Producción y transporte de la electricidad

Transcripción

1 Producción y ranspore de la elecricidad La corriene elécrica empleada para aplicaciones indusriales es corriene alerna y desde su ransformación a parir de ora energía llamada primaria, hasa su uilización por el consumidor sufre una serie de procesos que esudiaremos seguidamene. Generador de corriene. Corriene alerna Una de las aplicaciones ecnológicas más imporanes del fenómeno de inducción elecromagnéica, es el generador de corriene elécrica. Una fuene de energía hace girar una bobina enre los polos de un imán o elecroimán. Al aravesar el plano de las bobinas móviles, las líneas de fuerza del campo magnéico, hay un flujo magnéico variable a ravés de ellas que induce una fem. La corriene elécrica que se genera sale de las bobinas mediane un sisema de conacos móviles, llamadas escobillas. B r S A r θ B r Fig.8.1 Generador elemenal de corriene ω En la fig.8.1, se muesra un generador elemenal, en el que una espira recangular, de área A r puede girar en el seno de un campo magnéico uniforme B r. Los exremos de la espira esán unidos a unos anillos conducores deslizanes que giran con ella. Unos conacos que se apoyan en dichos anillos, llamados escobillas, permien la salida de la corriene. El circuio que uiliza la energía elécrica procedene del generador, es en ese modelo elemenal, una sola resisencia de valor. Fig.8.. Tomando para la corriene el senido del dibujo, la regla de la mano derecha permie definir la dirección y el senido del vecor superficie A r. Llamando con A r a un vecor normal a la espira de módulo igual a su área, fig.8., el flujo magnéico de B r a ravés de la espira para el senido de la inensidad señalado en la figura, vale: Φ B A cosθ m Si la espira gira con movimieno circular uniforme maniene consane su velocidad angular ω y considerando su roación desde una posición inicial en la que los vecor A r y B r forman un ángulo θ 0, enonces el ángulo θ girado por la espira en función del iempo vale θ ω. La ecuación del flujo magnéico en función del iempo es:

2 φ B A cos ω [8.14] m Si en lugar de una espira, hubiese una bobina formada por espiras planas y paralelas, el flujo sería veces mayor Φ m φm y la fem inducida de acuerdo con la ley de Faraday es: dφ d d φm B A cos ω ω B Asenω d d d m ε ind [ ] [ ] La inensidad de corriene proporcionada por el generador a la resisencia, es de acuerdo con la ley de Ohm. ε ind sen ω B A Esas dos ecuaciones de la fem y de la inensidad, varían sinusoidalmene con el iempo. Observa que los valores máximos de la fem, ε máx y de la inensidad, máx ; son los que oman esas magniudes cuando el seno es la unidad y valen: ω máx - máx Fig.8.3. La inensidad de una corriene alerna varía en cada insane de iempo, esando sus valores comprendido enre un valor máximo máx y oro mínimo máx. ε máx ω BA ; ω BA Susiuyéndolos, resulan las siguienes ecuaciones para la fem inducida y la inensidad, que por depender del iempo se llaman valores insanáneos. ε ind ε máx sen ω [8. 15] máx sen ω [8.16] Las corrienes, cuya fem inducida (ambién llamada ensión) y la inensidad, varían con el iempo de acuerdo con las ecuaciones [8.15] y [8.16] se llaman corrienes alernas. En la fig.8.3 puedes ver la variación con el iempo de la inensidad de una corriene alerna sinusoidal. La diferencia más significaiva enre la corriene coninua esudiada en cursos aneriores y la corriene alerna, esá, en que en la corriene coninua los valores de la ensión y de la inensidad, una vez que se ha esablecido, permanecen consanes, fig.8.4. y en la alerna cambian coninuamene con el iempo, fig.8.3. Una de las caracerísicas fundamenales de la corriene alerna es su frecuencia f. Esá relacionada con la velocidad angular ω de la espira por la ecuación. f ω / π Ce Ce La frecuencia f se mide en Hz y ω en rad/s. En Europa, la frecuencia de la corriene alerna es de 50 Hz, mienras que en los Esados Unidos de América es de 60 Hz. Fig.8.4. La ensión y la inensidad de una corriene coninua no cambian con el iempo. El periodo de la corriene alerna es el inverso de la frecuencia T 1/f siendo en Europa de 0,0 s.

3 Momeno del par sobre la bobina Cuando una bobina recorrida por una ciera inensidad se halla en un campo magnéico, aparece sobre ella un par de fuerzas, cuyo momeno se opone a que la bobina gire libremene. Por ese moivo para manenerla girando en el campo magnéico, con ω consane, es necesario uilizar una fuene de energía exerna que proporcione consanemene un momeno de senido conrario. M par La poencia proporcionada por el par exerior P par, es igual al produco del momeno del par, M par, por la velocidad angular de la espira ω, es decir, Ppar M par ω. Y debe ser igual a la poencia disipada en la resisencia del circuio por efeco Joule P ( máx sen ω ) sen ω de valor. ω / gualando las dos ecuaciones de las poencias P par P y despejando el momeno del par M par resula: Mpar sen ω M sen ω [8.17] ω El momeno del par ambién varía con el iempo, pero con una ley disina a la de la fem inducida y a la inensidad. Su variación con el iempo aparece en la represenación gráfica de la fig.8.5. Fig.8.5. El momeno del par de fuerzas que acúa sobre la espira ambién varía con el iempo, ecuación [8.17], sin embargo, lo hace con una ley disina a la inensidad, ecuación (8.16). Observa que varía enre un valor máximo y cero, sin poder omar valores negaivos por enconrarse el seno elevado al cuadrado. El mismo generador que se usa para producir una corriene alerna que se describe en la fig.8.1, puede emplearse de moor elécrico, fig.8.. Si hacemos pasar corriene elécrica por las espiras, en el seno del campo magnéico, ése produce en ellas una par, que las hace girar. Un generador se compone de una bobina de 5 espiras, siendo cada espira de área 0,10 m. Esá girando en un campo magnéico uniforme de 0, T; con una frecuencia de 50 Hz; y iene conecada una resisencia de 100 Ω. Deermina: a) alores máximos de la fem y de la inensidad. b) alores insanáneos de la fem inducida y de la inensidad de la corriene. c) Momeno del par que acúa sobre la bobina. a) La velocidad angular de la espira es ω π f π 50 rad/s 100 π rad/s rad Wb rad s ε máx ω BA π 0, 0,10 m , s m s ωba 157 1,57 A 100Ω b) Los valores insanáneos son: ε ind ε máx sen ω 157 sen 100 π máx sen ω 1,57 sen 100 π c) El momeno del par sobre la espira iene de valor máximo: 1,57 A 100 A M Ω 0,78 0,78C 0,78 m ω 100π rad / s rad / s M par 0, 78 sen 100π Fig.8.. En un moor elécrico, al pasar la corriene por las espiras, siuadas en un campo magnéico, el momeno del par de fuerzas que ejerce el campo sobre ellas las pone en roación, ransformándose la energía elécrica en energía mecánica.

4 5.3 Transformadores Un ransformador es un disposiivo que se usa para aumenar o bajar la ensión y la inensidad de una corriene alerna en un circuio, sin apenas perdida de poencia elécrica. En la fig.8.3, se muesra un ransformador formado por un núcleo de hierro y sendos conducores enrollados en él. El devanado de la izquierda, al cual se dirige la corriene de enrada, se llama primario y el de la derecha, secundario. La corriene alerna de enrada de ensión 1 produce un flujo magnéico variable con el iempo y el núcleo de hierro lo canaliza hasa el secundario. Ése flujo magnéico variable a ravés del secundario, induce a su vez en él, una corriene inducida cuya ensión es y de acuerdo con la ley de Faraday, ec.(810). d ( 1 φ ) dφ En el primario se cumple que: 1 1 d d Como el flujo esá resringido al inerior del núcleo de hierro, el mismo flujo araviesa las espiras del secundario, produciendo la ensión. ( φ ) d d Despejando de la primera dφ d y llevándolo a la segunda se obiene la relación siguiene enre las ensiones del secundario y del primario: 1 1 dφ d [8.18] El cociene enre las ensiones es igual al cociene enre el número de espiras de los dos devanados. La relación / 1 se conoce como relación de ransformación. Si > 1 el ransformador se llama elevador, pero sí < 1 el ransformador se llama reducor. Fig.8.3. Un ransformador con el primario que iene 1 espiras y el secundario con ; rasforma una corriene alerna de ensión 1 en ora corriene alerna de ensión. Corrienes de Foucaul En las piezas meálicas someidas a campos magnéicos variables con el iempo, como es el núcleo de hierro de un ransformador, o las piezas que sirven de sopore a las bobinas meálicas de generadores y moores, pasa un flujo magnéico variable con el iempo que induce unas corrienes llamadas de Foucaul. Esas corrienes parásias disipan energía, produciendo calenamieno y envejecimieno de los aparaos y además se oponen al movimieno de piezas meálicas denro de campos magnéicos por lo que son perjudiciales. Considerando el caso del ransformador ideal, en el que pérdidas de poencia elécrica son despreciables, se verifica, que la poencia absorbida por el ransformador en el primario, es igual a la poencia cedida en el secundario y de aquí se obiene la ecuación [8.19] que permie racionar las inensidades en el primario y en el secundario. P P [8.19] 1 Un alernador de una cenral elécrica produce una poencia de 50 MW, a una ensión de 0 k. Deermina: a) La razón enre el número de espiras del secundario y del primario de un ransformador, para que la ensión enviada a las líneas de ranspore sea de 0 k. b) La inensidad de la corriene en la línea. 0 k a) La razón de ransformación es: 11 0 k 1 1 b) De los daos del alernador deducimos la inensidad de la corriene que recorre el primario, pues la poencia vale P 1 1 P W 500 A De la razón de ransformación: A 11 7 A PELGO ALTO OLTAJE Subesación de ransformación de corriene alerna, hasa donde llega la corriene procedene de los ransformadores de las cenrales. Los ransformadores, son grandes máquinas que aumenan la ensión de la corriene alerna desde decenas de miles de volios, hasa cenenares de miles de volios, reduciendo así la inensidad de la corriene y de ese modo aminorando la disipación de energía elécrica en el ranspore, por su ransformación en calor debido al efeco Joule.

5 mpaco ambienal de la producción de elecricidad La ransformación de oras formas de la energía, en energía elécrica supone el uso de energías primarias: como el carbón, el gas, combusibles líquidos derivados del peróleo y maeriales radiacivos en las cenrales nucleares. También se uilizan energías renovables como la energía poencial graviaoria del agua embalsada, empleada en cenrales hidroelécricas, la energía eólica, la energía solar, la geoérmica y la maremoriz. Sin embargo, para valorar con ciera propiedad el problema, es conveniene conocer primero, odo el proceso de producción indusrial de la corriene alerna. Generación y ranspore de la elecricidad El agua almacenada en la presa iene energía poencial, que al salir por la ubería de presión incide sobre una urbina hidráulica conecada a un alernador, ransformándose la energía mecánica en energía elécrica. La generación y el ranspore de la energía elécrica, necesian de un conjuno de insalaciones que se uilizan para ransformar oros ipos de energía en elecricidad y ransporarla hasa los lugares de uso, siuados generalmene a cienos de kilómeros de los cenros de producción. Se uiliza corriene alerna, ya que de ese modo se puede reducir o elevar su volaje, mediane ransformadores. Las insalaciones elécricas de producción y ranspore ienen seis elemenos principales: La cenral elécrica. Los ransformadores que elevan el volaje de la energía elécrica hasa alas ensiones necesarias para las líneas de ransmisión. Las líneas de ransmisión. Las subesaciones donde se le baja el volaje en ransformadores reducores, para adecuarse a las líneas de disribución. Las líneas de disribución a media ensión. Oros ransformadores que reducen de nuevo el volaje, a los valores uilizados para usos domésicos e indusriales. En una insalación normal, los generadores de la cenral suminisran volajes de unos volios; volajes superiores no son adecuados por las dificulades que presena su aislamieno y por el riesgo de corocircuios. Ese volaje se eleva mediane ransformadores a ensiones enre y volios para la línea de ransmisión primaria. En la subesación, el volaje se ransforma en ensiones enre y volios para que sea posible ransferir la elecricidad al sisema de disribución. La ensión se baja de nuevo con ransformadores en cada puno de disribución. La indusria pesada suele rabajar a volios, y los renes elécricos requieren de 15 a 5 kilovolios. Para el suminisro a los consumidores se baja más la ensión: la indusria suele rabajar a ensiones enre 380 y 415 volios, y las viviendas enre 0 y 40. El imporane papel de los ransformadores Una caracerísica imporane del ransformador es que permie ransporar la energía elécrica con un bajo cose económico. En efeco, con objeo de minimizar las pérdidas por el efeco Joule,, con el consiguiene calenamieno, en las líneas de ransmisión es más renable usar alo volaje y baja inensidad. Por ora pare, para aumenar la seguridad en el uso se requiere ambién que la poencia elécrica disribuida al consumidor sea de bajo volaje y ala inensidad. Supongamos, por ejemplo, que en una ciudad de habianes cada persona requiere para su consumo 1 kw de poencia Es una cenral érmica en la que la energía primaria procede de la reacción de fusión de los áomos de uranio-35. La energía liberada la absorbe un fluido que mediane un inercambiador de calor la cede a un circuio de agua-vapor y en esado de vapor, incide sobre una urbina de vapor, poniéndola en roación. Mediane un eje acoplado a un alernador se ransmie a ése el movimieno y se genera la energía elécrica. La energía primaria es carbón, fuel o gas, combusibles con los que se caliene agua hasa el esado de vapor a ala presión y emperaura en una caldera. Ése vapor incide sobre una urbina acoplada a un alernador y así se genera la energía elécrica. Las cenrales érmicas con independencia del combusible primario, necesian un circuio de refrigeración para que pueda funcionar la urbina que es una máquina érmica y por ese moivo han de esar emplazadas cerca de grandes caudales de agua.

6 elécrica. Para usos domésicos la ensión es de 0 y la corriene que necesiaría cada persona sería: 1000 W 4,5 A. 0 La inensidad oal que necesia la ciudad de habianes es por lo ano de A. El ranspore de esa corriene desde la cenral elécrica donde se produce (a muchos kilómeros de disancia) hasa el consumidor requeriría cables conducores de una gran sección y aún así las perdidas por el calenamieno debido al efeco Joule,, serían subsanciales. El precio del kwh de energía elécrica se dispararía. Para eviar ese perjuicio, se eleva el volaje de la corriene para el ranspore, y se disminuye después para disribuirlo denro de la ciudad a los consumidores. Por ejemplo, a la salida de la cenral elécrica se eleva el volaje hasa , pero como la poencia ransporada será la misma, la inensidad valdrá A, 165 A. La corriene ransporada de 165 A, desde la cenral hasa la ciudad, no supone perdidas imporanes y el ranspore resula más económico. A coninuación, en las afueras de la ciudad suele haber una subesación de poencia o ransformación que reduce el volaje a unos niveles más seguros, de aproximadamene , para la disribución por el inerior de la ciudad. Finalmene, ora serie de ransformadores reducen odavía más el volaje, a 0, para el consumo final del usuario domésico. Uilizan como energía primaria, la energía cinéica del vieno y mediane un aerogenerador la ransforman en energía elécrica. La poencia individual de esos aparaos oscila enre 0,1 MW y 0,5 MW y sus posibilidades de producción viene condicionada por las condiciones eólicas del momeno, si bien, se insalan en zonas donde el vieno iene durane muchos días al año la velocidad necesaria. Consiuye una buena fuene de apoyo energéico. España es uno de los países del mundo con mayor poencia elécrica insalada mediane esa ecnología. Una línea de ransmisión iene una resisencia de 0,0 Ω/km. Calcula las pérdidas por efeco Joule en la línea de 10 km de longiud si una poencia de 440 kw debe ser ransporada. a) a 0, b) a a) b) P 440 kw 000 A 0, P 440 kw 88A 5000, P (000) 0, J. P (88) 0, J. Efecos sobre el medio ambiene El más reciene de los aconecimienos medioambienales imporanes en la hisoria de la Tierra se produjo en el cuaernario (enre 1,6 millones y años arás), llamado ambién periodo glacial. El clima subropical desapareció y cambió la faz del hemisferio nore, Grandes capas de hielo rerocedieron y se reiraron en América del ore y en Europa, haciendo oscilar el clima de frío a emplado, influyendo en la vida vegeal y animal dando lugar al clima que hoy conocemos. El ser humano, apareció ardíamene en la hisoria de la Tierra, pero ha sido capaz de modificar el medio ambiene con sus acividades. Fue con la evolución ndusrial cuando el hombre empezó realmene a cambiar la faz del planea, la nauraleza de su amósfera y la calidad de su agua. Hoy, la demanda sin precedenes a la que el rápido crecimieno de la población humana y el desarrollo ecnológico someen al medio ambiene esá produciendo un declive cada vez más acelerado de su calidad y capacidad para susenar la vida. Transforma la energía de la radiación solar, mediane unas células foovolaicas, consruidas de silicio fundamenalmene, en energía elécrica. Su capacidad de producción hoy por hoy, es muy limiada y su cose de insalación muy alo, además no producen por la noche y esán muy condicionadas por la presencia de nubes. De odos modos, las energías renovables consiuyen un recurso energéico inagoable, a diferencia de las energías radicionales que excepuando la hidráulica se agoarán algún día.

7 Para la producción de energía elécrica es necesario el uso de combusibles. Uno de los impacos que el uso de combusibles fósiles ha producido sobre el medio ambiene erresre ha sido el aumeno de la concenración de dióxido de carbono (CO ) en la amósfera. La canidad de CO amosférico había permanecido esable, aparenemene durane siglos, en unas 60 ppm (pares por millón), pero en los úlimos 100 años ha ascendido a 350 ppm. Lo significaivo de ese cambio es que puede provocar un aumeno de la emperaura de la Tierra a ravés del proceso conocido como efeco invernadero. El dióxido de carbono amosférico iende a impedir que la radiación infrarroja salga al espacio exerior; al generarse más calor y emiirse menos al espacio, la emperaura global de la Tierra podría aumenar. Un calenamieno global significaivo de la amósfera endría graves efecos sobre el medio ambiene. Aceleraría la fusión de los casquees polares, haría subir el nivel de los mares, cambiaría el clima regional y globalmene, aleraría la vegeación naural y afecaría a las cosechas. Esos cambios, a su vez, endrían un enorme impaco sobre la civilización humana. Desde 1850 se ha producido un aumeno medio en la emperaura global de cerca de 1 C. Algunos cieníficos han predicho que el aumeno de la concenración en la amósfera de CO y oros gases invernadero provocará que las emperauras coninúen subiendo. Las esimaciones van de a 6 ºC para mediados del siglo XX. o obsane, oros cieníficos que invesigan los efecos y endencias del clima rechazan las eorías del calenamieno global, aribuyendo la úlima subida de la emperaura a flucuaciones normales que esán muy afecadas por las variaciones de la acividad solar. Asociado ambién al uso de combusibles fósiles, exise el problema de la deposición ácida, la cual se debe a la emisión de dióxido de azufre y óxidos de nirógeno por las cenrales érmicas y por los escapes de los vehículos a moor. Esos producos ineraccionan con la luz del sol, la humedad y los oxidanes produciendo ácido sulfúrico y nírico, que son ransporados por la circulación amosférica y caen a ierra, arrasrados por la lluvia y la nieve en la llamada lluvia ácida, o en forma de depósios secos, parículas y gases amosféricos. La lluvia ácida es un imporane problema global. La acidez de algunas precipiaciones corroe los meales, desgasa los edificios y monumenos de piedra, daña y maa la vegeación y acidifica lagos, corrienes de agua y suelos. La lluvia ácida puede reardar ambién el crecimieno de los bosques. Durane el periodo comprendido enre 1959 y 1990, la producción y consumo anual de elecricidad aumenó de poco más de 1 billón de Kwh. a más de 11,5 billones de Kwh. También uvo lugar un cambio en el ipo de generación de energía. En 1950 las dos erceras pares de la energía elécrica se generaban en cenrales érmicas y un ercio en cenrales que hacen de sopore de las bobinas hidroelécricas. En 1990 las cenrales érmicas seguían produciendo alrededor del 60% de la elecricidad, pero las cenrales hidroelécricas han descendido hasa poco más del 0% y la energía nuclear genera el 15% de la producción mundial. Sin embargo, el crecimieno de la energía nuclear ha descendido en algunos países debido a consideraciones de seguridad o de nauraleza ideológica. En Esados Unidos las cenrales nucleares generaron el 0% de la elecricidad en 1990, mienras que en Francia, líder mundial del uso de energía aómica, las cenrales nucleares proporcionan el 75% de su producción elécrica. El efeco invernadero es debido a la reflexión de la radiación infrarroja en el conjuno de gases que forman la amósfera, en las parículas que lleva en suspensión, y en el vapor de agua de las nubes. Ese fenómeno se ha producido siempre y permie la regulación de las emperauras en nuesro planea, equilibrando la energía que enra procedene del Sol y la que radia la Tierra al espacio exerior, como radiación infrarroja. Una polémica parece surgir en los úlimos años a causa del incremeno en la amósfera de gases debidos a las acividades humanas, como el CO y oros, que aumenan la reflexión de la radiación infrarroja hacia la superficie erresre, rompiendo el equilibrio naural y en al caso conribuyendo a una posible elevación de la emperaura media del planea. Sin embargo, no odos los cieníficos esán de acuerdo con la influencia de las acividades humanas en el clima y consideran que los cambios son procesos naurales en la evolución de nuesro planea.