Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Eléctrica

APUNTES EL42C

CONVERSION ELECTROMECANICA DE LA ENERGIA

VERSION OTOÑO 2003

INDICE PRESENTACION.................................................................................................... 11 1. INTRODUCCION ............................................................................................... 12 1.1. Dispositivos de Conversión Electromecánica ................................................................. 12 1.2. Componentes de un Sistema Eléctrico de Potencia ........................................................ 13

2. ELECTROMAGNETISMO Y CIRCUITOS MAGNETICOS ........................... 15 2.1. Conceptos de Electromagnetismo ................................................................................... 15 2.1.1. Generalidades. .......................................................................................................... 15 2.1.2. Campo magnético..................................................................................................... 15 2.1.3. Principios básicos del motor eléctrico...................................................................... 18 2.1.4. Principios básicos del generador eléctrico. .............................................................. 20 2.2. CIRCUITOS MAGNETICOS......................................................................................... 21 2.2.1. Generalidades. .......................................................................................................... 21 2.2.2. Circuito magnético simple. ...................................................................................... 23 2.2.3. Circuito eléctrico equivalente................................................................................... 24 2.2.4. Corriente-variable en el tiempo................................................................................ 26 2.2.5. Inductancias.............................................................................................................. 27 2.2.6. Energía en el campo magnético. .............................................................................. 30 2.2.7. Circuitos magnéticos con entrehierro....................................................................... 33 2.3 Problemas Resueltos ........................................................................................................ 35

3. TRANSFORMADORES ..................................................................................... 41 3.1. GENERALIDADES. ..................................................................................................... 41 3.1.1. Principio básico de funcionamiento y campos de aplicación. ................................ 41 3.1.2. Aspectos constructivos............................................................................................. 43 3.2. TRANSFORMADOR MONOFASICO IDEAL............................................................. 46 3.2.1. Definición................................................................................................................. 46 3.2.2. Relación de voltajes. ................................................................................................ 46 3.2.3. Relación de corrientes. ............................................................................................. 48 3.2.4. Circuito equivalente referido a uno de los enrollados.............................................. 50 3.3. TRANSFORMADOR MONOFASICO REAL (NO IDEAL)........................................ 51 3.3.1. Permeabilidad magnética finita................................................................................ 51 3.3.2. Existencia de flujos de fuga. .................................................................................... 54 3.3.3. Efecto de resistencias de enrollados......................................................................... 57 3.3.4. Consideración de pérdidas en el fierro..................................................................... 57 3.3.5. Determinación experimental de los parámetros del circuito equivalente. .............. 60 3.3.6. Análisis del comportamiento a partir del circuito equivalente................................. 63 3.3.7. Conexión en paralelo de transformadores monofásicos........................................... 68 3.5 Transformadores Trifásicos.............................................................................................. 70 3.5.1 Consideraciones básicas............................................................................................ 70 3.5.2. Núcleos de Transformadores trifásicos .................................................................... 71 3.5.3 Principales características de las conexiones trifásicas de transformadores. ............ 73 3.5.4 Armónicas en las distintas conexiones trifásicas de transformadores....................... 80 3.5.5. Designación normalizada de conexiones de transformadores trifásicos.................. 85 3.5.6. Conexión en paralelo de transformadores trifásicos. ............................................... 95 3.6 Transformadores Especiales........................................................................................... 107 3.6.1. Transformadores de medida. .................................................................................. 107 3.6.2 Autotransformadores............................................................................................... 111

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3.6.3. Transformadores para circuitos de audio. .............................................................. 115 3.6.4 Transformadores de fuga......................................................................................... 119 3.6.5 Transformadores de Pulso....................................................................................... 121 3.6.6 Transformadores de 3 enrollados. ........................................................................... 121 3.6.7 Transformadores para rectificadores de potencia................................................... 123

4. Principios Básicos de Máquinas Eléctricas........................................................ 125 4.1 Introducción ................................................................................................................... 125 4.2 Motor Electrico .............................................................................................................. 127 4.2.1 Motor elemental de un enrollado ........................................................................... 127 4.2.2 Motor de dos enrollados.......................................................................................... 132 4.3 Generador Eléctrico........................................................................................................ 139

5. Maquinas de Corriente Continua ....................................................................... 145 5.1. Principios de Funcionamiento....................................................................................... 145 5.1.1. Principio de funcionamiento del generador de C.C. o dínamo. ............................. 145 5.1.2. Principio de funcionamiento del motor de C.C...................................................... 150 5.2. Desempeño de máquinas de C.C. reales ....................................................................... 151 5.2.1. Saturación del material ferromagnético. ................................................................ 152 5.2.2. Reacción de armadura. ........................................................................................... 154 5.2.3. Pérdidas en máquinas de C.C................................................................................. 158 5.3. Aspectos Constructivos de máquinas de C.C................................................................ 160 5.4. Conexiones de máquinas de C.C................................................................................... 164 5.4.1. Generadores de C.C............................................................................................... 164 5.4.2. Motores de C.C. .................................................................................................... 177 5.5 Aplicaciones ................................................................................................................... 186 5.5.1 Introducción ............................................................................................................ 186 5.5.2 Aplicaciones domésticas ......................................................................................... 186 5.5.3 Aplicaciones industriales......................................................................................... 187 5.5.4 Aplicaciones en transporte ...................................................................................... 188 5.5.5 Ejemplo característico Chileno: La gran industria minera del cobre. ..................... 188 Ejercicios resueltos............................................................................................................... 189

6. Máquinas de Inducción ...................................................................................... 194 6.1 Introducción ................................................................................................................... 194 6.2. Principio de Funcionamiento ....................................................................................... 194 6.2.1. Campo Magnético Rotatorio del estator............................................................... 194 6.2.2. Torque motriz......................................................................................................... 198 6.2.3. Deslizamiento........................................................................................................ 200 6.3. Características constructivas ......................................................................................... 201 6.4. Modelo Equivalente monofásico del Motor de Inducción ......................................... 203 6.5. Cálculo de Parámetros.................................................................................................. 208 6.5.1. Prueba en vacío. .................................................................................................... 208 6.5.2. Prueba de rotor bloqueado. ................................................................................... 209 6.6. Análisis del motor de inducción a partir del Modelo Equivalente.............................. 210 6.6.1. Potencia transferida al eje. .................................................................................... 210 6.6.2. Torque electromagnético........................................................................................ 210 6.6.3. Punto de operación. ................................................................................................ 213 6.7. Motor de inducción monofásico.................................................................................... 214

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6.8 APLICACIÓN: UN NUEVO ESQUEMA DE ANÁLISIS DE FALLAS MEDIANTE LA MEDICIÓN DE LA CORRIENTE DE ESTATOR EN MOTORES DE INDUCCIÓN .............................................................................................................................................. 217 6.8.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 217 6.8.2 LA TRANSFORMADA HILBERT ....................................................................... 217 6.8.3 DEMOSTRACIÓN ANALÍTICA DE LA ENVOLVENTE DE UNA SEÑAL .... 218 6.8.4 FORMAS DE ONDA EN MOTORES DE INDUCCIÓN ..................................... 220 6.8.5 INTERPRETACION DEL ESPECTRO DE FRECUENCIAS .............................. 222 6.8.6 APLICACIÓN DEL ESQUEMA PROPUESTO.................................................... 225 6.8.7 Comentarios ............................................................................................................ 233

7. Máquinas Síncronas ........................................................................................... 235 7.1 Introducción ................................................................................................................... 235 7.2. Principio de funcionamiento del generador síncrono.................................................... 236 7.2.1. Generador desacoplado de la red. .......................................................................... 236 7.2.2. Generador conectado a la red. ................................................................................ 237 7.3. Principio de funcionamiento del motor síncrono. ......................................................... 239 7.4. Operación en los cuatro cuadrantes............................................................................... 241 7.5. Características constructivas ......................................................................................... 243 7.5.1. Características del estator....................................................................................... 243 7.5.2. Características del rotor.......................................................................................... 243 7.5.3. Generadores síncronos. .......................................................................................... 244 7.5.4. Motores síncronos. ................................................................................................. 245 7.6. Ejes directo y en cuadratura .......................................................................................... 246 7.7. Flujos enlazados en las bobinas del rotor y estator ....................................................... 247 7.7.1. inductancias propias del estator.............................................................................. 249 7.7.2. inductancias mutuas del estator.............................................................................. 252 7.7.3. inductancias mutuas entre rotor y estator............................................................... 253 7.8. Transformación DQ0..................................................................................................... 255 7.8.1. voltajes en el estator en términos de los ejes d-q ................................................... 257 7.8.2. Potencia y torque en términos de los ejes d-q ........................................................ 257 7.9. Circuito equivalente de la máquina síncrona ................................................................ 259

8. Control de Máquinas Eléctricas ........................................................................ 263 8.1. Introducción a la Electrónica de potencia ..................................................................... 263 8.1.1. Interruptores ........................................................................................................... 263 8.1.2. Conversores de potencia......................................................................................... 267 8.2. Conversión AC-DC: rectificador .................................................................................. 268 8.2.1. Calculo de la tensión generada............................................................................... 272 8.2.2. Calculo de la corriente generada. ........................................................................... 273 8.3. Conversión DC-AC: Inversor........................................................................................ 276 8.4. Conversión DC-DC: Chopper ....................................................................................... 277 8.4.1. Conversor DC-DC de bajada (Chopper Buck)....................................................... 278 8.4.2. Conversor DC-DC de subida (Chopper Boost)...................................................... 279 8.5. Conversión AC-AC: Cicloconvertidor.......................................................................... 282 8.6. Partidores suaves ........................................................................................................... 283 8.7. Aplicación de Electrónica de Potencia al control de motores....................................... 288 8.7.1. Control de motores de CC...................................................................................... 288 8.7.2. Control de motores de inducción ........................................................................... 293

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8.7.3. Control de motores síncronos................................................................................. 298

9. Energía Eólica .................................................................................................... 300 9.1. Introduccion .................................................................................................................. 300 9.1.1. Desarrollo histórico de la generación eólica. ......................................................... 301 9.1.2. Desarrollo en Chile................................................................................................. 302 9.2 CarActerización del recurso eólico. ............................................................................... 303 9.2.1. condiciones del emplazamiento. ............................................................................ 303 9.2.2. variabilidad del viento............................................................................................ 305 9.2.3. Potencia extraíble del viento. ................................................................................ 308 9.3. Control de una central eólica ........................................................................................ 311 9.3.1. Control sobre la operación de los aerogeneradores................................................ 311 9.3.2. Control sobre la Potencia inyectada a la red .......................................................... 314 9.4 GENERACION EOLICA Y Calidad de suministro ...................................................... 315 9.4.1 Impacto en el voltaje en régimen permanente......................................................... 315 9.4.2 Variaciones dinámicas de voltaje............................................................................ 315 9.4.3 Inyección de reactivos............................................................................................. 316 9.4.4 Distorsión armónica ................................................................................................ 316 9.5 Calidad de Suministro para diferentes Tipos de generadores ........................................ 318 9.5.1 Calidad de suministro en aerogeneradores de velocidad fija .................................. 318 9.5.2 Calidad de suministro en aerogeneradores de velocidad variable........................... 319

10. CELDAS DE COMBUSTIBLE....................................................................... 327 10.1 INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 327 10.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE TIPO “PEM” .................................................................................................................................. 328 10.3. TIPOS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE ........................................................... 331 10.3.1 Celda de Ácido Fosfórico (PAFC) ........................................................................ 331 10.3.2 Celda de Carbonatos Fundidos (MCFC)............................................................... 332 10.3.3 Celdas de Oxido Sólido......................................................................................... 332 10.3.4 Celda de Membrana de Intercambio Protónico (PEM)......................................... 334 10.3.5 Celdas Alcalinas.................................................................................................... 336 10.3.6 Otras Celdas de Combustible ................................................................................ 337 10.3.7 CLASIFICACION DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE ............................. 338 10.4. APLICACIONES ........................................................................................................ 340 10.4.1 Generación de Electricidad Masiva....................................................................... 340 10.4.2 Generación de Electricidad Menor........................................................................ 345 10.4.2.1 Celda de Combustible en el Hogar..................................................................... 345 10.4.2.2 Celda de Combustible en las Transmisiones...................................................... 346 10.4.2.3 Celda de Combustible Portátil............................................................................ 348 10.4.3 Celda de Combustible en la Telefonía Móvil........................................................ 349 10.4.4 Industria Automotriz ............................................................................................. 349 10.4.5 Industria Aeroespacial........................................................................................... 353 10.4.6 Aplicaciones Varias............................................................................................... 353 10.5. Ciclo del Hidrogeno .................................................................................................... 356 10.6 Almacenamiento del Hidrógeno................................................................................... 357 10.6.1 Hidruros de metal ............................................................................................. 357 10.6.2 Nanotubos de carbon............................................................................................. 359 10.6.3 Hidrogeno comprimido ......................................................................................... 360

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10.6.4 Almacenamiento quimico ..................................................................................... 361 10.6.5 Almacenamiento liquido ....................................................................................... 361 10.6.6 Esferas de vidrio.................................................................................................... 362 10.6.7 Transporte liquido ................................................................................................. 362 10.6.8 Poros atractores de hidrogeno ............................................................................... 362 10.7 Formas de Generacion Hidrogeno................................................................................ 362 10.7.1 Generacion Tipica ................................................................................................. 363 10.7.2 Generacion Biotecnologica ................................................................................... 364 10.7.3 Fotoproduccion de hidrogeno ............................................................................... 364 10.8. COMENTARIOS ........................................................................................................ 365

11. ENERGÍA DEL MAR ..................................................................................... 368 11.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 368 11.2 CARACTERISTICAS FISICAS DEL MEDIO MARINO ..................................... 369 11.2.1 TEMPERATURA ............................................................................................ 369 11.2.2 LUZ .................................................................................................................. 369 11.2.3 DENSIDAD ..................................................................................................... 370 11.2.4 Presión.............................................................................................................. 371 11.2.5 EL SUSTRATO ............................................................................................... 371 11.3 CORTE DE UNA CUENCA OCEANICA.............................................................. 371 11.4 Características químicas del medio marino.............................................................. 373 11.4.1 Salinidad........................................................................................................... 374 11.4.2 Distribución de la salinidad en los mares......................................................... 374 11.4.3 Otras sustancias disueltas ................................................................................. 375 11.4.4 GASES DISUELTOS ...................................................................................... 375 11.4.5 VALORES DEL pH......................................................................................... 376 11.5 MOVIMIENTOS DE LAS AGUAS OCEANICAS................................................ 377 11.5.1 MAREAS ......................................................................................................... 377 11.5.2 CORRIENTES MARINAS.............................................................................. 379 11.5.3 ONDAS Y OLAS............................................................................................. 381 11.6 FORMAS DE ENERGÍA PRESENTE EN AGUAS MARINAS ........................... 383 11.7 SISTEMAS DE EXTRACION DE ENERGÍA DEL OCEANO............................. 384 11.7.1 Ondas................................................................................................................ 384 11.7.2 Olas .................................................................................................................. 385 11.7.3 Temperatura ..................................................................................................... 387 11.7.4 Mareas .............................................................................................................. 388 11.7.5 Corrientes ......................................................................................................... 389 11.7.6 Gradientes de salinidad .................................................................................... 391 11.7.7 Efecto osmótico por métodos mecánicos ......................................................... 392 11.8 SISTEMAS DE GENERACIÓN EN operación ACTUAL..................................... 394 11.8.1 Mareotérmica ................................................................................................... 394 11.8.2 Mareomotriz ..................................................................................................... 396 11.8.3 Corrientes ......................................................................................................... 397 11.8.4 Ondas y Olas .................................................................................................... 398 11.9 Ventajas y desventajas de la energía a partir del océano ......................................... 403

12. Energía Geotérmica.......................................................................................... 404 12.1 Introducción ................................................................................................................. 404 12.2 Tipos de Energía Geotérmica..................................................................................... 405

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12.3 GENERACION ELECTRICA A PARTIR DE GEOTERMIA................................... 407 12.3.1 Explotación Convencional .................................................................................... 407 12.3.2 Plantas Tipo Flash ................................................................................................. 408 12.3.3 Tecnología de Ciclo BInario ................................................................................. 408 12.4 Situación Internacional................................................................................................. 410

13. Anexo: Problemas Resueltos........................................................................... 418

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INDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Clasificación máquinas eléctricas............................................................................ 12 Figura 1.2. Sistema eléctrico de potencia................................................................................... 13 Figura 2.1. Campo magnético de imán permanente................................................................... 16 Figura 2.2. Campos magnéticos creado por corriente eléctrica ................................................. 17 Figura 2.3. Ley de Biot-Savarat. ................................................................................................ 18 Figura 2.4. Motor elemental....................................................................................................... 19 Figura 2.5. F.e.m. inducida en una espira .................................................................................. 20 Figura 2.6. Característica B - H.................................................................................................. 22 Figura 2.7. Circuito magnético simple ....................................................................................... 23 Figura 2.8. Circuito magnético y su equivalente eléctrico......................................................... 26 Figura 2.9. Corrientes de Foucault. ............................................................................................ 27 Figura 2.10 Característica λ-i..................................................................................................... 28 Figura 2.11. Flujos propios y mutuos......................................................................................... 29 Figura 2.12. Energía en campo magnético................................................................................. 31 Figura 2.13. Energía por unidad de volumen ............................................................................. 31 Figura 2.14. Energía perdida en el núcleo.................................................................................. 32 Figura 2.15. Ciclo de histéresis .................................................................................................. 33 Figura 2.16. Circuito magnético con entrehierro ....................................................................... 34 Figura 3.1. Principio de funcionamiento del transformador. ..................................................... 41 Figura 3.2. Núcleos de transformadores monofásicos. .............................................................. 43 Figura 3.3. Núcleos de transformadores trifásicos..................................................................... 43 Figura 3.4. Traslapo de chapas y transformador monofásico armado. ...................................... 44 Figura 3.5. Enrollados concéntricos con núcleo tipo ventana.................................................... 44 Figura 3.6. Partes esenciales de transformador sumergido en aceite. ........................................ 45 Figura 3.7: Transformador ideal................................................................................................. 46 Figura 3.8. Circuito magnético equivalente ............................................................................... 48 Figura 3.9. Marcas de polaridad................................................................................................. 49 Figura 3.10. Diagrama fasor del transformador ideal. ............................................................... 50 Figura 3.11. Circuito referido al primario. ................................................................................. 50 Figura 3.12. Circuito equivalente de transformador en vacío. ................................................... 52 Figura 3.13 Característica magnética no lineal. ......................................................................... 53 Figura 3.14. Diagrama fasor con carga secundaria. ................................................................... 54 Figura 3.15. Circuito equivalente con carga en el secundario. .................................................. 54 Figura 3.16. Flujos de fuga. ....................................................................................................... 55 Figura 3.17. Circuito equivalente incluyendo el efecto de flujos de fuga.................................. 56 Figura 3.18. Circuito equivalente incluyendo resistencia de enrollados.................................... 57 Figura 3.19. Corriente en vacío para núcleo con perdidas. ........................................................ 58 Figura 3.20. Representación fasorial de corriente en vacío para núcleo con pérdidas. ............. 58 Figura 3.21. Forma de onda de la corriente en vacío ................................................................. 59 Figura 3.22. Circuito equivalente exacto. .................................................................................. 59 Figura 3.23. Circuito equivalente aproximado........................................................................... 60 Figura 3.24. Prueba de circuito abierto ...................................................................................... 61 Figura 3.25. Prueba de corto circuito ......................................................................................... 62

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Figura 3.26. Conexión en instante v1 = vm. ................................................................................ 66 Figura 3.27. Conexión en instante v1 = 0. .................................................................................. 67 Figura 3.28. Corriente de inrush................................................................................................. 67 Figura 3.29. Banco de transformadores en paralelo sin carga. .................................................. 68 Figura 5.1. Generador elemental .............................................................................................. 146 Figura 5.2. Sistema de conmutación. ....................................................................................... 147 Figura 5.3 .Voltaje rectificado.................................................................................................. 148 Figura 5.4. Generador con 4 delgas.......................................................................................... 148 Figura 5.5. Voltaje rectificado con 4 delgas............................................................................. 149 Figura 5.6. Curva de excitación ............................................................................................... 152 Figura 5.7. Generador de excitación separada operando en vacío ........................................... 153 Figura 5.8. Característica de excitación o curva de saturación en vacío.................................. 153 Figura 5.9. Curvas de excitación a distintas velocidades........................................................ 154 Figura 5.10. Cambio en la distribución del flujo magnético en el entrehierro........................ 156 Figura 5.11. Cambio de línea neutra. ...................................................................................... 157 Figura 5.12. Interpolos. ........................................................................................................... 158 Figura 5.13. Estator de máquina de C.C. de 2 polos ................................................................ 161 Figura 5.14. Rotor de máquina de C.C..................................................................................... 162 Figura 5.15. Enrollado imbricado ............................................................................................ 163 Figura 5.16. Diagrama extendido del enrollado imbricado...................................................... 164 Figura 5.17. Circuito equivalente de un generador de excitación separada............................. 165 Figura 5.18. Característica VL v/s IL en generador de excitación separada. ............................ 167 Figura 5.19. Circuito equivalente de un generador shunt. ....................................................... 167 Figura 5.20. Fenómeno de auto-excitación de un generador shunt.......................................... 168 Figura 5.21. Resistencia de campo para generación. ............................................................... 169 Figura 5.22. Característica VL v/s IL en generador shunt......................................................... 170 Figura 5.23. Circuito equivalente de un generador serie.......................................................... 171 Figura 5.24. Característica VL v/s IL en generador serie. ......................................................... 172 Figura 5.25. Circuito equivalente de un generador compound aditivo. ................................... 173 Figura 5.26. Característica VL v/s IL en generador compound aditivo()................................... 175 Figura 5.27. Circuito equivalente de un generador compound diferencial. ............................. 176 Figura 5.28. Característica VL v/s IL en generador compound diferencial............................... 177 Figura 5.29. Circuito equivalente de un motor de excitación separada. .................................. 178 Figura 5.30. Circuito equivalente de un motor shunt............................................................... 178 Figura 5.31. Curva Torque-velocidad de un motor de excitación separada............................. 180 Figura 5.32. Curva Torque-velocidad de un motor shunt. ....................................................... 180 Figura 5.33. Circuito equivalente de un motor serie. ............................................................... 182 Figura 5.34. Curva Torque-velocidad de un motor de serie..................................................... 183 Figura 5.35. Circuito equivalente de un motor compound aditivo........................................... 184 Figura 5.36. Curva Torque-velocidad de un motor compound aditivo.................................... 185 Figura 6.1. Motor de inducción de un par de polos.................................................................. 195 Figura 6.2. Motor de inducción con dos pares de polos........................................................... 196 Figura 6.3. Grados eléctricos y geométricos según los pares de polos. ................................... 197 Figura 6.4. Campos magnéticos rotatorios del estator y rotor. ................................................ 199 Figura 6.5. Estator con enrollado tipo imbricado..................................................................... 202 Figura 6.6. Rotor tipo jaula de ardilla. ..................................................................................... 202 Figura 6.7. Rotor bobinado. ..................................................................................................... 203 Figura 6.8. Relación de transformación. .................................................................................. 204

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Figura 6.9. Circuito equivalente por fase (general).................................................................. 204 Figura 6.10. Circuito equivalente por fase (referido al estator). .............................................. 207 Figura 6.11. Circuito equivalente por fase (con carga representada)....................................... 207 Figura 6.12. Prueba de en vacío. .............................................................................................. 208 Figura 6.13. Prueba de corto circuito ....................................................................................... 209 Figura 6.14. Curva Torque-velocidad ...................................................................................... 212 Figura 6.15. Curva Torque-velocidad en función de rr’........................................................... 212 Figura 6.16. Curva Corriente rotórica-velocidad en función de rr’.......................................... 213 Figura 6.17. Curva Torque-velocidad (motor monofásico). .................................................... 216 Figura 7.1. Generador monofásico desacoplado de la red ....................................................... 236 Figura 7.2. Característica Torque velocidad del motor síncrono ............................................. 240 Figura 7.3. Operación de la máquina síncrona en el diagrama P-Q......................................... 241 Figura 7.4. Diagrama de operación de un generador síncrono................................................. 242 Figura 7.5. Rotores de máquina síncrona................................................................................. 244 Figura 7.6. Barras amortiguadoras en motor síncrono ............................................................. 245 Figura 7.7. Ejes directo y en cuadratura................................................................................... 246 Figura 7.8. Circuitos de estator y rotor..................................................................................... 247 Figura 7.9. Descomposición de la fuerza magnetomotriz (fase a) .......................................... 250 Figura 7.10. Flujo magnético en el entrehierro (fase a) .......................................................... 250 Figura 7.11. Variación de la inductancia propia de los enrollados del estator......................... 252 Figura 7.12. Variación de la inductancia mutua de los enrollados de las fases a y b. ............. 253 Figura 7.13. Circuito equivalente por fase de la máquina síncrona. ........................................ 259 Figura 7.14. Diagrama fasorial de una máquina síncrona operando como generador. ............ 260 Figura 7.15. Diagrama fasorial de una máquina síncrona operando como motor. .................. 260 Fotografía 9.1.1. Generador de Brush ...................................................................................... 301 Fotografía 9.1.2. Parque eólico de Palm Springs, California................................................... 302 Figura 9.1.3: Variabilidad de la velocidad del viento en el corto plazo................................... 306 Figura 9.1.4: Variabilidad de la velocidad del viento diurna (Beldringe, Dinamarca) ............ 306 Figura 9.1.5: Variabilidad de la velocidad del viento estacional ............................................. 307 Figura 9.1.6: Variaciones anuales de la velocidad del viento .................................................. 307 Figura 9.1.7: Distribución de Weibull...................................................................................... 308 Figura 9.1.8: Potencia de entrada, disponible y de salida de un aerogenerador....................... 309 Figura 9.1.9: Curva de potencia de un aerogenerador.............................................................. 310 Fotografía 9.1.10: Mecanismo de orientación de un aerogenerador ........................................ 312 Figura 9.1.11: Esquema simplificado de un parque eólico conectado a la red ........................ 316 Figura 9.1.12: Aerogenerador de velocidad fija conectado a la red......................................... 318 Figura 9.1.12: Generador de inducción con convertidor en el rotor ........................................ 320 Figura 9.1.13: Generador de inducción jaula de ardilla ........................................................... 320 Figura 9.1.14: Generador sincrónico........................................................................................ 321

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INDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Unidades de φ y B. .................................................................................................... 16 Tabla 2.2. Analogía de variables magnéticas y eléctricas.......................................................... 25 Tabla 5.1.: Designación de terminales de conexión de acuerdo a la norma. ........................... 161

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PRESENTACION Estos apuntes son el resultado de una compilación y actualización de apuntes usados en el curso de Conversión Electromecánica de la Energía del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile. El equipo que realizó estos apuntes esta compuesto por los siguientes profesores: Yamille del Valle, Jorge Romo, Luis Vargas, (Coordinador) Además han participado en la elaboración de capítulos o aplicaciones específicas los siguientes ayudantes: Guillermo Jiménez, Felipe Lineo, David Algaze, y Ricardo Alvarez B. El texto trata el fenómeno de generación y conversión de la energía eléctrica. Comienza con una introducción sobre electromagnetismo y conceptos básicos de circuitos magnéticos. A continuación se revisan los temas de transformadores, máquinas eléctricas y electrónica de potencia. Luego se presentan aplicaciones a energías renovables no convencionales como energía eólica, mareomotriz y geotérmia, y también se incluye un capítulo sobre celdas de combustible. Con ello esperamos entregar una visión general de las temáticas clásicas en la materia, así como las tecnologías que se avizoran con mayor proyección en el futuro cercano. Se entrega además bibliografía de apoyo y; en el caso de datos, tablas o figuras; se indica los sitios web de acceso público que se han usado.

Luis Vargas D.

Santiago, Julio de 2003

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1. INTRODUCCION 1.1. Dispositivos de Conversión Electromecánica La conversión electromecánica de la energía comprende todos aquellos fenómenos relativos a la transformación de energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. La importancia de estos procesos es indudable, dado que la electricidad es una forma de energía que resuelve convenientemente los problemas básicos de transmisión, distribución y utilización en innumerables aplicaciones. En términos básicos, los dispositivos de conversión electromecánica se pueden clasificar en dos tipos dependiendo del tipo de conversión que realicen: i) Motor ii) Generador

: Es un dispositivo que convierte energía eléctrica en energía mecánica. : Es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica.

Energía Eléctrica

MOTOR

Energía Mecánica

Energía Mecánica

GENERADOR

Energía Eléctrica

Figura 1.1. Clasificación máquinas eléctricas.

Estas definiciones, consideradas en el sentido más amplio, abarcan cualquier dispositivo que realice las conversiones energéticas señaladas (un parlante, por ejemplo, seria un motor y un micrófono un generador), sin embargo, el presente estudio se orienta especialmente en motores y generadores de potencias elevadas (maquinas eléctricas de potencia). Sin perjuicio de lo anterior, los fundamentos teóricos son válidos para el estudio de cualquier dispositivo de conversión electromecánica de energía.

12

1.2. Componentes de un Sistema Eléctrico de Potencia Se denomina usualmente como sistema eléctrico de potencia al sistema encargado de llevar grandes cantidades de energía, en forma de energía eléctrica, desde las fuentes hasta los consumos. Así, se pueden distinguir los siguientes elementos en estos sistemas (Ver figura 1.2.).

Transformador Elevador de voltaje Energía

Transformador Reductor de voltaje

Iluminación Calefacción

G

M

Mecánica

Energía Mecánica Otros Consumos

Centrales Generadoras

Líneas de Transmisión

Consumos

Figura 1.2. Sistema eléctrico de potencia

(1)

i)

Centrales generadoras: están fundamentalmente constituidas por uno o más generadores eléctricos que transforman la energía proporcionada desde una fuente (usualmente energía mecánica) en energía eléctrica. Las fuentes energéticas tradicionales empleadas para las Centrales generadoras permiten clasificarlas en: Centrales hidroeléctricas: la turbina(1) es accionada por la energía de caídas de agua (desde embalses naturales, artificiales etc.) Centrales térmicas: la turbina es accionada por la presión de vapor de agua u otro fluido, producido por calor liberado al quemar algún combustible (carbón, petróleo y sus derivados, etc.). También dentro de las centrales térmicas se consideran las centrales nucleares, donde el calor es producido por fisión nuclear, y las centrales diesel, que en lugar de turbina propiamente tal, utilizan como accionamiento mecánico un motor de combustión interna (Diesel). En los últimos años, a causa de la conocida crisis energética mundial, las investigaciones se han orientado a la explotación de fuentes energéticas alternativas a las tradicionales, surgiendo las centrales generadoras no-convencionales. Particular interés tienen aquellos recursos energéticos renovables y no contaminantes como son la energía solar, eólica, geotérmica y mareomotriz.

ii)

Líneas de transmisión: son los elementos necesarios para llevar la energía eléctrica desde las centrales hasta los centros de consumo. En general son líneas trifásicas de corriente alterna, de varios kilómetros de longitud

La energía mecánica es proporcionada al eje del generador mediante un dispositivo denominado turbina.

13

iii)

Consumos: los consumos de energía eléctrica pueden ser de diverso tipo, como por ejemplo para calefacción, iluminación, etc. Sin embargo, un gran porcentaje del consumo lo constituyen los motores eléctricos (mas del 70% en Chile).

iv)

Transformadores: en general, por razones constructivas y de seguridad, el voltaje a la salida de las centrales generadoras es menor de 20 [kV]. Efectuar la transmisión de grandes cantidades de potencia a este nivel de voltaje, significaría elevadas pérdidas Joule(2) en las líneas debido a las altas corrientes transmitidas. Para evitar este problema se emplean unos dispositivos llamados transformadores, los cuales permiten transferir la energía eléctrica modificando sus niveles de voltaje y corriente. De este modo un transformador elevador de tensión es requerido para adaptar la tensión de salida de las centrales al nivel de transmisión y un transformador reductor de tensión para adaptar el nivel de voltaje desde la transmisión hacia el consumo.

En un sistema eléctrico de potencia los dispositivos conversores electromecánicos de energía, o maquinas eléctricas (generadores y motores) juegan un papel muy importante, ya que constituyen la principal fuente de demanda de energía eléctrica en la red.

(2)

R·I2

14

2. ELECTROMAGNETISMO Y CIRCUITOS MAGNETICOS 2.1. Conceptos de Electromagnetismo 2.1.1. Generalidades. En el año 1820, Oersted descubrió que una corriente eléctrica origina un campo magnético a su alrededor, lo que constituyó un hecho clave para el desarrollo de dispositivos de conversión electromecánica de la energía. En efecto, como es sabido, la presencia del campo magnético es imprescindible para la conversión de energía eléctrica en energía mecánica y viceversa: •

En un motor, la energía eléctrica (corriente) crea un campo de fuerza (campo magnético) bajo el cual otro elemento de corriente produce una fuerza que, bajo ciertas condiciones, genera movimiento (energía mecánica).

•

En un generador, la variación en el tiempo de la geometría de un circuito magnético (energía mecánica) produce una variación en el tiempo del flujo magnético que induce voltajes en los circuitos eléctricos que lo enlazan (energía eléctrica).

Siendo fundamental en ambos casos la presencia del campo magnético, se estudiara éste con algún detalle.

2.1.2. Campo magnético. Ciertos minerales (magnetita) tienen la propiedad de atraer trozos de fierro, y constituyen los denominados imanes permanentes naturales. Se dice entonces, que existe un "campo de fuerzas" o "campo magnético" en el entorno del imán permanente, cuya variable fundamental que lo describe es la inducción magnética o densidad de flujo magnético: B . Esta variable vectorial define las líneas de fuerza o líneas de campo magnético: tiene dirección tangente a ellas y su magnitud es mayor mientras mayor es la cantidad de líneas por unidad de área. En la figura 2.1 se ilustra el campo magnético en el caso de un imán permanente y se observa que la densidad de flujo magnético es mayor en el interior del imán, donde es mayor la densidad de líneas de campo magnético.

15

N B B

S B

Figura 2.1. Campo magnético de imán permanente.

Se define el flujo de líneas de campo a través de una superficie S cualquiera, como:

φ = ∫ B ⋅ dS

(2.1)

S

Las unidades de φ, y las correspondientes de B , son las indicadas en la Tabla 2.1. Tabla 2.1. Unidades de φ y B. φ

B

Sistema CGS [lines]

[lines/cm2 ] = [Gauss]

Sistema MKS [Wb] (Weber)

[Wb/m2] = [Tesla]

Equivalencias 1 [Wb] = 108 [lines]

1 [Tesla] = 104 [Gauss ] = 10 [kGauss]

El campo magnético también puede ser creado por una corriente eléctrica. En la figura 2.2 (a) se indica la forma de una de las líneas del campo magnético creado por una corriente “i” que circula en un conductor rectilíneo infinito (experiencia de Oersted). En la figura 2.2.(b) se indica la forma que adopta el campo magnético al disponer el conductor en forma de una bobina. Se aprecia que en este caso la configuración se asemeja a la de un imán permanente, razón por la cual a la bobina se le suele llamar electroimán.

16

B i

B i (b)

(a)

Figura 2.2. Campos magnéticos creado por corriente eléctrica

La ley de Ampere relaciona la densidad de corriente eléctrica J y la densidad de flujo magnético B creado por esta, mediante:

∫ B ⋅dl

= µ o ∫ J ⋅ dS S

(2.2)

La primera integral se efectúa sobre una trayectoria cerrada, plana, cualquiera, y la segunda integral sobre la superficie encerrada por dicha trayectoria; µ0 es una característica del medio, denominada permeabilidad magnética, y tiene un valor µo = 4π•10-7 [H/m] para materiales no ferromagnéticos. En el caso que las líneas de corriente eléctrica no estén distribuidas en el medio material, sino concentradas en un conductor, la segunda integral de la ecuación (2.2) no es otra cosa que la corriente eléctrica “i” por el conductor, simplificándose dicha ecuación a:

∫ B ⋅dl

= µo ⋅ i

(2.3)

Siendo en este caso “i” la corriente eléctrica total que atraviesa la trayectoria de integración considerada para B . La ecuación (2.3) (ley de Ampere) también se puede escribir en una forma más generalizada (ley de Biot-Savarat); para ello puede expresarse el valor dB de la densidad de flujo producida por un elemento conductor de longitud d recorrido por una corriente “i”, en un punto a distancia r del elemento de conductor, como: (ver figura 2.3)

dB =

µo ⋅ i ⋅ d × r 4πr 3

17

(2.4)

dB

dr i

d

Figura 2.3. Ley de Biot-Savarat.

2.1.3. Principios básicos del motor eléctrico Como se vio, un campo magnético (ya sea producido por un imán permanente o por una corriente eléctrica) es un campo de fuerzas, donde al ubicarse un segundo conductor recorrido por una corriente eléctrica, este queda sometido a una fuerza, lo cual es el principio básico de cualquier motor eléctrico. En el caso más elemental de una partícula con carga “q” que se desplaza a velocidad v en un campo magnético B , ésta queda sometida a una fuerza:

F = q⋅v × B

(2.5)

Si en lugar de una carga eléctrica se trata de una corriente “i” que circula por un conductor, la expresión anterior puede expresarse: i = dq/dt v = d /dt

dF = i ⋅ d × B

(2.6)

Donde d es la longitud del elemento de conductor. Conforme a lo anterior, la fuerza total sobre el conductor será:

F = ∫ i ⋅d × B

18

(2.7)

Así, en un motor, si los conductores están dispuestos en forma que sea factible desplazarlos, esta fuerza provocara su movimiento, produciéndose entonces la conversión electromecánica de la energía. Como ejemplo ilustrativo, en la figura 2.4 se muestra un motor formado por una espira plana, alimentada por una corriente “i”, libre de girar sobre su eje, y ubicada en un campo magnético de valor B uniforme. El campo B puede ser producido por un imán permanente, o bien por un electroimán constituido por una bobina alimentada por una fuente de C.C. Los lados axiales de la espira quedan sometidos a las fuerzas indicadas ( F = i ⋅ ⋅ B ), produciéndose un torque motriz sobre el eje que es función de la posición:

δ

N

F

B

F

i

S l

D

B

Figura 2.4. Motor elemental.

Tm = 2 F × r D Tm = 2 ⋅ F ⋅ sen(δ ) 2

(2.8)

Las fuerzas sobre los otros lados de la espira son axiales y se anulan entre sí. Se observa que el torque se anula para δ=0, por lo que la espira tiende a tomar esta posición. En el caso que exista un torque resistente “TR” la posición de reposo es para Tm=TR. A modo de ejemplo se tiene que al colocar un resorte en espiral como carga mecánica en la espira, el

19

ángulo de reposo δ se modifica. El valor final de reposo es función de la corriente circulante con lo cual este circuito puede utilizarse como un amperímetro. 2.1.4. Principios básicos del generador eléctrico.

La ley de Faraday constituye el principio básico de un generador eléctrico: en un conductor o circuito eléctrico que enlaza un flujo magnético variable en el tiempo, se induce una fuerza electromotriz (f.e.m.) dada por:

e(t ) = −

dφ (t ) dt

(2.9)

Este voltaje o f.e.m. hará circular una corriente por el circuito correspondiente. La variación de φ en el tiempo puede producirse por una corriente variable en el tiempo (efecto de transformador) o una por variación de la geometría del sistema (efecto de generador). Este último caso, es el que interesa, por cuanto la entrada es energía mecánica (necesaria para modificar la geometría) y la salida es energía eléctrica. Considérese una espira sometida a un campo magnético constante cuyo eje se encuentra girando a velocidad angular “ω”, tal como muestra la figura 2.5.

D

δ

B

B

l ω

Figura 2.5. F.e.m. inducida en una espira Considerando δ(t=0) = 0, el flujo enlazado por esta espira es de la forma:

φ (t ) = φ máx cos(δ ) ⇒ φ ( t ) = B ⋅ ⋅ D ⋅ cos( ω t )

20

(2.10)

Luego, por (2.9), en los terminales de la espira se produce una f.e.m. de la forma:

e = E máx ⋅ sen(ω t )

E máx = B ⋅ ⋅ D ⋅ ω

(2.11)

Es decir, el dispositivo constituye un generador de corriente alterna, cuya frecuencia eléctrica ω = 2πf coincide con la velocidad angular mecánica ω. En este caso, se dice que la frecuencia eléctrica está sincronizada con la velocidad mecánica, por lo cual se denomina usualmente como generador sincrónico.

2.2. CIRCUITOS MAGNETICOS. 2.2.1. Generalidades.

En general se denominara circuito magnético a un conjunto de enrollados alimentados por corrientes, y enlazados magnéticamente entre sí. Para nuestros propósitos, interesara en particular el estudio de circuitos magnéticos que emplean núcleos de materiales ferromagnéticos que tienen la propiedad de ofrecer baja resistencia a la circulación del flujo magnético, permitiendo encausarlo adecuadamente. Para el estudio de circuitos magnéticos, es necesario definir otra variable fundamental en campos magnéticos: la intensidad de campo magnético, y su relación con la densidad de flujo en materiales no ferromagnéticos y ferromagnéticos. La intensidad de campo magnético se define como: H=

B

µo

(2.12)

Donde µ0 es la permeabilidad magnética del medio. De acuerdo a lo anterior, al ser µ0 constante, H es proporcional a B . La intensidad de campo H está relacionada con la corriente eléctrica, o sea con la fuente que origina el campo magnético. Esto se aprecia colocando la expresión (2.3) en función de H :

∫H ⋅d

=i

(2.13)

Se emplea como unidad MKS para la intensidad de campo magnético ( H ) el [Amp. vuelta/m], y en unidades CGS el [Amp. vuelta/cm] que equivale a 102 [Amp. vuelta/m]. A veces se utiliza la unidad [Oersted] equivalente a 79,55 [Amp. vuelta/ m].

21

Un aumento en el valor de la fuente “i”, aumenta la intensidad H en los diversos puntos del campo magnético, subiendo proporcionalmente la densidad de flujo B . Sin embargo, existen ciertos materiales llamados ferromagnéticos (fierro, cobalto, níquel y aleaciones de los mismos), en los cuales un determinado valor de H produce un aumento de B mucho mayor que µ0· H . Esto se debe a que dichos materiales están constituidos por dipolos magnéticos moleculares. Estos dipolos están orientados al azar cuando no hay campo magnético externo aplicado ( H = 0), sin embargo, al aplicar un campo magnético externo ( H ≠ 0) los dipolos se orientan en el sentido del campo, produciendo un campo interno adicional que aumenta notablemente la densidad de flujo total en el interior del material. Una vez que los dipolos terminan de alinearse con el campo magnético, el aumento en la intensidad de campo H produce que la densidad de flujo interna B sólo aumente según µ0· H , en este caso se dice que el material esta saturado. De este modo, H y B se relacionaran mediante: B=µ⋅H

(2.14)

Donde la permeabilidad magnética µ es no constante. En la figura 2.6 se ve la característica B-H típica de un material ferromagnético. Se distingue una zona lineal, donde B es proporcional a H y µ es prácticamente constante, un codo de saturación y una zona de saturación, donde B = µ0 · H , por lo cual resulta indeseable trabajar. Wb 

B  2 m 

Zona de saturación

Material Ferromagnético

Codo de saturación Zona lineal

Material No Ferromagnético  Amp.vuelta   m 

H 

Figura 2.6. Característica B - H.

22

En esta misma figura se muestra la característica B-H de un material no ferromagnético, apreciándose la notable diferencia entre la pendiente de esta recta con la pendiente µ de la zona lineal de los materiales ferromagnéticos. En general, µ en la zona lineal es del orden de 103 veces µ0. La propiedad anterior, lleva a la conclusión que ante la presencia de materiales magnéticos las líneas de flujo se cerraran preferentemente siguiendo las trayectorias definidas por dichos materiales. Por ello, el empleo de núcleos ferromagnéticos es la base en la construcción de toda maquina eléctrica, y la fabricación de fierro para usos eléctricos se orienta a lograr altos valores de µ, codos de saturación a B elevados (~ 2 Wb/m2) y bajas perdidas magnéticas, lo que se consigue en gran medida con aleaciones con silicio (fierro silicoso). 2.2.2. Circuito magnético simple.

En general se puede designar como circuito magnético a un conjunto de uno o mas enrollados eléctricos recorridos por corrientes eléctricas, y que están acoplados magnéticamente entre sí. En particular, interesaran aquellos que empleen núcleos ferromagnéticos para mejorar el acoplamiento magnético. En la figura 2.7 se muestra un circuito magnético muy simple: una bobina ideal (sin perdidas), de N vueltas, recorrida por una corriente “i”, y ubicada en un núcleo magnético determinado de longitud media “ ” y sección transversal uniforme “A”.

i N

Figura 2.7. Circuito magnético simple Si se supone que todo el flujo se cierra únicamente por el núcleo (o sea no hay flujos de fuga), B y por lo tanto H (3), tendrán un valor constante en cualquier punto del núcleo. (3)

En adelante B y H respectivamente

23

Así, aplicando la ley de Ampere (ecuación (2.13)) a la trayectoria de integración indicada con línea de segmentos en la figura 2.7, se tiene: H∫d = N ⋅i H ⋅ = N ⋅i

(2.15)

Esta relación permite evaluar H y encontrar el respectivo valor de B en la característica B-H del material. Esto indica la necesidad de contar con este tipo de información al estudiar problemas que incluyan la zona no lineal de la característica B-H. Cuando el circuito magnético no es tan simple, suele ocurrir que el núcleo, a pesar de constituir una trayectoria cerrada sencilla (sin trayectorias paralelas), está formado por trozos de sección transversal uniforme AK y longitud K , de modo que H será constante dentro de cada trozo. En este caso la integral de la ecuación (2.13) se podrá expresar como una sumatoria: N ⋅i = ∑ Hk ⋅

K

K

N·i Hk ⋅

: K

:

(2.16)

Se denomina fuente magnética o fuerza magnetomotriz designándose a veces como F = N·i. Se denominan caídas magnéticas del circuito magnético.

2.2.3. Circuito eléctrico equivalente.

Es posible hacer una analogía entre un circuito magnético como el descrito por la ecuación (2.16) y un circuito eléctrico. Para ello, la fuente magnética N·i puede asimilarse a una fuente de voltaje, y las caídas magnéticas H k ⋅ K serian caídas de voltaje en el circuito eléctrico. El flujo magnético φ tendría su equivalente en la corriente del circuito eléctrico. Esta analogía es aún mas clara, y presta entonces su real utilidad, cuando los circuitos magnéticos son lineales (es decir formados con núcleos de µ=constante.). En este caso la ecuación (2.16) puede escribirse: N ⋅i = ∑ K

BK

µK

K

=∑ K

φ K K =φ ⋅∑ µ K AK K µ K AK

(2.17)

La ecuación equivalente de un circuito eléctrico seria: V = I ⋅∑ r K K

24

(2.18)

Siendo “V” la fuente de voltaje, “I” la corriente que circula por el circuito y “rK” las resistencias en serie que representan las caídas magnéticas H k ⋅ K . Así, es posible definir en el circuito magnético el equivalente de una resistencia eléctrica, y que en este caso se denomina reluctancia: R=

(2.19)

µA

El valor de la reluctancia es constante al trabajar dentro de la zona lineal de la característica B-H. Si comparamos la fórmula (2.19) con la expresión que define la resistencia eléctrica en función de la conductividad, la longitud y la sección del conductor eléctrico (fórmula (2.20)), podemos entonces definir a la reluctancia “R” como un parámetro de “resistencia” al flujo magnético y a la permeabilidad magnética µ como una medida de la "conductividad" del núcleo. De este modo, mientras mayor sea “R”, se necesitará un valor mayor de la fuente magnética para establecer determinado flujo. r=

C

(2.20)

σ ⋅ AC

En la Tabla 2.2. se muestra la equivalencia descrita entre variables magnéticas y eléctricas: Tabla 2.2. Analogía de variables magnéticas y eléctricas.

V

Variable eléctrica equivalente Voltaje o fuerza electromotriz

Corriente eléctrica

Variable magnética

F = N·i Fuerza magnetomotriz φ

Flujo magnético

I

H•l

Caída magnética

∆V

R µ B

r

Caída de voltaje

Reluctancia Permeabilidad magnética

σ

Resistencia eléctrica Conductividad eléctrica.

Densidad de flujo

J

Densidad de corriente

La ecuación (2.17) puede escribirse en función de las reluctancias del circuito magnético, como: N ⋅ i = φ ⋅ ∑ R K = φ ⋅ Req

25

(2.21)

Donde Req es la reluctancia equivalente vista desde la fuente. En la figura 2.8 se muestra un circuito magnético y su equivalente eléctrico.

2

i

R2 R1

N

R3

3 1

φ

N·i 4 R4 Figura 2.8. Circuito magnético y su equivalente eléctrico

Por otra parte, puede demostrarse que la relación (2.21) es valida en general para circuitos magnéticos lineales con un solo enrollado y con cualquier configuración del núcleo (trayectorias serie y paralelo). En todos estos casos, Req será la reluctancia equivalente vista desde la fuente en el circuito eléctrico equivalente. Para circuitos magnéticos lineales con más de una fuente (más de un enrollado), basta ubicarlas adecuadamente y con el sentido correcto en el circuito eléctrico equivalente. La resolución de este circuito entrega información necesaria para evaluar las variables magnéticas φ, B y H. Cuando los circuitos magnéticos no son lineales, en general no conviene trabajar con reluctancias (ya que estos dejan de ser parámetros constantes), y es necesario trabajar con la ley de Ampere propiamente tal y con la característica B-H, para relacionar estas dos variables. 2.2.4. Corriente-variable en el tiempo.

La forma de actuar de los campos magnéticos se deduce de las leyes de Maxwell. En los dispositivos que aquí se estudian, las frecuencias de las variables son tales que permiten despreciar las corrientes de desplazamiento en las ecuaciones de Maxwell (casos cuasiestáticos). Es decir, los campos variables en el tiempo son los mismos que en condiciones estáticas para un mismo nivel eléctrico, de modo que los circuitos magnéticos se pueden resolver como si fueran estáticos, introduciéndose posteriormente cualquier variación en el tiempo. Un problema adicional que aparece con corriente alterna, son las perdidas magnéticas. En los núcleos reales existen dos tipos de perdidas: i)

Perdidas de histéresis: son las perdidas producidas por roce molecular cuando las moléculas magnéticas deben orientarse en uno y otro sentido al estar excitadas con

26

un campo magnético alterno en el tiempo (producido por una corriente alterna, no necesariamente sinusoidal). ii)

Perdidas por corrientes parásitas o de Foucault: como los núcleos ferromagnéticos son a la vez buenos conductores eléctricos, un flujo magnético variable en el tiempo, φ(t), inducirá corrientes parásitas (ip) que circularan por el núcleo según se muestra en la figura 2.9.(a). φ(t)

ip

(a)

(b)

Figura 2.9. Corrientes de Foucault. Estas corrientes parásitas producirán perdidas de Joule debido a la resistencia eléctrica del fierro (rfierro · ip2), las que serán mayores mientras mayor sea la trayectoria permitida para la circulación de las corrientes parásitas. Por esta razón, los núcleos que se emplean con corriente alterna se fabrican laminados, como se muestra en la figura 2.9 (b), de modo de restringir las trayectorias de las corrientes parásitas a cada una de las laminas. Las laminas tienen barniz aislante eléctrico en cada una de sus caras, y sus espesores son del orden de 0,5 [mm]. En el capitulo 3 se encontraran las expresiones analíticas para las perdidas por histéresis y por corrientes de Foucault, demostrándose que estas últimas son proporcionales al cuadrado del espesor de las chapas o laminas. 2.2.5. Inductancias.

Para una bobina o enrollado de un circuito magnético su inductancia propia se define en general como: L=

27

dλ di

(2.22)

Donde λ es el flujo enlazado por las N vueltas de la bobina ( λ = N ⋅ φ ) “L” es la pendiente de la característica λ v/s. “i”, así, para un circuito simple en que no haya flujos de fuga (ver figura 2.7) se tiene: B = φ/A

(2.23)

λ = N ⋅ A⋅ B

(2.24)

Considerando la ecuación (2.15): i=

N

⋅H

(2.25)

Se tiene que λ es proporcional a B, e “i” es proporcional a H, por lo cual la característica λ-i del núcleo será, en general, semejante a la característica B-H del mismo (figura 2.10). λ [Wb] Zona de Saturación

Zona Lineal

i [Amp]

Figura 2.10 Característica λ-i.

En general la inductancia propia no será constante, sino que dependerá del valor de la corriente. En la zona lineal, “L” (que es la pendiente de la curva λ-i) será constante y de valor elevado. En la zona de saturación (altas corrientes), la inductancia decaerá notablemente a valores similares al caso que no hubiera núcleo ferromagnético. Para la zona lineal, es posible evaluar en forma simple la inductancia: L=

dλ λ N ⋅ φ = = di i i

28

(2.26)

De la relación de circuitos magnéticos lineales (2.21) y de (2.26) se obtiene: N2 L= Req

(2.27)

L = N 2 Peq

(2.28)

O bien

Donde Peq = 1/Req es la permeancia equivalente del circuito magnético, vista desde la bobina. Cuando los circuitos magnéticos tienen más de una bobina, es posible que cada bobina, aparte de enlazar su propio flujo φ11 producido por su corriente i1 enlace parte del flujo producido en una segunda bobina, φ12, producido por una corriente i2 en dicha bobina (figura 2.11).

φ11

φ12 φ22

i1 N1

i2

N2

Figura 2.11. Flujos propios y mutuos. En este caso es posible definir (considerando caso lineal): - Inductancia propia

L11 = N 1

- Inductancia mutua

L12 = N 1

φ11 i1

φ12 i2

(2.29) (2.30)

Si el circuito magnético lineal tiene “n” bobinas, para la bobina “j” la inductancia propia será de la forma: L jj = N j

φ jj ij

(2.31)

Y las inductancias mutuas respecto a otra bobina k: L jk = N j

φ jk ik

(k=1,2,…,n≠j)

29

(2.32)

Se puede demostrar que, en general, Ljk = Lkj. La evaluación de inductancias mutuas es similar a la evaluación de inductancias propias, es decir, es necesario resolver el circuito magnético y evaluar φjk. El voltaje en una bobina “j”, supuesta de resistencia nula, esta dado por la relación: n

v j = ∑ L jk k =1

di k dt

(4)

(2.33)

O bien expresado matricialmente para las n bobinas:

[v] = [L] d [i ] dt

(2.34)

2.2.6. Energía en el campo magnético.

En un circuito magnético simple, donde no haya perdidas ni en los enrollados ni en el núcleo, la energía que entra al sistema a través del circuito eléctrico, sólo puede almacenarse en el núcleo, es decir, en el campo magnético. Así, haciendo un balance de energía, puede decirse que la energía eléctrica es igual a la energía acumulada en el campo magnético. 0 sea, la energía acumulada en el campo, εc, se puede evaluar a través de la energía eléctrica: t2

t2

t1

t1

ε c = ∫ p(t )dt = ∫ v(t ) ⋅ i (t )dt

(2.35)

Siendo p(t) la potencia eléctrica instantánea que entra al sistema. Como v(t) = dλ/dt, de (2.35) se tiene: λ2

ε c = ∫ i ⋅ dλ

(2.36)

λ1

(4)

Esta relación proviene de la ley de Faraday, y es válida para circuitos magnéticos de geometría fija; en caso contrario, habrá que sumar los términos del tipo

i

dL dt ,

∂B ∇× E = − + ∇×v × B ∂t ,

según puede deducirse de la ecuación de Maxwell

donde E es el campo eléctrico y v la velocidad del conductor respecto al campo; al primer sumando se le llama voltaje de transformación, y al segundo de generación.

30

Luego, ecuación queda representada por el área bajo la curva λ-i, como se indica en la figura 2.12. λ [Wb] λ2

εc λ1

i [Amp]

Figura 2.12. Energía en campo magnético Si λ e “i” se expresan en función de B y H, de acuerdo a las expresiones (2.24) y (2.25) la ecuación (2.36) puede escribirse como: B2

ε c = ∫ H ⋅ dB

(2.37)

B1

Como A ⋅ representa el volumen del núcleo (espacio ocupado por el campo magnético) puede escribirse la relación:

εc Vol

B2

= ∫ H ⋅ dB [Joule/m3]

(2.38)

B1

Es decir, la energía por unidad de volumen acumulada en el campo magnético corresponde al área bajo la curva B-H, según se indica en la figura 2.13. B

Wb   m2   

B2

ε c / vol B1

H  Amp.vuelta   

m

 

Figura 2.13. Energía por unidad de volumen

31

Para circuitos magnéticos lineales (donde L y µ son constantes), si se considera que en el instante inicial i = 0, la expresión para la energía acumulada puede escribirse como:

εc = εc Vol

=

1 1 1 λ2 L ⋅ i 2 = λi = 2 2 2 L

(2.39)

1 1 1 B2 µ ⋅ H 2 = BH = 2 2 2 µ

(2.40)

Si el circuito magnético no tiene pérdidas, al aumentar la corriente de la bobina de 0 a “i”, entrará una determinada energía εc al sistema, la cual se acumulará en el campo magnético, inversamente, si la corriente se reduce de “i” a 0, la misma cantidad de energía εc se devuelve a la fuente eléctrica. Sin embargo, si en el núcleo existen pérdidas (histéresis o corrientes parásitas), la cantidad de energía εc devuelta a la fuente eléctrica será menor que la energía εc entregada inicialmente al campo magnético. Por este motivo, la trayectoria de regreso en el grafico λ-i (o B-H) no es la misma trayectoria inicial, según se aprecia en la figura 2.14 y el área entre ambas curvas representa la energía que se pierde en el núcleo (pérdidas por histéresis y Foucault). λ [Wb] λmáx

εc ε c* εc − ε c* = Pérdidas en el Núcleo

0

imáx

i [Amp]

Figura 2.14. Energía perdida en el núcleo Si la corriente es alterna, y varia entre imáx y - imáx, el punto de operación en el grafico λ-i (o BH) recorrerá una trayectoria denominada ciclo de histéresis. El área de este ciclo representará las perdidas en el núcleo por el ciclo de la corriente (ver figura 2.15). Si la trayectoria se recorre muy lentamente, de modo que las corrientes parásitas inducidas puedan despreciarse, el área de la curva representara solo las perdidas de energía de histéresis, por ciclo.

32

λ [Wb] λmáx

- imáx

λR ic

imáx

i [Amp]

Curva de magnetización

-λmáx

Figura 2.15. Ciclo de histéresis

Como puntos particulares del ciclo de histéresis se pueden destacar la corriente es necesaria para que el flujo sea cero (N·ic = fuerza magnetomotriz coercitiva) y el enlace de flujo λR que persiste en el núcleo a pesar de ser i = 0 (flujo remanente). La trayectoria que pasa por el origen, o curva de magnetización, sólo se tendrá para núcleos magnéticos vírgenes, o núcleos desmagnetizados. En la práctica, se tratan de fabricar núcleos con bajas perdidas, de modo que los ciclos son relativamente angostos. La información que entregan los fabricantes es la curva de magnetización junto a la denominada curva de perdidas, donde se grafican los Watts/Kg de pérdidas en el núcleo, en función de Bmáx .

2.2.7. Circuitos magnéticos con entrehierro.

A continuación se analiza el caso de circuito magnéticos con entrehierros. Este caso reviste de gran interés puesto que las máquinas eléctricas constituyen necesariamente circuitos de este tipo para permitir el desplazamiento de una parte móvil respecto a una parte fija. En primer lugar considérese un circuito magnético ideal con un enrollado, el cual posee las siguientes características: • • • •

No hay flujos de fuga por el aire. La resistencia eléctrica del enrollado es despreciable. Las perdidas en el núcleo son despreciables. La permeabilidad µ es constante y su valor tiende a infinito (consecuentemente, el valor de la reluctancia del núcleo tiende a cero, evitando las caídas de potencial magnético).

33

Al aplicar un voltaje v(t) a la bobina se establece un flujo magnético φ(t) y por tanto una densidad de flujo B = φ/A en el núcleo (“A” es la sección transversal del núcleo). Sin embargo, como µ tiende a infinito la intensidad de campo magnético H será siempre igual a cero (ver ecuación (2.14)). Esto fuerza a que la corriente que circula por la bobina sea nula (según fórmula (2.15)), la inductancia propia tienda a infinito (ecuación (2.26)) y por lo tanto la energía acumulada en el campo magnético sea nula (εc = 0). Considérese el mismo circuito magnético anterior al cual se ha agregado un entrehierro según se aprecia en la figura 2.16. i v

g

N φ

Figura 2.16. Circuito magnético con entrehierro El circuito magnético es lineal, sin perdidas, el núcleo tiene una longitud media transversal “A” uniforme, y un entre hierro de longitud g 30 [KV]), ya que los enrollados deben soportar sólo 1

3 veces dicha tensión. En

estos niveles de tensión las corrientes de línea (y por lo tanto de enrollados) son relativamente bajas. ii) Conexión ∆∆ Cada enrollado se conecta entre dos fases de la red de alimentación, formando una ∆. Análogamente los secundarios se conectan en ∆ dando origen a 3 fases, sin neutro. En la Fig. 3.53(a) se indica la forma de conectar cada unidad monobásica, y en la fig. 3.53(b) se ilustra una representación esquemática de la conexión ∆∆, donde se dibujan paralelo los primarios y secundarios respectivos.

76

I L1

a'

V ff 1

I e1

Ie2

Ve1

Ve 2

I L2

a ''

V ff 2

b'

b ''

c'

c ''

I L1

a'

I L2

a ''

I e1 V ff 1

Ve1

Ve 2

c' b'

V ff 2 Ie2

c '' b ''

Fig. 3.53. Conexión ∆∆

En este caso, cada unidad monofásica estará especificada por S1Φ, Ve1/Ve2, Ie1/Ie2, siendo S1Φ = 1/3 S3Φ, los voltajes aplicados a los enrollados son los voltajes fase-fase, Ve1= Vff1, Ve2= Vff2 y las corrientes por:

I e1 =

I L1 3

; I e2 =

(3.162)

I L2 3

77

Donde Il1, Il2 son las corrientes de línea dadas por (3.161). Al igual que en el caso anterior, los voltajes primarios y secundarios respectivos del transformador 3Φ están en fase. Igualmente las corrientes de línea primarias y secundarias. Por otra parte, como los enrollados deben soportar la tensión entre fases, esta conexión se emplea con tensiones bajas en primario y secundario (ST gracias a que ambos enrollados están conectados a la fuente. Se puede decir también que el autotransformador transfiere parte de la potencia en forma inductiva   = V2 I 2 = V2 I 1  . ( S T = V2 I 2 ) y parte en forma conductiva  S T a a T T   Cabe indicar que el autotransformador puede ser elevador o reductor de voltajes, y cualquiera de los enrollados puede hacer de enrollado común. Si en lugar de transformador ideal se considera la impedancia equivalente de éste, Zeq, conviene tenerla referida al lado no común ( Z eq` en el caso de la Fig. 3.83). Así, en el circuito equivalente del autotransformador quedará en serie en el lado de alta tensión (H). Si se desea

113

tener en el lado de baja tensión (L), bastara dividirla por el cuadrado de la razón del autotransformador, a A2 (ver Fig. 3.84).

Z 'eq N1 : N 2

Z 'eq

≡

N1

N1

Z ''eqA =

Z 'eq a A2

N2

N2

Z ''eqA ≠ Z ''eq Fig.3.84. Autotransformador con impedancia.

Así, si hay una carga Zc en BT del autotransformador, el circuito equivalente referido a AT será el de la Fig. 3.85.

IH

VH

I 'L =

1 IL aA

Z 'eq V 'L = a AVL

Z 'C = a A2 Z c

Fig.3.85. Circuito equivalente referido a AT.

En general a partir de un transformador V1/V2 se podrán lograr autotransformadores de (V1+ V2)/V2, (V1+ V2)/V1, V2/(V1+ V2) o V1/(V1+ V2). Las ventajas del autotransformador frente a un transformador de enrollados separados de iguales voltajes en AT y BT, son principalmente de costo, lo cual se puede encontrar al

114

analizar los diseños de ambas alternativas. Y las desventajas radican en no tener aislados eléctricamente primarios y secundarios, y poseer corrientes de cortocircuito mas elevadas. Un caso particular de autotransformador lo constituye el autotransformador de razón variable (“Variac”) que posee un cursor de posición regulable para extraer V2 de modo de poder variar, teóricamente aA, entre 1 (N1=0) e infinito (N2=0).

En el caso trifásico, también

se usan autotransformadores para la conexión Y. 3.6.3. Transformadores para circuitos de audio.

Son transformadores pequeños, que deben diseñarse de modo de responder adecuadamente en un rango amplio de frecuencias, puede se circuitos de audio, las señales de voltaje varían sus frecuencia entre algunos ciclos y decenas de kilociclos. En estos circuitos electrónicos los transformadores se usan para elevar tensiones, para aumentar la ganancia de amplificadores y principalmente como transformador de salida, para adaptar la impedancia de la carga(Z`=a2Z)(ej. parlantes), de manera de conseguir una relación optima entre la impedancia aparente de una carga y su alimentador; se usan además transformadores en circuitos electrónicos para bloquear la corriente continua. El requisito que se debe cumplir en estos transformadores, en particular los de salida es que su relación Vsalida/Ventrada se mantenga constante en magnitud, y con un desfase cercano a 0 en determinado rango de frecuencias o “ancho de banda”. Se analizara esto, en base a circuito equivalente considerando 3 niveles de frecuencia: i)

Frecuencias intermedias(100 [Hz] a 1 [KHz]) En este rango de frecuencias, generalmente podrán despreciarse las reactancias X 1 , X 2`

( X = 2πfL )

frente a las resistencias de los enrollados (ocurre con

transformadores pequeños generalmente) r1 y r2`. Además, Xin suele ser lo suficientemente elevado como para despreciar Io. Así, el circuito equivalente referido al primario (si se hace un equivalente Thevenin EG, rG para el resto del amplificador) es el

115

de la Fig. 3.86, donde se incluye la impedancia de carga, generalmente resistiva en estos casos.

rG

r1

r '2

EG

r 'L

V 'L

Fig.3.86. Circuito equivalente para frecuencias intermedias.  N2  ⋅V ` N 1  L  N 2 V L  =  = Eg EG  N1

 rL`  ⋅ `  R se

(3.180)

Donde (3.181)

R se` = rG + r1 + r2` + rL`

La razón de voltajes es constantes y el desfase nulo para variaciones de frecuencia. O sea, la característica amplitud-frecuencia y el característica fasefrecuencia son ideales en estos niveles de frecuencia. ii)

Frecuencias altas o de audio ( >1 [KHz]) Aquí X1,X2` son comparables a r1,r2`; pero Xm es mayor, y con mayor razón podrá despreciarse Io. El circuito equivalente es el de la Fig. 3.87.

rG

r1

x1

EG

r '2

x '2

V 'L

116

r 'L

Fig.3.87. Circuito equivalente para frecuencias altas.

La característica de amplitud es: VL  N 2  rL`  =  , X eq` = X 1 + X 2` 2 EG  N1  R ` + X ` se eq V L  N 2  rL` ⋅ ⋅ = E G  N 1  R se`

1   L` 1 +  2πf eq `  R se  

(3.182)

2

O sea, disminuye al aumentar la frecuencia. Y la característica fase-frecuencia es:  2πfL`eq Ψ = V L − E G = arctg   R`  se

   

(3.183)

o sea, VL retrasa a EG; y el desfase aumenta con f. iii)

Frecuencias bajas o industriales (>100 [Hz]) X1,X2` pueden despreciarse. Pero debe considerarse Xm pues Io no será despreciable por ser Xm pequeño, el circuito equivalente es entonces el de la Fig. 3.88.

rG

r1

r '2

EG

xm

V 'L

Fig.3.88. Circuito equivalente para frecuencias bajas.

La característica de amplitud-frecuencia es:

117

r 'L

V L  N 2  rL` ⋅ ⋅ = E G  N 1  R se`

1  R`   1 +  par 2πfLm   

2

(3.184)

o sea, disminuye al disminuir la frecuencia. Y la característica fase-frecuencia es: `  R par Ψ = arctg   2πfL m 

   

(3.185)

o sea, VL adelanta a EG; y el desfase aumenta al disminuir f. En las relaciones anteriores, R `par =

(rG + r1 ) ⋅ (r2` + rL` ) rG + r1 + r2` + rL`

Luego, las características amplitud-frecuencia y fase-frecuencia son las de la Fig. 3.89.

118

VL EG  N  r' máx =  2  L  N1  R 'Se

máx 2

fH

fL

f

Retraso

0

f

Adelanto Frec. Bajas

Frec. Medias

Frec. Altas

Fig.3.89. Características amplitud y fase v/s frecuencia.

Ancho de banda: es el rango de frecuencias tal que la razón VL/EG decae a 0,707( 1

2

)

de su valor máximo, pudiéndose encontrar que: (3.187)

R``par R``se fH = ; fL = 2πL`eq 2πLm

Así, para lograr un ancho de banda lo mayor posible, en el diseño de estos transformadores conviene Lm >> Leq`(niveles de B muy bajos, y pocas fugas). 3.6.4 Transformadores de fuga.

Normalmente en el diseño de transformadores se trata de minimizar las fugas. Sin embargo, hay transformadores en los que deliberadamente se aumentan las fugas, de modo que

119

la reactancia de fuga sirva para limitar la corriente. Un caso típico son las soldadoras estáticas de arco, que son simplemente un transformador monofásico de alta corriente secundaria como se ilustra en la Fig. 390, donde se incluye también el circuito equivalente.

I2 V1

V2 Rarco r 'eq

x 'eq I 2 = I soldaje Rarco

Fig.3.90. Soldadora estática.

Muchas veces el control de frecuencia se logra con reactancia de fuga variable, por ej: mediante un núcleo móvil como el de la Fig. 3.91.

φ I2

φ fuga

Control de φ fuga ⇒ de I 2

Fig.3.91. Soldadora de núcleo móvil.

120

3.6.5 Transformadores de Pulso.

Se usan en circuitos digitales donde los fines son amplificar señales, bloquear CC., adaptar impedancias, etc. Siendo aquí las señales de voltaje pulsos, de modo que el diseño debe estar orientado a que este tipo de señales se reproduzcan fielmente en el secundario. La Fig. 3.92, muestra el caso típico de un pulso de entrada y la repuesta en el secundario.

V1

V2

V1

V2

t [ µ s]

t [ µ s]

Fig.3.92. Transformador de pulso.

Para lograrlo deben tener reactancias de fuga pequeñas (son de pocas vueltas) y núcleos de µ elevados (ferritas o cintas enrolladas de aleaciones de alto µ como el “permalloy” o “hipersil”.) 3.6.6 Transformadores de 3 enrollados.

En general un transformador monofásico puede tener más de un enrollado secundario, para obtener distintos niveles de tensión. En la Fig. 3.93 se ilustra por ejemplo un transformador con su primario, un secundario y un “terciario”, y el circuito equivalente que se logra, referido al primario.

121

I2

I1

V2

N2 V1

N1

I3

Z1

Z '2 I '2

I0 V1

ZC 3

V3

N3

I1

ZC 2

jxm

Z 'c 2

Z '3 I '3 Z 'c 2

Fig.3.92. Transformador monofásico de 3 enrollados.

En transformadores trifásicos también se utilizan transformadores de 3 enrollados, en los siguientes casos más comunes: i)

Subestaciones de AT que requieran un nivel de BT (logrado con el terciario) para sus propios consumos.

ii)

Empleo de terciarios en ∆ para proporcionar un camino de circulación a las 3ª armónicas de corriente (por ejemplo si primario y secundario están en Y sin neutro) y evitar así una distorsión del voltaje. El terciario en ∆ es útil también en estos casos para evitar que cargas desequilibradas tengan influencia importante en el transformador (∆ “estabilizadora”).

122

iii)

Transformadores hexafásicos, utilizando secundarios y terciarios idénticos, en Y, pero con polaridad invertida (Fig. 3.93). En este caso, los 6 terminales de carga, (secundarios y terciarios) entregan voltajes de igual magnitud, y desfasados en 60º(sistema hexafásico equilibrado).

a'

a'

a'

b'

b'

b'

c'

c'

c'

Primarios (Y o ∆ )

Secundarios Va '

Terciarios Va '' Vc '''

Vb '''

60°

Vc '

Vb '

Vb ''

Vc '' Va '''

Fig.3.94. Transformador hexafásico.

Una aplicación de los transformadores hexafásicos es en rectificadores de potencia, como se verá luego. Los transformadores de 3 enrollados se designan normalizadamente indicando el desfase del secundario con respecto al primario y del terciario con respecto al primario. Así por ejemplo el transformador de la Fig. 3.94 es un Yy0y6. 3.6.7 Transformadores para rectificadores de potencia El desaroll0o tecnológico de la electrónica de potencia permite disponer hoy día de

dispositivos semiconductores para aplicaciones industriales, que soportan altos voltajes y altas frecuencias. En particular, en el caso de rectificadores, existen diodos de potencia aptos para los requerimientos de estas aplicaciones.

123

Dentro de los rectificadores de potencia los rectificadores trifásicos son los más utilizados por las buenas características que se logran en la onda rectificada. De acuerdo a la forma de dicha onda, se distinguen rectificadores de 3 pulsos y rectificadores de 6 pulsos por ciclo.

124

4. Principios Básicos de Máquinas Eléctricas 4.1 Introducción En los capítulos magnéticos

anteriores,

estáticos

en

se

han

tratado

general,

circuitos

incluyendo

los

transformadores. En dichos circuitos, cuando no se considera pérdidas, la variación de energía eléctrica en los terminales del

sistema

acumulada circuito

se

en

el

traduce campo

magnético

no

en

una

variación

magnético. es

estático,

Sin es

de

la

embargo, decir

energía

cuando

tiene

el

partes

móviles, habrá que considerar además la variación de energía mecánica.

En

este

capítulo

se

tratan

estos

circuitos

magnéticos no estáticos, que también se denominan máquinas elementales,

y

que

constituyen

la

base

de

las

máquinas

eléctricas rotatorias tradicionales y de cualquier dispositivo de conversión-electromecánica de la energía.

ε cm = ∫ id λ

(4.1)

0 bien, la energía acumulada por unidad de volumen:

ε cm vol

(4.2)

= ∫ HdB

Y queda representada gráficamente por el área indicada en las Fig. 4.1.

125

λ

B

ε cm

ε cm

vol

ε 'cm

ε 'cm

vol

i

H

Fig. 4. 1. Energía y co-energía en el campo magnético

La co-energía ε 'cm se define como el área complementaria de la energía (ver Fig. 4.1.). Es decir:

ε 'cm = ∫ λ di

(4.3)

ε 'cm

(4.4)

O bien

vol

= ∫ BdH

Además, cuando el circuito magnético es lineal, es fácil encontrar que la energía y la co-energía son iguales. Es decir:

1 2

ε cm = ε 'cm = λ i =

(4.5)

1 λ2 = Li 2 2 L

O bien

ε cm

(4.6)

ε 'cm

1 1 B2 1 = = BH = = µH 2 2 µ 2 vol vol 2

126

4.2 Motor Electrico 4.2.1 Motor elemental de un enrollado Si se considera un circuito magnético de un enrollado, sin pérdidas

y

estático,

cualquier

variación

de

la

energía

eléctrica en los terminales del enrollado se convertirá en una variación igual de la energía acumulada en el campo magnético:

d ε e1 = d ε cm Sin

embargo,

si

(4.7)

e1

circuito

magnético

tiene

partes

móvi1es, una parte de 1a variación de energ1a e1ectrica puede traducirse en una variación de energía mecánica; es decir:

d ε e1 = d ε cm + d ε mec

(4.8)

i) Maquinas de desp1azamiento lineal. La

variación

de

energía

mecánica

significará

un

desplazamiento de la parte móvi1 del circuito magnético, y por lo tanto un trabajo Además,

la

variación

Fdx rea1izado por la fuerza actuante.

de

energía

eléctrica

vi ⋅ dt ,

se

puede

escribir también como id λ . De esta manera, la expresión (4.8) queda:

id λ = d ε cm + Fdx

(4.9)

127

La energía acumu1ada en e1 campo magnético, dependerá tanto del enlace de f1ujo λ , como del desplazamiento x. Entonces

ε cm

considerando

como

una

función

de

dos

variables

independientes ( λ , x), puede escribirse:

d ε cm =

δε cm δε d λ + cm dx δλ δx

(4.10)

Igualando con d ε cm de (4.9):

δε cm δε d λ + cm dx = id λ + Fdx δλ δx

(4.11)

De donde se deducen dos ecuaciones al igualar los factores correspondientes de d λ y dx :

i=

δε cm δλ

(4.12) x = cte.

Que es 1a relación conocida (4.1), para 1a energía acumu1ada en e1 campo en circuitos magnéticos estáticos (x = cte.).

F =−

δε cm δx

(4.13) λ = cte.

Relación que permite evaluar F a través de la variación de la energía acumulada en el campo con la posición, considerando flujo constante. Una expresión similar puede obtenerse empleando la coenergía, ya que por definición:

128

ε 'cm = λi − ε cm

(4.14)

O sea d ε 'cm = λ di + id λ − d ε cm Reemplazando de: de (4.9), se obtiene:

d ε 'cm = λ di + Fdx

(4.15)

Así, considerando análogamente ε 'cm como función de las dos variables independientes i, x,

d ε 'cm =

δε 'cm δε 'cm di + dx δi δx

(4.16)

Igualando coeficientes con (4.15) se obtienen las relaciones:

λ=

Que

es

la

magnéticos

δε 'cm δi

(4.17) x = cte.

misma

relación

estáticos

F =−

δε 'cm δx

(4.3),

válida

para

circuitos

y además:

(4.18) i = cte.

Gráficamente, puede apreciarse también que las expresiones (4.13) y (4.18) son iguales. En efecto, en la Fig. 4.2. se muestra

la

variación

de

la

curva

λ −i

al

producirse

un

desplazamiento de x → x + ∆x . De acuerdo a (4.13), el punto de operación

se

desplazar

a

de

A→ B,

acumulada en +∆ε cm = área (OAB ) , siendo F =

129

aumentando

la

energía

− área (OAB) . Y de acuerdo ∆x

a la relación (4.18), el punto de operación se desplazar1a de A→C,

disminuyendo

la

co-energía

evaluándose entonces la fuerza como F ' =

∆ε 'cm = −área (OAC ) ,

en

y

−área (OAC ) . Como se ve, ∆x

la diferencia entre F y F' es únicamente el área triangular ABC , la cual tiende a cero cuando ∆x es infinitesimal.

λ

x x + ∆x

A

λ = cte

B C

i

i = cte

Fig. 4.2. Variación de la geometría en un circuito magnético

ii) Maquinas de desplazamiento rotatorio. Las

máquinas

rotatorias.

En

convencionales estos

casos

tienen

será

más

las

partes

conveniente

móviles encontrar

expresiones para el torque en el eje de la misma, que para la fuerza

tangencial

sobre

la

parte

móvil.

En

este

caso,

la

variación de la energía mecánica de la ecuación (4.8) podrá expresarse como el trabajo efectuado por el torque, Tdθ , siendo dθ el desplazamiento angular de la pieza móvil. Así, en forma

análoga se encuentran las relaciones:

T =−

δε cm δθ

(4.19) λ = cte.

130

O bien

T=

δε 'cm δθ

(4.20) i = cte.

Las expresiones deducidas para F y T son validas en general para

circuitos

magnéticos

no

lineales.

Para

circuitos

magnéticos lineales, como la energía y co-energía son iguales, pueden emplearse las relaciones, que resultan más prácticas.

F= T=

Así,

δε cm δx ∂ε cm ∂θ

(4.21) i = cte.

(4.22) i = cte.

considerando

que

1 2

ε cm = Li 2 ,

para

este

caso

de

un

enrollado:

F=

1 2 ∂L Li 2 ∂x

(4.23)

1 ∂L F = i2 2 ∂θ

(4.24)

Cabe destacar que las variables F y T son instantáneas, ya que i, y además la posición ( x ó θ ), dependen de t. En el caso particular

del

torque,

mas

que

el

torque

instantáneo

interesara el torque medio (valor medio en el tiempo), siendo en general deseable que este tenga un valor no nulo, de modo que la rotación del eje sea en un solo sentido. El torque medio esta dado por:

131

< T >= Donde

τ

1

τ

τ

(4.25)

∫ T (t )dt 0

es el periodo de la función torque instantáneo

T(t). 4.2.2 Motor de dos enrollados En

10

que

sigue,

se

trataran

solo

maquinas

rotatorias

trabajando en la zona lineal del núcleo magnético. Las maquinas rotatorias mas elementales, tendrán usualmente dos enrollados, uno en la parte fija del circuito magnético (denominado

estator)

y

otro

en

la

parte

en

el

campo

móvil

0

rotatoria

(denominada rotor). La

energía

circuito

acumulada

lineal

de

varios

enrollados,

magnético, se

puede

mediante la relación matricial (equivalente a

para

un

escribir

1 2 Li para el 2

caso de un enrollado):

(4.26)

1 2

ε cm = [i ]T [ L][i ] Para enrollados

ε cm =

donde

L 1 [i1 i2 ]  L11 2  21

L jj

son

(4.27)

L12   i1  L22  i2 

inductancias

propias,

y

L jk

inductancias

mutuas. De (4.27) teniendo en cuenta que L12 = L21 se obtiene

1 2

(4.28)

1 2

ε cm = L11i12 + L12i1i2 + L22i2 2

132

La co-energía ε 'cm

tendría esta misma expresión ya que el

circuito magnético es lineal. Por otra parte, la variación de energía eléctrica de entrada en ambos enrollados es v1i1dt + v2i2 dt , o bien:

d ε e1 = i1d λ1 + i2 d λ2

(4.29)

Pero para circuitos lineales, λ1 y λ2 esta relacionados con

i1 e i2 mediante:  λ1   L11 λ  =  L  2   21

(4.30)

L12   i1  L22  i2 

Reemplazando (4.28) y (4.29) en (4.8), se tiene:

(4.31)

1 1 i1d ( L11i1 + L12i2 ) + i2 d ( L21i1 + L22i2 ) = d ( L11i12 + L12i1i2 + L22i2 2 ) + Tdθ 2 2

Para desarrollar esta expresión, hay que tener en cuenta que como

el

circuito

inductancias

como

magnético las

no

es

corrientes

estático,

pueden

variar

tanto y

las

deberán

incluirse sus diferenciales. Así, se obtiene 1 1 Tdθ = i12 dL11 + i1i2 dL12 + i2 2 dL22 2 2

que coincide con d ε cm i ,i =ctes. (ó d ε 'cm i ,i =ctes. ) 1 2

1 2

Luego:

T=

∂ε cm ∂θ

(4.32) i1 ,i2 = ctes .

Las relaciones anteriores se pueden generalizar para un motor de

n

enrollados

trabajando

en

la

zona

lineal

del

núcleo

magnético. En este caso, el torque instantáneo es:

T=

∂ε cm ∂θ

(4.33) i1 ,i2 ,...,in = ctes .

Con

(4.34)

1 2

ε cm = [i ]T [ L][i ]

133

O sea

1 ∂L T = [i ]T [ ][i ] 2 ∂θ

(4.35)

Como ejemplo ilustrativo, sea un motor como el de la Fig. 4.3., en que el estator se alimenta con una corriente alterna

i1 = I m sin(ω t ) , con ω = 2π f , y el rotor con una corriente continua i2 = I cc , en el cual se desea calcular el torque medio o torque motriz

de

régimen

permanente.

Este

motor

se

denomina

sincrónico monofásico con rotor de polos salientes. El rotor se debe alimentar a través de un sistema de anillos rozantes. La

bobina

del

estator,

por

simplicidad,

se

ha

supuesto

concentrada en un par de ranuras como se indica en la figura.

θ i1

i2

Fig. 4.3. Motor sincrónico monofásico con rotor de polos salientes. Para poder aplicar la ecuación (4.35), es necesario primero encontrar las inductancias en función de la posición: - Inductancia propia del estator: Cuando i2 = 0 , hay 2 posiciones particulares del rotor, una en la cual la reluctancia para el flujo producido por i1 es m1nima ( θ = π / 2 ), y la otra para la cual esta es máxima ( θ = 0 , θ = π ). Así, como

L11

es inversamente proporcional a la reluctancia,

134

habrá un

L11máximo y

L11mínimo

para dichas posiciones. Si se supone

para L11 una variación sinusoidal, esta deberá ser de 1a forma:

L11 = La − Lb cos(2θ ) - Inductancia propia del rotor: Cuando i1 = 0 , 1a inductancia propia del rotor es independiente de 1a posición ya que 1a re1uctancia es 1a misma para cua1quier valor de 0 (despreciando 1a discontinuidad que significa 1as ranuras del estator). Luego

L22 = cte. - Inductancia mutua: Si i2 ≠ 0 , e1 f1ujo producido por e1 rotor que es en1azado por 1a bobina de estator es nu1o para θ = 0 , θ = π , y es máximo positivo para θ = π / 2 y máximo negativo para θ = 3π / 2 . Luego, si se supone una variación sinusoidal:

L12 = Lm sin(θ ) Entonces, de acuerdo a (4.35): T=

∂L 1 2 ∂L11 1 ∂L i1 + i1i2 12 + i2 2 22 ∂θ 2 ∂θ 2 ∂θ

(4.36)

T = I b I m 2 sin(2θ ) sin 2 (ω t ) + Lm I cc I m cos(θ ) sin(ω t ) Si en régimen permanente 1a ve1ocidad angular del rotor es dθ ωr = , puede expresarse θ como: dt (4.37) θ = ωrt − δ donde − δ

ω r t = kπ

es 1a posición del rotor respecto a1 estator para

(k entero,

ωr

constante ya que se trata de régimen

permanente). Luego, e1 torque instantáneo queda como:

135

T (t ) = I b I m 2 sin(2(ω r t − δ )) sin 2 (ω t ) + Lm I cc I m cos(ω r t − δ ) sin(ω t ) Expresión que mediante transformaciones trigonométricas queda:

1 1 1   Lb I m 2 sin(2(ω r t − δ )) − sin(2(ω r t + ω )t − δ ) − sin 2 (2(ω r t + ω )t − δ )  2 2 2   1 .......... + Lm I cc I m [sin((ω r t + ω )t − δ ) + sin((ω − ω r )t + δ ) ] 2 T (t ) =

El valor medio de T (t ) es entonces nulo, < T (t ) >= 0 , a menos que

ω r = ω , en cuyo caso: T (t ) =

Es

(4.38)

1 1 Lb I m 2 sin(2δ ) + Lm I cc I m sin(δ ) 4 2

decir,

el

torque

motriz

velocidad angular mecánica

ωr

no

es

nulo

solo

cuando

la

coincide (esta "sincronizada")

con la velocidad angular eléctrica ω , razón por la cual se denomina motor sincrónico. En

general,

un

motor

se

empleara

para

mover

una

carga

mecánica acoplada a su eje, la cual presentara cierto torque resistente TR . Si se conoce el torque resistente en función de la velocidad del eje TR , la velocidad de régimen permanece se encontrara con la intersección

de

TMotriz (ω R )

y

TR (ω R ) , ya que

cuando el torque acelerante, Tac = Tm − TR , es nulo, la velocidad será constante. En este caso particular, el torque motriz es no nulo solo para

ω r = ω ; por lo

torque

resistente,

tanto para cualquier característica de la

velocidad

ω r = ω (Ver Fig. 4.4).

136

de

régimen

permanente

será

T Tm

TR

ωr

ωr = ω

Fig. 4.4. característica torque velocidad. Como se vera en el Capitulo 6, en los motores sincrónicos se acostumbra

a

trabajar

con

la

característica

torque-ángulo

( δ = " ángulo..de..torque " 0 ), que en el caso del motor monofásico, de acuerdo a (4.38), tiene la forma indicada en la Fig. 4.5. El ángulo

δ

de

operación,

δo ,

depende

del

valor

del

torque

resistente para ω r = ω , y será mayor, mientras mayor sea TR . En particular, δ = 0 para TR = 0 , o sea con el motor funcionando "en vac1o".

137

T

Tm (δ )

TR

δo

0

π

δ

π

2 Fig. 4.5. Curva torque-ángulo 0. Otra caracter1stica particular del motor sincrónico monofásico es que aun cuando la corriente que alimenta al rotor sea nula, I cc = 0 , habrá un torque motriz dado por:

Tm =

Un

motor

(4.39)

1 Lb I m 2 sin(2δ ) 4 de

estas

características

(con

rotor

de

polos

salientes, sin enrollado), se denomina motor de reluctancia. Por otra parte, si el rotor es cilíndrico como en la Fig. 4.6.,

significa

que

L11 = cte. ,

o

sea

Lb = 0 .

Así,

el

torque

motriz es solamente:

Tm =

(4.40)

1 Lm I cc I m sin(δ ) 2

138

θ

i1 i2

Fig. 4.6. Motor sincrónico monofásico de rotor cil1ndrico.

4.3 Generador Eléctrico En un generador eléctrico la salida es una variación de la energ1a

eléctrica,

producida

gracias

a

la

variación

de

energ1a mecánica en la entrada. Sin embargo, para que se produzca esta conversión electromecánicas de energ1a, como ya

se

ha

magnético.

dicho, En

la

desplazamiento

es Fig.

lineal.

imprescindible 4.7. En

la

se

que

muestra

Fig.

un

4.7.(a)

exista

campo

generador

de

el

es

campo

proporcionado por el imán permanente que constituye la pieza móvil,

de

modo

que

al

desplazarse

esta

var1a

el

flujo

enlazado por la bobina de la pieza fija, y se induce un voltaje en ella dado por la ley de Faraday. En la Fig. 4.7.(b), el campo es proporcionado por una bobina adicional (bobina de campo) alimentada con corriente continua I c .

139

φ (t )

φ (t )

N

Ic

F

F

V (t )

V (t )

S

Fig. 4.7. Generador Eléctrico. Los generadores usuales para aplicaciones de potencia son rotatorios y emplean bobina de campo, ya sea en el estator (como

en

la

Fig.

4.7)

0

en

el

rotor.

En

adelante

se

considerara solo estos generadores, en 10s cuales la entrada mecánica

es

proporcionada

por

el

torque

externo

de

una

maquina motriz (turbina) acoplada al eje.

Text

V (t )

Ic

Fig. 4.8. Generador rotatorio. En una bobina cualquiera, la re1acion entre e1 vo1taje en sus termina1es y e1 flujo en1azado por e1 mismo esta dado por

140

v=

dλ . En e1 caso lineal en que λ = Li , siendo L su inductancia dt

propia e i 1a corriente por 1a bobina, se tendrá:

v=

donde

(4.41)

d ( Li ) d (i ) d ( L) =L +i dt dt dt

dL  dL   dθ  = ⋅  , considera 1a variación de 1a inductancia dt  dθ   dt 

con 1a posición. Para una maquina de dos enro11ados, se tendrá ana1ogamente:

(4.42)

di1 di dL dL + L12 2 + i1 11 + i2 12 dt dt dt dt di di dL dL v2 = L22 1 + L22 2 + i1 21 + i2 22 dt dt dt dt v1 = L11

Así, si se trata de un generador en e1 cua1 1a bobina 2 se usa

como

enro1lado

de

campo,

i2 = I c

(corriente continua), e1

vo1taje generado en 1a bobina 1 en vacío ( i1 = 0 ) queda dado, de acuerdo a (4.42), por:

v1 = I c

dL12 dL dθ = I c ⋅ 12 ⋅ dt dθ dt

(4.43)

es decir, se genera energ1a e1ectrica cuando posición,

ωr = θ =

y

a

1a

vez

se

esta

L12 var1a con 1a

proporcionando

una

ve1ocidad

dθ a1 eje del rotor mediante 1a maquina motriz. dt

Las re1aciones (4.41) y (4.42) se pueden escribir, para e1 caso general de varios enro11ados, en forma matricia1:

141

[v] = L 0

bien,

d [i ] ∂L +θ [i ] ∂θ dt

si

se

(4.44)

consideran

las

resistencias

de

10s

enro11ados:

[ v ] = − R [i ] + L

d [i ] ∂L +θ [i ] ∂θ dt

(4.45)

Siendo: R [i ]

:

Ca1das de vo1taje en 1as resistencia, donde R es matriz diagonal.

d [i ] dt

L

:

Vo1tajes

de

transformación

transformadores

o

(propios

circuitos

de

1os

magnéticos

estáticos).

θ

∂L [i ] ∂θ

:

Voltajes

de

generadores),

generación en

que

θ=

(propios

dθ dt

es

de

la

losa

velocidad

angular del rotor. Como

ejemplo,

se

puede

ana1izar

un

generador

sincrónico

monofásico con rotor de polos sa1ientes, como el de la Fig. 4.3, donde el rotor se hace girar a una velocidad θ = ω r , el campo lo proporciona el rotor a1imentado desde una batería V, con una corriente continua I c . E1 vo1taje generado en vacó en e1 estator, en régimen permanente se puede entonces calcular con (4.45):

R

[v1 ] =  01 

0   0   L11 + R2   − I c   L21

 ∂L11  ∂θ L12   0  ω + r  L22   0   ∂L21  ∂θ

∂L11  ∂θ   0   ∂L22   I o  ∂θ 

y como L11 = La − Lb cos(2θ ) , L22 = cte. , L12 = L21 = Lm sin(θ ) , se tiene:

v1 = ω r Lm I c cos(ω r t − δ ) vc = R2 I c

142

Es decir se genera un voltaje a1terno de frecuencia angular eléctrica igual a la velocidad mecánica del rotor, ω r = ω , razón por la cual se denomina generador sincrónico. E1 ángulo δ

vale

cero si i1 = 0 (vació). Si 1a velocidad del eje se expresa en función de n [rpm]:

ωr =

2π n 60

(4.46)

y la frecuencia angular en función de f [Hz] :

ω = 2π f La igualdad ω r = ω

(4.47)

que se produce en 1a máquina sincrónica en

régimen permanente es:

f =

(4.48)

n 60

Así, para generar un vo1taje de 50 [Hz], debe hacerse girar

e1

rotor

a

3000

[rpm].

No

obstante,

1a

re1acion

(4.48) es valida para una maquina de 2 polos (p=2) como la de la Fig. 4.9.(a).

θ

V1

N

N S

N

S

143

S

V1

V1

π

π

2

3π 2

2π

5π 2

θ = ωrt

π 2

π

3π 2

2π

5π 2

θ = ωrt

Fig. 4.8. Influencia del número de polos. Para una maquina de 4 polos (p = 4) como la de la Fig. 4.9.(b), en que el estator lo constituyen en este caso bobinas en serie (no es la única alternativa), una revolución completa del rotor ( θ : 0 → 2π ), significan dos ciclos para el voltaje. O sea, ω = 2ω r . En general, se encontrara que para una maquina (motor o generador) de p polos, se cumple:

ω=

P ωr 2

(4.49)

f =

Pn 120

(4.50)

O bien

144

5. Maquinas de Corriente Continua Entre los distintos tipos de máquinas eléctricas que actualmente se emplean en aplicaciones de potencia, la primera que en ser desarrollada fue la maquina de corriente continua (C.C.). La razón de ello fue que, en un principio, no se pensó que la corriente alterna tuviera las ventajas que hoy se le conocen, especialmente en la transmisión de energía eléctrica a grandes distancias. La primera máquina de C.C., fue ideada por el belga Gramme alrededor de 1860 y empleaba un enrollado de rotor especial (anillo de Gramme) para lograr la conmutación o rectificación del voltaje alterno generado. Posteriormente, el físico W. Siemens y otros, contribuyeron al desarrollo de estas máquinas realizando rectificaciones en su construcción, hasta llegar a la máquina de CC que se conoce hoy. Pese a las mejoras que han sido desarrolladas en su diseño, la máquina de corriente continua es constructivamente más compleja que las máquinas de corriente alterna, el empleo de escobillas, colector, etc., la hace comparativamente menos robusta, requiere mayor mantenimiento y a la vez tiene un mayor volumen y peso por kilo-watt de potencia. No obstante a lo anterior, la máquina de C.C. tiene múltiple aplicaciones, especialmente como motor, debido principalmente a: • Amplio rango de velocidades (ajustables de modo continuo y controlables con alta precisión). • Característica de torque-velocidad variable, constante o bien una combinación ideada por tramos. • Rápida aceleración, desaceleración y cambio de sentido de giro. • Posibilidad de frenado regenerativo. En el presente capítulo, se estudian los principios de funcionamiento del generador y motor de C.C., se describen varios aspectos que afectan el desempeño de estas máquinas, tales como la característica de saturación del material ferromagnético, los problemas de conmutación y las pérdidas en operación. Además, se presentan las características más relevantes relativas a la construcción de las máquinas de C.C. y se analiza en detalle el comportamiento de generadores y motores para distintos tipos de conexión (serie, shunt, excitación separada, etc).

5.1. Principios de Funcionamiento 5.1.1. Principio de funcionamiento del generador de C.C. o dínamo.

Considérese una espira plana, rotando a velocidad ω r alrededor de su eje (movida por una →

máquina motriz externa), ubicada en un campo magnético B uniforme proporcionado por un imán permanente o un electroimán (ver figura 5.1).

145

( dt ) donde:

El voltaje inducido en la espira está dado por, e = − dφ

(5.1)

→ →

φ = B⋅ S = B ⋅ D ⋅ ⋅ cos (θ )

Siendo D y las dimensiones de la espira, y θ el ángulo de posición medido entre la normal n al plano de la espira y el eje de los polos.

n

N

F

θ

B F

S

i D

l

B

ωr

Ic

Figura 5.1. Generador elemental Considerando (5.1) se tiene: e = B ⋅ D ⋅ ⋅ sen (θ ) ⋅

dθ dt

(5.2)

Si en lugar de una espira, se considera una bobina plana de Nb espiras (en serie):

Donde: ω r = dθ

e = ω r ⋅ N b ⋅ B ⋅ D ⋅ ⋅ sen (θ )

(5.3)

e = Emax ⋅ sen (ω r ⋅t − δ )

(5.4)

dt

Equivalentemente:

Donde: Emax = ω r ⋅ N b ⋅ B ⋅ D ⋅

146

θ = −δ para t = 0. De este modo, el circuito de la figura 5.1 representa un generador de voltaje alterno y además sincrónico, ya que la frecuencia eléctrica coincide con la velocidad angular mecánica ωr. Si se desea obtener un voltaje rectificado (continuo), deberá emplearse un sistema que permita conectar la carga eléctrica al voltaje generado “e” para θ = 0 → π , y al voltaje generado “-e” para θ = π → 2π . Esto se consigue a través de un sistema de rectificación o conmutador, donde el voltaje de la carga se obtiene mediante un par de contactos (escobillas o carbones) fijos al estator, que se deslizan sobre los terminales de las bobinas del rotor (delgas). En la figura 5.2 (a) se muestra la situación de un colector que posee un par de delgas (una bobina), y en la figura 5.2 (b) una representación esquemática de este mismo caso.

ωr n

Delgas N

θ

S

E

Escobillas Plano de la Bobina (a)

(b)

Figura 5.2. Sistema de conmutación. Si “E” es el voltaje en los terminales de las escobillas, se observa que al girar el rotor se obtiene: E = e para θ = 0 → π E = -e para θ = π → 2π

Además se tiene que θ c = 0, π , 2π ,... son los ángulos donde se produce la conmutación, es decir, el paso de escobillas de una delga a la siguiente. La forma del voltaje rectificado obtenido en los terminales de las escobillas se muestra en la figura 5.3.

147

E

π

0

θ

2π

e

Figura 5.3 .Voltaje rectificado. Este voltaje puede mejorar (aumentando su componente continua), si se agregan más delgas. Por ejemplo si se usan 2 bobinas ortogonales, con 4 delgas, como se muestra esquemáticamente en la figura 5.4, los voltajes inducidos en ambas bobinas estarán desfasados en 90°: e1 = Emax ⋅ sen (θ )

(5.5)

e2 = E max ⋅ sen(θ − 90°) = E max ⋅ cos(θ )

N

S

E

Figura 5.4. Generador con 4 delgas En este caso, los ángulos de conmutación serán θ c = π , 3π , 5π , 7π ,... , con ello: 4 4 4 4 E= e2 para θ = 0 → π 4 E= e1 para θ = π → 3π 4 4

148

E= -e2 para θ = 3π → 5π 4 4 5 π 7 π E= -e1 para θ = → ... 4 4 En la figura 5.5 se muestra la forma de onda que se obtiene para el voltaje rectificado en las escobillas. E Emáx

π 4

3

π 4

5

π 4

7

π 4

9

π 4

θ

e1

e2

Figura 5.5. Voltaje rectificado con 4 delgas. Si se sigue aumentando el número de delgas se logrará un voltaje prácticamente continuo en los terminales de las escobillas: E ≈ Emax = ω r ⋅ N b ⋅ B ⋅ D ⋅

(5.6)

Si se expresa en función de la velocidad n[rpm] ( ω r = 2π ⋅ n

), y del flujo φ proporcionado 60 por el campo ( φ = B ⋅ D ⋅ l ), la expresión anterior puede rescribirse: E=

2π ⋅ n ⋅ Nb ⋅φ 60

(5.7)

E = Ke ⋅ n ⋅φ

Debe notarse que, en el ejemplo propuesto, el voltaje “E” es proporcionado en cada instante sólo por una bobina, que es la que en ese momento tiene voltaje inducido máximo, o sea flujo enlazado nulo. El resto de la bobinas, están generando voltajes e < E , los cuales no están siendo aprovechados. Este tipo de enrollado, en que las bobinas están eléctricamente aisladas entre sí, se denomina enrollado de bobinas independientes y es, en general, muy poco eficiente por la razón recién mencionada.

149

En la práctica, las bobinas se conectan en configuración tal que los voltajes de todas las bobinas contribuyen al valor de “E”. En este aspecto, el denominado enrollado imbricado es la configuración más usada en la actualidad. Pese a las distintas características de diseño de los enrollados del rotor, siempre se cumple la relación (5.7), que indica que el voltaje generado en vacío es proporcional a la velocidad y al flujo. Por su parte, la constante de proporcionalidad Ke es la que cambia dependiendo de las características constructivas del enrollado. 5.1.2. Principio de funcionamiento del motor de C.C.

En presencia del campo magnético descrito anteriormente, si se alimenta la máquina de C.C. con una fuente continua través de las escobillas, se genera una corriente por el rotor y la máquina comienza a operar motor. Según lo estudiado en el capítulo anterior, en esta situación es posible evaluar el torque motriz medio que se origina en el eje a través de la ecuación: T (t ) =

1 2  dL11   dL  1 2  dL  Ic   + I c I a  12 dθ  + Ia  22 dθ  θ d    2   2 

(5.8)

Donde: →

Ic es la corriente que produce el campo magnético uniforme B (corriente en el estator), denominada corriente de campo. Ia es la corriente que se establece al alimentar el rotor, denominada corriente de armadura.

El cálculo de L11, L12 y L22 (14) debe considerar: L11: constante, independiente de la posición, pues el rotor es cilíndrico. L22: la inductancia de una bobina cualquiera del rotor depende de la posición, teniendo un valor máximo para θ = 0, π , 2π ,... , y un mínimo para θ = π , 3π , 5π , 7π ,... . 4 4 4 4 En general puede asociarsele la siguiente expresión: L22 = LA − LB cos ( 2θ ) L12: la inductancia mutua entre una bobina cualquiera del rotor y el enrollado de campo, tiene un máximo negativo para θ = 0 y positivo para θ = π , y es nula para θ = π y θ = 3π . 2 2 Puede asociársele la expresión: L12 = LM cos (θ )

De este modo, el torque instantáneo es: T ( t ) = I c ⋅ I a ⋅ LM ⋅ sen (θ ) + Ia2 ⋅ LB ⋅ sen ( 2θ )

(14)

El subíndice 1 denota al estator y el subíndice 2 al rotor.

150

(5.9)

Al emplear muchas delgas la bobina del rotor que está alimentada es sólo aquella ubicada entre los terminales de las escobillas(15), donde el ángulo θ adquiere un valor igual a se tiene:

T ( t ) = T = G ⋅ Ic ⋅ I a

π

2

, con lo cual (5.10)

Es decir, el torque instantáneo es a la vez el torque medio (constante), y resulta proporcional al producto de las corrientes de campo y de armadura. El término LM usualmente se designa por “G”, denominada inductancia rotacional de la maquina de C.C., que corresponde a un parámetro típico de la máquina. Adicionalmente, si se considera la relación(16): P = ωr ⋅T

Con P = Ea·Ia

(17)

(5.11)

, se tiene: T=

Ea ·I a K e ·n·φ ·I a = ⇒ T = KT ·φ ·I a 2π ⋅ n 2π ⋅ n

(5.12)

Análogamente es posible definir: Ea =

T ·ω r G·I c ·I a ·ω r = ⇒ Ea = G·ω r ·I c Ia Ia

(5.13)

5.2. Desempeño de máquinas de C.C. reales

En la práctica, existen varios efectos que impactan la eficiencia y el funcionamiento de las máquinas de C.C. tanto cuando están configuradas como motor o como generador, dentro de ellos se encuentran la característica de saturación del material ferromagnético, la reacción de armadura y las pérdidas eléctricas y mecánicas debido a que el proceso de conversión de la energía no es ideal. A continuación se analizan cada uno de estos efectos de manera independiente, indicando algunas soluciones que minimizan estos efectos.

(15)

Esto corresponde al caso de enrollado de bobinas independientes, no obstante en bobinados imbricados ocurre algo similar (16) Esta relación se deriva al considerar que la potencia es la derivada del trabajo y para sistemas rotatorios el trabajo se define como el momento de torsión por el ángulo del vector donde es aplicada la fuerza. dW d (T ⋅θ ) dθ De este modo: P= = =T ⇒ P = ωr ⋅T dt dt dt (17) Esta ecuación considera un sistema sin pérdidas en el cual la potencia eléctrica de entrada es igual a la potencia mecánica de salida.

151

5.2.1. Saturación del material ferromagnético.

Puesto que las máquinas de corriente continua está constituidas de material ferromagnético con características no ideales, es conveniente analizar el efecto de la saturación del material en las relaciones de voltaje y corriente de la armadura y campo. Para ello debe obtenerse la llamada “característica de excitación de la máquina de C.C” o “curva de saturación en vacío”, la cual es la misma para la máquina actuando como generador o como motor. Para un material ferromagnético, la relación entre la densidad de flujo y la intensidad de campo no es constante debido al alineamiento de los dipolos que conforman el material (curva de magnetización). El mismo efecto se aprecia al observar la curva de flujo v/s corriente de campo debido a las relaciones de proporcionalidad involucradas (φ ∝ Β e Ι ∝ Η) (ver figura 5.6)

φ (~ B)

Zona de Saturación Zona Lineal

I c (~ H )

Figura 5.6. Curva de excitación En la práctica el flujo generado no es posible de medir en forma directa, por lo cual el procedimiento empleado consiste en configurar la máquina de C.C. como un generador de excitación separada(18) y hacerlo funcionar en vacío de modo de medir el voltaje generado en los bornes del rotor (ver figura 5.7).

(18)

En la configuración de excitación separada el estator (campo) y el rotor (armadura) se encuentran eléctricamente aislados y su interacción se produce únicamente a través del circuito magnético de la máquina de C.C.

152

Ic

Estator Rr φ

Vg

Ea

Rotor n =cte

Figura 5.7. Generador de excitación separada operando en vacío

En este caso (máquina de corriente continua operando como generador), el voltaje generado Ea es proporcional al flujo φ (ecuación (5.7)), de tal manera que la curva de magnetización del material ferromagnético antes vista (figura 5.6) se evidencia en el gráfico Ea v/s Ic (según muestra la figura 5.8). E

n = Cte.

Ic

Figura 5.8. Característica de excitación o curva de saturación en vacío.

La curva Ea v/s Ic corresponde a la “característica de excitación” o “curva de saturación en vacío” mencionada previamente. Esta curva se puede obtener en un laboratorio conectando la máquina de C.C. como generador de excitación separada (como ya fue explicado), y midiendo el voltaje generado en los bornes de la armadura cuando se aumenta progresivamente la corriente de campo (a través de la variación del reóstato Rr).

153

Es importante notar que la velocidad de giro del eje debe mantenerse constante durante toda la prueba, ya que de lo contrario, la relación de proporcionalidad entre el flujo y el voltaje generado varía (E = Ke·n·φ) y la curva de saturación en vacío se deforma. En general, basta con obtener la característica de saturación en vacío para una única velocidad n1, ya que una vez obtenida es posible determinar fácilmente esta curva para cualquier otra velocidad n2 distinta a la anterior (ver figura 5.9). El método que se emplea para hacerlo, consiste en construir el gráfico Ea v/s Ic punto a punto considerando que para corriente de campo constante, los valores de voltaje inducido tienen una relación de proporcionalidad idéntica a la que existe entre las velocidades: E1 n1 = E 2 n2

(5.14) I c* = cte.

E

n2 = Cte. E2 n1 = Cte.

E1

n2 > n1

I *c

Ic

Figura 5.9. Curvas de excitación a distintas velocidades. Desde un punto de vista práctico, las máquinas de C.C se diseñan de modo de lograr una máxima potencia por unidad de peso. Esto se consigue al situar el punto de operación nominal de la máquina cercano al codo de la curva de saturación del material ferromagnético, con lo cual cualquier aumento del voltaje generado en torno a este punto va a requerir de un aumento importante de la corriente de campo que se está proporcionando a la máquina.

5.2.2. Reacción de armadura.

De acuerdo con lo estudiado, una corriente circulando por el estator o campo de una máquina de C.C. produce un flujo magnético φc que permite la generación de una tensión en el inducido Ea cuya magnitud depende del valor de la corriente de campo y de la velocidad de giro del eje (relación (5.13)).

154

Si los bornes del rotor (armadura) son conectados a una carga eléctrica, una corriente circulará por la armadura de la máquina (Ia) generando un flujo magnético φa. Este flujo de armadura se suma al flujo magnético producido por el campo, produciendo un efecto denominado “reacción de armadura” o “reacción de inducido”. La reacción de armadura afecta el desempeño de la máquina de C.C. tanto en el voltaje inducido como en el proceso de conmutación que ocurre en el colector. Por una parte, la reacción de armadura cambia la distribución del flujo magnético en el entrehierro, existiendo zonas en que la resultante total de flujo (φTotal = φc+φa) es de mayor magnitud que la componente de flujo de campo y otras en que la magnitud es notoriamente menor. La figura 5.10(a) muestra la distribución del flujo magnético en el entrehierro cuando la corriente por la armadura es nula. En este caso la forma de la distribución se explica por la geometría de las cabezas o caras polares. La figura 5.10 (b) muestra como varía la distribución del flujo magnético por efecto de la reacción de armadura. Es importante notar que en aquellas zonas donde las magnitudes de los flujo de armadura y campo se suman (φTotal > φc) la resultante total de flujo hace que el núcleo se sature, aumentando las pérdidas en el fierro por concepto de calentamiento, corrientes parásitas, etc. Asimismo, existen zonas donde las magnitudes de los flujos de campo y armadura se restan por lo cual el flujo magnético total es menor que el flujo de campo (φTotal < φc) y consecuentemente el valor del voltaje inducido disminuye, empeorando la eficiencia de la máquina.

155

φ

φc

φc π

0

2π

θ

Línea neutra original

Ic (a)

φTotal

φ

φc

Ia

Nueva línea neutra

φa

φTotal π

0

Ic

2π

θ

Desplazamiento de la línea neutra (b)

Figura 5.10. Cambio en la distribución del flujo magnético en el entrehierro. Por otro lado, para que el proceso de conmutación sea óptimo, el paso de las escobillas de una delga a otra debe realizarse en el momento en que la diferencia de tensión entre las delgas vecinas sea nula. Esto debido a que existe un instante en que cada escobilla está en contacto con ambas delgas vecinas y si existiese una diferencia de potencial entre ellas habría un cortocircuito y se producirían arcos eléctricos en el colector. El momento optimo de conmutación ocurre cuando las escobillas se sitúan en la llamada “línea de neutro magnético” o “línea neutra”. Como se aprecia en el esquema de la figura 5.11(a), cuando no existe corriente en la armadura, la línea de neutro magnético se sitúa en plano perpendicular al flujo originado por el campo, coincidiendo con la posición física de las escobillas por lo cual la conmutación se lleva a cabo sin problemas. Sin embargo al existir reacción de armadura (figura 5.11(b)), la línea de neutro magnético se desplaza hasta situarse en el plano perpendicular a la resultante del flujo magnético φTotal, resultando así una conmutación poco óptima lo que se traduce en un mal funcionamiento y desgaste prematuro del colector.

156

Línea neutra

φTotal

φa

Línea neutra φc

φc

(a)

(b)

Figura 5.11. Cambio de línea neutra. Para poder resolver los inconvenientes producidos por la reacción de armadura, se han desarrollados diferentes estrategias: •

Antiguamente, se trataba de ajustar físicamente la posición de las escobillas de modo de hacerlas coincidir con la línea neutra, sin embargo, la línea neutra se desplaza con la variación de carga, lo cual obliga a estar ajustando constantemente la posición de las escobillas. Actualmente este sistema solo se utiliza en motores muy pequeños donde se sabe que la carga no varía y donde otras soluciones son económicamente inviables.

•

Para máquinas de más de 1[kW], se prefiere utilizar los llamados “polos de conmutación” o “interpolos”. Los interpolos son bobinas conectadas en serie con la armadura de modo de ser recorridas por Ia y situados a 90º grados eléctricos de las caras polares de modo de coincidir con el eje del flujo de armadura. De este modo el flujo producido por los interpolos anula el efecto de la reacción de armadura. La ventaja de usar interpolos radica principalmente en que no es necesario ningún ajuste con la variación de carga puesto que la corriente de armadura crece o decrece consecuentemente y lo mismo ocurre con los flujos generados en los polos de compensación, además también existe un ajuste automático al usar la máquina como generador o motor, ya que el sentido de la corriente de armadura cambia de acuerdo a la configuración de la máquina y por ende lo hace el flujo de los interpolos. En la figura 5.12(a) se muestra la disposición física de los interpolos en una máquina de C.C., la figura 5.12(b) muestra un esquema de la conexión de los interpolos donde se aprecia que son recorridos por la corriente de armadura. Finalmente, la figura 5.12(c) muestra esquemáticamente como se cancela la reacción de armadura al ser sumada con los flujos de los interpolos.

157

Interpolos Ia

φa φc = φTotal

φinterpolos (a)

(b)

(c)

Figura 5.12. Interpolos. En la práctica, el efecto del flujo de los interpolos es suficiente para evitar los problemas en la conmutación de las escobillas, sin embargo para máquinas de altas potencias y ciclos de trabajo pesados es necesario mejorar el efecto del debilitamiento del flujo y menor voltaje inducido: •

En este caso, la estrategia consiste en colocar los llamados “enrollados de compensación” los cuales son enrollados que se encuentran colocados en ranuras talladas en las cabezas polares (en forma paralela a las bobinas del rotor) y conectadas en serie con la armadura. Al estar en las cabezas polares, los enrollados de compensación producen un flujo de magnitud mayor al de los interpolos, que permite anular los efectos de debilitamiento de campo producido por la reacción de armadura. Este método, al igual que los interpolos, se adapta automáticamente al tipo de operación (motor o generador) y a las diferentes condiciones de carga, sin embargo su uso se encuentra limitado a grandes maquinas de C.C. principalmente debido al alto costo que suponen los enrollados de compensación.

5.2.3. Pérdidas en máquinas de C.C.

Las máquinas de C.C. son conversores de energía eléctrica a mecánica y viceversa muy eficientes, sin embargo su rendimiento no alcanza el 100% debido a la no idealidad de los elementos que la constituyen. Esto implica que, en la práctica, es necesario definir un parámetro de eficiencia a partir de la siguiente relación:

η=

Psalida ⋅100 Pentrada

(5.15)

158

O equivalentemente:

η=

Pentrada − Pperdidas Pentrada

⋅100

(5.16)

Los objetivos de diseño se encuentran orientados a maximizar la eficiencia de cada máquina para las características nominales a las cuales a sido diseñada, sin embargo existen perdidas que no son factibles de eliminar: perdidas eléctricas, perdidas mecánicas y perdidas magnéticas. Perdidas eléctricas: Las perdidas eléctricas son aquellas producto de las resistencias de los enrollados (pérdidas en el cobre) y pérdidas en los contactos eléctricos (pérdidas en las escobillas). Las pérdidas en el cobre se producen tanto en el campo como en el inducido y se pueden calcular como: Pcampo = I c2 ⋅ Rc (5.17) 2 Pinducido = I a ⋅ Ra Donde: Pcampo, Pinducido: son las pérdidas en el campo e inducido respectivamente Ic, Ia: son las corrientes de campo e inducido respectivamente Rc, Ra: son las resistencias de campo e inducido respectivamente(19) Por su parte, las perdidas en las escobillas se calcula como: Pescobillas = I a ⋅ Vescobillas

(5.18)

Donde: Pescobillas: es la potencia perdida en las escobillas Ia: es la corriente de armadura Vescobillas: es el voltaje que cae en las escobillas, el cual es en general constante para un amplio rango de operación (se asume en un valor de 2[V]). Particularmente en modelos más simplificados no se considera las pérdidas en las escobillas, sino solamente las pérdidas de Joule por concepto de R·I2. Perdidas mecánicas:

(19)

El valor de resistencia empleado corresponde al valor a temperatura ambiente

159

Las pérdidas mecánicas están asociadas a las pérdidas por concepto de roce entre las partes móviles de la máquina (rodamientos, etc.) y entre la máquina y el aire. Las pérdidas mecánicas son una función cúbica de la velocidad de rotación de la máquina. Perdidas magnéticas: Las pérdidas en el núcleo (estudiadas en capítulos anteriores) se manifiestan principalmente en las pérdidas por el ciclo de histéresis del material ferromagnético y por corrientes parásitas de Focault. Adicionalmente a las pérdidas anteriores existen otros tipos de pérdidas cuyos orígenes no se explican necesariamente por los efectos ya mencionados. En general estas pérdidas se agrupan como “pérdidas adicionales” y se les asigna un valor cercano al 1% de la potencia nominal de la máquina.

5.3. Aspectos Constructivos de máquinas de C.C.

Estator (figura 5.13) El estator puede estar formado por un núcleo macizo o laminado. No obstante, no necesita ser laminado debido a que el flujo magnético es constante en él, y por lo tanto las pérdidas por efecto Focault son nulas. Por otra parte, el flujo necesario en el entrehierro se logra distribuir en forma aproximadamente uniforme mediante las denominadas “piezas polares”, “cabezas polares”, “caras polares” o simplemente “polos”, en los cuales se ubica el enrollado de campo o excitación de la máquina. Piezas Polares

Enrollados de Excitación o de Campo

Entrehierro

N

B

S

Núcleo de F ierro Macizo

Carcaza

160

Figura 5.13. Estator de máquina de C.C. de 2 polos En motores pequeños, las piezas polares pueden ser un imán permanente (sin enrollado de campo). Muchas de las máquinas de C.C. permiten conectar el campo o excitación ya sea en paralelo o en serie con la armadura, en este caso, dentro del estator pueden reconocerse los enrollados serie y paralelo de la excitación. En general, el enrollado paralelo (“shunt”) o de excitación independiente corresponde a un enrollado de sección transversal reducida y alta resistividad, que soporta corrientes más bien pequeñas y que por ende debe presentar un alto número de vueltas. En el caso del enrollado serie, a través de él circula la misma corriente que por la armadura por tanto es un conductor grueso, de pocas vueltas y baja resistividad (para disminuir las pérdidas). La estructura soportante se denomina carcaza y es donde se ubica la placa con los terminales de conexión. Estos terminales de conexión se encuentran identificados de acuerdo con distintas normas, tal como muestra la tabla 5.1. Tabla 5.1.: Designación de terminales de conexión de acuerdo a la norma. Elemento Armadura Campo Shunt Campo Serie Interpolos Interpolo simétricamente distribuido en el lado A Interpolo simétricamente distribuido en el lado B Campo de Excitación Separada (20)

Terminales de conexión según Norma VDE ASA BS IEC A-B A1-A2 AA-A A1-A2 C-D F1-F2 Z-ZZ E1-E2 E-F S1-S2 Y-YY D1-D2 G-H HH-H B1-B2 GA-HA 1B1-1B2 GB-HB 2B1-2B2 I-K F1-F2 X-XX F1-F2

Rotor (figura 5.14) El rotor está formado por un núcleo de fierro laminado (pues cada punto del rotor es atravesado por un flujo alterno, por la frecuencia de la rotación, produciéndose pérdidas de histéresis y de Foucault). El enrollado rotórico o enrollado de armadura está formado por bobinas que se ubican en ductos o ranuras practicadas en la laminación. Los terminales de las bobinas se conectan a las delgas, ubicadas en un tambor, que forman el colector, donde hacen contacto rozante las escobillas o “carbones” fijas al estator, permitiendo así la entrada o salida de corriente al enrollado de armadura. (20)

Cuando es diferente del enrollado Shunt

161

Adicionalmente, en motores de más de 1[kW] se encuentran presentes los interpolos y los enrollados de compensación para máquinas de mayor potencia y ciclo de trabajo pesado. El eje, mediante descansos (usualmente rodamientos) se afirma a la carcaza. También suele llevar un ventilador para facilitar la disipación de calor mediante convección forzada.

Eje Escobillas o Carbones (Fijos al estator)

Núcleo Laminado

Colector o Tambor de Delgas

Una de las bobinas del enrollado de rotor o de armadura

Figura 5.14. Rotor de máquina de C.C. La configuración del enrollado del rotor puede adoptar diversas formas, cada bobina puede ser independiente (enrollados de bobinas independientes) o bien pueden interconectarse de modo de aprovechar de mejor manera los voltajes inducidos en ellas. Tal como fue mencionado al comienzo del capítulo, la configuración más utilizada actualmente es el enrollado imbricado que se aprecia en las figura 5.15 y 5.16.

162

Cabezas polares 4 5

3

N

c

b

2

d

a

6

e h

g

f

1 Ranuras

7 Bobinas

S

8

Delgas

Escobilla

Figura 5.15. Enrollado imbricado La figura 5.15 muestra la disposición física de una máquina de C.C. de dos polos y un rotor con 8 ranuras en las que se ubican las bobinas. Es posible observar que cada bobina tiene sus terminales conectados a una delga, si se considera por ejemplo la bobina de color gris de la figura, esta nace de la delga denotada como “a” y se ubica en la ranura número 1, rodea el núcleo del rotor, aparece por la ranura número 4 y se conecta a la delga “b”. Puesto que los terminales de conexión son “a-b” el enrollado se denomina “enrollado imbricado progresivo”, en caso que la bobina en cuestión hubiese tenido sus terminales en “a-h” el enrollado se hubiese denominado “enrollado imbricado regresivo”. La figura 5.16 muestra el diagrama extendido del enrollado imbricado del rotor de la figura 5.15.

1

2 ...

3 a

4 b

5 c

6 d

163

7 e

8 f

1 g

...

Figura 5.16. Diagrama extendido del enrollado imbricado La figura muestra el camino que recorre una corriente aplicada a los bornes de la armadura. En primer lugar la corriente entra por la escobilla que está en contacto con la delga “c” y recorre la bobina con terminales “c-d”, la delga “d” es su vez terminal de entrada de la bobina de terminales “d-e”, la cual es también recorrida por la corriente aplicada, el proceso continúa con la bobina “e-f” y termina con la corriente recorriendo la bobina “f-g” y saliendo por éste terminal hacia la escobilla correspondiente de modo de cerrar el circuito eléctrico. Es posible observar que enrollado imbricado permite sumar los efectos producido en las bobinas tanto desde el punto de vista de motor en la conversión energética electro-mecánica como desde el punto de vista del generador en la conversión mecánica-eléctrica (suma de voltajes inducidos). 5.4. Conexiones de máquinas de C.C.

Las máquinas de corriente continua, operando tanto como motor o como generador, pueden ser conectadas en diferentes configuraciones dependiendo de las fuentes de alimentación y los enrollados de campo y armadura. La forma de conectar la máquina determinará su desempeño y características de operación, así como sus curvas de torque-velocidad, regulación, y la forma de control y partida en el caso de los motores. De este modo si se conecta el campo de la máquina a una fuente de alimentación y la armadura a una fuente de alimentación diferente, se está conectando la máquina (motor en este caso) en una configuración llamada de “excitación independiente”. Si por el contrario, se dispone de una sola fuente de alimentación y se conectan campo y armadura en paralelo con la fuente, entonces la configuración será denominada “shunt” y en caso de emplear una conexión serie entre campo y armadura, la configuración de denominará consecuentemente “serie”. Las máquinas de C.C. pueden poseer enrollado paralelo (que se utiliza en las conexiones shunt y excitación independiente), enrollado serie o ambos, en cuyo caso además pueden realizarse conexiones serie-paralelo entre la armadura y el campo, obteniendo configuraciones mixtas que se denominan “compound”.

5.4.1. Generadores de C.C.

5.4.1.1. GENERADOR DE EXCITACIÓN SEPARADA. Circuito equivalente y funcionamiento El circuito equivalente es una representación esquemática de la máquina de C.C. que permite analizar su configuración y desempeño a través de ecuaciones simples que se derivan del mismo circuito.

164

En el caso del generador de excitación independiente, el circuito equivalente es el de la figura 5.17. Es posible apreciar que el circuito de campo es eléctricamente independiente del circuito de armadura y la dependencia de ambos circuitos es únicamente magnética, a través del flujo φ , lo cual constituye la característica distintiva de este tipo de configuración.

Ia = IL Ra

Ic Rr

Va = VL RL

φ

Vg

Ea

Rc n

Figura 5.17. Circuito equivalente de un generador de excitación separada. En la figura: RL = Resistencia de carga alimentada por el generador. VL = Voltaje en los terminales de la carga. IL = Corriente en la carga. Ea = Voltaje generado en la armadura. Ra = Resistencia del enrollado de armadura. Ia = Corriente de armadura. Va = Voltaje en los terminales de armadura. Rc = Resistencia del enrollado de campo. Ic = Corriente por el enrollado de campo. Vg = Fuente de alimentación del enrollado de campo. n = Velocidad del rotor, proporcionada por una máquina motriz externa. Rr = Resistencia variable (reóstato) que normalmente se conecta a los terminales del generador para controlar la magnitud de Ic. En general Ra > Ic). De la figura es posible deducir: Va = VL

(5.19)

Ia = IL

165

Ecuación del circuito de campo: Vg = ( Rc + Rr ) ⋅ I c

(5.20)

Ecuación del circuito de armadura: Ea = Va + Ra ⋅ I a Va = RL ⋅ I L

(5.21)

Ecuación que relaciona las variables eléctricas y magnéticas: Ea = K e ⋅ n ⋅ φ

(5.22)

Además de acuerdo a (5.13) se tiene: Ea = G·ω r ·I c

(5.23)

Característica Voltaje-corriente de carga El generador de C.C., considerado como una fuente de tensión continua, debiera, en el caso ideal, entregar en bornes de la armadura un voltaje continuo Va de magnitud independiente de la carga que está alimentando. Sin embargo, en la practica existen caídas internas de voltaje que hacen disminuir Va a medida que la corriente Ia solicitada por la carga, aumenta. De este modo, la curva voltaje-corriente en la carga “VL v/s IL” (para “n” e Ic constantes) es una de las curvas que determinan el desempeño de los generadores de C.C. Con el modelo considerado hasta ahora para el generador de excitación independiente, esta característica se calcula de la ecuación del circuito de armadura del generador VL = Va = Ea − Ra ⋅ I a (5.20), siendo Ea, “n” e Ic constantes. De la ecuación (5.20) se deduce que la característica de carga es una recta de pendiente negativa pequeña, puesto que en general Ra es de valor bajo ( ≈ 10−2 [Ω] en motores de potencias medias). En la práctica existen otras caídas internas de voltaje aparte de Ra ·Ia, que pueden ser importantes tales como la caída de voltaje en escobillas y la caída de voltaje por reacción de armadura. En la figura 5.18 se muestra la característica VL v/s IL del generador de excitación separada, donde “u” representa la caída de voltaje por concepto de pérdidas en el cobre (Ra ·Ia) y “v” son las pérdidas debido a otros efectos como los mencionados anteriormente.

166

VL

Tensión generada en vacío

E0

u

v Va = VL

Ea

u

IL Figura 5.18. Característica VL v/s IL en generador de excitación separada.

5.4.1.2. GENERADOR SHUNT. Circuito equivalente y funcionamiento La figura 5.19 muestra el circuito equivalente del generador shunt. Ra Ic

Rr

IL

Ia

φ

Va = VL Ea

Rc n

Figura 5.19. Circuito equivalente de un generador shunt. En la figura: RL = Resistencia de carga alimentada por el generador. VL = Voltaje en los terminales de la carga. IL = Corriente en la carga. Ea = Voltaje generado en la armadura. Ra = Resistencia del enrollado de armadura. Ia = Corriente de armadura. Va = Voltaje en los terminales de armadura. Rc = Resistencia del enrollado de campo.

167

RL

Ic = Corriente por el enrollado de campo. n = Velocidad del rotor, proporcionada por una máquina motriz externa. Rr = Resistencia variable (reóstato) que normalmente se conecta a los terminales del generador para controlar la magnitud de Ic. De la figura es posible deducir: Va = VL = Vc

(5.24)

Ecuación del circuito de campo: Vc = ( Rc + Rr ) ⋅ I c

(5.25)

Ecuación del circuito de armadura: Ea = Va + Ra ⋅ I a Va = RL ⋅ I L

(5.26)

Ecuación que relaciona las variables eléctricas y magnéticas:

Además:

Ea = K e ⋅ n ⋅ φ

(5.22)

Ea = G·ω r ·I c

(5.23)

El generador shunt es denominado generador auto-excitado, debido que existe un proceso de realimentación positiva como el que se muestra en la figura 5.20. Ea Ea*

tg-1(R)

Ear Ic1

Ic*

Icj

Ic

Figura 5.20. Fenómeno de auto-excitación de un generador shunt.

168

En la práctica, si la máquina ha generado tensión al menos una vez, existe un flujo remanente que permiten que aparezca una pequeña tensión inducida en los bornes de la armadura. Al conectar una carga, este voltaje produce una corriente de excitación Ic1 la cual provoca una elevación de la tensión que hará que la corriente de campo aumente y así sucesivamente. El proceso se auto-limita gracias a la característica de saturación del material ferromagnético estabilizándose los valores de tensión y corriente generadas de acuerdo a la velocidad de giro del eje y el valor de la resistencia de campo R=Rc+Rr. Esto se observa gráficamente en el punto de intersección de la curva de saturación en vacío y la recta que pasa por el origen con pendiente igual a tg-1(R). El fenómeno de auto-excitación descrito requiere de ciertas condiciones para poder llevarse a cabo: • Debe existir un flujo remanente. • El flujo generado en primera instancia debe sumarse al flujo remanente existente (de lo contrario el campo se debilita y no se produce la generación). • El valor de la resistencia de campo (R=Rc+Rr) debe ser menor a un cierto valor crítico Rcrit. Si la resistencia de campo es muy elevada, la corriente que se establece al conectar la carga resulta insuficiente para elevar la tensión y el fenómeno de auto-excitación no se produce. En la práctica, al momento de comenzar a generar la resistencia de campo no debe superar un valor de resistencia crítico que está dado por la pendiente de la recta tangente a la curva de saturación del material ferromagnético. En la figura 5.21, si R=R3>Rcrit no se produce la generación y sí se produce para R=R2RCrit

RCrit

R20

resistente

Ia=0

ωr

ωr

T

T

Va ⋅ Rc G ⋅ Vc

ω0m

ωr Ia 4H+ + 4eCátodo: 4e- + 4H+ + O2 --> 2H2O

Reacción Completa: 2H2 + O2 --> 2H2O

Figura 1: Cuadro que describe el funcionamiento de la celda PEM

330

10.3. TIPOS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE

A pesar que las FC sean una tecnología nueva para la comunidad, estas aparecieron hace mucho tiempo, y además, existen diferentes tipos de celdas que se diferencian tanto por su funcionamiento al que están destinadas, tipo de combustible que utilizan, potencia generadora, etc. Los diferentes tipos de FC que existen son las siguientes: 10.3.1 Celda de Ácido Fosfórico (PAFC) Las FC de ácido fosfórico utilizan gas natural, por lo que utilizan un electrolito de acido fosforico, el cual es muy corrosivo para uso menor (hogar, oficina, articulos paqueños), pero es rentable a nivel industrial, donde pueden generar electricidad del orden del 40 % de eficiencia, sin embargo, pueden llegar a producir cerca del 85 % si el vapor que se expele de esta, es vuelto a reutilizar en un ciclo de cogeneración. Comparándola con la mejor maquina de combustión interna que existe, que puede generar del orden del 30 % de eficiencia, la celda es mucho mas eficiente. Las temperaturas en las que operan estas celdas son del orden de los 220 º Celsius ( 400 Kelvin). Estas celdas pueden ser utilizadas en vehículos grandes como autobuses y locomotoras, pero ya se están utilizando a nivel comercial como en hospitales, clínicas, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas y aeropuertos.

Figura 1: Cuadro resumen de la celda PAFC.

331

10.3.2 Celda de Carbonatos Fundidos (MCFC) Este tipo de celdas utilizan sales fundidas como electrolito, debiendo reponerse en forma frecuente CO2 en el cátodo para que se pueda formar y recuperar iones carbonato, por lo que es una de las más eficientes desde el punto de vista combustible-electricidad y además poseen la capacidad de consumir combustibles a base de carbón, incluyendo el CO y los biocombustibles. Esta celda opera a temperaturas del orden de los 650 º Celsius (1200 Kelvin) y permite la reformación del combustible (extracción del hidrógeno contenido en hidrocarburos) dentro de la propia celda, además de que no necesita electro-catalizadores de metales nobles. Este tipo de celdas es aprovechada la electricidad y el calor generado.

Figura 2: Cuadro resumen de la celda MCFC.

10.3.3 Celdas de Oxido Sólido Este tipo de calda no utiliza electrolitos corrosivos, sino electrolitos en estado sólido y presenta diversas ventajas técnicas, ya que un sistema do oxido sólido normalmente usa un material cerámico (zirconio estabilizada de Ytrio), en lugar de un electrolito liquido, permitiendo que la temperatura de operación alcance los 1000º Celsius, logrando una eficiencia de generación del orden del 60 %, alcanzando un máximo del 80 % usando cogeneración. Por lo que este tipo de celdas son muy auspiciosas, no sólo por su eficiencia, sino que además por su bajo

332

costo de fabricación. Su aplicación más directa son las generadoras de electricidad a gran escala e industrial.

Figura 3: Cuadro resumen de la celda SOFC.

333

10.3.4 Celda de Membrana de Intercambio Protónico (PEM) Este tipo de celdas tienen una densidad de potencia alta, por lo que pueden variar su salida para satisfacer cambios en la

demanda

de

potencia

y

son

adecuadas

para

aplicaciones

donde se requiere una demanda inicial de energía bastante importante, tal como en el caso de automóviles. Las celdas “PEM” operan a temperaturas del orden de los 80 º Celsius, por lo que no pueden utilizarse en cogeneración, pero si en sistemas

de

calefacción

y

agua

caliente

de

hogares

y

oficinas. De acuerdo con el Departamento de Energía de los Estados

Unidos,

vehículos aplicaciones

"son

ligeros, mucho

los

principales

edificios más

y

pequeñas

recargables para videocámaras”.

334

candidatos

potencialmente tales

como

para otras

baterías

Figura 4: Cuadro resumen de la celda PEM.

335

10.3.5 Celdas Alcalinas Este tipo de celdas utilizan hidróxido de potasio como electrolito, no requieren de materiales como catalizadores, ya que la dificultad de reducción de oxigeno en mínima, sin embargo, un factor adverso en este tipo de celdas es el efecto

nocivo

que

el

CO2

produce

al

reaccionar

con

el

hidróxido presente, lo que genera la necesidad de utilizar un combustible altamente puro, como el hidrógeno puro. Estas celdas

pueden

alcanzar

temperaturas

de

entre

50º

a

250º

Celsius y una eficiencia de generación eléctrica de cerca del 70 %. Las celdas alcalinas han sido utilizadas hace mucho tiempo

por

la

NASA,

fabricación

no

se

empresas

están

pero

han

debido

masificado,

examinando

la

forma

a

su sin

de

mejorar su flexibilidad en su operación.

336

gran

costo

embargo, reducir

de

varias

costos

y

Figura 5: Cuadro resumen de la celda ALCALINA.

10.3.6 Otras Celdas de Combustible Nuevos miembros de la familia de FC, tales como las DMFC, han surgido como resultado de la necesidad de llevar esta tecnología a terrenos prácticos. Por ejemplo, la compañía canadiense Ballard recientemente compró los derechos de la tecnología, seguramente para explotarla en aplicaciones de transporte, sector en donde Ballard concentra gran parte de sus esfuerzos de comercialización. Esta celda utiliza directamente metanol como combustible sin necesidad de reformación del mismo.

337

10.3.7 CLASIFICACION DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE A continuación, en la figura 1 es posible observar un resumen de las celdas de combustible basado en su historial, materiales de fabricación, eficiencia, producción, temperatura de operación y aplicaciones:

Figura 1: Clasificación de las celdas de Combustible

Este cuadro resumen de las FC, no señala la presencia de las celdas del tipo DMFC, ya que encuentran en etapas de pruebas y no se conoce mucho de sus características, por lo que es conveniente esperar antes de colocar características erróneas de esta celda.

338

339

10.4. APLICACIONES

Desde la aparición de la primera FC en 1839, se tuvo que esperar cerca de 120 años para que se aplicara por primera vez una celda con fines prácticos, siendo la NASA la primera en utilizarlas (Proyecto Apollo 13, 1970). En la actualidad, las FC se están aplicando en variados campos, como la generación de electricidad masiva (Central Eléctrica) que se esta desarrollando en Estados Unidos y otros países; en la industria automotriz, donde empresas como General Motors, Toyota, Daimler-Benz ya poseen sus primeros prototipos de vehículos que utilizan celdas de combustible en base a hidrógeno; y en muchos otros usos menores como la celda portátil para ser utilizada a nivel de hogar y/o oficinas, en el campo de las telecomunicaciones, como la aplicación en telefonía portátil, y en muchos otros ámbitos que aun no se a investigado. 10.4.1 Generación de Electricidad Masiva Dado el funcionamiento de la FC, una de las primeras visiones para las aplicaciones de las FC fue la producción de

electricidad,

mediante generación

y

centrales de

en

particular

eléctricas.

electricidad

En

esta

la

generación

la dado

masiva

actualidad, por

la

centrales

hidroeléctricas, termoeléctricas y nucleares. Sin embargo, países como Estados Unidos, Italia y Japón ya están poniendo a prueba las primeras Centrales Eléctricas de FC.

La producción de electricidad por medio de las FC se ve muy prometedor desde el punto de vista económico (Costos), ecológico (Emisión de gases contaminantes) y Eficiencia. Haciendo una comparación de las diversas formas de producción de electricidad, las Centrales Termoeléctricas, dado los últimos avances del programa ATS (Advanced Turbine Systems) del Departamento de Energía de EEUU. Prometen un aumento de su eficiencia de un 15 % para las turbinas a gas y de un 55 % para las centrales que posen un ciclo combinado. Estos sistemas modernos basados en el uso de FC operarán a costos 10% menores que los actuales sistemas y reducirán los niveles de NO x , CO 2 , CO, e hidrocarburos no quemados según proyecciones del mismo ATS. A pesar de esto, dichos avances están alcanzando los límites de temperatura de operación de los materiales actuales debido a que la eficiencia del sistema a turbina depende de la temperatura de entrada de los gases, limitada por el daño potencial de las hojas de la turbina misma. A diferencia de estos sistemas avanzados, la eficiencia en las FC no está limitada por la temperatura. Desde el aspecto ecológico, los gases que producen el efecto invernadero, las FC representan un desarrollo potencialmente revolucionario, ya que en lugar de utilizar combustión para generar electricidad, utilizan la reacción electroquímica entre el hidrógeno del combustible y el oxígeno del aire para producir electricidad, agua y calor. Es también cierto que cuando una celda de combustible utiliza hidrocarburos como fuente de hidrógeno

340

(gas natural, metanol, etc.) generalmente requerirá una etapa de reformación para extraer el hidrógeno, lapso durante el cual producirá CO 2 . No obstante, gracias a su capacidad de obtener altas eficiencias de conversión combustible/ electricidad, las celdas de combustible producen la menor cantidad de CO 2 de cualquier tecnología actual que utilice combustibles fósiles para generar electricidad, por lo que las emisiones de este gas por Kwh. producido son mucho menores en las celdas de combustible, que los valores prometidos, por ejemplo, por los sistemas avanzados de turbina tanto en los sistemas actuales como en los sistemas proyectados en los próximos años de ambas tecnologías. Otra diferencia fundamental es la alta flexibilidad que tienen las celdas para aceptar una gran diversidad de combustibles, lo cual las ubica como una tecnología que permite una transición hacia tecnologías limpias y el uso de fuentes de energía renovables. Las celdas de combustible ya se consideran como elementos clave para sistemas híbridos que las integran, junto con tecnologías avanzadas de turbinas, en donde se espera que para el año 2010 operen a eficiencias del 80%. No sólo son las tecnologías convencionales las que pueden beneficiarse de las ventajas de las celdas de combustible, también otros sistemas basados en fuentes renovables de energía pueden integrarlas en sistemas híbridos en donde, por ejemplo, biogás sea alimentado a la celda o bien celdas fotovoltaicas alimenten un electrolizador (celda electroquímica comercial de generación de hidrógeno y de eficiencias entre 60 y 85%) para generar hidrógeno y alimentar la celda de combustible. Estos sistemas híbridos mantendrían relaciones costo/beneficios en niveles interesantes gracias a las altas eficiencias de conversión de las celdas de combustible, lo cual significaría otro atractivo para impulsar un mayor desarrollo de tecnologías como la solar, la biomasa, la eólica, etcétera, que desafortunadamente pocas veces se consideran soluciones para demandas crecientes, limpias y eficientes de energía eléctrica. A continuación, los siguientes diagramas representan los distintos aspectos técnicos que comparan la aplicación de FC a las centrales eléctricas con los sistemas actuales de producción de electricidad:

341

Figura 1: Diagrama de comparación del Desempeño (%), en función de la Generación (MW).

Figura 2: Diagrama de comparación del Costo (US$) en función de la Generación (MW).

342

Figura 3: Diagrama de comparación de Emisión de Nox (ppm) de las distintas Centrales Eléctricas

Figura 4: Diagrama de comparación de la Emisión de CO (ppm) de las distintas Centrales Eléctricas

343

Figura 5: Diagrama que representa los niveles de ruido de la Centrales Eléctricas

344

En forma más concreta, entre los proyectos que llevan a cabo ciertas empresas de diversos países podemos mencionar los siguientes

-

Una generadora de potencia experimental es planeada por Mitsubishi. Una planta generadora de 200kW de celda de combustible tipo MCFC será construida por Mitsubishi para demostración y prueba por parte de Kansai Electric Power Company, la cual es parte de un consorcio japonés encargado de desarrollar sistemas de potencia con celdas MCFC. Mitsubishi espera desarrollar eventualmente un sistema MCFC a gran escala. El proyecto está siendo apoyado por la organización NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization).

-

La reestructuración de la industria eléctrica de Connecticut podría impulsar la generación a base de FC. La legislatura de Connecticut aprobó un plan de reestructuración de la industria eléctrica que establece que el 5.5% de la energía del estado provenga de fuentes solares, eólicas, biomasas sostenibles, gas de rellenos sanitarios, de celdas de combustible y que un 7% adicional de fuentes hidráulicas, otras biomasas y basura-a-energía para el año 2009. El programa tendrá efecto si es también adoptada por otros dos grandes estados del noreste.

-

Italia genera poco más de un cuarto de la energía que consume, basándose principalmente en combustibles fósiles importados. El programa de energía nuclear fue abandonado por la oposición pública tras el accidente de 1986 en Chernóbil, Ucrania. Ahora se utilizan diferentes alternativas de energía, incluido el metano para quemar en plantas térmicas, la cogeneración y las celdas de combustible

10.4.2 Generación de Electricidad Menor

Dentro de la generación menor de electricidad, podemos mencionar una serie de aplicaciones de las FC, que van desde la producción de electricidad para un hogar, generación de electricidad para diversos artefactos mayores (Telecomunicaciones) y menores (Computadores, Heladeras, etc.) e incluso aplicaciones de FC para un teléfono portátil (celular). 10.4.2.1 Celda de Combustible en el Hogar

Un proyecto desarrollado en Alemania por la empresa Vaillant, esta investigando la aplicación de las FC del tipo SOFC para la generación de electricidad para un hogar, donde se tendrían mini-centrales del tamaño de las antiguas calderas hogareñas. Cuantitativamente, se puede generar una cantidad de 4.5 kW. de energía eléctrica. Y no sólo electricidad, ya que se trata de una FC, se puede obtener el calor que genera la celda

345

para regular la temperatura en el interior de la casa (Calefacción), generando una cantidad de 35 kW de calor. En la figura 6, se ilustra muy superficialmente como se aplicaría la celda de combustible para la generación eléctrica hogareña

Figura 6: Aplicación de las CC para generación eléctrica hogareña.

La empresa Sanyo (Japón) probo desarrollar el uso de FC para uso residencial con la comercialización de estas en sistemas de cogeneración en hogares y tiendas. Estas FC son del tipo PEFCs (electrólito de polímero), donde estas unidades generan 1 kW de electricidad. Estas unidades utilizan gas natural para extraer el hidrógeno. 10.4.2.2 Celda de Combustible en las Transmisiones

Otro proyecto es el de proveer energía confiable para operaciones delicadas. El SERC (Schatz Energy Research Center) ha construido un sistema de FC que provee energía confiable durante todo el año para una estación de telecomunicaciones en un sitio aislado. Esta estación provee servicio telefónico para la tribu Yurok en el norte del Estado de California, EEUU. Como casi todo el mundo, a los miembros de la tribu Yurok del noroeste de California, EEUU. les gusta tener el servicio telefónico. Pero en su remota aldea en el corazón del valle del río Klamath, obtener ese servicio no ha sido muy fácil. Alejados de las líneas telefónicas y las estaciones emisoras de telefonía celular, la opción más confiable para establecer el servicio telefónico es la instalación de una serie de transmisores de microondas, que puedan llevar las señales telefónicas. Sin embargo, fue necesario ubicar la emisora más importante de la cadena en la cima de la montaña llamada Schoolhouse Peak, 346

dentro de los límites del Parque Nacional Redwood (conocido por sus bosques de secuoyas, los árboles más altos del mundo), a varios kilómetros de las líneas eléctricas. Dado que la administración del parque prohíbe el uso de generadores que usan combustibles de petróleo dentro del parque, y que la energía solar no sería suficiente durante los largos períodos oscuros y lluviosos del invierno, fue necesario escoger una fuente alternativa de energía: una celda de combustible. La emisora microonda está ubicada en una torre usada por la detección de incendios forestales (vea la foto a la derecha figura 7: la antena parabólica se usa para transmitir las señales de microondas). Esta emisora usa 100 vatios, igual que una bombilla eléctrica. Durante el día, los módulos solares (en la foto, visibles en la pared de la torre) proveen la energía, almacenando el exceso en baterías. Durante los largos períodos nublados, cuando no hace suficiente sol y las baterías se descargan, se enciende la celda de combustible. El sistema de la celda de combustible (vea la foto a la derecha) está ubicado dentro de la torre. Cuando la celda de combustible está funcionando, produce suficiente energía para apoyar la emisora microonda y recargar las baterías. El hidrógeno se almacena en 12 tanques industriales conectados con un colector de escape.

Figura 7: Izquierda, dispositivo de control de la CC. Derecha, torre de transmisión de señales.

La misma FC (a la izquierda de la figura7), es un dispositivo relativamente pequeño de 32 celdas. Los tanques que almacenan el hidrógeno se rellenan desde un camión después de cada 1000 horas de operación, o sea, aproximadamente cada dos meses en el invierno. En el verano, se espera que los módulos solares obtengan la mayoría de la carga requerida. El sistema fue encendido por primera vez en octubre 1999. En sus primeros cinco meses el sistema funcionó sin fallas, acumulando más de 2000 horas en operación, con una eficiencia neta de 49%. Además, la celda de combustible mantiene las baterías a un nivel de carga de por lo menos 50%, extendiendo así la vida útil de las baterías. Las ventajas que posee la celda, en comparación con un generador de combustible de petróleo normalmente usado en esta aplicación, la celda de combustible es un avance tecnológico importante. El generador consume petróleo y produce contaminación. Si se produjera una fuga de la gasolina, contaminaría el suelo y el agua. En cambio, la celda de combustible consume

347

hidrógeno y produce agua y electricidad solamente. Si fugara el hidrógeno, éste ascendería sin peligro hasta la capa atmosférica superior sin contaminar el agua ni el suelo, porque el hidrógeno es más liviano que el aire. La CC tiene una eficiencia de 50% en la conversión de energía de combustible a electricidad, en comparación con 15% eficiencia en el generador. En contraste con el ruido que produce el generador (como cualquier motor de gasolina), la celda de combustible funciona silenciosa y limpiamente, sin emitir ninguna contaminación en el ambiente puro del Parque Nacional. 10.4.2.3 Celda de Combustible Portátil

Llamada "Stack-In-A-Box™" es una celda de combustible portátil, que en un principio fue diseñada para darle energía eléctrica a una maquina de helados, sin embargo, las posibilidades de aplicaciones de esta celda de combustible son muy variadas, ya que podrían utilizarse en todos los artefactos del hogar (refrigeradores, televisores, computadoras, etc.), en los artículos de la oficina, la industria, etc.

Figura 8: Fotografía de la Celda de Combustible portátil.

Técnicamente el sistema "Stack-In-A-Box™" es un generador de energía completamente portátil, diseñado y hecho a la medida por el laboratorio SERC. Fue diseñado para su uso por un grupo de estudiantes de la academia Merit en Santa Cruz, California, EEUU. Los estudiantes han utilizado este sistema de FC portátil para impulsar una máquina para hacer helados, demostrando así las posibilidades que presentan las FC y la energía renovable. En este sistema, el hidrógeno almacenado en un pequeño cilindro se provee a una membrana de intercambio protónico para producir electricidad CC (corriente continua). Este diseño de baja presión de aire asegura una alta eficiencia del sistema de celda de combustible. Un pequeño invertidor de voltaje convierte la electricidad del sistema de 12 voltios CC a 110 voltios corriente alterna (CA) para utilizarla con cualquier electrodoméstico. Nuestro electrodoméstico preferido para las demostraciones es la máquina para hacer helados. Un pequeño cilindro de hidrógeno (56 litros estándares/0,5 348

litros comprimidos) dura aproximadamente una hora y media, suficiente para elaborar tres porciones (cantidades) de helados. El "Stack-in-a-Box™" se ha hecho para que sea fácil de usar y muchos estudiantes lo han usado numerosas veces con un record perfecto en seguridad y funcionamiento. El sistema de 15 celdas PEM tiene una capacidad máxima de 250 vatios, suficiente para impulsar una variedad de electrodomésticos. El sistema se a probado para hacer licuados en una licuadora, mirar videos en un televisor, y usar una computadora. El sistema es portátil e independiente. No es necesario estar en el laboratorio para utilizarlo. El sistema puede proveer electricidad donde sea y en cualquier momento, en la playa, en las montañas, en una excursión, de día o de noche. Sin embargo, uno de los mayores inconveniente es el costo. Los materiales para elaborar el "Stack-in-a-Box™" costaron 10.000 dólares. Pero todos los prototipos hechos en laboratorio son caros. El mejoramiento en las técnicas de fabricación y automatización, el mejoramiento en los diseños, las ventajas económicas de comprar los componentes en gran escala y la producción masiva.

10.4.3 Celda de Combustible en la Telefonía Móvil

Una de las últimas novedades de las aplicaciones de las celdas de Combustible, es la que se utilizará en los teléfonos celulares. Los motivos, la FC es más pequeña, más liviana, más simple, más limpia, y más barata que las baterías actuales de los celulares; en efecto, una FC tiene de 3 a 5 veces la energía específica de las baterías de litio (Li-Ion) que alimentan a todos los celulares actuales, por lo que a igualdad de tamaño, con una carga de metano se puede hablar entre 18 y 27 horas, en vez de las 5 horas de tiempo de conversación que puede proporcionar una batería Li-Ion. El tiempo de standby también aumenta al tener las FC, con una densidad de energía entre 6 a 7 veces la de una batería de litio, con un límite teórico de 33 veces, por lo tanto, si con las mejores baterías Li-Ion el tiempo de standby es de 11 días, con una carga de metanol se obtienen en la actualidad 41 días, con un límite teórico de ¡6 meses a un año! Para la fabricación de las FC de estas características, existe una empresa pionera en este campo, que es la Energy Related Devices Inc., una empresa contratista de Manhattan Scientifics Inc. que además registró aplicaciones como el Power Holster, un porta celular que actúa como cargador, basado en una FC alimentada por la ya mencionada mezcla de metanol y agua. Otra institución, el Ernest B. Yeager Center for Electrochemical Science dependiente de la Case Western Reserve University, desarrolló una celda miniatura de sólo 5 mm³, algo así como el tamaño de la goma de un lápiz, y que pronto podrá estar en producción. La producción masiva de baterias de estas dimensiones se prevee para fines de este año (2003), con una completa conversión para el año 2010 aproximadamente. 10.4.4 Industria Automotriz

La adopción del hidrógeno como combustible de automóviles podría iniciar la transición de la dependencia total del petróleo hacia la utilización combinada de diversos tipos de combustible, ya que el 98 % de la energía motriz de los automóviles proviene del petróleo. La búsqueda de fuentes de energía que reemplacen a los combustibles fósiles 349

podrá reducir el impacto que recibe ha recibido el medio ambiente y utilizar energía renovables y limpias. Una de las claves para el diseño de un automóvil que funcione con FC es el rediseño de los sistemas de dirección, frenado, aceleración y el motor, ya que al utilizar FC permite un chasis más plano. Dado que en el mundo existen muchas industrias que están investigando esta posibilidad, se mencionara un listado con los diversos trabajos que están realizando las empresas e instituciones en este ámbito: Chrysler. Chrysler ha contratado a Delphi Automotive Systems para desarrollar un sistema para automóviles a base de celda de combustible. Delphi ha puesto una orden de compra por $4 millones de USA dólares con Ballard Power Systems para las FC que se usarán en el sistema. A principios de 1997, Chrysler reveló un modelo a escala real de un vehículo movido a base de un sistema de celdas de combustible que podría emplear gasolina. El sistema de las FC emplea un reformador del combustible, desarrollado por Arthur D. Little Inc., el cual convierte gasolina y otros combustibles líquidos en hidrógeno "a bordo". Chrysler está también trabajando con la industria del petróleo. Chrysler expresó la intención de tener un auto trabajando para 1999 y realizar su comercialización en autos medianos para 2015. Ford Motor Corporation. Ford ha establecido su programa P2000 para producir un sedán familiar ligero altamente avanzado. El concepto del automóvil P2000 actuará como plataforma para varios sistemas motores avanzados incluyendo FC. Ford ha trabajado con Ballard, International Cells y con Mechanical Technology Incorporated en este proyecto. Este fabricante de autos está tratando de llegar a un auto completamente integrado para investigación el cual podría estar listo para su evaluación para el año 2000. En diciembre de 1997, Ford trajo su tecnología de autos eléctricos junto con $420 millones de USA dólares, a una nueva alianza internacional de vehículos provistos con celdas de combustible junto con Ballard y Daimler-Benz. Cuando todos los arreglos de efectivo y valores hayan sido completados, tres compañías habrán de surgir. Ballard será el propietario mayoritario de la compañía que suministre las FC. Daimler-Benz será dueño mayoritario de la compañía que desarrolle los sistemas de motores empleando celdas de combustible y Ford será el principal propietario de una compañía que desarrolle los sistemas de transporte eléctrico. General Motors. GM está trabajando con Delphi y Ballard para desarrollar motores a celdas de combustible. En enero de 1998, GM reveló un modelo avanzado de un sistema de tren de avance a celda de combustible y oficiales de la compañía mencionaron la intención de ésta de tener un vehículo a celda de combustible "listo para producción" para el año 2004. Actualmente GM se encuentra probando la posibilidad de integrar un procesador de combustible (el cual extraería hidrógeno de metanol) con un motor a FC y espera terminar las pruebas de un vehículo que pruebe el concepto para 1999 y comercializarlo antes del 2006. Ballard Power Systems. Ballard es el proveedor líder de celdas de combustible de membrana intercambio protónico (PEM) para aplicaciones de transporte. Esta compañía ha recibido pedidos de fabricantes de autos de todo el mundo y se encuentra desarrollando motores a celdas de combustible comerciales junto con Ford y Daimler-Benz.

350

El primer vehículo de demostración "real" que empleó tecnología moderna de FC fue un autobús de 32 pies lanzado en 1933 por Ballard. Un autobús de segunda generación Ballard se encuentra bajo pruebas ya en las calles en Canadá y los Estados Unidos. La ciudad de Chicago en Illinois se encuentra operando 3 de estos vehículos en campo. Energy Partners. Energy Partners ha anunciado el primer auto para pasajeros movido por celdas de combustible, un auto deportivo llamado "el auto verde". Energy Partners se ha unido a John Deere Corporation en un proyecto para desarrollar vehículos a celda de combustible de usos múltiples basado en el vehículo de Deere llamado "Gator". En octubre de 1997 los vehículos comenzaron a hacer demostraciones en el aeropuerto Regional de Palm Springs transportando primordialmente personal, equipo de mantenimiento y cargas pequeñas dentro de las instalaciones del aeropuerto. Universidad de Georgetown. La Universidad de Georgetown está trabajando con Ballard, International Fuel Cells, con los fabricantes de autobuses NOVABUS y otros bajo contrato con el Departamento de Transporte de USA para desarrollar autobuses tamaño "natural" energizados con celdas de combustible tipo PEM y PAFCs. Georgetown ha conseguido realizar la primera demostración en USA. Entregó 3 autobuses al comienzo de 1991 impulsados por FC de ácido fosfórico bajo contrato con el Departamento de Energía de los USA. H-Power. H-Power fue el integrador del sistema usado en el programa original de Georgetown y el Departamento de Energía y ahora hace celdas de combustible tipo PEM para una variedad de aplicaciones en automóviles especiales. International Fuel Cells. International Fuel Cells (IFC) ha hecho demostraciones de manera muy exitosa con un sistema a base de celdas de combustible tipo PEM de 50kW usando hidrógeno más aire del ambiente. El sistema es altamente compacto, unos 9 pies cúbicos de espacio, y será muy apropiado para automóviles. IFC está también trabajando para desarrollar una celda de combustible PAFC de 100kW para un autobús. Plug Power, L.L.C. Plug Power, L.L.C. es una inversión conjunta entre un subsidiario de DTE Enrgy Co., y el Mechanical Technology Inc. de Latham, Nueva York. Junto con Arthur D. Little Inc., y Los Alamos National Laboratory, Plug Power ha demostrado exitosamente una celda de combustible en operación empleando un producto reformado de gasolina. Este grupo se encuentra ahora concentrado en integrar este sistema a un vehículo. Dicho sistema se espera sea el doble de eficiente que un motor a gasolina de combustión interna. Daimler-Benz Daimler-Benz ha estado probando en campo una FC desde 1993 declarando que las barreras fundamentales para su comercialización han sido superadas. Daimler dio a conocer, en mayo de 1996, su vehículo a base de FC de segunda-generación, un vehículo tipo van llamado NECAR II. En octubre de 1997, Daimler dio a conocer NECAR III, un vehículo alimentado con metanol para su FC. Daimler-Benz y Ballard anunciaron su asociación en abril 1997. Las dos compañías han comprometido más de $450 millones de dólares canadienses en el trato. Una nueva compañía de motores, financiada por este acuerdo, pondrá al mercado FC y

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motores a FC. En mayo de 1997, movido por FC, que opera con hidrógeno almacenado y tiene un rango de 250 Km (unas 155 mi). Este autobús se encuentra probándose en campo en Stuttgart, Alemania. Daimler ha comprometido $725 millones de USA dólares en su participación junto con Ballard para investigación en FC que usan metanol como combustible. Estas compañías esperan tener un vehículo a base de celdas de combustible comercialmente viable hacia finales de 1999 y planean producir unos 100,000 motores al año para el 2003-2004. De Nora S.p.A. El grupo italiano de investigación De Nora S.p.A. se encuentra trabajando con FC PEM para autobuses y aplicaciones marinas. Esta compañía se encuentra en la etapa de completar un diseño avanzado de celda de combustible PEM para el programa de autobuses de la Comunidad Europea y está cooperando con Renault en un proyecto de un automóvil a FC (ver más abajo). Peugot/Citroen Peugot/Citroen está involucrado en un programa de investigación conjunto europeo de FC tipo PEM para reducir tanto el peso de este sistema como sus costos. Renault. Una coinversión franco-sueco-italiana ha dado como resultado un concepto de vehículo a FC basado en un vagón tipo Renault. El vehículo FEVER (llamado así por sus siglas en inglés "Fuel Cell Electric Vehicle for Efficiency and Range") es alimentado por un sistema de FC tipo PEM que utiliza hidrógeno líquido almacenado, y una batería níquelhidruro metálico como almacén de energía de respaldo. Su rango será de 500 Km. (310 mi). Volkswagen/Volvo. En un proyecto conjunto, Volkswagen y Volvo han anunciado sus planes para tener en funcionamiento en 1999 un auto tipo "Golf" híbrido a base de una FC PEM alimentada con metanol. Honda. En febrero de 1997, el subsidiario de Honda para investigación y desarrollo firmó un contrato por $2 millones de dólares canadienses con Ballard para que éste le provea FC y equipo de medición relacionado con éstas. Mazda. En diciembre de 1997, Mazda anunció que había desarrollado un auto a base de celdas de combustible basado en su auto compacto Demio. El auto desarrollado estará diseñado para alcanzar una velocidad máxima de 90 km/h y un rango de 170 Km. con un tanque de hidrógeno lleno. Nissan. Nissan comenzó a probar autos con FC a principio de los noventas. En 1991 la compañía compró a Ballard una celda de combustible para pruebas. En marzo del mismo año Nissan arregló un contrato por $2.2 millones de dólares canadienses con Ballard para que lo abasteciera de celdas de combustible para investigación y prueba en automóviles. Toyota. En octubre de 1996, Toyota reveló la conclusión de un vehículo a FC de preproducción basado en su vehículo deportivo RAV4L. El auto corrió abastecido de hidrógeno almacenado a bordo en forma de hidrógeno sólido, en un "tanque" de una aleación capaz de absorber hidrógeno desarrollada por Toyota. Para la aceleración Toyota usa un sistema híbrido basado en baterías.

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Un año más tarde, Toyota reveló una nueva versión de su FCEV alimentado con metanol. Este auto es operado con una FC tipo PEM empleando un reformador de combustible y tiene un rango con tanque lleno de 500 Km. Un ejecutivo de Toyota dijo que el enfoque de la compañía sería sobre hidrógeno ó metanol como combustibles para sus vehículos, siendo metanol la opción preferida ya que la infraestructura existente para gasolina podría ser fácilmente modificada para la distribución de metanol.

Figura 9: Ejemplos de vehículos no contaminantes, provistos de Celdas de Combustibles

10.4.5 Industria Aeroespacial

Una de las primeras aplicaciones de las celdas de combustible fue precisamente en las misiones espaciales Apollo que desarrollo la NASA a partir del año 1970. Las aplicaciones en que estaban destinadas las FC era en las naves espaciales, con el fin de entregar calor a la tripulación, debido a las extremas temperaturas que se exponen en el espacio (cerca de 3 grados Kelvin), suministrarle electricidad a los equipos electrónicos y finalmente aportar el agua necesaria a los astronautas. Sin embargo, en una de estas misiones, la misión Apollo 13, una de estas FC tuvo una falla, explotando y colocando en riesgo la vida de los astronautas de la nave. Fue precisamente con este hecho que las FC se tornaron más populares, pero en el mundo científico ya eran muy conocidas. Actualmente, las FC siguen siendo utilizadas en los transbordadores espaciales, dado el avance tecnológico, hoy en día son más seguras y el riego de tener un accidente similar es muy bajo. 10.4.6 Aplicaciones Varias

Dado las características de las celdas, estas poseen un variado campo de aplicaciones que aun no han sido probadas. Aquí hay una lista de algunas de estas aplicaciones: •

Existen alternativas para producir energía y una de las más prometedoras son las FC. Esta tecnología de FC se aplica en una planta de tratamiento para aguas servidas, entre otros lugares, en el Estado de Portland Oregon USA, se genera 353

electricidad de llamado "Biogas" produciendo energía a 8 centavos por kilovatio. •

El metano colectado resultante de la descomposición biológica expide hidrogeno para unas FC que transforman este gas volátil en electricidad para proveer energía a más de 100 hogares por un periodo de 1 año.

•

En Alaska, debido a las condiciones climáticas, se ha puesto en marcha una planta de calentamiento, la que genera 250 kW de energía. (Figura 10).

•

Un proyecto en Palm Desert busca desarrollar un sistema de transporte sano y sustentable para la comunidad. El proyecto demuestra la utilidad práctica del hidrógeno como combustible para el transporte, y el valor de la FC de membrana de intercambio protónico como sistema de energía vehicular. El proyecto en Palm Desert abarca el ciclo entero de la energía, desde la producción hasta su uso último (transporte).(Figura 11).

•

Las aplicaciones que existen en la navegación también son muy prometedoras, ya que van desde la aplicación en pequeñas embarcaciones como en submarinos militares. (Figura12).

Figura 10: Planta de Calentamiento en Alaska, EEUU.

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Figura 11: Fotografía del vehículo del proyecto de Palm Desert

Figura 12: Aplicaciones de las CC en una pequeña embarcación

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10.5. Ciclo del Hidrogeno

Se conoce con este nombre al proceso mediante el cual el hidrogeno cumple un ciclo completo- agua -gas-agua, y en cuyas partes intermedias ha sido utilizado para generar energia electrica. Es un proceso no tan reciente y que ya es utilizado en comunidades agricolas independientes (alemanes en el norte de Chile), en instalaciones del SERC (Shatz Energy Research Center), y sin duda en otros lugares en los cuales se disponga de abundante, o al menos aceptable, radiacion solar. El proceso es el siguiente: la luz solar impacta sobre paneles fotovoltaicos, los cuales utilizan la electricidad generada para operar un equipo de electrolisis, el cual separa el agua en hidrogeno y oxigeno. El oxigeno es liberado al ambiente, mientras que el hidrogeno es almacenado en tanques o es utilizado inmediatamente. ¿De que manera? A traves de una celda de combustible, la cual recibe como combustible hidrogeno para generar electricidad, agua y calor( a veces este ultimo no aprovechable). El hidrogeno no utilizado puede seguir almacenado en los tanques para ser utilizado en la noche o en dias en que la radiacion solar sea baja, y el agua formada por la celda de combustible puede ser reutilizada para el procesos de electrolisis. De este modo, se crea una estacion generadora que necesita solo la radiacion solar como combustible, y que según sus requerimientos, puede operar como generadora a nivel propio (hogar personal o pequenas comunidades), o mayores escalas.

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10.6 Almacenamiento del Hidrógeno

El hidrogeno es el principal combustible utilizado para las celdas de combustible y sus aplicaciones. Pero existe un problema aun no resuelto en forma exitosa,el cual es el almacenamiento de este. Un gramo de hidrogeno a presion atmosferica ocupa un volumen de 11 litros; ambas cantidades, masa y volumen, son impensables para los requerimientos de la industria, ya que se exige combustible almacenado en contenedores lo menos espacioso posible, y obviamente se requiere una cierta densidad energetica para que las celdas puedan producir suficiente electricidad. A continuacion se mostraran algunos de los posibles metodos de almacenamiento del hidrogeno, los cuales varian tanto en materiales como en los principios utilizados. 10.6.1 Hidruros de metal Esta es una de las alternativas que ha sido utilizada en algunas aplicaciones y es una opcion importante para muchas companias.Su principio de funcionamiento es sencillo, y se basa en la reaccion del hidrogeno con ciertos metales para formar hidruros. Esta reaccion es reversible con facilidad, y el factor que desencadena la inversion es la presion. En otras palabras, y explicitando el proceso utilizado, sobre cierta presion, el hidrogeno reacciona con el metal respectivo para formar el hidruro, y bajo cierta presion, este se descompone nuevamente en hidrogeno y metal. En algunos casos( como los dispositivos de la empresa Ergenics), el metal o la aleacion correspondiente es tratado de modo de optimizar las condiciones de absorcion, eliminando imperfecciones en el metal que actuan como barreras para la absorcion. De este modo, el hidrogeno puede almacenarse en volumenes superiores, y lo que no sea capaz de reaccionar por saturacion, permanecera dentro del contenedor como hidrogeno libre.Algunos hidruros son capaces de almacenar el doble de hidrogeno en comparacion al hidrogeno liquido, para un mismo volumen., aunque habitualmente el porcentaje es cercano al 60% superior. La reaccion de absorcion es exotermica, y la de liberacion requiere calor, aprox. 250 C. Por tanto, se requiere una fuente de calor para que el hidrogeno se libere fluidamente, y cierto almacenador o difusor de calor para que este no sea excesivo en el proceso de llenado de hidrogeno. Ademas, con respecto a la vida util del contenedor, es dependiente de la pureza del hidrogeno que al macena, ya que cualquier tipo de impurezas forman otro tipo de compuestos con el metal, donde ya no se podra absorber hidrogeno.

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10.6.2 Nanotubos de carbon

Esta alternativa es tambien muy apoyada por algunos sectores. Como su nombre lo indica, los almacenadores del hidrogeno son los nanotubos de carbon, tubos de aproximadamente 2 nanometros de diametro( 2 millonesimas de metro), y cuyo principio de funcionamiento es predecible: las moleculas de hidrogeno son guardadas “ordenadamente” en los nanotubos, una detrás de otra, aprovechando el espacio al maximo. En un principio se hablo de capacidades teoricas de 300% en peso de hidrogeno respecto al contenedor, pero ahora se considera imposible alcanzar tales capacidades, y ya se ha observado una capacidad de entre 4%-65%. El principio de funcionamiento es el de una simple reaccion quimica, con la diferencia de que las moleculas de hidrogeno quedan distribuidas ordenadamente dentro de los nanotubos como pelotas en un envase, optimizando el espacio al maximo.El carbon es un elemento facilmente moldeable y en este caso, se utiliza una configuracion “buckyball”, como es posible ver.

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10.6.3 Hidrogeno comprimido

Teoricamente, esta es la manera mas sencilla de almacenar hidrogeno. La temperatura de evaporacion del elemento es alrededor de unos 20K, por lo que existe como gas a temeperatura ambiente,y a temperaturas mucho mayores y menores que esta. Sin embargo, su baja densidad (0.0834401 kg/m3 a temperatura ambiente,1 Atm. de presion) requiere contenedores muy grandes, los cuales son impensables en aplicaiones medianas y pequnas como el transporte y/o las telecomunicaciones. Tal problema podria solucionarse comprimiendo el hidrogeno lo necesario para que los contenedores tengan tamanos aceptables, pero las presiones necesarias para densidades energeticas aceptables serian no menores a 300 Atm. y en algunos casos a 400 Atm., lo que los hace inviables por seguridad y dificultad de implementacion, a pesar de que algunas companias han fabricado contenedores para aplicaciones, como el siguiente contenedor de Dinetek (245 atm.) para vehiculos de Ford.

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10.6.4 Almacenamiento quimico Esta tecnica no es exactamente un metodo de almacenamiento, sino de produccion. El mecanismo es el siguiente: como el hidrogeno es un elemento muy comun en muchos compuestos, se hacen reaccionar compuestos ricos en hidrogeno, con el objeto de liberar este. El hidrogeno recien formado se traslada a un contenedor, el cual puede almacenarlo u ocuparlo inmediatamente. Como se ve, aquí la idea es aprovechar la produccion de hidrogeno en grandes cantidades para llenar el contenedor “hasta reventar” (introducir hidrogeno sin parar). De este modo, se obtiene cantidades aceptables de hidrogeno. Se ha propuesto como mecanismo productor craqueo de amoniaco, de metanol y oxidacion parcial. Sin embargo, por ahora no parece ser un metodo muy confiable ni eficiente, por lo que en un futuro cercano se utilizaran algunas de las alternativas anteriores. 10.6.5 Almacenamiento liquido

Es una de las mas antiguas tecnicas de almacenamiento (utilizada en las naves espaciales), pero a nivel mediano y pequeño no es adecuado por muchos factores. En primer lugar, el hidrogeno es liquido a 20 K: esto implica llevarlo a esta temperatura, lo cual es costoso e implica perdidas en el 30% de la energia que se almacena. Ademas, mantenerlo a tan bajas temperaturas es tambien complicado, mas aun para medios de transporte o articulos personales. En segundo lugar, a pesar de su eficiencia (100 veces mayor densidad que como gas), una pequena cantidad ( aprox. 3%) se evapora cada dia; además se debe considerar que es menos eficiente que otras alternativas como los nanotubos de carbon o los hidruros metalicos. Aunque algunos prototipos de automoviles utilizan hidrogeno liquido(BMW), no es probable que se llegue a masificar su uso por todos lo dicho anteriormente.

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10.6.6 Esferas de vidrio Una tecnica mas o menos nueva, pero de poco potencial a nivel mediano. Su principio de funcionamiento es el siguiente: a altas temperaturas, el hidrogeno puede atravesar las paredes de las esferas, las cuales mantienen el gas adentro a temperaturas y presiones menores. Luego, entregandole calor, el hidrogeno puede liberarse. La cantidad que puede almacenarse no es demasiada, aunque es segura y mantiene el hidrogeno a baja presion. Aun no estan muy desarrolladas. 10.6.7 Transporte liquido Esta alternativa, aunque ha sido utilizado en prototipos de General Motors, es probablemente la menos popular, ya que consiste en utilizar combustibles fosiles para obtener el hidrogeno, reformando petroleo u otros. Ya que gran parte de la busqueda de mejoras en las celdas de combustible esta dada por los problemas ambientales, es poco probable que esta alternativa sea tomada mas en serio que algunas de las nombradas anteriormente, ya que se pretende acabar tanto con el uso como con la explotacion de este tipo de combustibles ( fosiles). 10.6.8 Poros atractores de hidrogeno Esta idea es muy reciente y no forma parte de los metodos habitualmente esperados. Es una idea que corresponde al profesor Omar Yaghi, de la Universidad de California. Plantea el uso de un tipo de materiales conocidos como MOFs (Metal Organic Frameworks), que pueden ser fabricados a partir de otros materiales de bajo costo como el oxido de zinc (componente comun de los bloqueadores solares). Su estructura es capaz de abarcar grandes superficies, y son llamados tambien cristales-esponja porque son capaces de atraer otros elementos, en este caso el hidrogeno. La ventaja de estos materiales, según Omar Yaghi, es que la absorcion es fisica y no quimica, por lo que no hay deterioro del material. Actualmente se han llegado a eficiencias del 2% en peso de hidrogeno, pero espera llegarse al 6%.

10.7 Formas de Generacion Hidrogeno

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Al ser el hidrogeno un elemento tan abundante, existen diferentes formas de poder obtenerlo. Algunas de ellas son antiguas, mientras que otras son muy recientes. Pese a la infinidad de procesos posibles, solo algunos son los mas utilizados, por eficiencia , por facilidad, por beneficios anexos, etc. Los mecanismos principales pueden agruparse en generación tipica ,biotecnológica y fotoprocesos. Se detallan a continuacion. 10.7.1 Generacion Tipica

a)Reformacion con vapor: Esta técnica comprende dos fases. En la primera, una mezcla de hidrocarburos (generalmente metano) y agua se introducen dentro de un reactor multitubular, el cual esta a una temperatura de 790 Cº y a 13 Atm. de presion. Los productos de la reaccion, mediante un catalizador de niquel, son hidrogeno gaseoso (H2) y CO. En una segunda etapa, el CO producido en la etapa anterior, ,junto con agua, se introduce en un reactor tubular (shift reactor) a menores temperaturas (220 Cº-320 Cº) y a mayor presion (26 Atm.) para obtener CO2 y H2( hidrogeno gaseoso). En esta etapa el catalizador utilizado es CuZn o Fe2O3, los cuales son muy activos a bajas temperaturas. Cabe decir que la primera reaccion es endotermica y la segunda exotérmica, siendo la reaccion neta muy endotermica. b)Electrolisis: Este proceso es uno de los mas antiguos que permite obtener hidrogeno. Su funcionamiento es el siguiente: se le entrega corriente electrica a una celda electrolítica, la cual utiliza como materia prima agua. El agua es descompuesta en hidrogeno y oxigeno, obteniéndose el hidrogeno con una pureza de 99.7%. Este pasa luego a un intercambiador de calor, un horno y finalmente a un lecho catalitico, después del cual se obtiene hidrogeno puro. Sin embargo, existen problemas asociados en relación a la eficiencia economica del proceso. Para producir la electrolisis a 25 Cº y 1 Atm. de presion se requieren 1.24 Volt, y para producir 1m3 de hidrogeno un gasto energético de 4.8 kWh, por lo que esta técnica esta dada solamente para pequeña escala o lugares donde el costo de la energia electrica sea bajo.

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10.7.2 Generacion Biotecnologica

a) Gasificacion de biomasa El proceso de gasificación solo se da si la humedad de la biomasa es inferior al 20%; si no es asi, se utiliza para fermentación. La técnica en si consiste en producir la llamada oxidación parcial, ,que consiste en hacer reaccionar hidrocarburos, oxigeno y vapor de agua (de la biomasa) en un horno de oxidación, con temperaturas de 1300 Cº-1500 Cº. El hidrocarburo mas utilizado es el metano, y la reaccion neta produce CO y H2 (hidrogeno gaseoso) .La composición de este hidrogeno es dependiente de la proporcion hidrogeno-carbono del hidrocarburo como de la relación hidrocarburo-agua. El CO producido es sometido después a un proceso de shift reactor como el mencionado anteriormente. b)Fermentacion anaerobica de masa: Esta técnica utiliza una reaccion metabólica de ciertos organismos, especificamente bacterias. Las bacterias anaeróbicas (que no consumen oxigeno) al alimentarse de biomasa libera como producto de desecho un gas compuesto principalmente de metano (CH4),que anteriormente fue rico en H2. Por tanto, el hidrogeno puede ser obtenido reformando el metano con alguno de los metodos anteriores o interrumpiendo alguna via metabólica de las bacterias de modo de liberar hidrogeno mas o menos puro.

10.7.3 Fotoproduccion de hidrogeno

a)Procesos fotoquimicos: Cualquier tipo de proceso fotoquímico para producir H2 esta basado en la conocida reaccion de hidrolisis, la cual separa el agua en sus componentes, hidrogeno y oxigeno. Sin embrago, el agua absorbe radiación en el rango infrarrojo, donde la energia de los fotones no es suficiente para producir la hidrolisis, por lo que se debe agregar otra molecula o un semiconductor que absorban en otra region para producir la reaccion. Además de esto, se debe incluir un catalizador que almacene los electrones liberados en la absorción. El proceso no es especialmente sencillo y las eficiencias de almacenamiento son cercanas al 7%, por lo que por ahora no es una alternativa viable. b)Procesos fotoelectroquimicos : Este proceso no es nada particular en si mismo, sino que consiste en generar energia electrica por medio de paneles solares, la cual se utilizara para producir la reaccion de electrolisis nombrada anteriormente. c)Procesos Fotobiologicos: Este uno de los metodos mas innovadores en la generación de hidrogeno, ya que utiliza microorganismos intervenidos de tal modo que liberen como producto de desecho hidrogeno. En condiciones normales, los microorganismos liberan oxigeno como principal

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producto. Sin embargo, si se modifican ciertas condiciones de crecimiento, es posible lograr que el reductor final en el proceso fotosintético sea una enzima catalizadora de la creación de hidrogeno, ,como la nitrogenasa o la hidrogenasa. Los microorganismos mas eficientes en esta transformacion energética han resultado ser las cianobacterias y las algas verde-azules. Las algas verde-azules producen hidrogeno luego de ser sometidas a anaerobiosis (ausencia de oxigeno) y oscuridad. La eficiencia inicial es de un 12%, para luego decaer a medida que se reestablece la fotosíntesis. En condiciones ideales, se dan eficiencias promedio de hasta un 10%, pero uno de los principales problemas que aun permanecen es la rapida saturación del aparato fotosintético de estas algas, lo que hace que la producción de hidrogeno pueda terminar abruptamente si recibe radiación suficiente. Con respecto a las cianobacterias, cuando son sometidas aun medio de cultivo carente de N2, producen hidrogeno, actuando la nitrogenasa como catalizador. Sin embargo, la nitrogenasa requiere gran cantidad de energia metabólica, de modo que la eficiencia se reduce a la mitad, siendo la generación mediante algas verde-azules la que tiene mayores posibilidades de desarrollo. En la imagen, algas verde-azules.

10.8. COMENTARIOS

Varias son las características que hacen que las celdas de combustible se consideren una de las formas alternativas más ventajosas para la obtención de energía. Sus altas eficiencias rozan el 80% cuando además de electricidad se recupera calor. Este valor supera ampliamente las eficiencias de otros sistemas convencionales.

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Además, la energía producida es 100% limpia, ya que el único producto que se obtiene es agua o vapor de agua dependiendo de la temperatura de operación del dispositivo. Otra de sus ventajas es que pueden conectarse en paralelo para suplir cualquier requerimiento energético. Las celdas de combustible adosadas a un procesador permiten obtener energía a partir de combustibles corrientes como alcoholes, gas natural y combustibles de origen fósil, así como también a partir de biomasa o de la fracción orgánica recuperada de residuos sólidos domiciliarios. De todas formas, el combustible mas conveniente termina siendo el hidrógeno, ya que es el que más energía entrega por unidad de masa (141 mJ/Kg). Además, el hidrógeno puede obtenerse fácilmente por electrólisis del agua. Estos equipos de electrólisis se pueden alimentar de energía eléctrica obtenida por paneles fotovoltáicos o aerogeneradores. El aspecto económico también es de gran relevancia, los precios de las celdas de combustible no son altos cuando se los compara con los gastos anuales de electricidad y gas natural, con lo que su compra se amortiza en pocos meses. Con respecto a los costos de mantenimiento, éstos se consideran mínimos o casi nulos .Además de todo esto, no debe dejarse de lado la importancia de la independencia energética que brinda la instalación y uso de celdas de combustible. Por último, cabe aclarar que las celdas de combustible prometen seguir mejorando en todos sus aspectos y ampliar cada vez más el mercado, así lo demuestran las estadísticas.

Referencias

1.-) The Fuel Cell Investor (www.h2fc.com), Fuel Cell Today (www.fuelcelltoday.com), Fuel Cell Store (www.fuelcellstore.com). : Paginas de informacion general, noticias, y muchos links. 2.-) GKKS (www.isd.uni-stuttgart.de) : Informacion general sobre formas de almacenamiento. 3.)Dynetek (www.dynetek.com) : informacion sobre el contenedor de hidrogeno para Ford 4.-) Memoria de Claudio Alvarez: “Estudio de la factibilidad de producción biotecnológica de hidrogeno” En general, gran parte de la informacion se encuentra como links en Fuel Cell Investor: Infraestructure, Materials o como noticias en FuelCellToday y FuelCellStore. 5.-) Automóviles: en las respectivas paginas web de cada compañía aparece información, a veces no es demasiada. a)General Motors: www.gm.com b)Toyota:www.toyota.com c) Suzuki: www.suzuki.com d)Daimler-Chrysler:www.daimlercrhysler.com e)Ford: www.ford.com f)Honda:www.honda.com g)Volkswagen:www.vw.com h)Mitsubishi:www.mitsubishi.com 6.-) Artículos eléctricos a)www.mecanicalengeenering.com: contiene el link al notebook de Fraunhofer Institute a) www.nikkeibp.asiabiztech.com/index.shtml: buscando se llega a las fotografias de todos los aparatos eléctricos. 366

c) www.motorola.com , www.hitachi.com, www.toshiba.com, www.samsung.com. : información variada sobre celdas de combustible y aplicaciones futuras, aunque no necesariamente información sobre productos y actualizada. 7.-)Generación www.avistalabs.com, www.ballard.com, www.utc.com., www.nuvera.com., www.anuvu.com. , www.siemens.com., www.plugpower.com .,: información sobre generación de todo tipo, aun que la información de aplicaciones masivas fue encontrada en otra parte. 8.-)General www.fuelcelltoday.com. ,www.h2fc.com.: Información general sobre las celdas y noticias actuales. Las noticias fueron sacadas de ahí, y también información general incluida en los comentarios.

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11. ENERGÍA DEL MAR 11.1

INTRODUCCIÓN

La energía es una propiedad de la materia que representa la mayor o menor capacidad de realizar un trabajo o producir transformaciones. Si bien es única, puede presentarse bajo diversas formas, y transformarse de unas a otras. Fuentes de energía renovables o alternativas se denomina a aquellas que se regeneran naturalmente, y en su concepción traen implícita la idea de ser “no contaminantes”. Estas se pueden volver fuentes no renovables si la velocidad de explotación supera la capacidad de regeneración de las mismas. Por el contrario, se entiende por fuentes de energía no renovables a aquellas que implican el consumo de recursos agotables y contaminantes. Algunos ejemplos son el petróleo, el carbón y las usinas nucleares. La fuente primaria de toda la energía está en el sol, según los procesos que nos permiten disponer de ella son sus diferentes manifestaciones. Algunas fuentes de energía renovable son: •Bioenergía •Eólica •Solar (fotovoltáica, térmica y arquitectura solar) •Hidroenergía •Marítima (mareas, olas y gradientes térmicos) •Geotérmica •Hidrógeno Este apunte se centrará en la extracción de energía mediante los océanos.

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11.2 CARACTERISTICAS FISICAS DEL MEDIO MARINO 11.2.1 TEMPERATURA

El calor recibido por el agua del mar procede principalmente de las radiaciones solares (y este detalle relaciona directamente la temperatura del agua con la iluminación), pero hay también otras fuentes importantes como el calor que asciende por convección desde el fondo de los mares y desde el interior de la tierra o desde la propia atmósfera, o el producido por las reacciones químicas que tienen lugar en el seno de los océanos [1], [3]. Debido al elevado calor específico que presenta el mar, los cambios de temperatura que en él se producen son mucho menores que los terrestres, por ello el mar es un termorregulador que influye en los climas en función de la mayor o menor proximidad de la tierra emergida. Por esto existen también, entre otras causas, variaciones estacionales y diarias de la temperatura. En general, la temperatura del mar oscila entre 2-30ºC, pudiendo alcanzar en algún caso el valor extremo de 0ºC. Las máximas oscilaciones térmicas diarias por término medio, son de 1ºC y se producen entre las 14 y 15 h y las mínimas, se producen hacia las 5 h. Las oscilaciones de temperatura a nivel estacional van desde 5ºC en los trópicos hasta 10ºC en las zonas templadas, aunque en la costa y mares cerrados, estas oscilaciones suelen ser mayores (Mediterráneo, por ejemplo, hasta 12ºC, Báltico hasta 17ºC, Mar Negro hasta 18ºC) Hay otros factores que influyen en las oscilaciones térmicas: • Latitud: tiempo de insolación e inclinación de los rayos solares. • Profundidad: al aumentar, se estabiliza la temperatura entre 4 y 1ºC. En superficie hay mayores variaciones aunque dependen también de los vientos y las corrientes, que mezclan las capas marinas. • Corrientes: este factor puede llegar incluso a anular el efecto de la latitud sobre la temperatura. La temperatura, junto con la salinidad, influyen en la densidad y solubilidad de los diferentes gases que aparecen en el medio marino y ambos inciden sobre la distribución de los seres vivos en el mar. Todos estos factores afectan a los procesos bioquímicos o químicos que ocurren en los seres vivos, tanto vegetales como animales poiquilotermos. Según la ley de Van Hoff los procesos biológicos se duplican cada vez que se incrementa la temperatura en 10ºC. 11.2.2 LUZ

Una parte de la luz que llega al mar es absorbida, otra se dispersa por reflexión y el resto es convierte en calor. De la luz absorbida, una buena cantidad se dispersa a causa de las partículas en suspensión que hay en el agua del mar. Según Birge solo un 18% de las radiaciones solares llegadas a la superficie marina son reflejas a la atmósfera y el 82 % restante son absorbidas y transformadas en calor. De este alto porcentaje absorbido solo un 2% es aprovechado por los organismos fitoplanctónicos.

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La mayor o menor penetración de la luz en el mar depende de varios factores: estación del año, ángulo de incidencia, naturaleza del medio, grado de absorción atmosférica en función del clima. No todas las radiaciones llegan a la misma profundidad ya que la luz está constituida por un espectro de radiaciones de distinta longitud de onda, cada una de ellas con un color de atenuación diferente. Las radiaciones de color rojo y naranja se absorben más rápidamente cuando el agua es transparente, de modo que a 4 m. la primera disminuye un 99% respecto a su intensidad en superficie. Las radiaciones violeta, verde y azul, e incluso amarillo, alcanzan mayores profundidades, siendo la azul la más penetrante, ya que a los 70 m. aun conserva un 7080% de su intensidad en superficie. Las radiaciones infrarrojas son prácticamente opacas en el mar y las ultravioletas son aun menos absorbidas que las violetas. En aguas turbias, las que más penetran son las verdes y amarillas y en general, a mayor longitud de onda, mayor es su dispersión y menor, por tanto, su penetración. Todo esto influye en la distribución escalonada de los vegetales marinos que utilizan distintos tipos de radiaciones para la fotosíntesis; así, algunas algas verdes costeras utilizan prácticamente todo el espectro de luz y se sitúan en las capas superiores. Las algas pardas, usan las radiaciones rojas y se distribuyen en los 5-15 m de profundidad. Otras como las rojas utilizan radiaciones azules, situándose a mayor profundidad según su especie. A efectos de la penetración lumínica, pueden establecerse dos zonas marinas: Fótica: que es la zona hasta donde penetra la luz. Dividida a su vez en eufótica-hasta 80 m.y disfótica-de 80 a 200 m. Afótica: a partir de 200 m., donde no hay luz. A nivel práctico la observación de la penetración de la luz en el mar se hace con los llamados discos Sechi. 11.2.3 DENSIDAD

Coincide con el valor del peso específico por lo que al hablar de densidad del agua de mar se considera el valor de su peso específico, el cual es muy parecido o ligeramente inferior al que presentan los seres marinos. Esto es lo que permite a éstos flotar y desplazarse sin dificultad, o facilitar el paso del agua por el interior del cuerpo de los organismos que viven fijos, de forma que puedan aprovechar las partículas en suspensión. La densidad del mar depende de la temperatura, presión y salinidad y en general aumenta con la profundidad. La densidad del mar depende de las corrientes que pueda haber en una zona, de modo que a igual profundidad puede haber distinta densidad. En este caso las aguas que afloran tenderán a hundirse o a elevarse para ajustar su densidad al nivel de profundidad (corrientes de convección). En la zona superficial de las aguas, sobre todo en las próximas a la costa, suele decrecer la densidad debido a los aportes del agua de lluvia y ríos. Las aguas de más densidad se encuentran en altas latitudes (polares), por lo que tienden a hundirse y distribuirse por los fondos en zonas cada vez más amplias; esta es una de las causas de la baja temperatura de los fondos. La elevación de estas aguas hacia la superficie provoca en cierta medida los procesos de Up-Welling.

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11.2.4 Presión

Todos los seres marinos están sometidos a la presión atmosférica, sumada, en función de la profundidad, a la de la columna de agua que tienen encima. En el medio marino, la presión aumenta 1 atmósfera por cada 10 m de profundidad, con lo que los organismos que se encuentran en las profundidades marinas pueden llegar a soportar presiones de unas 1000 atmósferas. No se conocen bien los efectos de la presión hidrostática sobre los organismos, pero se supone que modifica la velocidad de los procesos biológicos y que interfiere en los efectos de otros factores como temperatura y salinidad. 11.2.5 EL SUSTRATO

Es el soporte físico al que un ser vivo puede fijarse durante toda su vida o parte de ella. Está constituido por los fondos marinos y distintos materiales costeros (arenas, arcillas, limos, piedras). También pueden constituirse en sustrato cualquier objeto sumergido (botellas, cascos, etc.) e incluso los mismos seres vivos (algas y animales). En relación con el sustrato, los organismos son selectivos, llegando a establecerse entre ellos relaciones de competencia a la hora de escoger donde se van a colocar ya que está en juego el proceso nutricional.

11.3 CORTE DE UNA CUENCA OCEANICA

La corteza terrestre está constituida en su exterior por dos capas (Sial, silicatos alumínicos y Sima, silicatos magnésicos). El sial, la capa más externa, es discontinuo, forma los bloques continentales y flota sobre el sima. Esto provoca en el caso de los fondos marinos que, mientras por ejemplo, el del océano Atlántico está formado por el sial que constituye el puente entre los continentes americano y euroasiático, el del Pacífico, está constituido por el sima. La topografía, distribución y magnitud de las profundidades marinas es muy variada.

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Figura 2.1. Corte de una cuenca Oceánica

La zona de transición entre continentes y océanos, formada básicamente por la plataforma y el talud continental, se denomina generalmente "precontinente" y se considera por ello un dominio fundamentalmente continental. La zona más cercana a la tierra, que soporta los efectos de la erosión marina de forma más intensa, es la llamada "plataforma litoral" o "plataforma costera". •

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Plataforma Continental: prolongación del Continente pero sumergida, con una profundidad media de 200 m y pendientes generalmente suaves; su anchura es muy variable de una zona a otra (Francia: muy amplia, Cantábrico: muy estrecha). Se acumulan en ella gran cantidad de sedimentos; está recorrida por variados accidentes: Deltas de ríos, cañones submarinos, etc. Talud Continental: continuación de la Plataforma que se puede considerar ya como verdadera zona Oceánica; presenta pendientes muy acusadas y va desde 200 m hasta 4.000 m. Acumula también sedimentos que a veces descienden hasta las Fosas Abisales. En algunas zonas aparecen cañones submarinos. Borde continental: es el margen inferior del talud continental y donde comienza realmente el dominio oceánico. Como es fácil suponer, hablamos de una frontera difícilmente delimitable. Arcos Insulares: alineaciones de Islas volcánicas que aparecen siempre con relativa proximidad a un continente y paralelas a la costa; dibujan formas convexas hacia el

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océano. Entre ellas y el continente aparece un mar pequeño que se denomina Cuenca Marginal. Fosas Abisales: son las zonas marinas de mayor profundidad de toda la cuenca oceánica; normalmente aparecen frente a las costa y paralelas a ella. Aunque no es frecuente, pueden presentar fondos planos. Las costas con Arcos Insulares siempre tienen Fosas Abisales. Llanuras Abisales: zonas extensas en las que las pendientes son escasas; hay montañas submarinas, zonas de Volcanes, generalmente en actividad, a veces Islas volcánicas y Guyots (montañas con la parte superior plana). Dorsales Oceánicas: son de gran importancia; zonas muy activas que atraviesan todos los océanos. Extensión aproximada de 60 millones de Km, anchura de 1.000 a 4.000 m y altura de unos 3 m.

Figura 2.2: Fondo marino

11.4

Características químicas del medio marino

El agua de mar lleva en suspensión una gran cantidad de sólidos y gases, pudiendo admitir en general que todos los elementos químicos presentes en la tierra aparecen en el agua de mar. La proporción de cada uno de estos elementos disueltos es diferente, variando también sus porcentajes en función de la zona de mar de que se trate en cada momento. El estudio de estos porcentajes es muy dificultoso, por eso normalmente se dan datos medios. Algunos elementos son difíciles de cuantificar porque aparecen en porcentajes muy bajos (para obtener 1 gr. de Ra se necesitaría tratar 5 millones de cc de agua), otros porque requieren técnicas analíticas muy finas, etc. Pero su presencia es observable en la composición de los propios animales marinos (el Cu, muy escaso, es fundamental para la formación de Hemocianina en Moluscos y otros Crustáceos). 373

Las variaciones se ven también influidas por los elementos de mezcla y transporte, sobre todo a nivel superficial, de olas, mareas y corrientes. A pesar de la gran complejidad observada en la composición química del agua de mar, en lo que se refiere a sus principales componentes, existe siempre, y en todos los mares, una gran constancia en las proporciones relativas de cada uno de ellos. 11.4.1 Salinidad

En base a esta uniforme proporción de los diversos componentes del agua de mar, se acepta que la determinación de cualquiera de ellos, mejor del más abundante, sirve como indicador del total de los elementos disueltos. Conociendo la dependencia que existe entre determinadas propiedades físicas del agua marina y su composición química, la determinación de este componente sirve también para la determinación indirecta de dichas propiedades físicas. La salinidad es el más interesante de los factores químicos y se define como la concentración de sólidos disueltos por Kgr de agua de mar. Los componentes fundamentales de estos sólidos son los aniones (cloruros, fosfatos ...) y los cationes (Na, Mg ...). La relación entre aniones y cationes va a condicionar el pH del agua del mar, que oscila entre 8 y 8'3 y es por tanto ligeramente alcalino (esto le confiere una gran capacidad amortiguadora que tiene profundo interés biológico ya que muchos animales marinos carecen de estructuras aislantes del medio y por tanto, ligeras variaciones en el pH del medio afectan seriamente a su pH interno, pudiendo incluso causarles la muerte). La salinidad está muy relacionada con la densidad y ésta es de gran importancia para los seres vivos ya que afecta a dos procesos fundamentales: el movimiento y la alimentación. La salinidad está también relacionada con la clorinidad, de tal manera que conociendo los tantos por mil existe una relación en la cantidad de las distintas sales. 11.4.2 Distribución de la salinidad en los mares La salinidad de los distintos mares es diferente y oscila entre 33 y 37%. , incluso hay variaciones en una misma zona debido a factores climáticos, topográficos, aportes fluviales, etc. Por citar algunos ejemplos extremos: la salinidad del Mediterráneo es de un 38%, la del mar Rojo y la del mar Negro es de un 40%. En el Báltico y en las desembocaduras de los grandes ríos, debido al alto aporte de agua dulce, la salinidad es casi nula. La temperatura está relacionada con la salinidad por los efectos que produce la evaporación. Ambas están relacionadas a su vez con la densidad. Por lo tanto, cambios estacionales en las temperaturas significan cambios en la salinidad; este proceso sucede fundamentalmente en las capas superficiales y las isohalinas pueden experimentar desplazamientos estacionales que en mares abiertos suelen ser de N a S y viceversa; en zonas próximas a la costa estas variaciones pueden producirse en cualquier sentido. 374

11.4.3 Otras sustancias disueltas En el medio marino aparecen una serie de sustancias orgánicas e inorgánicas disueltas que proceden fundamentalmente de la descomposición de los desechos eliminados por los seres vivos marinos y de los restos de los que mueren. Pero de entre todos estos compuestos sólidos disueltos en el agua de mar, hay algunos que son imprescindibles para la síntesis de materia orgánica, y de ellos depende por lo tanto la vida en aguas marinas. Se les conoce con el nombre genérico de sales nutritivas. Estas sales son fundamentales, entre otras razones, porque forman parte de muchas estructuras de los seres vivos y porque son indispensables en la nutrición de muchos de ellos. Las más necesarios son, en primer lugar, los fosfatos y los nitratos de los que depende totalmente el fitoplancton para poder realizar los procesos de fotosíntesis. Son importantes también los compuestos de carbono (Carbonatos/Bicarbonatos) y los silicatos, ya que muchas de las especies que componen el plancton tienen esqueletos silíceos (diatomeas, flagelados, radiolarios). Hierro, Cobre y Arsénico, por ejemplo, serían otros elementos, que aunque de menor importancia, son imprescindibles para animales y plantas. Aparecen casi siempre en cantidades muy reducidas y se llaman, por eso mismo, oligoelementos. Así: el Hierro (Fe) es indispensable por cuanto una buena parte de la vida vegetal depende de su adecuada concentración en el mar. El término medio es de unos 2 micro-gr/litro. El Cobre (Cu) es necesario para la Hemocianina de los moluscos y en ciertas fases de desarrollo larvario. Su concentración varía de 1 a 10 micro-gr/litro. El Arsenio (As) es importante para las plantas. Su concentración oscila entre 9 y 22 micro-gr/litro. La carencia de estas sales puede provocar alteraciones fisiológicas graves e incluso la muerte de animales y vegetales, pero además, pueden darse graves desequilibrios en la productividad de la zona afectada ya que esa carencia puede convertirse en un factor limitante para el desarrollo de ciertas especies. Hay que tener en cuenta que las sales que aparecen en escasa cantidad pero son muy necesarias a los seres vivos marinos, van a consumirse en porcentajes relativamente altos. Las proporciones de estas sustancias en el mar son variables y dependen entre otros factores de: 1. abundancia de seres vivos en una zona determinada. 2. estabilidad de las propias sustancias. 11.4.4 GASES DISUELTOS

Su porcentaje es bastante variable pero se puede afirmar que disueltos en el mar aparecen todos los gases que aparecen en la atmósfera. Su proporción depende del intercambio entre

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el mar y la atmósfera y de la actividad de los distintos seres vivos (respiración y fotosíntesis). A nivel general se puede afirmar que las variaciones de CO2 y O2 son mucho más notables en las zonas superficiales debido a que los vegetales marinos viven en la zona eufótica. Por otra parte, al ser el O2 más soluble que el CO2, su distribución es más homogénea en la masa del mar. No se puede olvidar la aparición de CO2 en forma de otros radicales tales como Carbonatos o Bicarbonatos, constituyentes básicos de las estructuras esqueléticas de los seres vivos marinos. 11.4.5 VALORES DEL pH

Los valores de pH en el mar suelen oscilar entre 7.1 y 8.3 lo que significa que el mar es un medio ligeramente alcalino. De todas formas, los valores más normales para el agua de mar oscilan entre 8.1 y 8.3. Las variaciones del pH se ven influidas por los siguientes factores: Salinidad, Fotosíntesis (favorece la alcalinidad), temperatura, concentración de CO2. Las variaciones del pH en relación con la vertical se producen básicamente en la zona eufótica (0-80 m), y más concretamente en los primeros 50 m. A esta profundidad, los valores de pH son mínimos (7.1-7.3) ya que hay bajas concentraciones O2 y elevadas de CO2. A partir de aquí, los valores de Ph aumentan con la profundidad hasta estabilizarse sobre 8.5 El pH influye en la actividad biológica de las especies y los seres marinos influyen a su vez en el pH por medio de la respiración y de la fotosíntesis. Condiciona también numerosas reacciones químicas marinas que solubilizan o precipitan las sales disueltas que en definitiva son los elementos nutritivos que mantienen los ecosistemas marinos. Influye también en las migraciones de las especies, lo que se explica en el proceso anterior. Esta influencia es uno de los factores determinantes de las características de muchos medios marinos (marismas, estuarios, etc.) lo que condiciona drásticamente la vida en los mismos.

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11.5 MOVIMIENTOS DE LAS AGUAS OCEANICAS

El agua del mar, por diversas causas, está en constante movimiento, sufre desplazamientos que provocan, entre otras cosas, la formación de Olas, Mareas y Corrientes. Estos movimientos tienen un marcado efecto sobre los seres marinos ya que condicionan la distribución de las especies de vida libre al colaborar, por un lado, en los movimientos migratorios estacionales de muchas especies y, en segundo lugar, al transportar sustancias nutritivas de unos lugares a otros, favoreciendo el desarrollo y distribución de organismos planctónicos. 11.5.1 MAREAS Son movimientos periódicos del mar con desplazamiento vertical, de ascenso y descenso, de la masa de agua. La influencia gravitacional de la Luna, y en menor medida la del Sol, sobre las aguas de los océanos es la causa principal de las mareas.

Otros factores que influyen en la evolución de las mareas son la latitud, la profundidad del mar, la forma y el tipo de costa, etc.

Figura 2.3. Factores que influyen en las mareas

Cuando la Luna gira alrededor de la Tierra, el punto de la superficie del mar que esté más próximo a la Luna, experimenta a la vez el empuje provocado por la fuerza centrífuga de la Tierra, y la máxima atracción por parte de la Luna. La suma de ambas fuerzas empuja al agua a separarse de la Tierra, desplazándose hacia la Luna y formando una protuberancia.

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En el punto opuesto de la Tierra, el efecto de la atracción de la Luna sobre el mar es mínimo y, además, la fuerza centrífuga se opondrá a ella, lo que supone una menor atracción sobre la masa de agua en dicho punto, o lo que es lo mismo, se produce una tendencia del agua a separarse de la tierra y a formar una protuberancia similar, aunque un poco menor, a la que se forma en el punto antípoda. Se habrá producido así, en los dos puntos opuestos del planeta alineados con la Luna, una elevación del nivel del mar, o sea, una 'PLEAMAR' o marea alta. Pero la masa de agua que se desplaza hacia arriba en dichos puntos, es restada del total de la masa de agua del planeta, de tal forma que se produce un descenso del nivel del mar en los demás puntos, o sea, una 'BAJAMAR' o marea baja. Este movimiento complementario de la masa de agua se va transmitiendo alrededor de la superficie de la Tierra a medida que la Luna gira a su alrededor, por eso en el transcurso de cada giro, y aunque la Luna sólo pase una vez por su meridiano, se producen en un punto dado del mar, una pleamar cada 12 horas y 25 minutos. Dado que el día lunar tiene 24 horas y 50 minutos, el ciclo de subida y bajada del agua avanza aproximadamente una hora cada día (unos 50 minutos). No todas las mareas se dan de igual forma en los mismos sitios ya que influyen variantes como la latitud, profundidad del mar, forma y tipo de costa, etc.

Figura 2.4. Ciclo de mareas anuales

Pero el fenómeno de las mareas es bastante más complicado ya que, según las posiciones relativas del Sol y la Luna con referencia a la Tierra, los efectos de atracción se suman o se restan, lo que hace que las mareas sean más o menos intensas. Mensualmente, con Luna 378

nueva y llena, la influencia del Sol y la Luna se suman casi en línea recta, lo que ocasiona mareas de gran amplitud llamadas 'MAREAS VIVAS'. Por el contrario, cuando la Luna, en primer y tercer cuarto, se coloca en ángulo recto con el Sol y la Tierra, las influencias de Sol y Luna se contrarrestan, y se producen mareas de amplitud mínima: son las 'MAREAS MUERTAS'. Anualmente, durante los equinoccios, en Marzo y Septiembre, Sol y Luna se hallan alineados y provocan una amplitud extremadamente alta en las mareas vivas. Por el contrario, en Diciembre y Junio, las mareas vivas son de menor amplitud que en cualquier otra época del año. 11.5.2 CORRIENTES MARINAS

Son movimientos del mar con desplazamientos horizontales o verticales de las masas de agua que, aunque a nivel superficial no son tan visibles como las olas y las mareas, son de mayor amplitud. Las corrientes marinas hoy conocidas discurren por cauces bastante definidos en las diferentes regiones oceánicas. Básicamente son producidas por: Calor solar: que calienta la superficie del océano estableciendo diferencias de temperatura; el agua fría pesa más que la caliente de modo que el agua de las zonas polares tiende a hundirse por debajo del flujo de agua caliente procedente del Ecuador Rotación terrestre: es un giro constante en virtud del cual, tanto vientos como corrientes se desvían hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el sur. Esto se conoce como Efecto Coriolis. Viento: que modifica la acción de las corrientes y está afectado por el calor solar y la rotación terrestre. En los trópicos, los vientos Alisios llevan las aguas en dirección Oeste hacia el Ecuador y en latitudes superiores, los vientos de poniente las llevan en dirección opuesta originando la circulación oceánica.

Hay dos tipos de corrientes: Superficiales: conocidas hace tiempo, su circulación se ajusta a la circulación atmosférica, y está condicionada fundamentalmente por los vientos (del Oeste y Alisios) que hacen que estas corrientes circulen básicamente en la dirección de las agujas del reloj en el hemisferio norte y al revés en el sur Profundas: se mueven fundamentalmente por diferencias de densidad del agua del mar (condicionada por temperatura y salinidad). Se ven también condicionadas por la topografía de los fondos (posición de Dorsales y Taludes) En las corrientes profundas, el agua fría, más densa, desciende a mayor profundidad desde las latitudes altas dirigiéndose hacia el Ecuador. En el Atlántico, la corriente fría profunda Ártica, una vez pasado el Ecuador, asciende hacia 60 grados de Latitud, introduciéndose debajo de ella la corriente fría Antártica. Las corrientes profundas tienden a seguir los bordes occidentales de los océanos por el efecto de

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rotación de la Tierra. Su velocidad varía entre 2 y 40 cm/seg siendo el término medio de 10 a 20 cm/seg. Esta velocidad es importante en la medida en que transportar mayor o menor cantidad de sedimentos (generalmente grano fino). Up-Welling = Afloramientos En determinadas zonas cercanas a la costa, y debido fundamentalmente a corrientes marinas profundas, cada cierto tiempo, los materiales sedimentados en el fondo (nitratos, nitritos, fosfatos) se ponen en circulación hacia las capas más superficiales de agua con lo cual pueden ser aprovechados por los organismos planctónicos allí presentes, mejorando en gran medida la cadena alimenticia marina. En Galicia se dan dos afloramientos anuales. La curiosa conjunción de la circulación estuárica y el afloramiento marino, circunstancia particular de las Rías gallegas, es tema de especial interés que abarca ámbitos muy diversos, desde el estrictamente biológico hasta el económico o social.

Figura 2.5. Zonas de afloramientos

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11.5.3 ONDAS Y OLAS

Es el movimiento de las moléculas de agua, en la zona superficial del mar, provocado por la acción del viento. En este movimiento, que es originariamente circular, no hay desplazamiento horizontal de dichas moléculas ni de la masa de agua por ellas constituida, aunque sí lo hay del movimiento ondulatorio generado por ese movimiento molecular. Este tipo de olas, que se originan en alta mar, se conocen con el nombre de 'olas libres' u 'olas estacionarias'. Pero la acción de corrientes marinas o atmosféricas sobre estas olas hace que los movimientos de unas moléculas de agua se superpongan con los de las contiguas, añadiendo, a los movimientos circulares, un empuje de traslación en el sentido de la fuerza de empuje dominante. A este nuevo tipo de olas se las denomina generalmente con el nombre de 'olas progresivas' u 'olas forzadas' Cuando una ola se aproxima a la costa, el movimiento típico del mar libre, movimiento circular, se transforma, por rozamiento con el fondo, en un movimiento elíptico; la cresta de la ola avanza por este motivo más deprisa que su punto opuesto en la vertical y se produce un desplazamiento horizontal de la masa de agua que provoca la ruptura de la ola al llegar a la costa. Otros mecanismos que las producen pueden ser movimientos sísmicos, derrumbamientos, actividad volcánica submarina, etc. Geológicamente, las Olas tienen un papel muy importante ya que constituyen un agente geológico de gran magnitud, sobre todo a nivel costero. Tienen también una enorme energía Cinética (unas 30Tm/m2) debido a la gran masa de agua que se pone en movimiento. Por este motivo se idearon métodos para el aprovechamiento de esta Energía (básicamente para la obtención de energía eléctrica). Las olas son formadas por los vientos que barren la superficie de las aguas. Mueven al agua en cilindro, sin desplazarla hacia adelante, pero cuando llegan a la costa y el cilindro roza en la parte baja con el fondo inician una rodadura que acaba desequilibrando la masa de agua, produciéndose la rotura de la ola. Los movimientos sísmicos en el fondo marino producen, en ocasiones gigantescas olas llamadas tsunamis.

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Figura 2.6. Tsunami : "Olas de puerto" en japonés

Elementos que definen una ola: • • • • •

Crestas: zonas de superficie del mar que alcanzan en un momento dado la mayor altura. Senos: igual, pero la menor altura. Longitud de onda: distancia que hay entre dos crestas sucesivas. Frecuencia: número de ondulaciones por unidad de tiempo. Velocidad: tiempo entre el paso de dos crestas sucesivas por un mismo punto.

Figura 2.7. Representación sinusoidal de una ola

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11.6 FORMAS DE ENERGÍA PRESENTE EN AGUAS MARINAS

Existen diversas formas de aprovechamiento de la energía del océano. En primer lugar, se producen desplazamientos de grandes masa de agua, de gran energía cinética. Estas corrientes se podrían aprovechar directamente o bien utilizar las mareas, mediante embalses artificiales adecuados. Las olas y ondas también son otra forma de energía que podría aprovecharse. En segundo lugar, existe energía térmica almacenada en el mar, la cual se manifiesta a través de un gradiente de temperatura entre la superficie y las capas de aguas mas profundas, que se encuentran a temperatura inferior, debido a la gran inercia térmica que posee el mar. En tercer lugar, en el mar podemos encontrar energía de tipo químico, que se originan a partir de las diferencias de concentración de sal, donde las aguas de baja salinidad fluyen a las aguas salinas de los océanos. [6] Una alternativa adicional consiste en utilizar la “biomasa”, es decir, las plantas y algas marinas que mediante procesos adecuados permitirían obtener gases o líquidos combustibles. [6] Según estudios realizados por diversos autores (Wick y Schmitt, 1977), considerando la superficie total que cubren los océanos (3 x 1014 m2), el potencial energético mundial y la densidad de energía de cada una de las cinco fuentes mencionadas anteriormente pueden resumirse como lo señala la tabla 3.1. [6] Fuente Oceánica Mareas Corrientes Gradientes de Temperatura Gardientes de salinidad Oleajes

Potencia 1012 Watts 0.03 0.05 2.00 2.60 2.70

Densidad de energía Watts-hora / m3 28 0.14 580 670 4.2

Tabla 3.1. Potencia y densidad de energía de fuentes oceánicas.

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Se ha calculado que el potencial energético que seria posible extraer es el indicado en la figura 3.1. [10]

Figura 3.1. Distribución de potencia en los Océanos, en kWm

11.7 SISTEMAS DE EXTRACION DE ENERGÍA DEL OCEANO 11.7.1 Ondas

La energía que desarrollan es proporcional a las masas de aguas que oscilan y la amplitud de oscilación. La misma se descompone en dos partes aproximadamente iguales: una potencial, deformación de la superficie, y una cinética, desplazamiento de las partículas. [2] La energía contenida en su movimiento -energía cinética- puede transformarse en energía eléctrica de distintas formas. Por ejemplo, las oscilaciones en la altura del agua pueden hacer subir y bajar un pistón dentro de un cilindro, moviendo con ello un generador de electricidad. Otra posibilidad es que el movimiento de las olas produzca un desplazamiento del aire en el interior de un cilindro. El aire busca la salida y va a dar a una turbina que, girando, activa un generador. Cuando la ola se retira del recinto, el cilindro reabsorbe el aire que había ascendido, y el movimiento del aire hacia abajo vuelve a mover la turbina. [5] Pese a la aparente sencillez del mecanismo, la irregularidad de las olas constituye un importante inconveniente a la hora de utilizarlas como fuente de energía continua. Además, los dispositivos deben ser bastante ligeros para aprovechar la energía de las olas pequeñas y, a la vez, suficientemente resistentes para soportar los golpes de las olas cuando hay tempestad. En estas condiciones no es de extrañar que, según las cifras del World Energy Council, existan más de 1000 diseños de convertidores de energía actualmente patentados, la mayoría con importantes dificultades prácticas. [5]

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Una forma de extracción son los sistemas de columnas oscilantes, mostrados en la figura 4.1.

Figura 4.1. Sistemas de columnas oscilantes

11.7.2 Olas

Su energía se concentra en los bordes continentales, los que suman un total de 336000 km de longitud. Uno de los mayores inconvenientes en la utilización de la energía de las olas, es su irregularidad e inconstancia. Los dispositivos deben ser, por un lado, livianos para aprovechar las olas pequeñas, pero resistentes para soportar los choques de las grandes olas. La densidad de energía de las olas es mayor que la solar “pura”. Las olas suponen un recurso potencial de alrededor de 2 TW de potencia.[2] Los sistemas utilizados para aprovechar la energía de las olas pueden clasificarse en dos: fijos a la plataforma continental, y flotantes. Básicamente, los mecanismos funcionan haciendo que la variación de altura del agua mueva un pistón que a su vez mueve un generador eléctrico. O bien, que el movimiento de las olas produzca el desplazamiento del aire hacia el interior de un cilindro donde se ubica una turbina. El aire al salir mueve la turbina. Al retirarse la ola se genera un efecto de vacío, el aire ingresa nuevamente al cilindro haciendo girar la turbina.[2] Las tecnologías perfiladas en 1998 basadas en la Oscilación o Columnas Asistidas de agua (OWC), boyas y pontones (The Hosepump), tapas y canales afilados (The Pendulor y TAPCHAN) todavía existen o siguen siendo desarrolladas. [10]

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Figura 4.2. Generación a partir de olas

Figura 4.3. Generación a partir de olas

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11.7.3 Temperatura

El primero en exponer estas ideas fue D’Arsoval en 1881. Pero fue el científico francés Georgi Claudi quien se dedicó a investigar la implantación de una central de conversión térmica marina. [2] Esta tecnología consiste en convertir la diferencia de temperatura del agua de la superficie con la del agua de las profundidades (a 100 m) en energía útil. Es suficiente para ello una diferencia de 20ºC, en las zonas tropicales esta diferencia es de 20º a 24ºC. Las ventajas asociadas son el carácter permanente del salto térmico y que no tiene un impacto negativo sobre el medioambiente. El mayor inconveniente es el aspecto económico de las tecnologías necesarias para llevar adelante este tipo de aprovechamientos.[2] Entre las ventajas secundarias se puede mencionar el uso de este recurso para abastecer de agua potable, el agua fría de las profundidades es rica en sustancias nutritivas y libres de agentes patógenos. La diferencia de temperatura oceánica no depende de factores como el clima o el momento del día.[2]

Figura 4.4. Funcionamiento de central mareotérmica

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11.7.4 Mareas

La técnica de explotación consiste en cerrar una bahía o un estuario con un dique generando así una diferencia de nivel a ambos lados, energía potencial acumulada. En el dique se instalan turbinas con sus respectivos generadores y demás equipamiento, las cuales son puesta en marcha al pasar el agua hacia el embalse (flujo) y luego de este hacia el mar (reflujo).[2] Es decir, que funciona como una central hidroeléctrica convencional, solo que su origen tiene relación con la atracción de la luna y el sol, en vez del ciclo hidrológico. [2] Pero esta técnica no es tan sencilla de llevar a la práctica en un proyecto que resulte eficiente, implicando una inversión acorde al rendimiento que se logra. Los dos grandes aspectos que condicionan el avance de esta tecnología son el económico, se requieren grandes inversiones iniciales en obras, y el impacto que provoca sobre la fauna y flora del lugar de implantación de la central.[2] El primero en estudiar la posibilidad de aprovechar la energía de las mareas fue Belidor, en 1927, en el Tratado de Arquitectura Hidráulica. Belidor era profesor de la Escuela de Artillería de La Fère en Francia. [2]

Figura 4.5. Generación mediante las mareas

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11.7.5 Corrientes

La energía también puede ser generada a través de corrientes marinas, usando turbinas sumergidas con aspas rotativas y un generador. Las turbinas submarinas trabajan con el mismo principio de funcionamiento que las turbinas eólicas, transformando la energía cinética de los fluidos transfiriéndola a energía rotacional y luego a energía eléctrica. Las velocidades de las corrientes son mas lentas que las del viento, sin embargo debido a la densidad del agua (835 veces la del aire) las turbinas acuáticas son más pequeñas que las eólicas con la misma capacidad instalada. La potencia que es posible extraer de las corrientes marinas depende de la velocidad del fluido, del área y eficiencia de la turbina acuática, y puede ser calculada como:

donde

ρ es la densidad del mar (1025 kg/m3) A es el área de las aspas del rotor (m2) v es la velocidad marina (m/s) Cp es el coeficiente de la turbina, que mide la eficiencia

La energía mediante las corrientes no ha sido aun bien desarrollada, con un número pequeño de prototipos. Hay dos variantes en la investigación de estas turbinas, incluyendo turbinas usando concentración y “convertidor de mareas” (tidal fences). Turbinas de eje horizontal Similar al concepto de turbinas de eje horizontal de generación eólica. Turbinas de eje vertical El concepto de instalación es colocar un gran número de turbinas de eje vertical en un “convertidor de marea”.

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Figura 4.6.Turbinas para aprovechamiento de corrientes marinas

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11.7.6 Gradientes de salinidad Sistema por presión osmótica retardada. Este sistema utiliza el aumento de presión en el interior de un estanque, por efecto de la diferencia de presión osmótica en la interfase de dos aguas de diferente concentración de sal.

Consiste en un estanque en cuyo interior se bombea agua de mar a una presión inferior a la diferencia de presión osmótica entre las aguas. El agua de rió pasará al interior del estanque a través de una membrana semipermeable, aumentando la presión interna. Este aumento de presión se utilizará para obtener energía eléctrica, mediante el accionamiento de una turbina acoplada a un generador. La membrana tiene la característica de ser permeable al agua e impermeable a las moléculas de sal contenidas en el agua; por esta razón, el agua dulce atravesará la membrana hacia el interior del estanque, pero, el agua salina del estanque no podrá salir a través de la membrana. [6] El sistema podría funcionar sin necesidad de presurizar el estanque mediante un abomba, pero se ha demostrado (Wick, 1978) que el máximo rendimiento del sistema se obtiene cuando el tanque se presuriza a la mitad de la diferencia de presión osmótica correspondiente. La potencia que es posible extraer por este mecanismo dependerá de la diferencia de presión osmótica entre el agua dulce y el agua salada, así como del caudal de agua que atraviese la membrana. Estanque presurizado

Turbina

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