ES2245243B1 - Dispositivo integrado para descontaminacion de agua y produccion de energia electrica. - Google Patents

Dispositivo integrado para descontaminacion de agua y produccion de energia electrica.

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Abstract

Dispositivo integrado para descontaminación de agua y producción de energía eléctrica. Consiste en un sistema híbrido fotocatalítico-fotovoltaico que comprende un reactor fotocatalítico (2) fabricado con un material trasparente al menos a la radiación visible proveniente del sol y que contiene un fotocatalizador de dióxido de titanio, hierro (II) o hierro (III), superpuesto a un panel fotovoltaico (3), ambos sobre el mismo soporte (4) susceptible de poder inclinarse con un ángulo (10) adecuado para aprovechar óptimamente la radiación incidente. El reactor fotocatalítico (2) protege el panel fotovoltaico (3) de la radiación ultravioleta e infrarroja solar que son absorbidas por el fotocatalizador y el agua respectivamente. Una bomba de recirculación (5), cuya alimentación eléctrica es proporcionada por el panel fotovoltaico (3), asegura el flujo de agua a través del reactor fotocatalítico (2) lo que adicionalmente refrigera el panel fotovoltaico (3). De especial utilización para depuración de agua en lugares remotos.

Description

Dispositivo integrado para descontaminación de agua y producción de energía eléctrica.
Objeto y campo de aplicación
La presente invención se refiere a la realización de un nuevo dispositivo que simultanea la descontaminación y desinfección de aguas mediante fotocatálisis, junto a la captación de radiación solar para su conversión en electricidad mediante un panel fotovoltaico. El objetivo es aumentar la vida útil del sistema de conversión de energía solar en eléctrica, reducir el espacio que necesitan ambos sistemas y conseguir la autonomía energética del sistema fotocatalítico. Para ello se propone un cambio en el diseño, tanto del sistema fotocatalítico como del fotovoltaico. Este cambio afecta fundamentalmente a la instalación superpuesta de ambos sistemas.
El campo de aplicación de la invención sería las plantas de tratamiento de aguas mediante fotocatálisis solar que se emplacen en lugares dónde no exista un fácil acceso a la electricidad convencional. Esto es habitual en países en vías de desarrollo y, de forma general, en cualquier lugar aislado y alejado de una línea eléctrica. Dado que cada vez es más prioritario el consumo de agua en perfectas condiciones sanitarias, mediante estos sistemas se pueden evitar los problemas relacionados con la falta de energía eléctrica necesaria para conseguirlo, además de aumentar apreciablemente la vida útil de los paneles fotovoltaicos encargados de generarla.
A lo largo del documento se utilizarán los siguientes términos, con el significado que se describe:
- fotocatalizador de dióxido de titanio. El dióxido de titanio es una sustancia sólida e insoluble en agua que se caracteriza por tener características semiconductoras. Al ser iluminado por fotones de radiación de longitud de onda adecuada (inferior a 400 nm) se produce un cambio en su estructura superficial. Cada fotón genera en la superficie del óxido un par electrón/hueco, de forma que el electrón (de carga negativa) migra de la banda de valencia del óxido a la banda de conducción, dejando un hueco de carga positiva en la superficie. En estas condiciones, si el dióxido de titanio iluminado está en contacto con agua, se generan radicales hidroxilo a partir de la interacción entre ésta y los huecos.
- fotocatalizador de hierro (II). El hierro (II) disuelto en agua a pH=3 y en contacto con peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) genera hierro (III) y radicales hidroxilo. Si este sistema es iluminado mediante fotones de radiación de longitud de onda adecuada (inferior a 550 nm), el hierro (III) vuelve a generar hierro (II) y más radicales hidroxilo. De forma que el sistema es catalítico (no hay consumo de hierro) con la única necesidad de adicionar peróxido de hidrógeno.
- fotocatalizador de hierro (III). Si el hierro (III) disuelto en agua a pH=3 es iluminado mediante fotones de radiación de longitud de onda adecuada (inferior a 550 nm), el hierro (III) genera hierro (II) y radicales hidroxilo. El hierro (II) puede volver a generar hierro (III) mediante el efecto de la radiación, aunque la generación de hierro (III) es mucho más lenta que si esto mismo se hace mediante la adición de peróxido de hidrógeno. Este proceso es completamente catalítico, aunque la cantidad de radicales hidroxilo generada es menor.
- radical hidroxilo. Los radicales hidroxilo son especies químicas que se pueden generar a partir de agua de muy diferentes formas, pero cuya principal característica es su elevado poder oxidante. Este poder oxidante permite descomponer (hasta dióxido de carbono y sales inorgánicas) moléculas orgánicas contaminantes que estén presentes en el agua. Este poder oxidante también permite inhibir crecimiento bacteriano en esa agua e incluso destruir esos microorganismos.
Antecedentes de la invención
En los últimos años, el uso de sistemas fotocatalíticos basados en el uso de dióxido de titanio o hierro (II) o hierro (III) que utilizan radiación solar para la degradación de compuestos no biodegradables en agua ha ido en aumento y se presenta como una tecnología muy prometedora. Además, la misma tecnología viene también usándose para desinfección de agua, como alternativa al ozono o al cloro. Estos sistemas utilizan la radiación solar (en particular la radiación ultravioleta) para provocar, en presencia de un catalizador, la descomposición de moléculas orgánicas como plaguicidas, colorantes, disolventes y otros contaminantes de muy diferente índole. De la misma forma, la reacción química provocada es capaz de inhibir el crecimiento bacteriano (o de otros microorganismos) e incluso provocar su destrucción.
La tecnología fotocatalítica solar puede definirse como aquella que capta eficientemente los fotones solares y los introduce en un reactor adecuado para promover reacciones fotocatalíticas específicas. El equipo que realiza esta función se denomina colector solar. Tradicionalmente, los sistemas de colectores solares han sido clasificados en tres grandes grupos dependiendo del nivel de concentración que se puede alcanzar. El factor de concentración (FC) de un colector solar se define como la relación entre el área de apertura del colector y el área del absorbedor. El área de apertura es el área que intercepta la radiación, y el área del absorbedor, el área del componente que recibe la radiación solar. Estos tres grupos son los siguientes:
\bullet
Sistemas no concentradores, que son estáticos y no tienen seguimiento solar. Generalmente son placas de forma plana orientadas hacia el ecuador con una inclinación específica, dependiendo de la situación geográfica, para maximizar la captación solar. Su principal ventaja es su simplicidad y bajo coste. Un ejemplo es el tradicional calentador de agua doméstico.
\bullet
Sistemas de media concentración, que concentran la luz solar entre 5 y 50 veces, por lo que requieren un sistema de seguimiento solar. Tienen una superficie reflectante que concentra la radiación en un receptor tubular situado en el foco de la parábola.
\bullet
Sistemas de alta concentración, que tienen un punto focal en lugar de un foco lineal y están basados en un paraboloide con seguimiento solar. Los valores típicos de concentración están en el rango de 100 a 1000 y se necesitan para ello elementos de alta precisión óptica. En este grupo se incluyen discos parabólicos, los sistemas de torre central y los hornos solares, que se usan fundamentalmente para la producción de energía a partir de la radiación solar concentrada.
Los procesos fotocatalíticos utilizan el espectro ultravioleta UV (300 a 400 nm) de la luz solar. La tecnología necesaria para llevar a cabo aplicaciones de fotoquímica solar, en fase líquida, tiene mucho en común con la tecnología utilizada en aplicaciones térmicas. Esta es la razón por la que el diseño de sistemas y reactores fotoquímicos, en su fase inicial, se basó en diseños convencionales de colectores solares térmicos, como es el caso de los colectores cilindro-parabólicos. Sin embargo, existen también diferencias importantes entre los procesos térmicos y fotoquímicos, siendo las principales las siguientes:
\bullet
El fluido debe estar directamente expuesto a la radiación solar y, por lo tanto, el reactor debe ser transparente a los fotones, fundamentalmente del intervalo UV.
\bullet
El fluido debe captar el máximo posible de los fotones útiles para el proceso fotocatalítico, evitando que ninguno de ellos lo atraviese sin ser absorbido.
\bullet
Los elementos reflectantes y/o concentradores deben de estar optimizados para reflejar la radiación de longitud de onda adecuada para el proceso.
\bullet
No se requiere aislamiento térmico dado que la temperatura no juega un papel significante en los procesos fotocatalíticos.
Debido precisamente a este último punto, la tecnología asociada se ha basado desde un primer momento en dispositivos solares de media, baja o ninguna concentración solar.
Los colectores estáticos sin concentración solar son, en principio, los más económicos ya que no tienen partes móviles o mecanismos de seguimiento. Sin embargo, son dispositivos menos eficientes a la hora de captar la luz solar, aunque su rendimiento no se ve reducido por factores asociados con la concentración y el seguimiento solar. Se han desarrollado y ensayado un gran número de reactores solares no concentradores para aplicaciones fotocatalíticas: reactores basados en una placa inclinada sobre la que cae lentamente el agua de proceso; otros consistentes en dos placas entre las cuales circula el flujo utilizando una pared de separación; tubulares, que constan de una serie de tubos de tamaño variable conectados en paralelo para hacer circular al flujo más rápido que en una superficie plana; sistemas consistentes en una especie de piscina con muy poca profundidad donde el agua que se quiere tratar es expuesta a la radiación solar, que pueden tener algún tipo de agitación o no.
En el caso de colectores estáticos sin seguimiento, la captación anual de energía solar se maximiza cuando el ángulo de inclinación con respecto al suelo coincide con la latitud del lugar. Este análisis lleva automáticamente a considerar la posible conveniencia de sistemas estáticos para la implementación de procesos fotocatalíticos dado que la aparente pequeña desventaja en el rendimiento parece que podría ser fácilmente contrarrestada con el coste mucho más reducido de los sistemas estáticos. Sin embargo, existe también otro factor relevante a favor de los sistemas estáticos, como es el hecho de que éstos puedan aprovechar la radiación solar difusa, lo que no es factible con los colectores de concentración con seguimiento. Dado que la radiación difusa (aquella que tras interaccionar con las partículas de la atmósfera alcanza la superficie de la tierra con una dirección aleatoria) puede suponer un porcentaje importante del total de radiación UV útil para el proceso, su posible aprovechamiento es algo que se debe de tener en cuenta.
El proceso fotovoltaico (PV) convierte la radiación solar en electricidad. El componente básico de un panel fotovoltaico es la célula fotovoltaica, que cuando se ilumina con radiación solar (fundamentalmente visible, 400-800 nm) produce electricidad. Sin embargo, otros componentes del panel fotovoltaico (juntas, materiales protectores, etc.) absorben radiación de otras longitudes de onda y hacen que la temperatura del panel llegue hasta los 80ºC, lo cual afecta de forma adversa a su rendimiento y lo deteriora. Normalmente, la eficiencia baja un 30% cuando la temperatura aumenta de 20 a 60ºC.
La utilización de la fotocatálisis en la depuración de agua esta descrita en diversos documentos, por ejemplo EP 634 363.
El documento US 6,204,545 describe un dispositivo para el aprovechamiento conjunto de la fotocatálisis y la energía fotovoltaica para producir un efecto fotoeléctrico combinado.
El documento DE 196 07 862 describe un semiconductor fotocatalítico que utiliza una fuente de luz ultravioleta (UV) para depurar corrientes gaseosas, en especial los gases de escape de motores de combustión interna.
Por su parte, el documento DE 28 47 433 describe un dispositivo para calentar agua que utiliza adicionalmente el efecto fotoeléctrico. En resumen, algunas aplicaciones conocidas que combinan ambas técnicas están enfocadas a aprovechar el efecto conjunto, pero en ningún caso se refieren al uso que aquí se presenta.
En el documento JP11009965-A se describe la disposición de un fotocatalizador en la superficie exterior de una esfera hueca de plástico, formando una capa fotocatalítica transparente. A su vez, la capa fotocatalítica está superpuesta a una capa fotoeléctrica que puede actuar como célula fotovoltaica. Estas esferas (en el documento también se describen otras geometrías y formas diferentes) pueden ser suspendidas en agua o aire para conseguir dos efectos simultáneos: depuración del fluido (agua o aire) y producción de electricidad. Las diferencias fundamentales con el uso que aquí se presenta son varias:
a)
No se pretende en ningún momento la protección del dispositivo fotovoltaico con el dispositivo fotocatalítico. Ni mediante el filtrado de la radiación ultravioleta, ni mediante un efecto refrigerante.
b)
El elemento fotocatalítico-fotovoltaico está suspendido en el fluido a depurar, sin que éste este confinado en ningún fotoreactor. Se trata de agua o aire del medioambiente dónde se suspenden las "esferas" anteriormente comentadas.
c)
No se hace mención en ningún momento a su disposición formando parte de un fotoreactor solar, ni a utilizar loa electricidad producida para mover una bomba.
En conclusión, ninguno de los dispositivos fotocatalíticos conocidos dispone de un sistema fotovoltaico acoplado a él de forma que aquel proteja a éste de los efectos dañinos provocados por fotones de determinadas longitudes de onda y de los aumentos de temperatura. Además, en el dispositivo de la invención el acoplamiento de ambos sistemas permite la utilización de reactores fotocatalíticos en emplazamientos aislados.
En consecuencia, ya que un panel PV convierte principalmente luz visible solar en electricidad, que un panel PV es dañado por la elevada temperatura que se alcanza en su superficie y por la radiación UV que llega a la misma, que el agua contenida en un reactor fotocatalítico es transparente a la radiación visible y que la degradación fotocatalítica hace uso principalmente de la radiación UV (y por lo tanto la absorbe), es un objetivo de la presente invención el disponer de un dispositivo híbrido fotocatalítico-fotovoltaico de tal forma construido y operado que el componente fotocatalítico sea capaz de filtrar la radiación UV que daña el panel PV, que el componente fotocatalítico sea capaz de refrigerar el panel PV mediante el agua contenida en él y de descontaminar o desinfectar agua mediante un proceso fotocatalítico.
Es otro objetivo de la presente invención el disponer de dispositivo integrado fotocatalítico-fotovoltaico de tal forma construido y operado que produzca electricidad suficiente mediante el componente fotovoltaico que permita recircular el agua por el componente fotocatalítico, para su tratamiento.
Descripción de la invención
Para alcanzar el objetivo propuesto el reactor fotocatalítico debe estar superpuesto al panel fotovoltaico, ambos sobre un mismo soporte. Ello podrá conseguirse combinando los siguientes elementos:
1.
Un reactor fotocatalítico por el que pueda circular agua, basado en la superposición de dos paneles transparentes, cerrados de forma que el agua circule entre ellos. Con el objetivo de conseguir una turbulencia suficiente, el espacio contenido entre ambos paneles se dividirá en secciones mediante tabiques abiertos en un extremo y dispuestos de forma que el agua zigzaguee en su recorrido.
2.
El material del que deben estar hechos los paneles del reactor fotocatalítico debe ser transparente a la radiación solar ultravioleta y visible (300-800 nm). Esto se puede conseguir mediante vidrio borosilicatado de bajo contenido en hierro o mediante un material plástico de similares características tipo Plexiglas.
3.
La disposición del reactor fotocatalítico debe ser superpuesta y solidaria con el panel fotovoltaico con el objetivo de conseguir refrigerar la superficie de éste mediante el agua que circula por aquel.
4.
Todo lo anterior debe estar dispuesto sobre un soporte que esté inclinado los mismos grados que la latitud del emplazamiento con el objetivo de maximizar la eficiencia anual de captación de radiación solar mediante un colector plano.
Un dispositivo como el descrito, debido a lo compacto de su diseño y a su reducido mantenimiento, presenta grandes ventajas en su utilización en lugares remotos o países en vías de desarrollo, donde puede asegurar el suministro de agua y electricidad en lugares alejados de las redes convencionales de distribución.
Breve descripción de los dibujos
Para completar la descripción que antecede y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferida basándose en un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiva y donde se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un alzado esquemático del dispositivo integrado objeto de la invención.
La figura 2 muestra, esquemáticamente, el comportamiento de los 3 componentes de la radiación solar al incidir sobre el dispositivo integrado.
La figura 3 muestra, esquemáticamente, una vista en planta y el recorrido del agua dentro del reactor fotocatalítico.
La figura 4 muestra una vista lateral del sistema híbrido objeto de la invención.
En dichas figuras las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos
1.
Radiación solar incidente.
2.
Reactor fotocatalítico.
3.
Panel fotovoltaico.
4.
Estructura soporte.
5.
Bomba de recirculación.
6.
Salida de agua de reactor fotocatalítico.
7.
Tabiques abiertos para circulación del agua en reactor fotocatalítico.
8.
Entrada de agua de reactor fotocatalítico.
9.
Alimentación eléctrica a la bomba procedente de panel fotovoltaico.
10.
Ángulo de inclinación de todo el sistema.
11.
Radiación solar ultravioleta
12.
Radiación solar visible
13.
Radiación solar infrarroja.
Descripción detallada de una realización preferida
Como puede verse en la figura 1, en general, el dispositivo integrado objeto de la invención comprende un reactor fotocatalítico (2), que tiene forma plana y que está dispuesto encima de un panel fotovoltaico (3), todo ello colocado sobre una estructura soporte (4). De esta forma, la radiación solar (1) ilumina el reactor fotocatalítico (2) y después de atravesarlo incide sobre el panel fotovoltaico (3). La radiación solar que llega a este panel fotovoltaico es capaz de hacer que éste genere electricidad suficiente para mover una bomba (5) que impulsa el agua que pasa a través del reactor fotocatalítico (2). Esta bomba está colocada debajo de todo el sistema para aprovecharse de la sombra que genera el mismo y aumentar su durabilidad. En la figura 2 se representa esquemáticamente una de las principales ventajas relacionadas con esta invención. En esta figura 2 se aprecia que sobre el reactor fotocatalítico (2) incide la radiación solar que tiene tres componentes, en atención a la longitud de onda de la misma, como son la componente ultravioleta (11), la componente visible (12) y la componente infrarroja (13). Mediante la disposición superpuesta se consigue que únicamente la componente visible (12) incida sobre el panel fototovoltaico (2), ya que la componente ultravioleta (11) es absorbida por el catalizador dispuesto en el interior del reactor fotocatalítico (2) y que es responsable de la descontaminación del agua. La componente infrarroja (13) es absorbida por el agua en sí misma. El catalizador de dióxido de titanio es suspendido en el agua antes de proceder a recircular ésta en el reactor fotocatalítico. Una vez finalizado el tratamiento, se retira mediante sedimentación. Si en cambio se utiliza hierro (II) o hierro (III), éstos se disolverían en el agua después de fijar en ésta un pH de 3 mediante la adición de ácido. En este caso, se retiraría después mediante el aumento del pH hasta su neutralización (pH=7), lo cual provocaría la precipitación del hierro con hidróxido de hierro, sólido que también se puede retirar mediante sedimentación.
En una realización preferida, que denominaremos de disposición inclinada, se dispone el reactor fotocatalítico (2) superpuesto al panel fotovoltaico (3), pero todo ello colocado sobre una estructura soporte (4) que permita que todo el dispositivo presente un ángulo de inclinación (10) igual a la latitud del lugar, de forma que se consiga la máxima eficiencia media anual (si esa inclinación no varía) o la máxima eficiencia en cada momento (si se varía esa inclinación en función de la altura solar).
Haciendo referencia ahora a la figura 3, podemos observar que el reactor fotocatalítico (2) cuenta con unos tabiques (7) fabricados del mismo material transparente que los paneles superior e inferior del mismo. Estos tabiques tiene como objetivo que el agua que entra en el reactor fotocatalítico (2) por la entrada de agua (8) y sale por la salida de agua (6), circule por el mismo siguiendo un camino zigzageante que permita mayores turbulencias, lo cual mejora el rendimiento de la reacción fotocatalítica. Además, de esta forma la circulación de agua es más homogénea y se garantiza la no acumulación de la misma en zonas muertas (fundamentalmente las esquinas). De la misma forma se garantiza también una mejor trasferencia de calor con el panel fotovoltaico (3) colocado debajo y, por tanto, una mejor refrigeración de éste.
Serán evidentes para un experto en la materia una serie de alternativas de realización que permitan adaptar el diseño a las condiciones específicas técnicas y económicas de una realización concreta. Así, por ejemplo, en la construcción del panel inferior del reactor fotocatalítico (2) que está superpuesto y solidario al panel fotovoltaico (3), se puede utilizar vidrio convencional ya que a través de él únicamente debe pasar radiación visible. Pero esto siempre dependerá de la facilidad para componer el reactor fotocatalítico (2) combinando materiales diferentes. También respecto al reactor fotocatalítico (2), este puede estar formado por una serie de tubos (construidos con un material similar a los comentados anteriormente) y colocados encima del panel fotovoltaico (3) de forma paralela y cubriéndolo por completo. El agua circularía por ellos de una forma similar a la mostrada en la figura 3. Otro ejemplo podría ser el relacionado con el emplazamiento de la bomba (5) de recirculación, que no debe ser necesariamente debajo si ésta soporta correctamente la intemperie. También se podría manejar el catalizador de forma diferente. Se podría retirar el dióxido de titanio o el hidróxido de hierro mediante filtración. Esto supondría la instalación de una bomba adicional, que también podría ser alimentada mediante electricidad generada en el panel fotovoltaico, para poder impulsar el agua a la presión necesaria para atravesar el filtro necesario para la filtración. Además, otra posibilidad sería disponer el catalizador (sea dióxido de titanio o hierro) en un soporte inerte de forma que no fuera necesario retirarlo del agua. Esto es una solución que se podría realizar únicamente si ese soporte fuera transparente a la radiación visible, de forma que no se impidiera la iluminación del panel fotovoltaico. Este tipo de soporte no ha sido desarrollado hasta
ahora.
Igualmente, y por motivos de claridad, no se han descrito diferentes elementos que siendo necesarios para el correcto funcionamiento del dispositivo de la invención son convencionales y sobradamente conocidos. Así, será preciso dotar al circuito de agua de una toma de agua a depurar y una salida de agua depurada hacia un recipiente de almacenamiento. Por lo mismo será preciso dotar al dispositivo de medios de almacenamiento eléctrico (por ejemplo baterías) si se desea disponer de electricidad en horas nocturnas.

Claims (2)

1. Dispositivo integrado para descontaminación de agua y producción de energía eléctrica comprendiendo;
un reactor fotocatalítico (2) y un panel fotovoltaico (3), superpuesto el primero sobre el segundo para que el reactor fotocatalítico proteja al panel fotovoltaico y ambos solidarios de una estructura (4) susceptible de poder inclinarse con el ángulo (10) adecuado para aprovechar óptimamente la radiación incidente,
una bomba de recirculación (5) cuya alimentación eléctrica es proporcionada por el panel fotovoltaico (3),
y caracterizado por estar fabricado el reactor fotocatalítico (2) con un material transparente al menos a la radiación visible proveniente del sol, e incorporar tabiques (7), abiertos en un extremo, dispuestos de forma que el agua zigzaguee en su recorrido.
2. Dispositivo integrado para descontaminación de agua y producción de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por utilizar dióxido de titanio o hierro (III) como fotocatalizadores en el reactor fotocatalítico (2).
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