ES1273894U - Dispositivo con control inteligente distribuido para la generacion y recuperacion de energia mediante radiacion solar e hidrogeno - Google Patents
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Abstract
El dispositivo (100) para la generación de energía eléctrica, caracterizándose el mismo por presentar principalmente: - un equipo de fotorreacción aumentada (1) caracterizado por una superficie de captación solar (9) dispuesta para facilitar la incidencia de radiación solar (7), un electrolizador (88), siendo capaz de producir oxígeno e hidrógeno a partir de agua, - un sistema de almacenamiento de hidrógeno (2), un sistema de almacenamiento de oxigeno (4), un sistema de almacenamiento de agua (5) los cuales permiten la acumulación temporal de cada sustancia que contienen durante su tránsito por el dispositivo (100), - una pila de combustible (3) la cual cede una potencia eléctrica generada (8) a una carga eléctrica (6), - un canal de agua (35) que conecta al sistema de almacenamiento de agua (5) y al equipo de fotorreacción aumentada (1), el cual permite alimentar con agua al equipo de fotorreacción aumentada (1) con ayuda de una bomba de agua (15) instalada en un punto intermedio de este canal, regulándose el caudal con ayuda de una válvula de agua (22), instalada a la salida de la bomba de agua (15), - un canal de hidrógeno producido (30) que conecta al equipo de fotorreacción aumentada (1) y al sistema de almacenamiento de hidrógeno (2), el cual permite transferir el hidrógeno al sistema de almacenamiento de hidrógeno (2) con ayuda de una bomba de hidrógeno producido (10) instalada entre medio de este canal, - un canal de oxígeno producido (31) que conecta al equipo de fotorreacción aumentada (1) y al sistema de almacenamiento de oxígeno (3), el cual permite transferir el oxígeno al sistema de almacenamiento de oxígeno (3) con ayuda de una bomba de oxígeno producido (12) instalada en un punto intermedio de este canal, - un canal de hidrógeno (32) que conecta al sistema de almacenamiento de hidrógeno (2) y a la pila de combustible (3), el cual permite alimentar con hidrógeno a la pila de combustible (3), con ayuda de una bomba de hidrógeno (11) instalada en un punto intermedio de este canal, regulándose el caudal con ayuda de una válvula de hidrógeno (20), instalada a la salida de la bomba de hidrógeno (11), - un canal de oxígeno (33) que conecta al sistema de almacenamiento de oxígeno (4) y a la pila de combustible (3), el cual permite alimentar con oxígeno a la pila de combustible (3), con ayuda de una bomba de oxígeno (13) instalada en un punto intermedio de este canal, regulándose el caudal con ayuda de una válvula de oxigeno (21), instalada a la salida de la bomba de oxigeno (13), y - un canal de agua producida (34) que conecta a la pila de combustible (3), y al sistema de almacenamiento de agua (5), el cual permite transferir el agua al sistema de almacenamiento de agua (5) con ayuda de una bomba de agua producida (14) instalada en un punto intermedio de este canal.
Description
DESCRIPCIÓN
DISPOSITIVO CON CONTROL INTELIGENTE DISTRIBUIDO PARA LA GENERACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE ENERGÍA MEDIANTE RADIACIÓN SOLAR E HIDRÓGENO
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención está relacionada con equipo para el sector de la energía. En concreto, la invención está relacionada con dispositivo integral, compacto y modular, para la generación de energía eléctrica, a partir de hidrógeno y oxígeno, y con producción in-situ de hidrógeno por recuperación del agua generada por el mismo dispositivo de generación de energía eléctrica, mediante un dispositivo con ánodo, cátodo, con membranas y catalizadores avanzados que incluyen la utilización de grafeno y sus elevadas propiedades fotosensibles. El dispositivo integral funciona de esta forma autoalimentándose, recibiendo energía externa por luz solar y en caso necesario reposición de agua, dependiendo de la aplicación. El sistema puede ser utilizado tanto para aplicaciones estacionarias como, fundamentalmente, para aplicaciones en el sector transporte, con generación in-situ de hidrógeno verde, y producción de la energía eléctrica para la propulsión del medio de transporte, no importa cual sea el medio físico sobre el cual se desplace dicho medio de transporte.
ESTADO DE LA TÉCNICA
En las pilas de combustible el hidrógeno se combina con el oxígeno del aire, en un proceso electroquímico, generando electricidad y produciendo residuos - agua como elemento principal residual y otros gases presentes en el aire - , igualmente es un proceso exotérmico, por lo tanto generando calor.
Aunque abundante en la tierra como elemento, el hidrógeno casi siempre se encuentra como parte de otro compuesto, como el agua (H2O) o el metano (CH4), y debe separarse en hidrógeno puro (H2) para su uso como vector de energía, en diversas aplicaciones, tales como pila de combustible o comburente en motores.
Uno de los procedimientos de separación de la molécula de agua, conocido y que está siendo objeto de despliegue, así como también desarrollo e investigación, es la llamada Electrólisis del Agua. Un proceso electroquímico por el cual se produce la separación de la molécula en sus dos componentes, Hidrógeno y Oxígeno, mediante la aplicación de un voltaje en un conjunto llamado comúnmente electrolizador. El mismo está formado por un cátodo y un ánodo donde, por un lado en el ánodo, la molécula de agua se oxida, media reacción, generando protones de hidrógeno, oxígeno y electrones libres y por otro lado, en el cátodo, los protones, que han pasado a través de un electrolito y membrana separadora, se reducen con la incorporación de electrones libres provenientes del circuito eléctrico de voltaje, necesario para el funcionamiento del proceso.
Como antes mencionado, el electrolizador tiene los llamados ánodo y cátodo, los cuales están formados por un elemento conductor de electrones y recubiertos con materiales, tales como Platino e Iridio, que favorecen por un lado la división de la molécula de agua y por otro la combinación de protones de hidrógeno con electrones libres.
Como mencionado, es necesario generar una diferencia de potencial entre ánodo y cátodo para el cual, en el estado actual de la técnica, existen diversas formas hacerlo, permitiendo producir la energía que genere la división de la molécula de agua. No obstante, es prioridad actual la búsqueda de formas eficientes y eco sostenibles, que garanticen la obtención del denominado hidrógeno verde, a un coste competitivo. En este sentido una de las opciones es la utilización de la energía solar mediante celdas fotovoltaicas. Consiste en celdas conectadas de forma conveniente para generar el voltaje y la corriente necesarias, los cuales cargan un pack de baterías, o no, para luego alimentar un electrolizador antes descrito.
Para que se produzca la electrólisis del agua es necesario producir una diferencia de potencial entre cátodo y ánodo de 1,23 V teóricos. Esto realmente se transforma en un voltaje bastante más elevado, producto de las ineficiencias del proceso en el electrolizador.
En lo que respecta a las pérdidas en el propio sistema electrolizador, se pueden citar: pérdidas óhmicas eléctricas, pérdidas por transporte de masas, pérdidas óhmicas protónicas, pérdidas de activación. La caracterización de todas estas pérdidas da como resultado el rendimiento de la celda electrolizadora o de un paquete de celdas.
El resultado lleva a que, de ese voltaje teórico de 1,23 V para dividir una molécula de agua, en la práctica se requiera un mínimo de 1,48 V, el cual luego irá aumentando, dependiendo de la densidad de corriente, la cual estará biunívocamente relacionada con el ratio de producción de hidrógeno, es decir el flujo de protones de hidrógeno a través de la membrana y ese voltaje puede alcanzar valores que doblan la cantidad antes mencionada para circuito abierto, producto de las mencionadas ineficiencias.
En el caso de las Pilas de combustible, existe una problemática similar, en este caso relacionadas, pero con un efecto inverso en el que las pérdidas hacen disminuir el voltaje disponible para una corriente dada, mermando la capacidad de potencia de la celda o paquete de celdas.
Otro elemento importante del estado actual de la tecnología de Pilas de Combustible está relacionado con la gestión del agua, generada como producto secundario del proceso de generación de energía eléctrica.
Durante la utilización de hidrógeno, como combustible para producir electricidad, se produce una reacción del mismo con las moléculas de oxígeno que son 8 veces más pesadas.
En este sentido los protones de hidrógeno reaccionan con electrones provenientes del circuito eléctrico y con el oxígeno, presente en el aire circulante por la pila en el cátodo, generando agua según la reacción presentada a continuación.
La proporción de agua que se genera, por cada Kg. de hidrógeno consumido, viene reflejado por la unión de la masa consumida de cada elemento.
H2 ---- ■> % O2 H2O (Agua)
1,0 kg 8 kg— 9 kg
Si bien el agua generada tiene un rol muy importante en mantener humidificada la membrana, para mantener la reacción y también para aumentar la vida útil de la membrana, mediante la conveniente refrigeración del sistema. La gestión del agua residual es un elemento clave en el aumento en la eficiencia del funcionamiento de estos sistemas de energía.
Dada la temperatura a la que se genera, el agua esta en forma de vapor, por lo que una de la formas más faciles de eliminarla es mediante un escape de vapores. Esto es una ineficiencia y en casos no deja de ser un agente “contaminante”, como por ejemplo, generando estelas en el caso de que se utilice en transporte aereo.
Una aprovechamiento indudable, para esta agua residual, es su potencial reutilización en ciclo cerrado para la producción de hidrógeno y oxígeno que, convenientemente almacenados podrán utilizarse en la misma pila de combustible que los ha generado.
Cabe recordar que otra de las ineficiencias de las Pilas de Combustibles es el hecho de que, al utilizar el oxígeno presente en el aire, requieren mucho flujo de aire ya que este elemento esta presente de forma parcial. Aire es lo que realmente alimenta el cátodo del dipositivo, y si bien la composición del aire se mantiene constante sobre la superficie terrestre o a gran altura -dicha composición es, aproximadamente, 70% nitrógeno, 21% oxígeno y el 9% restante otros gases - la densidad del aire puede disminuir con la altura producto de una disminución de la presión. Por ejemplo: el estándar de densidad de un avión a una altura de 11.000 m es una presión de solo 0,246 kg/cm2, a una temperatura de -56,1°C (217,15 ° K), valores que salen de la aplicación de la ecuación de los gases ideales y reconvensión en la ecuación siguiente:
Esto tendrá el efecto de que, para una Pila de Combustible, será necesario un mayor caudal másico, si se requiere una densidad más elevada de corriente, requiriendo mayor bomba para inyectar el aire y por tanto mayor gasto de energía, etc.
Ser capaces de bombear oxígeno puro aumentaría la eficiencia másica en el cátodo de la Pila de Combustible. Pero producir oxígeno puro tiene un coste que a día de hoy no se considera como práctico, teniendolo sin coste en el aire ambiente, aunque sea en una baja proporción.
Otro punto, en la producción de hidrógeno mediante energía fotovoltáica, es que la celda fotoeléctrica se utiliza de forma tal que la luz solar indicente genera una corriente de electrónes la cual se puede utilizar de forma directa para alimentar un electrolizador, o en su defecto almacenarse en una bateria, que posteriormente alimenta el electrolizador, eliminando esto último las fluctuaciones de indicencia solar.
La eficiencia de una célula solar ,^ es el la relación de potencia utilizada, de la energía eléctrica, cuando una célula solar está conectada a un circuito eléctrico y potencia equivalente de la energía de luz solar total absorbida por un panel. Esta eficiencia se calcula usando la relación del punto de potencia máxima, Pm, dividido entre la luz que llega a la celda, irradiancia (E, en W/m2), bajo condiciones estándar (STC) y el área superficial de la célula solar (Ac en m2).
La STC especifica una temperatura de 25 °C y una irradiancia de 1000 W/m2 con una masa de aire espectral de 1,5 (AM 1,5). Esto corresponde a la irradiación y espectro de la luz solar incidente en un día claro sobre una superficie solar inclinada con respecto al sol con un ángulo de 41,81° sobre la horizontal.
Esta última condición representa, aproximadamente, la posición del sol de mediodía en los equinoccios de primavera y otoño en los estados continentales de los EE. UU. con una superficie orientada directamente al sol. De esta manera, bajo estas condiciones una célula solar típica de 230 cm2, y de una eficiencia del 16%, aproximadamente, se espera que pueda llegar a producir una potencia de 4,4 W.
Se ha demostrado factible la utilización de la energía fotovoltáica, mediante un entramado convenientemente diseñado y dimensionado, para la alimentación eléctrica de un electrolizador para la producción de hidrógeno y oxígeno.
En este sentido, teniendo una Pila de combustible que está generando agua mientras genera potencia eléctrica, y teniendo un electrolizador capaz de generar hidrógeno mediante el uso de energía solar, convertida a eléctrica, parece factible integrar todos los elementos en un sistema cerrado que reporte un número importante de innovaciones y eficiencias mejoradas, del orden del 95%.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención se trata de un dispositivo, en circuito cerrado, y en su caso con alimentación externa, consistente en generación de energía eléctrica haciendo uso de una pila de combustible mediante la aportación de hidrógeno y oxígeno, los cuales están previamente almacenados en las condiciones requeridas para el proceso electroquímico que transforma una reacción química en electricidad. Para aumentar la eficiencia del dispositivo el intercambio de protones y la combinación con moléculas se realiza mediante la utilización de membranas construidas con materiales avanzados como el grafeno, y dopadas convenientemente con materiales catalizadores para favorecer las reacciones químicas que deberán ocurrir en dichas membranas. Estas membranas formadas por grafeno, y otros materiales, cumplirán una función de separación y transporte, a la vez, de los elementos químicos de la reacción.
En el ciclo inicial el dispositivo se alimenta de hidrógeno y aire, este último tiene una composición mixta de varios gases, entre ellos oxígeno - normalmente al 21% de concentración. Esto disminuye la eficiencia inicial del dispositivo generador de energía con pila de combustible. Esto se intentará paliar en parte con la utilización de membranas de intercambio de protones que contengan grafeno.
En este primer ciclo el funcionamiento el dispositivo generador de energía con pila de combustible producirá, a partir del hidrógeno, protones y electrones, en el llamado ánodo, los cuales luego se recombinarán, juntamente con las moléculas de oxígeno del aire, en el cátodo, cerrando el circuito de generación de energía eléctrica, mediante proceso electroquímico, el producto residual será agua (H2O), juntamente con gases excedentes del aire, por ejemplo nitrógeno.
H, 2 H*- 2é 0 ,+ 41-^ 4é->2hLO + otros gases
Ánodo (Oxidación) Cátodo (Reducción)
Este agua convenientemente tratada y condensada, podrá alimentar directamente o ser almacenada, para alimentar posteriormente, un dispositivo de generación de hidrógeno, que forma parte del circuito cerrado del dispositivo integral generador de energía eléctrica/generador de combustible hidrógeno/oxígeno.
El dispositivo de generación de hidrógeno/oxígeno, incluido en esta invención como parte del equipo de "fotorreacción aumentada”, conocido en la técnica de este modo por incorporar grafeno que posee efecto fotoeléctrico gigante, recibirá energía solar mediante celdas fotovoltaicas que utilizarán también grafeno, por tanto beneficiándose de esa fotorreacción aumentada, y otorgando una eficiencia aumentada, que la ciencia ha descrito como posible. Dicha energía solar será transformada en energía eléctrica, por tanto en voltaje y corriente en el tiempo. Y dicha energía eléctrica acabará finalmente almacenada en los componentes resultantes de la división de la molécula de agua, es decir hidrógeno y oxígeno.
El voltaje generado en las celdas fotovoltaicas será necesario para producir la división de la molécula de agua, según la eficiencia que se consiga del funcionamiento de la celda de generación de hidrógeno. La corriente de electrones, en el circuito eléctrico, será igualada en el circuito electroquímico por circulación de protones de hidrógeno, desde el ánodo al cátodo.
2 H
2
O -----► 4 H+ O
2
+ 4 e- Ánodo
4 H+ 4 e-----► 2 H
2
Cátodo
El dispositivo contará con membranas fotosensibles basadas en grafeno y otros materiales catalizadores, siendo el conjunto altamente reactivo a la luz y en un amplio espectro. Esta fotoresponsibidad, se traducirá en una mayor permeabilidad, de las membranas, a protones de hidrógeno y un mayor aislamiento de otros iones y moléculas, presentes en el proceso electróquimico, limitando en este último caso el fenómeno conocido como, transporte de masas y mejorando por tanto la eficiencia del dispositivo generador de hidrógeno/oxígeno a partir de agua.
Este último concepto de facilitar el transporte de protones de hidrógeno y bloquear otros iones y moléculas es también aplicable al dispositivo generador de energía eléctrica a partir del hidrógeno.
Por tal de canalizar la luz solar hacia los dispositivos generadores, habrá un dispositivo captador de luz, formando parte el mismo del equipo de fotorreacción aumentada, complementado con un dispositivo de transporte de la misma basado por ejemplo en fibra óptica u otro sistema. La luz será distribuida, dentro de los generadores de electricidad y de hidrógeno, mediante una red dispersora de la misma combinando fibra óptica y emisores directos. De esta forma la luz llegará a las membranas de los dispositivos generadores produciendo un incremento del transporte de protones de hidrógeno en un sentido u otro de las membranas, de las diferentes celdas que conforman el dispositivo global, tanto de generación eléctrica, como de generación de hidrógeno y oxígeno, el concepto "membranas” surge de que el apilamiento de dipositivos forma el concepto de pila de combustible y/o pila generadora de hidrógeno.
Este invención se espera proporcione una mayor generación de protones por incidencia de la luz solar, y un mayor aislamiento de los iones y moléculas, evitando transporte innecesario de masas que disminuyen la eficiencia de los dispositivos. Produciendo por tanto un aumento en la generación de corriente eléctrica, en el dispositivo generador de energía eléctrica y un aumento en la producción de hidrógeno en el dispositivo generador correspondiente del equipo de fotoreacción aumentada.
Tanto el hidrógeno, como el oxígeno, ahora generados, se almacenarán y mediante el circuito de distribución y control irán a alimentar el circuito generador de energía eléctrica. De esta forma se cerrará el ciclo y se habrá producido un sistema más eficiente por: utilización de hidrogeno y oxígeno, en lugar de aire, pudiendo llegar a niveles de eficiencia por encima del 95%.
En el caso de que el circuito carezca de suficiente hidrógeno u oxígeno, se le podrá alimentar externamente y de esta forma ir alternando un proceso de circuito cerrado autosuficiente, con el de un circuito semi-cerrado con alimentación externa intermitente.
Por tal de realizar el control el sistema necesariamente tendra, elementos de control tales como:
• en los circuitos de fluido: válvulas de apertura y cierre y válvulas de control proporcional, etc.,
• en los circuitos eléctricos: interruptores, breakers, derivadores de corriente, control de potencia, etc.,
• en el circuito solar, control de la incidencia, etc.,
y además habra una red de sensores, integrados en los componentes del sistema generador de hidrógeno y el sistema generador de electricidad. Dichos sensores serán integrados durante los procesos de fabricación de tales componentes y permitirán medir parámetros tales como:
• en los circuitos de fluido: Caudales, presiones, temperaturas, volúmenes, pesos,...
• en los circuitos eléctricos: corriente, voltajes, potencias, energías consumidas,.
• en el circuito solar: valores de radiación indicentes, longitudes de onda de luz incidente,...
Esta red de sensores, que podrán estar interconectados mediante direcciones IP, serán responsables de dar realimentación a un dispositivo de control del sistema. El dispositivo de control estará formado por elementos de hardware y elementos de software, ambos trabajarán de forma conjunta y serán alimentados con datos, recabados y almacenados, de sensores y simulaciones previas, que representarán diferentes condiciones de funcionamiento. Este conjunto permitirá generar un sistema de control inteligente en el que, una capa de inteligencia artificial basada en redes neuronales, aprendizaje de máquina, entre otras tecnologías ira autoaprendiendo y pemitirá aumentar la eficiencia del sistema.
El control será un control distribuido, tanto entre sistemas dentro del dispositivo, como con otros sistemas en dispositivos equivalentes, todos contectados en red, maximizando la utilización del internet de las cosas, la nube y la inteligencia artificial.
Esta interconectividad entre sistemas permitirá maximizar la generación de datos para dotar de mayor madurez el proceso de inteligencia artificial / aprendizaje de máquina. Igualmente, este concepto de control distribuido, pemitirá la aplicación de la tecnología de cadena de bloques, también conocidad como Blockchain. Esto último permitirá implementar un sistema de almacenamiento de datos y ciberseguridad distribuidos, haciendolo practicamente inmune a ataques.
Por su forma de funcionamiento el dispositivo integral cerrado descrito aquí será apto para instalaciones estacionarias, pero especialmente relevante en instalaciones móviles.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 presenta un esquema del dispositivo, en circuito cerrado, para la producción de potencia eléctrica, y producción de hidrógeno, donde se representan los componentes principales que lo integran así como la disposición e interconexión de los mismos de acuerdo a un modo de realización.
La Figura 2 presenta el dispositivo integrado en una o varias viviendas.
La Figura 3 presenta el dispositivo integrado en un medio de transporte aéreo o espacial. La Figura 4 presenta el dispositivo integrado en un medio de transporte 
ferroviario.
La Figura 5 presenta el dispositivo integrado en un medio de transporte por carretera. La Figura 6 presenta el dispositivo integrado en un medio de transporte marítimo.
La Figura 7 presenta un esquema del dispositivo para la propulsión de vehículos en donde se han agrupado los componentes en dos subconjuntos de acuerdo a un modo de realización.
La Figura 8 presenta el dispositivo de acuerdo al modo de realización que se presenta en la Figura 7 cuya aplicación se lleva a cabo en modo estacionario para carga inicial de medios de trasporte aéreo.
La Figura 9 muestra una representación de los componentes principales que integran el equipo de fotorreacción aumentada del dispositivo de generación de hidrógeno y oxígeno, con incorporación de sistema fotosensible basado en grafeno.
La Figura 10 muestra una representación de los componentes principales que integran el dispositivo de generación de energía eléctrica con incorporación de sistema fotosensible, basado en fotorreacción aumentada.
La Figura 11 muestra el dispositivo integrado de generación de energía eléctrica y generación de hidrógeno y oxígeno, en el cual un computador controla su funcionamiento mediante aplicación de inteligencia artificial a los datos provenientes de señales de entrada de sensores instalados en el dispositivo y señales de salida del computador que gestionan los actuadores de control del dispositivo.
La Figura 12 muestra un computador controlador como el presentado en la Figura 11 interconectado con otros computadores controladores, instalados en diversos sitios remotos, los cuales intercambian información de ida y vuelta formando una red interconectada entre todos los computadores.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN
Se centra la atención en la Figura 1 en donde se presenta un dispositivo 100 para la propulsión de vehículos de acuerdo con una realización, en la cual un equipo de fotorreacción aumentada
1 se caracteriza por presentar una superficie de captación solar 9 sobre la cual incide la luz solar 7. El equipo de fotorreacción aumentada 1 presenta un canal de agua 35 que sirve para alimentar con agua al equipo de fotorreacción aumentada 1. Un canal de hidrógeno producido 30 se conecta al equipo de fotorreacción aumentada 1 para extraer el hidrógeno producido. El equipo de fotorreacción aumentada 1 también presenta otra conexión a un canal de oxígeno producido 31 que sirve para extraer el oxígeno producido. El dispositivo 100 se caracteriza por incluir un sistema de almacenamiento de hidrógeno 2 hacia donde desemboca el canal de hidrógeno producido 30 desde el equipo de fotorreacción aumentada 1. Una bomba de hidrógeno producido 10 sirve para impulsar el hidrógeno al sistema de almacenamiento de hidrógeno 2 a través del canal de hidrógeno producido 30. El dispositivo 100 se caracteriza por incluir un sistema de almacenamiento de oxígeno 4 hacia donde desemboca el canal de oxígeno producido 31 desde el equipo de fotorreacción aumentada 1. Una bomba de oxígeno producido 12 sirve para impulsar el oxígeno al sistema de almacenamiento de oxígeno 4 a través del canal de oxígeno producido 30. El dispositivo 100 se caracteriza por presentar una pila de combustible 3, que dispone igualmente del sistema de fotorreacción aumentada, que se alimenta con hidrógeno a través del canal de hidrógeno 32 que comunica el sistema de almacenamiento de hidrógeno 2 con la pila de combustible 3. Una bomba de hidrógeno 11 sirve para impulsar el hidrógeno a través del canal de hidrógeno 32. Una válvula de hidrógeno 20 sirve para la regulación de caudal de hidrógeno suministrado a la pila de combustible 3. La pila de combustible 3 se alimenta con oxígeno a través del canal de oxígeno 33 que comunica el sistema de almacenamiento de oxígeno 4 con la pila de combustible 3. Una bomba de oxígeno 13 sirve para impulsar el oxígeno a través del canal de oxígeno 33. Una válvula de oxígeno 21 sirve para la regulación de caudal de oxígeno suministrado a la pila de combustible 3. La energía eléctrica generada 8 en la pila de combustible 3 es empleada para alimentar una carga 6. El dispositivo 100 se caracteriza por tener un sistema de condensación y tratamiento de agua integrado a la salida la pila de combustible 3 y por presentar un sistema de almacenamiento de agua 5 donde se almacena el agua producida en la pila de combustible 3, la cual es conducida por un canal de agua producida 34 hacia el sistema de almacenamiento de agua 5. Una bomba de agua producida 14 sirve para impulsar el agua producida a través del canal de agua producida 34. El canal de agua 35 comunica con el sistema de almacenamiento de agua 5. Una bomba de agua 15 sirve para impulsar el agua a través del canal de agua 35. Una válvula de agua 22 sirve para la regulación de caudal de agua suministrado al equipo de fotorreacción aumentada 1.
Se centra ahora la atención en la Figura 3 de acuerdo a un modo de realización en donde el dispositivo 100 está integrado en una aeronave o vehículo espacial 50 donde la superficie de captación solar 9 esta apropiadamente dispuesta en la aeronave o vehículo espacial 50 para aprovechar la incidencia de la radiación solar 7 para la producción in situ de hidrógeno mediante fotorreacción aumentada 1. La energía eléctrica generada 8, por el dispositivo 100, es aprovechada para la propulsión de 50, sirviéndola para alimentar la carga eléctrica 6 del sistema de propulsión eléctrica en la aeronave o vehículo espacial 50. Igualmente el hidrógeno y oxígeno generados por el dispositivo 100, podrían alimentar una carga que podría ser directamente una cámara de combustión, en caso de propulsión mixta o híbrida.
Se centra ahora la atención en la Figura 4 de acuerdo a un modo de realización en donde el dispositivo 100 está integrado en un medio de transporte ferroviario 51 donde la superficie de captación solar 9 esta apropiadamente dispuesta en el medio de transporte ferroviario 51 para aprovechar la incidencia de la radiación solar 7 para la producción in situ de hidrógeno mediante fotorreacción aumentada 1. La energía eléctrica generada 8 por el dispositivo 100 es aprovechada para la propulsión del medio de transporte ferroviario 51, sirviéndola para alimentar la carga eléctrica 6 del sistema de propulsión eléctrica del medio de transporte ferroviario 51.
Se centra ahora la atención en la Figura 5 de acuerdo a un modo de realización en donde el dispositivo 100 está integrado en un medio de transporte por carretera 52 donde la superficie de captación solar 9 esta apropiadamente dispuesta en el medio de transporte por carretera 52 para aprovechar la incidencia de la radiación solar 7 para la producción in situ de hidrógeno mediante fotorreacción aumentada 1. La energía eléctrica generada 8 por el dispositivo 100 es aprovechada para la propulsión del medio de transporte por carretera 52, sirviéndola para alimentar la carga eléctrica 6 del sistema de propulsión eléctrica del medio de transporte por carretera 52.
Se centra ahora la atención en la Figura 6 de acuerdo a un modo de realización en donde el dispositivo 100 está integrado en un medio de transporte marítimo 53 donde la superficie de captación solar 9 esta apropiadamente dispuesta en el medio de transporte marítimo 53 para aprovechar la incidencia de la radiación solar 7 para la producción in situ de hidrógeno mediante fotorreacción aumentada. La energía eléctrica generada 8 por el dispositivo 100 es aprovechada para la propulsión del medio de transporte marítimo 53, sirviéndola para alimentar la carga eléctrica 6 del sistema de propulsión eléctrica del medio de transporte marítimo 53.
Se fija ahora la atención en la Figura 7 de acuerdo a un modo de realización donde el dispositivo 100 presenta parte de los componentes agrupados formando un subconjunto estacionario 101 y otro subconjunto móvil 102. El subconjunto estacionario 101 está compuesto por el equipo de fotorreacción aumentada 1, un sistema de almacenamiento de agua 5, un sistema de almacenamiento de hidrógeno 2, un sistema de almacenamiento de oxígeno 4 y una serie de conexiones entre componentes mediante canales, sistemas de bombeo y de regulación de caudal con la misma configuración del dispositivo descrito en la Figura 1. A diferencia del dispositivo de la Figura 1, en el subconjunto estacionario 101 del dispositivo 100, el sistema de almacenamiento de hidrógeno 2 posee un canal de suministro de hidrógeno 30’, un puerto de salida de hidrógeno 61 y una bomba de suministro de hidrógeno 11’ para llevar a cabo el suministro de hidrógeno al subconjunto móvil 102. Además, el sistema de almacenamiento de oxígeno 4 posee un canal de suministro de oxígeno 31’, un puerto de salida de hidrógeno 61 y una bomba de suministro de oxígeno 13’ para llevar a cabo el suministro de oxígeno al subconjunto móvil 102. Por último, el sistema de almacenamiento de agua 5 posee un canal de alimentación de agua 35’, un puerto de entrada de agua 62 y una bomba de alimentación de agua 15’ para llevar a cabo la alimentación de agua al subconjunto estacionario 101 desde el subconjunto móvil 102. El subconjunto móvil 102 está compuesto por una pila de combustible 3, un depósito de hidrógeno 2’, un depósito de oxígeno 4’, un depósito de agua 5’ y una serie de conexiones entre componentes mediante canales, sistemas de
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bombeo y de regulación de caudal con la misma configuración del dispositivo descrito en la Figura 1. A diferencia del dispositivo de la Figura 1, en el subconjunto móvil 102 del dispositivo 100, el sistema de almacenamiento de hidrógeno 2’ posee un canal de alimentación de hidrógeno 32’, un puerto de entrada de hidrógeno 61’ que se conecta al puerto de salida de hidrógeno 61 para llevar a cabo la alimentación de hidrógeno al subconjunto móvil 102 desde el subconjunto estacionario 101. Además, el sistema de almacenamiento de oxígeno 4’ posee un canal de alimentación de oxígeno 33’, un puerto de entrada de oxígeno 60’ que se conecta al puerto de salida de oxígeno 60 para llevar a cabo la alimentación de oxígeno al subconjunto móvil 102 desde el subconjunto estacionario 101. Por último, el sistema de almacenamiento de agua 5’ posee un canal de salida de agua 34’, un puerto de salida de agua 62’ que se conecta al puerto de entrada de agua 62 para llevar a cabo la alimentación de agua al subconjunto estacionario 101 desde el subconjunto móvil 102.
Se fija ahora la atención en la Figura 8 en donde el dispositivo 100 se emplea en medios de transporte aéreo, donde el hidrógeno es producido in situ en el recinto de un aeropuerto 54. El dispositivo 100 presenta la configuración explicada en la Figura 6, en donde el subconjunto estacionario 101 se localiza en las inmediaciones del aeropuerto 54. La superficie de captación solar 9 se distribuye estratégicamente en el espacio del aeropuerto 54 con el fin de aprovechar la radicación solar 7 que incide en las inmediaciones del aeropuerto 54. La aeronave 50 esta provista de un subconjunto móvil 102 el cual intercambia agua, hidrógeno y oxígeno con el subconjunto estacionario 101 del aeropuerto 54 mediante una canalización 70 que conecta ambos subconjuntos en el momento del repostaje de la aeronave 50.
Se fija ahora la atención en la Figura 9, en donde se ha representado el equipo de fotorreacción aumentada 1 del dispositivo 100 de generación de potencia eléctrica, con detalles de los componentes y partes que lo integran. Así, la superficie de captación solar 9 está compuesta de unas celdas fotovoltaicas 80, fabricadas con grafeno para mejorar su eficiencia, y unos colectores solares 81, que incluyen fibra óptica, donde incide la radiación solar 7. Un apilamiento de celdas actúa como electrolizador 88, con el ánodo 90 a un extremo conectado a la polaridad positiva de las celdas fotovoltaicas 80, y el cátodo 91 al otro extremo conectado a la polaridad negativa de las celdas fotovoltaicas 80. Un cable de fibra óptica 87 conecta el colector solar de fibra óptica 81 con el electrolizador 88. Cada celda 89 del apilamiento del electrolizador 88 está constituida por un conjunto que consta de una placa bipolar y de difusión de gases 82 donde circula el agua y oxígeno, una membrana que contiene grafeno 83 que es atravesada por los protones de hidrógeno, una placa bipolar y de difusión de gases 84 donde se producen las moléculas de hidrógeno y un medio emisor de radiación luminosa 85 conectado al cable de fibra óptica 87 que distribuye radiación luminosa 86 sobre la membrana 83, mejorando la eficiencia de la misma al paso de los protones. La membrana 83 está fabricada en un polímero adecuado para la transferencia de protones, como el nafión u otros, y tiene en sus superficies expuestas a las placas bipolares 82 y 84 una capa de material que actúa como difusor, y catalizador a base de grafeno y nanopartículas de platino, u otro material que consiga que al ser excitada con la radiación luminosa 86 procedente del medio emisor de radiación luminosa 85 mejorar el paso de protones a través de la membrana 83 y frenar el paso de oxígeno a través de la misma, reduciendo considerablemente las perdidas por transferencia de masas.
Se fija ahora la atención en la Figura 10, en donde se ha representado la pila de combustible 3 del dispositivo 100 de generación de potencia eléctrica, con detalles de los componentes y partes que la integran. Así, los colectores solares de fibra óptica 81 hacen llegar a través de la fibra óptica 87’ la radiación solar 7 a la pila de combustible 3 a la cual se encuentra conectada. La pila de combustible 3 genera una energía eléctrica que es consumida por la carga eléctrica 6, que se encuentra conectada a la misma por el ánodo 90’ de polaridad negativa y el cátodo 91’ de polaridad positiva. La pila de combustible 3 está constituida por un apilamiento de celdas, donde cada celda 89’ está constituida por una placa bipolar 82’ donde circula el hidrógeno que se descompone en protones que circulan hacia una membrana 83’, que es atravesada por dichos protones, una placa bipolar 84’ donde circulan y se combinan electrones, oxígeno y los protones que han atravesado a la membrana 83’ y producen agua, y un medio emisor de radiación luminosa 85’ conectado al cable de fibra óptica 87’ que distribuye radiación luminosa 86’ sobre la membrana 83’, mejorando la eficiencia de la misma al paso de los protones. La membrana 83’ está fabricada en un polímero adecuado para la transferencia de protones, como el nafión u otros, y tiene en sus superficies expuestas a las placas bipolares 82’ y 84’ una capa de material que actúa como difusor, y catalizador a base de grafeno y nanopartículas de platino, u otro material que consiga que al ser excitada con la radiación luminosa 86’ procedente del medio emisor de radiación luminosa 85’ mejorar el paso de protones a través de la membrana 83’ y frenar el paso de oxígeno a través de la misma, reduciendo considerablemente las perdidas por transferencia de masas.
Se fija ahora la atención en la Figura 11 donde se representa el dispositivo 100 para la generación de potencia eléctrica y un computador 200 que controla el funcionamiento del dispositivo 100 mediante la lectura de señales enviadas mediante la conexión de entrada 201 que son procesadas por el computador 200 empleando algoritmos de inteligencia artificial con el fin de optimizar la eficiencia en el funcionamiento del dispositivo 100. El computador obtiene unas señales que son enviadas a través de la conexión de salida 202 para controlar los componentes que integran el dispositivo 100. Los sensores miden paramentos de temperatura, presión, caudal, tensión, intensidad, luminosidad en los componentes y equipos que integran el dispositivo 100. El control se lleva a cabo a través de las señales de salida que actúan sobre bombas, válvulas de regulación de caudal, y equipos auxiliares como condensadores de vapor de agua.
Se fija la atención ahora en la Figura 12 donde se muestra el computador 200 el cual intercambia información con otros controladores 200’ mediante la conexión 203. Dichas conexiones forman una red con un esquema tipo cadena de bloques con el fin de llevar a cabo procesos de autoaprendizaje y mejoras de la estabilidad del control de todos los dispositivos 100 que se encuentran regulados por la red de controladores. Funcionando con tecnología de cadena de bloques, la arquitectura evita la utilización de un computador de control central y distribuye la misma información entre todos los computadores de control de la red maximizando la seguridad y el almacenamiento de soporte del sistema.
Claims (12)
1. El dispositivo (100) para la generación de energía eléctrica, caracterizándose el mismo por presentar principalmente:
- un equipo de fotorreacción aumentada (1) caracterizado por una superficie de captación solar (9) dispuesta para facilitar la incidencia de radiación solar (7), un electrolizador (88), siendo capaz de producir oxígeno e hidrógeno a partir de agua,
- un sistema de almacenamiento de hidrógeno (2), un sistema de almacenamiento de oxigeno (4), un sistema de almacenamiento de agua (5) los cuales permiten la acumulación temporal de cada sustancia que contienen durante su tránsito por el dispositivo (100),
- una pila de combustible (3) la cual cede una potencia eléctrica generada (8) a una carga eléctrica (6),
- un canal de agua (35) que conecta al sistema de almacenamiento de agua (5) y al equipo de fotorreacción aumentada (1), el cual permite alimentar con agua al equipo de fotorreacción aumentada (1) con ayuda de una bomba de agua (15) instalada en un punto intermedio de este canal, regulándose el caudal con ayuda de una válvula de agua (22), instalada a la salida de la bomba de agua (15),
- un canal de hidrógeno producido (30) que conecta al equipo de fotorreacción aumentada (1) y al sistema de almacenamiento de hidrógeno (2), el cual permite transferir el hidrógeno al sistema de almacenamiento de hidrógeno (2) con ayuda de una bomba de hidrógeno producido (10) instalada entre medio de este canal,
- un canal de oxígeno producido (31) que conecta al equipo de fotorreacción aumentada (1) y al sistema de almacenamiento de oxígeno (3), el cual permite transferir el oxígeno al sistema de almacenamiento de oxígeno (3) con ayuda de una bomba de oxígeno producido (12) instalada en un punto intermedio de este canal,
- un canal de hidrógeno (32) que conecta al sistema de almacenamiento de hidrógeno (2) y a la pila de combustible (3), el cual permite alimentar con hidrógeno a la pila de combustible (3), con ayuda de una bomba de hidrógeno (11) instalada en un punto intermedio de este canal, regulándose el caudal con ayuda de una válvula de hidrógeno (20), instalada a la salida de la bomba de hidrógeno (11),
- un canal de oxígeno (33) que conecta al sistema de almacenamiento de oxígeno (4) y a la pila de combustible (3), el cual permite alimentar con oxígeno a la pila de combustible (3), con ayuda de una bomba de oxígeno (13) instalada en un punto intermedio de este canal, regulándose el caudal con ayuda de una válvula de oxígeno (21), instalada a la salida de la bomba de oxígeno (13), y
- un canal de agua producida (34) que conecta a la pila de combustible (3), y al sistema de almacenamiento de agua (5), el cual permite transferir el agua al sistema de almacenamiento de agua (5) con ayuda de una bomba de agua producida (14) instalada en un punto intermedio de este canal.
2. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1, en el cual:
- el dispositivo (100) presenta parte de los componentes agrupados formando un subconjunto estacionario (101) y otro subconjunto móvil (102),
- el subconjunto estacionario (101) está compuesto por el equipo de fotorreacción aumentada (1), un sistema de almacenamiento de agua (5), un sistema de almacenamiento de hidrógeno (2), un sistema de almacenamiento de oxígeno (4) y una serie de conexiones entre componentes mediante canales, sistemas de bombeo y de regulación de caudal con la misma configuración de acuerdo a la reivindicación 1,
- en el subconjunto estacionario (101) del dispositivo (100), el sistema de almacenamiento de hidrógeno (2) posee un canal de suministro de hidrógeno (30’), un puerto de salida de hidrógeno (61) y una bomba de suministro de hidrógeno (11’) para llevar a cabo el suministro de hidrógeno al subconjunto móvil (102),
- el sistema de almacenamiento de oxígeno (4) posee un canal de suministro de oxígeno (31’), un puerto de salida de hidrógeno (61) y una bomba de suministro de oxígeno (13’) para llevar a cabo el suministro de oxígeno al subconjunto móvil (102),
- el sistema de almacenamiento de agua (5) posee un canal de alimentación de agua (35’), un puerto de entrada de agua (62) y una bomba de alimentación de agua (15’) para llevar a cabo la alimentación de agua al subconjunto estacionario (101) desde el subconjunto móvil (102),
- el subconjunto móvil (102) está compuesto por una pila de combustible (3), un depósito de hidrógeno (2’), un depósito de oxígeno (4’), un depósito de agua (5’) y una serie de conexiones entre componentes mediante canales, sistemas de bombeo y de regulación de caudal con la misma configuración de acuerdo a la reivindicación 1,
- el subconjunto móvil (102) del dispositivo (100), el sistema de almacenamiento de hidrógeno (2’) posee un canal de alimentación de hidrógeno (32’), un puerto de entrada de hidrógeno (61’) que se conecta al puerto de salida de hidrógeno (61) para llevar a cabo la alimentación de hidrógeno al subconjunto móvil (102) desde el subconjunto estacionario (101),
- el sistema de almacenamiento de oxígeno (4’) posee un canal de alimentación de oxígeno (33’), un puerto de entrada de oxígeno (60’) que se conecta al puerto de salida de oxígeno (60) para llevar a cabo la alimentación de oxígeno al subconjunto móvil (102) desde el subconjunto estacionario (101), y
- el sistema de almacenamiento de agua (5’) posee un canal de salida de agua (34’), un puerto de salida de agua (62’) que se conecta al puerto de entrada de agua (62) para llevar a cabo la alimentación de agua al subconjunto estacionario (101) desde el subconjunto móvil (102).
3. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1, en el cual:
- la potencia eléctrica generada (8) es cedida a una carga eléctrica (6) que se corresponde a la demanda energética de una o varias viviendas (55).
4. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual:
- la potencia eléctrica generada (8) es cedida a una carga eléctrica (6) que se corresponde a la demanda energética de una aeronave o vehículo espacial (50).
5. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual:
- la potencia eléctrica generada (8) es cedida a una carga eléctrica (6) que se corresponde a la demanda energética de un medio de transporte ferroviario (51).
6. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual:
- la potencia eléctrica generada (8) es cedida a una carga eléctrica (6) que se corresponde a la demanda energética del medio de transporte por carretera (52).
7. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual:
- la potencia eléctrica generada (8) es cedida a una carga eléctrica (6) que se corresponde a la demanda energética del medio de transporte marítimo (53).
8. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual el equipo de fotorreacción aumentada (1) consta de:
- una superficie de captación solar (9) compuesta por células fotovoltaicas (80) fabricadas con grafeno para mejorar su eficiencia y colectores solares de fibra óptica (81), dispuestos apropiadamente para la incidencia de radiación solar (7),
- un apilamiento de celdas actuando como electrolizador (88), con un ánodo (90) en un extremo del apilamiento conectado a la polaridad positiva de las celdas fotovoltaicas (80), y un cátodo (91) conectado en el extremo opuesto en la polaridad negativa de las celdas fotovoltaicas (80),
- un cable de fibra óptica (87) conectando el colector solar de fibra óptica (81) con el electrolizador (88), y
- unas celdas (89) apiladas que forman el electrolizador (88) constituidas cada celda (89) de una placa bipolar (82) por donde circula el agua transformándose en oxígeno y protones de hidrógeno, una membrana (83) que es atravesada por protones, una placa bipolar (84) donde se producen las moléculas de hidrógeno, un medio emisor de fibra óptica (85) conectado al cable de fibra óptica (87) que distribuye radiación luminosa (86) sobre la membrana (83), donde
- la membrana (83) está fabricada en un polímero adecuado para la transferencia de protones, como el nafión, y tiene en sus superficies expuestas a las placas bipolares (82) (84) una capa de material que actúa como difusor y catalizador a base de grafeno y nanopartículas de platino, u otro material que consiga que al ser excitada con la radiación luminosa (86) procedente del medio emisor de fibra óptica (85) mejorar el paso de protones a través de la membrana (83),
- el grafeno actúa limitando el paso de oxígeno a través de la membrana y es responsable del efecto de fotorreacción aumentada.
9. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual la pila de combustible (3) consta de:
- el colector solar de fibra óptica (81) hace llegar a través de la fibra óptica (87’) la radiación solar (7) a la pila de combustible a la cual se encuentra conectada,
- una corriente eléctrica generada en la pila de combustible (3) que es consumida por la carga eléctrica (6), encontrándose la misma conectando el ánodo (90’) con polaridad negativa y le cátodo (91’) con polaridad positiva, y
1
- un apilamiento de celdas donde cada celda (89’) está constituida por una placa bipolar (82’) donde circula el hidrógeno que se descompone en protones hacia una membrana (83’) que es atravesada por los protones, una placa bipolar (84’) donde circula el oxígeno que la combinarse con los protones producen agua, y un medio emisor de fibra óptica (85’) conectado al cable de fibra óptica (87’) que distribuye radiación luminosa (86’) sobre la membrana (83’), donde,
- la membrana (83’) está fabricada en un polímero adecuado para la transferencia de protones, como el nafión, y tiene en sus superficies expuestas a las placas bipolares (82’) (84’) una capa de material que actúa como difusor y catalizador a base de grafeno y nanopartículas de platino, u otro material que consiga que al ser excitada con la radiación luminosa (86’) procedente del medio emisor de fibra óptica (85’) mejora el paso de protones a través de la membrana (83’),
- el grafeno actúa limitando el paso de oxígeno a través de la membrana y es responsable del efecto de fotorreacción aumentada.
10. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual:
- un computador (200) controla el funcionamiento del dispositivo (100) mediante la lectura de señales enviadas mediante la conexión de entrada (201) que son procesadas por el computador (200) empleando algoritmos de inteligencia artificial con el fin de optimizar la eficiencia en el funcionamiento del dispositivo (100),
- unas señales son enviadas a través de la conexión de salida (202) desde el computador (200) para controlar los componentes que integran el dispositivo (100),
- los sensores miden diversos parámetros del funcionamiento de los componentes como temperatura, presión, concentración, tensión, intensidad, luminosidad en los componentes, y equipos que integran el dispositivo (100), en general, aunque no limitándose solo a estos parámetros, y
- el control se lleva a cabo a través de las señales de salida que actúan sobre bombas, válvulas de regulación de caudal, y equipos auxiliares como condensadores de vapor de agua, en general, aunque no limitándose a estos elementos de regulación.
11. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual:
- el computador (200) intercambia información con otros controladores (200’) mediante la conexión (203), y
- dichas conexiones forman una red con un esquema tipo cadena de bloques con el fin de llevar a cabo procesos de autoaprendizaje y mejoras de la estabilidad del control de todos los dispositivos (100) que se encuentran regulados por la red de controladores, la arquitectura evita la utilización de un computador de control central y distribuye la misma información entre todos los computadores de control de la red maximizando la seguridad y el almacenamiento de soporte del sistema.
12. El dispositivo (100) de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, en el cual:
- la pila de combustible (3) y el equipo de fotorreacción aumentada (1) pueden tener equipos auxiliares de calentamiento o enfriamiento para controlar su temperatura y la de la reacción en su interior, pudiendo existir transferencias de calor mediante intercambiadores de calor
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conectados en circuito cerrado desde la pila de combustible (3) al equipo de fotorreacción aumentada (1) y viceversa,
- a la salida de la pila de combustible (3) puede existir un condensador para pasar a fase liquida el caudal de agua producido en la pila de combustible, y
- tanto en el depósito de agua (5) (5’), en el depósito de hidrógeno (2) (2’) y en el depósito de oxígeno (4) (4’) puede existir un puerto que permita el intercambio de agua, hidrógeno y oxígeno con el exterior de los mismos facilitando su llenado o vaciado en las etapas de arranque, mantenimiento, o parada que puedan darse durante los ciclos de funcionamiento del dispositivo (100).
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