia el medio exterior a un sistema que se desea por lo general enfriar. Existe una ecuación para determinar la distribución de temperaturas a través de una aleta bajo coordenadas cartesianas (amén de todas coordinadas cilíndricas y esféricas). Las geometrías pueden ser variadas entre las más utilizadas esta la forma rectangular y triangular. Para geometrías más complicadas las soluciones analíticas son complicadas y requieren demasiado tiempo y un buen conocimiento de matemáticas. Para palear ello haciendo uso del arte de la programación, se puede programar la misma ecuación diferencial (como se muestra en la figura) y encontrar los perfiles de distribución de temperatura para las diferentes formas de aletas que uno puede imaginar.
El modelo a considerar es que a lo largo de la extensión de la aleta se debe programar la dependencia del perímetro y del área como varía. Simulaciones más precisas pueden ver la dependencia de la conductividad y el coeficiente de transferencia de calor por convección. Pero estos detalles requerirán una capacidad computacional mayor, lo que se muestra es un modelo simple de aleta y que trato de describir mas que todo la curva de temperatura obtenida
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Uno de los diseños que mas me ha llamado la atención y es la de darle una prioridad a cada carga mediante la clasificación en lo que es la calidad de la energía que recibemn. Para lograr ello avances y mejoras en los dispositivos de electrónica de potencia han realizado, pues se muestra que se han implementado numerosos de ellos para obtener las calidades adecuadas en cada una de las partes de la microgrid. No sólo han quedado en utilizar lo que es la corriente alterna, sino también en usar la corriente continua. Esto puede parecer una exageración en todo sentido, pero yo apuesto por que la transmisión de corriente continua va a ser poco a poco implementada y en un futuro de mediano plazo será la forma predominante para el intercambio de energía. Obvio, que tanto equipo electrónico significa avances en lo que es control, optimización y procesamiento de señales. Una fuerte apuesta de las instituciones japonesas en el desarrollo de esta configuración.
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I think what in medium term the electrical distribution in constant voltage will predominant in market electric. It is adventages technical but (today) desadventages economics is main osbtacle. This implementation in ac/dc is very innnovator and electronic power development is a vision to future well conceptualized. Implice too improved in control theory, optimization, signal processing and other topics.
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Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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Relación entre la energía específica y la potencia específica, mostrada en el año 2012, de algunas tecnologías utilizadas en la implementación de microgrids y smartgrids. Se observa que las celdas de combustible han tenido importantes progresos, sin embargo, las baterías aún tienen muchas mejoras y posiblemente con el uso de grafeno dentro de baterias o similares (ultra y super condensadores) la brecha se ampliará. La combustión interna, obvio supera en mucho, debido principalmente a sistemas cada vez más eficientes en capturar la energía química liberada durante la combustión.
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Depending to specific application of distribuited generation, the engineer or researche have a play with technologies diferents to attend need energetic of customers. What tecnology? How much power? How? Where to installed? between other questions are the first step in development a simulation or implementation experimental/demostrative project. This graphics is showing the general state of art in this technologies according to Specific Power and Specific energy.
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Celdas de combustible tienen la perspectiva de ser cada vez más utilizadas en reemplazo de los combustibles fósiles en las unidades de transporte… el presente curva de una celda de combustible que utiliza hidrógeno (proviente de agua) como elemento de trabajo. Estas simulaciones pueden ser usadas en estudios y luego ser comparadas con los experimentos, si es que ya se tiene la celda de combustible o en caso se estén desarrollando los materiales para tal fin.
En las gráficas se presentan todas las condiciones de funcionamiento posibles. la separación entre puntos dan a saber la rapidez de cambio de la variable al cambiar la densidad de corriente. Tiene un parecido al de la celda fotovoltaica en la curva de potencia, con un máximo pico de entrega de potencia.
Las celdas de combustible son un buen tema a desarrollar, lo pueden hacer e interesante desarrollar modelos computacionales de celdas de combustible en las universidades y cenros de investigación. Quizás otros tipos de celdas de combustible se pueden desarrollar y por lo tanto, el código se tendrá que modificar en algo para adaptarse a ese nuevo material.
Hecho en Matlab, luego de numerosos intentos y os espero sirva de mucho.
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Para lo cual se usado la ecuación de activación de sobrepitencial derivado de la ecuación de Butler-Volmer, en donde la densidad de corriente es de 0.7 Amperios por centímetro cuadrados, el valor del coeficiente de transferencia de carga usado para describir la cantidad de energía eléctrica aplicada para el cambio de la variación de la reacción electroquímica es 0.5 y una densidad de corriente de intercambio es de 10(-6.912) y se plotea con rangos de temperatura de 300 K a 400 K y de densidad de corriente de 0 a 1 amperio con incrementos de 0.01 y una temperatura de 300 K… vaya lo que es la nanotecnología 🙂
Hecho en Matlab de MathWorks Inc.
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Comparto la presentación que hice en el Encuentro Científico Internacional ECI de Invierno, exposición de jueves 02 de Agosto del 2012 http://www.encuentrocientificointernacional.org
También mostré los códigos en Matlab, pero eso sólo es para el auditorio que estuvo presente. Gracias por su lectura.
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La entropía es una variable termodinámica que refleja el grado de desorden de un proceso, aunque hay diferentes formas de interpretarlo según los diferentes autores que se puedan citar o recordar en sus textos. Debido a que la sustancia parte de un estado inicial y es sometida a un proceso, se tiene que durante ese proceso ésta sufre modificaciones en su constitución y/o propiedades físicas y/o químicas, lo que deviene a una «degeneración» del estado inicial a otro final de la sustancia, este cambio viene a ser representada por la entropía.
En las celdas de combustible se trabaja tanto con oxígeno, hidrógeno y agua. El agua que al inicio sirve para producir el hidrógeno y oxígeno, y luego de que éstos constituyentes atraviesan las celda de combustible o circuito eléctrico, se reunen nuevamente formando agua, por lo tanto, es necesaria la cuantificación de la entropía de tales sustancias, cosa que se muestra en la figura del presente post para diferentes valores de temperatura debido a que las celdas de combustible generan calor producto de sus mismos procesos.
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Una de las variables termodinámicas importantes es la entalpía, ella refleja el contenido de energía de una sustancia a partir de un estado de referencia. Existen tablas termodinámicas para las diferentes sustancias y se ponen en mayor uso aquellos que están relacionados con la industria.
Dos sustancias bastante usadas en lo que son los estudios de celdas de combustible son el hidrógeno y el oxígeno. Siendo la forma básica de una celda de combustible el tener que utilizar agua para luego descomponerla en sus dos constituyentes: hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno que al interior de la celda de combustible se separa en sus constituyentes, iendo el protón desnudo a través de la membrana protónica y el electrón a través del conductor hacia las cargas eléctricas para luego retornar a la celda de combustible y reunirse formando hidrógeno y agua.
La gráfica mostrada en la presente entrada son las entalpías del hidrógeno y oxígeno en función de la temperatura, toda vez que las celdas de combustible trabajan a cierta temperatura y es necesario tener todos los estados posibles computados para que cuando sea necesario, simplemente se utilice el código desarrollado en Matlab según los fines buscados.
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Good day. My full name is Jorge Luis MIREZ TARRILLO.
I am Peruvian and live in Lima, capital of Perú in South America.I am Mechanical Electrical Engineering, MSc Physics and Dr. Physics (title doctoral thesis: Control, Optimization, and Management of Microgrid Current Direct)
Too, actually job as Principal Professor in Faculty of Oil, Gas and Petrochemical Engineering of Universidad Nacional de Ingeniería (National University of Engineering) in Lima – PERU (Courses: Modern Physics, Differential Equations and Research's Methodology)
My subjects of my interest are control, signal processing, optimization, simulation, biomedical research, smart grid, microgrid, water.
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