Universidad Tecnológica de Querétaro

Firmado digitalmente por Universidad Tecnológica de Querétaro Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad Tecnológica de Querétaro, o=UTEQ, ou=UTEQ, [email protected], c=MX Fecha: 2016.05.12 20:57:11 -05'00'

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO

Nombre del proyecto:

“SISTEMA ELECTRÓNICO PARA INCREMENTO DE ENERGÍA ACOPLADO CON CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS”

Empresa: CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO EN ELECTROQUÍMICA, S.C.

Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de: INGENIERO EN ENERGÍAS RENOVABLES

Presenta: GARITA MEZA MANUEL ALEJANDRO

Asesor de la UTEQ

Asesor de la Organización

Dr. Hugo Manuel Hernández Hernández

Dra. Bibiana Cercado Quezada

Santiago de Querétaro, mayo de 2016

1

Resumen Las celdas de combustible microbianas (CCMs) generan baja potencia eléctrica útil (densidades de corriente y tensión eléctrica), en comparación con otros métodos alternativos, sin embargo, es posible aprovechar cierta parte de esta energía mediante el acoplamiento de circuitos electrónicos que permitan incrementar la potencia. En esta investigación, se desarrolló un sistema electrónico para el incremento de energía acoplado a un arreglo de tres CCMs, con el objetivo de alimentar dispositivos electrónicos de baja potencia. Dicho sistema, es la combinación de un circuito de carga-descarga de capacitores con un ladrón de Joules, el cual ha sido validado mediante una serie de pruebas de funcionamiento y aplicando fórmulas matemáticas como la constante de tiempo. Adicionalmente, el arreglo de tres CCMs se caracterizó por medio de curvas de polarización para conocer con detalle su capacidad de producir energía.

Palabras clave: CCMs, Circuitos Electrónicos, Potencia eléctrica, Ladrón de Joules, Capacitores

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Summary I did my internship project at CIDETEQ which was called “Electronic System to Increase Energy for Coupling with Microbial Fuel Cells”. It consisted in designing and developing an electronic power management system to harvest the electric current from an array of microbial fuel cells. This project is a new concept because it has never been reported an investigation like this before therefore I made massive article reviews to find the necessary information for its design. Furthermore I applied a series of tests to validate its correct operation, for example mathematics formulas like the Time Constant and electrochemical techniques

by

using

laboratory

measuring

equipment

like

a

potentiostat/galvanostat. Although all of these types of activities were new and difficult to me, I worked with a great academic advisor who always supported me and even helped me to publish my project in a scientific publication. For these reasons this internship has been an incredible learning experience.

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Dedicatorias Este trabajo se lo dedico primeramente a mi familia que siempre la tengo presente en mi memoria y en mi vida, porque este trayecto de formación académica y personal también lo viví con ustedes. A mis maestros, aquellos que invirtieron su tiempo con clases de calidad y que además muchos de ellos se convirtieron en mis amigos a través de los años. A mis mejores amigos, quienes compartieron conmigo grandes experiencias. De igual forma he aprendido mucho de ustedes.

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Agradecimientos En cada una de las etapas más importantes de mi vida mi familia siempre estuvo conmigo para apoyarme, por eso quiero agradecerles especialmente a cada uno de ustedes: Mami Caty, eres la mejor persona que he conocido en el mundo, gracias por tus consejos, por los ánimos que me diste para seguir adelante, por ser la más grande inspiración en el mundo para mí. Papi Mane, para mi tú eres el padre más trabajador del mundo pero sobre todo eres mi ejemplo a seguir porque siempre diste tu mayor esfuerzo, más de lo que podías dar, te amo papá. Hermanito Pablo, te admiro por tu gran fuerza y valentía, por tu sencillez y humildad, por tu simpatía y calidez con las que te diriges a las personas. Hermano, te agradezco por tu enorme paciencia hacia conmigo. Hermanita Jazmín, gracias por todos los momentos de diversión que has compartido conmigo y por haber depositado en mí la confianza que hoy nos une. Por último pero no menos importante, agradezco a mis abuelos: Abuelo Gapo, Abuela Julia quien me cuida desde el cielo y a mi Abuela Irene, porque ustedes fueron un apoyo moral importante para terminar esta etapa.

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Índice

Resumen ............................................................................................................. 2 Summary ............................................................................................................. 3 Dedicatorias ........................................................................................................ 4 Agradecimientos ................................................................................................. 5 Índice .................................................................................................................. 6 I.

Introducción .................................................................................................. 8

II. Antecedentes................................................................................................ 9 III.

Justificación ............................................................................................. 11

IV.

Objetivos ................................................................................................. 12

IV.I Objetivo General...................................................................................... 12 IV.II Objetivos Específicos ............................................................................. 12 V. Alcance ....................................................................................................... 13 VI.

Análisis de Riesgos ................................................................................. 14

VII.

Fundamentación Teórica ......................................................................... 16

VII.I El capacitor ............................................................................................. 16 VII.II Capacitores cerámicos .......................................................................... 17 VII.III Capacitores electrolíticos ..................................................................... 17 VII.IV Carga eléctrica del capacitor ................................................................ 18 VII.V Constante de tiempo ............................................................................. 19 VII.VI Corriente Eléctrica ................................................................................ 21 VII.VII Voltaje ................................................................................................. 22 VII.VIII Potencia ............................................................................................. 22 VII.IX Simbología Eléctrica ............................................................................ 23 VII.X Ladrón de Joules................................................................................... 24 VIII. Plan de Actividades ................................................................................. 26 IX.

Recursos Materiales................................................................................ 27

IX.I Pruebas preliminares............................................................................... 27 IX.II Celdas de Combustible Microbianas ...................................................... 27

6

IX.III Lixiviado de composta ........................................................................... 28 IX.IV Buffer de fosfato de potasio .................................................................. 28 IX.V Caracterización fisicoquímica del lixiviado de composta ........................ 29 IX.VI Ladrón de Joules................................................................................... 31 IX.VII Caracterización de las celdas .............................................................. 31 X. Desarrollo del Proyecto .............................................................................. 31 X.I Diagramas Eléctricos................................................................................ 32 X.II Modo de operación .................................................................................. 33 X.III Construcción de los circuitos .................................................................. 34 X.IV Aplicación de la Constante de Tiempo (CT) ........................................... 35 X.V Análisis Preliminar................................................................................... 36 X.VI Desarrollo del Sistema ........................................................................... 37 X.VII Caracterización fisicoquímica del lixiviado de composta ....................... 38 X.VIII Ladrón de Joules.................................................................................. 38 X.IX Conexión del circuito 1 con el ladrón de Joules ..................................... 40 X.X Caracterización de las celdas ................................................................. 41 X.XI Pruebas de funcionamiento del circuito 3 .............................................. 42 XI.

Resultados Obtenidos ............................................................................. 43

XIII.I Caracterización Fisicoquímica ............................................................... 45 XIII.II Ladrón de Joules .................................................................................. 45 XIII.III Conexión del circuito 1 con el Ladrón de Joles ................................... 46 XIII.IV Curvas de polarización de las CCM’s ................................................. 46 XII.

Conclusiones y Recomendaciones ......................................................... 50

XIII. Bibliografía

7

I.

Introducción

La UNIVERSIDAD TENOLÓGICA DE QUERÉTARO a través de un sistema de competencias ofrece a la comunidad estudiantil un método de formación profesional, en las modalidades TSU e INGENIERÍA, conformado por 70% práctica y 30% teoría. Al término de su formación académica en ambas modalidades, el alumno desarrolla un proyecto en el campo laboral o de investigación para aplicar los conocimientos y habilidades adquiridos durante su estancia en la universidad. En este trabajo se representa el proyecto de investigación del alumno Manuel Alejandro Garita Meza desarrollado en el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica (CIDETEQ, S.C.) titulado “Sistema de almacenamiento de energía para acoplamiento con celdas de combustible microbianas” para cumplir con el protocolo de educación y obtener el grado de Ingeniero en Energías Renovables. Este proyecto tiene como objetivo aprovechar la energía eléctrica generada por una fuente biológica para alimentar dispositivos electrónicos.

8

II.

Antecedentes

La tecnología en las celdas de combustible microbianas (CCM’s) ha sido un tema importante de investigación desde los últimos diez años porque ofrecen una solución para contribuir con la sustentabilidad ambiental. Realizan simultáneamente la remoción de agentes contaminantes y la generación de energía. Las CCM’s utilizan microorganismos electro activos para convertir la energía química almacenada en energía eléctrica. Por otra parte, la corriente eléctrica puede ser utilizada para otras funciones tales como la producción de H2 con la ayuda de las celdas de electrólisis, o la desalinización usando las celdas microbianas de desalinización. Sin embargo, uno de los retos principales, para que las CCM’s puedan utilizarse en aplicaciones del mundo real, es la baja energía de salida. Comparados con otros sistemas de energía alterna como la solar y eólica, las CCM’s son un sistema de bajo rendimiento debido a limitaciones termodinámicas, además de la complejidad para el control de cada componente: materiales, microorganismos y diseño de celda. Uno de los puntos importantes que se ha descuidado en gran medida es como recuperar y utilizar la energía generada. Ya que la energía directa producida por las CCM’s comúnmente no es suficiente para aplicaciones prácticas, muchos tipos de circuitos electrónicos han sido desarrollados para acoplarse con la arquitectura de las celdas. Estos circuitos electrónicos funcionan como sistemas de gestión de energía (SGE). Un SGE es un circuito con componentes electrónicos como capacitores, convertidores boost, multiplicadores de tensión,

9

diodos, inductores y potenciómetros que tienen la función de obtener la energía generada de las CCM’s y distribuirla a la carga. (Wang, Park, & Zhiyong, 2015) Sin embargo, en la mayoría de los casos aunque se apliquen estos circuitos de gestión, la potencia de salida sigue siendo demasiado baja como para conducir directamente cualquier carga eléctrica, por lo que es necesario almacenar la carga producida por las CCM’s como primer paso. Un capacitor es el dispositivo ideal para almacenar la carga y además ha sido ampliamente utilizado en los diseños de circuitos acoplados a las CCM’s, por su alta capacitancia y porque puede cargar y descargarse rápidamente, lo cual resulta importante en la aplicación práctica de la energía. (Shiting, Xue, Yuan, Liang, & Huang, 2013)

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III.

Justificación

La densidad de corriente generada por las celdas de combustible microbianas es muy baja en comparación con otras fuentes alternas de energía y no es posible utilizarla para fines prácticos debido su bajo voltaje; no obstante, al emplear circuitos electrónicos es posible aprovechar cierta parte de la energía generada con el propósito de almacenarla y finalmente darle una aplicación en el mundo real para alimentar dispositivos que requieran baja potencia, en el orden de mW. Adicionalmente, el desarrollo de esta tecnología es una contribución importante para detener los efectos negativos del cambio climático en el mundo porque proveen energía sin contaminar al medio ambiente.

11

IV.

Objetivos

IV.I Objetivo General Diseñar y construir un sistema de almacenamiento de energía eléctrica para acoplamiento con celdas de combustible microbianas y darle una aplicación práctica a la energía generada por las mismas.

IV.II Objetivos Específicos 

Seleccionar y construir en tablero de pruebas (protoboard) el circuito que servirá como medio de almacenamiento de energía.



Realizar pruebas de funcionamiento para posibles correcciones y/o modificaciones del circuito.



Realizar pruebas para aplicación de la energía almacenada.

12

V.

Alcance

El proyecto “Sistema Electrónico para Incremento de Energía Acoplado con Celdas de Combustible Microbianas” pretende obtener un circuito electrónico que cumplirá con la función de aprovechar la energía eléctrica proveniente de un arreglo de celdas de combustible microbianas, y utilizar este circuito para alimentar dispositivos que requieran baja potencia, en el orden de mW.

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VI.

Análisis de Riesgos

Existen diversos factores de riesgo que pueden afectar el funcionamiento del proyecto, en la tabla 1 se encuentra una clasificación de ellos. En efecto, el 77% de estos factores se relacionan directamente con las celdas de combustible microbianas debido a que son un sistema biológico de generación de corriente eléctrica; es decir, los microorganismos presentes en la celda son los encargados de generar esta corriente. Si los factores de riesgo provocan que se detenga la actividad eléctrica de los microorganismos, secuencialmente la celda dejará de generar energía.

GRAVEDAD

Alta

Tabla 1. Lista de posibles riesgos que afecten la viabilidad del proyecto      

Baja

     

A Inactividad microbiana Deformidad de la membrana Saturación de biopelícula Fracturación de la membrana Cambio del pH en anolíto y/o catolíto Contaminación cruzada B Generación excesiva de gas Generación de residuo biológico infeccioso Oxidación del material eléctrico Equipo de medición dañado Polaridad invertida Caídas de tensión en el circuito Baja

 

   

C Bajo voltaje de salida de las celdas Desprendimiento de las cámaras (anódica y catódica) de la celda

D Pérdidas de masa (evaporación del buffer) Alteraciones de la actividad microbiana por cambios de temperatura Contaminación microbiana en el buffer Transistor dañado por campos magnéticos Alta

PROBABILIDAD

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En la tabla 1 se puede observar que la mayoría de los factores de riesgo se concentran en los cuadrantes A, B y D, pero es conveniente enfocarse en los cuadrantes A y C ya que de acuerdo con la clasificación, en estas listas se encuentran los factores de mayor riesgo y probabilidad; es decir, estos son los que podrían perjudicar aún más en comparación con la lista de los cuadrantes B y D. Para atender las listas A y C se propuso elaborar al menos 2 celdas de repuesto y 240 mL de lixiviado de composta extra, puesto a que no es posible cambiar la membrana de una celda en operación, o separar el anolíto del catolíto (en caso de contaminación cruzada). En el caso del cuadrante B, estos factores de riesgo se han colocado en probabilidad y gravedad baja porque es posible resolverlos con mayor facilidad; por ejemplo, si se genera una cantidad excesiva de gas en la cámara catódica la solución más adecuada es retirar el tapón de la cámara para la extracción de los gases y posteriormente volver a colocar el tapón. Por último, se propuso elaborar 240 mL de buffer extra para resolver dos de los factores de la lista del cuadrante D. El tercero de los factores restantes está relacionado directamente con los materiales de los circuitos electrónicos, así que si alguno de estos se daña es necesario reemplazarlo por un componente nuevo y funcional.

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VII.

Fundamentación Teórica

VII.I El capacitor En los circuitos electrónicos diseñados para almacenar la energía eléctrica, el capacitor es el elemento más importante pues es el componente que cumple con dicha función. Por tal motivo es necesario mencionar ciertos conceptos relevantes para comprender con detalle el funcionamiento de los capacitores, tales como capacitancia, capacitor y capacidad. 

Capacitancia Es la propiedad física que tienen algunos dispositivos eléctricos para almacenar carga y energía eléctrica.



Capacitor Es un dispositivo eléctrico, al que también suele llamarse condensador eléctrico, que tiene la propiedad física de almacenar carga y energía eléctrica.



Capacidad Es la expresión de la magnitud de la capacitancia del condensador en Faraday, representada por F.

El capacitor es un dispositivo formado por dos conductores eléctricos de gran superficie, llamados placas eléctricas que se encuentran separadas por cierta 16

distancia. El capacitor o condensador opera con base al principio de campo eléctrico, el cual ocurre cuando se le aplica un potencial eléctrico en sus conductores y se genera un campo eléctrico uniforme de magnitud constante De acuerdo a su construcción física, existen dos tipos de capacitores eléctricos: 

Capacitor cerámico: Constituido de placas separadas por un material aislante sólido.



Capacitor electrolítico: Formado por dos placas separadas por un material aislante líquido o en forma de pasta semilíquida.

VII.II Capacitores cerámicos Son aquellos capacitores que no tienen polaridad y están construidos con dos películas conductoras eléctricas separadas por un material aislante, llamado dieléctrico, como el plástico, la cerámica, la mica el papel parafinado, entre otros. Por lo general sus capacidades son pequeñas, las cuales van desde los 10 picofaradios hasta aproximadamente 10 microfaradios, a pesar de esto se consideran los más comerciales gracias a que pueden soportar altos voltajes, hasta el orden de 1500 V.

VII.III Capacitores electrolíticos Son aquellos dispositivos construidos pos dos conductores eléctricos en forma de cilindros concéntricos, que se encuentran sumergidos dentro de una 17

sustancia aislante liquida similar al aceite. Estos capacitores tienen polaridad eléctrica positiva y negativa, lo cual se debe tener en cuenta al conectarse a la corriente eléctrica, ya que en lugar de invertir su polaridad, el capacitor se destruirá. Manejan altos valores de capacitancia, pero por el contrario su voltaje es bajo, por lo general del orden de 15 a 200 V.

VII.IV Carga eléctrica del capacitor La capacidad del condensador o capacitor se define en función de la carga eléctrica total de las placas con respecto al potencial eléctrico o voltaje aplicado. Matemáticamente, la capacidad del capacitor se define mediante el cociente de la carga eléctrica entre el potencial eléctrico, como se representa en (1) según los autores (Vega Pérez, 2014).

𝐶=

𝑄 𝑉

(1)

Donde C es la magnitud de la capacidad, también comúnmente conocida como capacidad del capacitor; Q es la carga eléctrica y V es el potencial eléctrico En el sistema internacional la unidad de medición de la capacidad es el Faradio (F) que constituye el cociente del coulomb entre el volt, tal como se representa en (1.1)

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𝐹=

𝑄 𝑉

F = Faradio (F)

(1.1)

Q = Coulombs (C) V = Volts (V)

VII.V Constante de tiempo Existe una forma de conocer el tiempo de carga y descarga de un condensador utilizando una fórmula sencilla. Este tiempo se calcula multiplicando el valor de la resistencia del circuito por la capacitancia del condensador, al producto de esta multiplicación se le llama constante de tiempo. Dicha fórmula se representa en (2) (J. Fowler, 1994):

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝐶𝑇) = 𝑅𝐶

(2)

Dónde  R = Valor de la resistencia (ohms)  C = Capacitancia del condensador (Faradios)  CT = La rapidez del tiempo de carga o descarga (segundos) Según (J. Fowler, 1994) al haber transcurrido una constante de tiempo, el capacitor se habrá cargado o descargado, con ayuda de una resistencia eléctrica, en un 63.2%. En la Fig. 1, se puede observar gráficamente el comportamiento de esta constante de acuerdo a la cantidad de veces aplicada en la fórmula. 19

a)

Ciclo de Carga 120

86.5

% de carga

100

95

98.2

99.3

99.8

3

4

5

6

63.2

80 60 40 20 0 0

1

2

Constantes de tiempo

b)

Ciclo de Descarga % de descarga

120 100 80 60

36.8

40

13.5

20

5

1.8

0.7

0.2

3

4

5

6

0 0

1

2

Constantes de Tiempo

Fig. 1. Descripción gráfica de la constante de tiempo según la cantidad de veces aplicada en la fórmula (1). La Fig. 1a) describe el perfil de los ciclos de carga, así mismo la Fig. 1b) describe el perfil de los ciclos de descarga.

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VII.VI Corriente Eléctrica La corriente eléctrica es el movimiento de partículas cargadas en determinada dirección. A la corriente que circula siempre en el mismo sentido por un conductor se le llama corriente continua que se abrevia CC, la corriente circulará continuamente. Fluye en el mismo sentido a lo largo del conductor. Es el tipo de corriente que proporcionan las baterías de coche. La corriente alterna, abreviada CA, es el tipo de corriente que se usa en las casas y escuelas. Es el tipo de corriente que periódicamente invierte el sentido de movimiento. La corriente en todos los hilos de cualquier casa invierte su sentido cada 1/120 de segundo. (J. Fowler, 1994). Independientemente de cualquier tipo de corriente, este parámetro es simbolizado por I y la unidad de medida de la corriente eléctrica es el ampere, la cual puede calcularse con la ecuación (3) (Boylestad, 2004):

𝐼=

𝑄 𝑡

I = ampere (A)

(3)

Q = coulombs (C) t = segundos (s)

La letra 𝐼 se eligió a partir de la palabra francesa intensité.

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VII.VII Voltaje El voltaje o diferencia de potencial es una señal de cuanta energía se encuentra involucrada en el movimiento de una carga entre dos puntos en un sistema eléctrico. Una diferencia de potencial o voltaje siempre se mide entre dos puntos en el sistema y se mide en Volts, simbolizado por V, como se muestra en (4):

𝑉=

𝑊 𝑄

V = Volts (V)

(4)

W = Joules (J) Q = Coulombs (C)

De otra forma, la diferencia de potencial o voltaje aplicada a un circuito eléctrico es la presión ejercida para poner al sistema en movimiento y causar el flujo de carga o corriente (Boylestad, 2004).

VII.VIII Potencia La potencia es una indicación de cuánto trabajo puede efectuarse en una cantidad específica de tiempo, es posible calcularse usando (5). La unidad eléctrica de medición para la potencia es el watt simbolizada por W (Boylestad, 2004):

𝑊=

𝐽 𝑇

W = Watts (W)

(5)

J = Joules (J) T = Tiempo (s)

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Representándolo de esta manera, un motor grande tiene más potencia que un motor pequeño porque puede convertir más energía eléctrica en energía mecánica en el mismo periodo.

VII.IX Simbología Eléctrica La simbología eléctrica se utiliza en el diseño de los diagramas eléctricoselectrónicos para describir todos los elementos que intervienen en el sistema de alimentación y distribución de energía. En la tabla 2 se pueden observar algunos de estos símbolos. Tabla 2 Simbología eléctrica aplicada en diseño de circuitos Símbolo

Descripción

Función Se compone de dos terminales conductoras

Condensador/

separadas por un material dieléctrico, y la

Capacitor

energía

se

almacena

en

el

campo

electrostático (Wang, Park, & Zhiyong, 2015).

Funciona como interruptor que bloquea el Diodo/Diodo LED regreso de la energía. Un led es también un diodo cuyas siglas significan “light-emitting diode”. (Rashid, 2004)

Fuente de voltaje Es un componente que proporciona potencia eléctrica (López Sánchez, 2002)

Resistencia

Es un componente que ejerce una oposición al

eléctrica

paso de la corriente eléctrica (Hübscher & 23

Klaue, 1991) Ferrita

Un componente pasivo diseñado para resistir

Toroidal/Inductor

cambios en la corriente

(Token Passive

Components, 2010)

Dispositivo Transistor

formado

por

tres

capas

de

semiconductores extrínsecos que poseen tres terminales: emisor, base y colector. Diseñado para controlar la forma y, por lo tanto, la conductividad de un canal que transporta un solo tipo de portador de carga (Liarte, 1993)

VII.X Ladrón de Joules El ladrón de Joules es un circuito electrónico diseñado para impulsar la salida del potencial eléctrico acumulado en una fuente de energía. Este dispositivo es comúnmente utilizado para extraer el voltaje de las pilas o baterías descargadas. El ladrón de Joules se considera como una herramienta sustentable debido a que es capaz de encender un dispositivo de baja escala como un LED utilizando una fuente de voltaje contaminante (pila alcalina) casi inservible. Según (Zbar & Malvino, 2001) los LED’s tienen una caída de voltaje característica de 1.5 a 2.5 V para corrientes de entre 10 y 40 mA pero la caída exacta dependerá del color, tolerancia y otros factores, por ejemplo un LED verde de 3 mm a 20 mA requiere de 3 V como mínimo para encender. Es decir, 24

si una pila alcalina tiene un voltaje de salida menor a 3 V no será capaz de encender el LED, no obstante si se acopla un ladrón de Joules a la pila, el LED tendrá la potencia necesaria para encender.

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VIII.

Plan de Actividades

Título de Proyecto: Sistema Electrónico para Incremento de Energía Acoplado con Celdas de Combustible Microbianas Estudiante: Manuel Alejandro Garita Meza Universidad Tecnológica de Querétaro Carrera: Ingeniería en Energías Renovables. Asesora Externa: Dra. Bibiana Cercado Quezada. Semanas ACTIVIDAD

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ENTREGABLES

Revisión bibliográfica

información digital

Selección y construcción en protoboard de los circuitos que servirán como medio de almacenaje Realización de pruebas de funcionamiento para posibles correcciones y/o modificaciones Realización de pruebas para aplicación de la energía almacenada Redacción de Tesis

Reporte parcial

Presentación en congreso

Poster impreso

Reporte parcial Reporte parcial Reporte parcial

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IX.

Recursos Materiales

IX.I Pruebas preliminares En la etapa de pruebas preliminares se utilizaron dos circuitos electrónicos cuyos materiales para su ensamblaje se muestran en la siguiente lista: 

1 LED verde



Una fuente de voltaje de 7V



1 LED rojo



1 protoboard



2 resistencias de 1kΩ



1 cronómetro

Además de dos protoboard, una para cada circuito y una lista de 10 capacitores de diferente capacitancia (ver tabla 3).

IX.II Celdas de Combustible Microbianas Las celdas estaban compuestas de una cámara anódica con 120 mL de lixiviado de composta como susbtrato, y de una camada catódica con 120 mL de buffer de fosfato de potasio, ambas cámaras cubiertas con una tapa de plástico, y se encontraban separadas por una membrana circular de polisulfonatos de 4.3 cm de diámetro. En cada cámara se encontraba un electrodo hecho de fieltro de carbono de 2 x 2 cm con un alambre de titanio de 10 cm de largo. Estos electrodos se colocaban fijamente en las tapas de plástico de la celda tal como se puede observar en la Fig. 2.

27

1

2 3

Fig. 2. Arquitectura de la celda de combustible microbiana En la Fig. 2 se puede observar los componentes principales de la celda como lo son: 1) Membrana 2) Electrodos 3) Cámaras: Anódica y Catódica

IX.III Lixiviado de composta El lixiviado de composta se preparó realizando una mezcla de 200 mL de humus de lombriz comercial con 10 mM de Acetato de sodio y 150 mM de Cloruro de Potasio, dicha mezcla se mantuvo en agitación a 70 rpm durante 24 h y finalmente se centrifugó a 1000 rpm durante 2 min.

IX.IV Buffer de fosfato de potasio El buffer de fosfato de potasio (50 mM, pH 7) se preparó realizando una mezcla de los siguientes compuestos que se diluyeron en 1 L de agua destilada: 28

𝑲𝑪𝒍 + 𝑲𝟐 𝑯𝑷𝑶𝟒 + 𝑲𝑯𝟐 𝑷𝑶𝟒 

1.832 g de 𝐾𝐶𝑙



1.661 g de 𝐾2 𝐻𝑃𝑂4



2.109 g de 𝐾𝐻2 𝑃𝑂4

IX.V Caracterización fisicoquímica del lixiviado de composta Se realizaron distintas mediciones para conocer las características físico químicas del lixiviado de composta, como lo son: la demanda química de oxígeno (DQO), sólidos totales, conductividad eléctrica y pH.

Para la prueba de la DQO se introdujo 2 mL de una muestra diluida de 1:500 de lixiviado de composta en una solución de dicromato de potasio, posteriormente esta mezcla se mantuvo en un reactor a 150 °C durante dos horas. Y finalmente se retiró la mezcla del reactor para medir la demanda química de oxígeno con ayuda de un espectrofotómetro

La prueba de sólidos totales se realizó por duplicado utilizando muestras de 12 mL del lixiviado de composta sin diluir, dos crisoles de cerámica, pinzas de acero inoxidable, una mufla, una estufa y un desecador. En la Fig. 3 se muestra un diagrama de bloques que describe el desarrollo de la técnica con la cual es posible medir 3 parámetros: sólidos totales, sólidos suspendidos volátiles y sólidos fijos, utilizando las fórmulas (6), (7) y (8) respectivamente.

29

𝐴−𝐵 𝑋 100 𝐶

%𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 =

% 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑆𝑢𝑠𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑉𝑜𝑙á𝑡𝑖𝑙𝑒𝑠 =

% 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝐹𝑖𝑗𝑜𝑠 =

(6)

𝐴−𝐷 𝑋100 𝐶

(7)

𝐷−𝐵 𝑋100 𝐶

(8)

Inicio

Pesar 25-50 g de muestra en crisol Peso C

Ignición en mufla 550 °C por 1 h

Cápsulas a peso constante 550 °C por 1 h

Evaporar en parrilla a 200 °C

Enfriar en desecador

Enfriar en desecador

Secar en horno a 150 °C por 1 h

Peso B

Peso A

Peso D

Fin

Fig. 3 Diagrama de elaboración de la técnica de sólidos totales

Por último, la conductividad eléctrica y el pH se midieron utilizando un multímetro portátil OAKTON PCD 650.

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IX.VI Ladrón de Joules El Ladrón de Joules se ensambló conectando la siguiente lista de componentes electrónicos con base al diagrama eléctrico que más adelante se muestra en la Fig. 6. 

1 Ferrita Toroidal



1 LED verde de 3 mm



1 Resistencia de 1 KΩ



1 protoboard



1 Transistor 2N3904

IX.VII Caracterización de las celdas Se realizó un método llamado “Curva de polarización” a las tres celdas para medir la tensión eléctrica de salida y la intensidad de corriente utilizado un potenciostato BioLogic-VSP. Este método se desarrolló mediante la conexión de un banco de resistencias (RESISTANCE DECADE BOX, 72-7270, Tenma) a los polos positivo y negativo de la celda. Los valores de resistencia externa variaron en un rango de 56 000 a 33 Ω por un periodo de 2 min en cada valor de resistencia.

X.

Desarrollo del Proyecto

Cabe mencionar que antes de iniciar con la etapa de desarrollo del sistema, fue necesario realizar una etapa de experimentación previa, la cual consistió en construir dos diferentes circuitos electrónicos para cargar diez condensadores (cada uno a diferente capacitancia) con el propósito de seleccionar, con base a los resultados del tiempo de carga-descarga y a la capacitancia, cuales son los 31

más adecuados para utilizar como medio de almacenamiento de energía proveniente de las CCM’s, ya que de acuerdo con (Shiting, Xue, Yuan, Liang, & Huang, 2013), estos componentes son la mejor opción para realizar dicha tarea.

X.I Diagramas Eléctricos En la Fig. 4 se encuentran los diagramas de los circuitos que se utilizaron para esta etapa de pruebas preliminares. a)

b)

Fig. 4. Diagramas eléctricos de prueba Fig. 4a): Circuito indicador de cargadescarga de capacitores con señal luminosa Fig. 4b): Circuito de cargadescarga de capacitores con resistencia eléctrica. Los materiales que se utilizaron en cada uno de los circuitos fueron los siguientes: a) Un LED verde (L1) y rojo (L2), una resistencia de 1kΩ (R1), una fuente de voltaje (7 V), un protoboard y un cronómetro. b) Una resistencia de 1kΩ (R1), una fuente de voltaje (7 V), un multímetro, un protoboard y un cronómetro.

32

Así mismo, los diez capacitores mencionados anteriormente en la sección IX.I y sus características eléctricas se encuentran enlistados en la tabla 3. Tabla 3. Lista de capacitores utilizados en los circuitos Capacitor

Tipo

Voltaje (V)

C (μF)

1

Electrolítico

160

1

2

Electrolítico

25

22

3

Electrolítico

25

100

4

Electrolítico

100

220

5

Electrolítico

63

1000

6

Electrolítico

25

2200

7

Cerámico

100

0.1

8

Cerámico

250

0.1

9

Cerámico

250

0.6

10

Cerámico

250

4.7

X.II Modo de operación Si al circuito de la Fig. 4a) se le aplica un voltaje, el circuito indica cuando el capacitor (C1) se encuentra en ciclo de carga a través de una señal luminosa proporcionada por el componente L1, y de la misma manera cuando se encuentra en ciclo de descarga con el componente L 2. Se requiere iniciar el cronómetro mientras el componente L1 o L2 se encuentran encendidos para medir el tiempo de carga o descarga según sea el caso.

33

En cambio para el circuito de la Fig. 4b) es necesario utilizar un multímetro y conectarlo en las terminales positiva y negativa del capacitor para verificar cuando éste se haya cargado o descargado; y de igual manera es preciso encender el cronómetro mientras el multímetro está midiendo el voltaje del capacitor.

X.III Construcción de los circuitos Una vez conocido el modo de operación de los circuitos, se prosiguió a su construcción en protoboard para realizar las pruebas y verificar, de acuerdo al funcionamiento descrito la sección X.II, el momento en que el capacitor en prueba ha terminado su ciclo de carga o descarga. Los resultados de la prueba se encuentran en la tabla 4. Tabla 4. Tiempos de carga y descarga de diferentes capacitores Capacitor CT R (Ω) C(μF) T Carga (s) T Descarga(s) 1 5 1000 1 1 1 2

5

1000

22

1

1

3

5

1000

100

1

1

4

5

1000

220

1

1

5

5

1000

1000

5

4

6

5

1000

2200

10

9

7

5

1000

0.1

1

1

8

5

1000

0.1

1

1

9

5

1000

0.6

1

1

10

5

1000

4.7

1

1

34

Es importante mencionar que al realizar estas pruebas se obtiene una medición del tiempo aproximado, ya que para conocer un resultado más preciso se debe aplicar la fórmula de la Constante de Tiempo. Sin embargo, se logró realizar la prueba de concepto para la función de carga y descarga del condensador.

X.IV Aplicación de la Constante de Tiempo (CT) Como se mencionó previamente en la sección VII.V de la Fundamentación Teórica, es posible conocer el tiempo de carga y descarga de los capacitores con mayor precisión aplicando cinco veces la constante de tiempo, tal como se muestra en el ejemplo de la Fig. 5.

Fig. 5. Circuito de prueba con resistencia y capacitor Por lo tanto

𝑪𝑻 = 5 ∗ 1000𝛺 ∗ 0.000022 𝐹 = 𝟎. 𝟏𝟏 𝒔 Los resultados de estos cálculos para cada uno de los condensadores se muestran en la tabla 5. 35

1

Tabla 5. Cálculo de la CT en los capacitores utilizados CT Resistencia (Ω) Capacitancia (μF) Velocidad de carga-descarga (s) 5 1000 1 0.005

2

5

1000

22

0.11

3

5

1000

100

0.5

4

5

1000

220

1.1

5

5

1000

1000

5

6

5

1000

2200

11

7

5

1000

0.1

0.0005

8

5

1000

0.1

0.0005

9

5

1000

0.6

0.003

10

5

1000

4.7

0.0235

Capacitor

X.V Análisis Preliminar De acuerdo con los resultados obtenidos con la ecuación de la Constante de Tiempo y a la experimentación realizada con los circuitos, los condensadores 1 y 2 de la lista son los más indicados para trabajar en los circuitos como medio de almacenamiento gracias a que estos son los que presentan el ciclo de cargadescarga más corto. A pesar de que los condensadores 7 y 8 tienen un tiempo más corto de carga y descarga en comparación con los condensadores 1 y 2, la desventaja que presentan es que tienen un 50% menos de capacitancia. Es decir, los condensadores 1 y 2 tienen mayor capacidad para almacenar carga en un tiempo relativamente corto. Por estas razones se decidió continuar el desarrollo del proyecto manejando los capacitores 1 y 2 cuyas características eléctricas se pueden observar en la tabla 2. Además, se ha comprobado que 36

ambos circuitos de la Fig. 2 pueden cumplir con la función de cargar y descargar los capacitores, pero la diferencia entre éstos es que en el circuito 2a existe un 50% mayor de desgaste de energía debido a la presencia de un led, que consume al menos 3 V, y una resistencia eléctrica de 100 Ω colocados entre la fuente y el capacitor, por el contrario en el circuito 2b solo existe una resistencia eléctrica de 100 Ω, es por eso que este último fue seleccionado como el circuito de almacenamiento de energía, el cual se nombró como “Circuito 1”

X.VI Desarrollo del Sistema Una vez terminada la etapa de pruebas preliminares, se prosiguió a la construcción de un arreglo de tres celdas de combustible microbianas que funcionaban como la fuente de voltaje orgánica. Sin embargo, antes del acoplamiento de las celdas con el circuito 1, fue necesario estabilizar las reacciones electroquímicas que ocurrían en las mismas para provocar que la generación que energía fuera constante. Dicha tarea se logró conectando las celdas a un potenciostato y determinando el Voltaje de Circuito Abierto (OCV por sus siglas en inglés). El resultado final de esta medición en cada una de las tres celdas se puede observar en la tabla 6

37

Tabla 6. Tensión eléctrica máxima de salida de las celdas Celda

Resultado de OCV, V

1

0.744

2

0.753

3

0.768

.

X.VII Caracterización fisicoquímica del lixiviado de composta Como se mencionó anteriormente en la sección II, las celdas de combustible microbianas generan una corriente eléctrica a través de la interacción de microorganismos electro activos presentes en un substrato, en este proyecto el lixiviado de composta se utilizó como susbtrato y fuente de microorganismos pues este material es capaz de generar una corriente eléctrica sin necesidad de aplicarle ningún potencial de arranque. Más adelante en la tabla 7 se mostrarán los resultados de la caracterización fisicoquímica realizada al lixiviado de composta.

X.VIII Ladrón de Joules En la tabla 6 se puede observar que el voltaje de salida en cada una de las tres celdas es menor a 1 V así que para aumentar este voltaje se conectaron en un arreglo en serie con el cual se obtuvo un resultado de 2.33 V. No obstante, para alimentar el dispositivo LED seleccionado en esta prueba se requiere de al menos 3 V según el proveedor “Electrónica AMMA Querétaro”. Es por eso que se desarrolló un circuito electrónico para aumentar el voltaje de salida de las 38

celdas llamado Ladrón de Joules y de esta manera encender el dispositivo LED. A este circuito se le nombró como “Circuito 2” En la Fig. 6 se puede observar el diagrama eléctrico utilizado para la construcción del Ladrón de Joules. a)

b)

Transistor 2N3904 R = 1 KΩ

FT = Ferrita Toroidal

Fig. 6. Diagrama eléctrico de Ladrón de Joules y su descripción gráfica. La Fig. 6 a) representa el diagrama eléctrico con la simbología de los componentes utilizados para la construcción del Ladrón de Joules. La Fig. 6 b) es una descripción gráfica de las conexiones del circuito. El diagrama (Fig. 6 a) está formado principalmente de cuatro componentes electrónicos: 

FT: Ferrita Toroidal



R: Resistencia de 1 KΩ 39



NPN: Transistor 2N3904



L: LED de 3 mm a 20 mA

Además de una fuente externa de voltaje (pila alcalina) con una salida menor a los 3 V, alambre de cobre, un protoboard y un multímetro. Cabe mencionar que la ferrita toroidal contaba con 1.7 cm de diámetro externo con 8 vueltas de alambre de cobre. Una vez terminada la construcción del circuito en el protoboard se sometió a una prueba de funcionamiento aplicándole un voltaje de 0.5 V con la fuente externa (pila alcalina) y se pudo observar, a través de una señal luminosa proporcionada por el LED, que el circuito funcionaba correctamente. El voltaje de entrada a las terminales positiva y negativa del LED fue igualmente de 0.5 V.

X.IX Conexión del circuito 1 con el ladrón de Joules Posteriormente, ya que se validó el funcionamiento del Circuito 1 utilizando la pila alcalina de 0.5 V, se prosiguió al acoplamiento de los Circuitos 1 y 2 para obtener una salida de voltaje igual o mayor al de la pila (0.5 V) y encender primeramente un LED. A esta combinación de circuitos se le llamó “Circuito 3” (Fig. 10). Cabe señalar que la celda microbiana con menor capacidad fue la número 1 con 0.74 V, es decir que teóricamente la celda 1 contaba con el potencial eléctrico necesario para encender un LED con ayuda del circuito 3 sin utilizar el arreglo de las tres celdas en serie. Sin embargo, no hubo respuesta luminosa del LED cuando se realizó dicha conexión sino hasta conectar el arreglo de las tres celdas en serie. Esto sucedió debido a un fenómeno 40

explicado por (Wang, Park, & Ren, 2012) en el que describe que no toda la energía proveniente de una CCM puede ser utilizada debido a su resistencia interna. La resistencia interna de un CCM varía constantemente con los cambios en las actividades microbianas y parámetros operativos, tales como la concentración de sustrato, el pH, y la temperatura.

X.X Caracterización de las celdas Una vez que se validó el funcionamiento del circuito 3 utilizando el arreglo de las celdas de combustible microbianas se prosiguió a la caracterización de las mismas para conocer con detalle su capacidad de producir energía utilizando la técnica “Curva de Polarización” (cuyo procedimiento se describe en la sección IX.VII) con el propósito de conocer la intensidad de corriente y tensión eléctrica. Para esta técnica se utilizó nuevamente un potenciostato y se programó una tarea de Voltaje de Circuito Abierto., En la Fig. 11 y 12 se muestran los resultados de las curvas de polarización aplicadas a cada una de las tres celdas. Posteriormente, se prosiguió a caracterizar el arreglo de las tres celdas de combustible microbianas conectadas en serie utilizando la misma técnica antes descrita, los resultados de esta caracterización se encuentran en la Fig. 13 de la sección de resultados.

41

X.XI Pruebas de funcionamiento del circuito 3 Una vez terminada la caracterización de cada una de las celdas y del arreglo en serie, se realizó una prueba de funcionamiento del circuito 3 aumentando el número de dispositivos LED, en dicha prueba se logró encender hasta 10 de estos dispositivos aplicando una tensión eléctrica de 2.33 V proveniente del arreglo de las CCM’s. Así mismo se midió la tensión eléctrica de entrada a los 9 LED’s y se obtuvo un resultado de 0.5 V. En la Fig. 7 se puede observar una imagen del circuito 3 de los resultados descritos anteriormente. a)

42

b)

Fig. 7. Conexión del circuito 3 con el arreglo de CCMs. En la Fig. 7 a) se puede observar el circuito 3 en operación, por otro lado en la Fig. 7 b) se encuentra el diagrama eléctrico del circuito 3 acoplado con las celdas de combustible

XI.

Resultados Obtenidos

Tal como se mencionó en la sección X.VI de Desarrollo, las tres celdas de combustible fueron conectadas a un potenciostato y se determinó el Voltaje de Circuito Abierto por un periodo de 10 días para conocer la tensión de salida. En la Fig. 8 se muestran el resultado de esta medición durante este periodo de tiempo

43

b)

OCV, celda 1

0.8 0.6 0.744

0.4 0.2 0 0

2

4

6

8

Tensión Eléctrica, V

Tensión Eléctica, V

a)

0.8 0.6

0.2 0

10

0

2

4

6

8

10

Tiempo, D

OCV, celda 3

OCV, celdas 1, 2 y 3

d 0.8

0.6

0.767

0.4 0.2

Tensión eléctrica, V

0.8 Tensión eléctrica, V

0.753

0.4

Tiempo, D

c)

OCV, Celda 2

0.6 Series2 Cel 1

0.4

Cel 2 Series3

0.2

Series1 Cel 3

0

0 0

2

4

6

8

10

0

2

Tiempo, D

4

6

8

10

Tiempo, D

Fig. 8. Resultados de la programación de Voltaje de Circuito Abierto (OCV). En las Fig. 8 a), b) y c) se muestra una gráfica que representa la evolución del voltaje de circuito abierto de las celdas 1, 2 y 3 respectivamente; la Fig. 8 d) es una comparación de estas tres gráficas. 44

XIII.I Caracterización Fisicoquímica Tabla 7. Caracterización fisicoquímica del lixiviado de composta Parámetro

Resultado

DQO (mg/L) pH Conductividad eléctrica (mS/m2) Sólidos Fijos (%) Sólidos Totales (%) Sólidos Suspendidos Volátiles (%)

6000 7.8 7.96 5.03 8.13 3.09

XIII.II Ladrón de Joules En la Fig. 6 de la sección X.VIII se muestran los diagramas utilizados para la construcción del Ladrón de Joules, adicionalmente en la Fig. 9 se muestra una imagen de este circuito ensamblado en un tablero de pruebas.

Fig. 9 Disposición de circuitos eléctricos para el Ladrón de Joules, 45

XIII.III Conexión del circuito 1 con el Ladrón de Joles Como se mencionó en la sección X.IX se conectó el circuito 1 con el circuito 2 (Ladrón de Joules) para formar el circuito 3, en la Fig. 10 se muestra el diagrama de esta conexión.

Fig. 10. Diagrama del circuito 3

XIII.IV Curvas de polarización de las CCM’s Los resultados de las técnicas de caracterización por medio de curvas de polarización mencionadas en la sección X.X se encuentran en las Fig. 11, 12 y 13.

46

Celda 2

5.E-05

4.E-05

4.E-05

3.E-05

P celda, W

P celda, W

Celda 1

3.E-05

2.E-05

2.E-05

1.E-05

1.E-05

7.E-06

0.E+00

0.E+00

0

0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003

0

0.00005

I celda, A

0.0001 0.00015 I celda, A

Comparaciones

Celda 3

0.00025 Series21 Celda

Celda Series42 Celda Series63

5.E-05

5.E-05 4.E-05

P celda, W

4.E-05

P celda, W

0.0002

3.E-05 2.E-05 9.E-06

3.E-05 2.E-05 1.E-05

0.E+00

0

0.0001

I celda, A

0.0002

0.0003

0.E+00

0

0.0001

I celda, A

0.0002

0.0003

Fig. 11. Curvas de Polarización de las CCM's: Potencia (W) vs Corriente (A) 47

Celda 2

0.75

0.5

0.6

0.4 Ecelda, V

Ecelda, V

Celda 1

0.45 0.3 0.15

0.3 0.2 0.1

0

0 0

0.00006

0.00012

0.00018

0.00024

0.0003

0

0.00005

Icelda, A

0.00015

0.0002

0.00025

Icelda, A

Celda 3

Comparación 0.75

0.5

Icell, CeldaA 1 Celda 2 Series3 Series2 Celda 3

0.6 Ecelda, V

0.4 Ecelda, V

0.0001

0.3 0.2 0.1

0.45 0.3 0.15

0 0

0.00006

0.00012

0.00018

Icelda, A

0.00024

0.0003

0 0

0.00006

0.00012

0.00018

0.00024

0.0003

Icelda, A

Fig. 12. Curvas de Polarización de las CCM's: Voltaje (V) vs Corriente (A) 48

a)

b)

Arreglo de CCM's

8.E-05

1

6.E-05

0.8

Máx 0.069 mW

5.E-05

Ecell, V

P cell, W

Arreglo de CCM's

3.E-05 2.E-05

0.6 0.4 0.2

0.E+00

0 0

0.00004 0.00008 0.00012 0.00016

0.0002

0

0.00004

0.00008

I cel, A

0.00012

0.00016

0.0002

Icell, A

Fig. 13. Curva de polarización del arreglo de CCM’s. En la Fig. 13 se encuentran las dos curvas de polarización obtenidas en la caracterización del arreglo de CCM’s conectadas en serie. La Fig. 13 a) representa la potencia de la celda con respecto a la intensidad de corriente, por el contrario en la Fig. 13 b) se representa la tensión eléctrica con respecto a la intensidad de corriente.

49

XII.

Conclusiones y Recomendaciones

Se ha desarrollado un nuevo dispositivo electrónico para aprovechar la energía eléctrica proveniente de celdas de combustible microbianas con la capacidad de encender componentes electrónicos que requieran baja potencia, en el orden de mW. Este dispositivo es la combinación de un circuito de carga y descarga de capacitores con un ladrón de Joules.

Por otro lado, las técnicas de selección del capacitor utilizadas en las pruebas preliminares fueron las correctas para realizar dicha selección, pues el capacitor logró alimentar continuamente de corriente eléctrica a los diodos LED y estos lograban una luminosidad constante. Es decir, es posible encender otro tipo de aparatos electrónicos y estos operarán continuamente hasta que las celdas de combustible microbianas no tengan más substrato o combustible.

Sin embargo, la capacidad del dispositivo electrónico para encender otros aparatos dependerá de las CCMs. En este caso, la potencia eléctrica máxima del arreglo de celdas fue de 0.069 mW según la gráfica 13a), es decir con una potencia de 0.069 mW fue posible encender hasta 10 diodos LED utilizando el dispositivo electrónico y el arreglo de celdas.

50

XIII.

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Obtenido

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