Conversión de Energía UNIDAD I CLASE 02: Procesos de generación de electricidad 01/01/2018Procesos de generación de electricidad1

INDICE Conceptos básicos Campos magnéticos Indicadores para caracterizar centrales Principios del generador Principios del motor Ley de Faraday, Lenz Ejemplos 01/01/2018Procesos de generación de electricidad2

Conceptos básicos Sistemas eléctricos de potencia: Conjunto de instalaciones que permiten generar, transportar y distribuir la energía eléctrica en condiciones adecuadas de tensión, frecuencia y disponibilidad 01/01/2018Procesos de generación de electricidad3

Conceptos básicos 01/01/2018Procesos de generación de electricidad4 Etapas o partes constituyentes del sistema

Magnetismo Desde la antigüedad se sabe que ciertos materiales, llamados imanes, tienen la propiedad de atraer pequeños trozos de metal. Esta propiedad atractiva se llamó magnetismo. N S Imán de barra N S 01/01/2018Procesos de generación de electricidad5

Magnetismo - Polos magnéticos La intensidad de un imán se concentra en los extremos, llamados “polos” norte y sur del imán. Imán suspendido: el extremo que busca el N y el extremo que busca el S son los polos N y S. S N Limaduras de hierro NS N E W S N Brújula Imán de barra 01/01/2018Procesos de generación de electricidad6

Magnetismo - Atracción-repulsión magnética N S N N S S NS NS Fuerzas magnéticas: polos iguales se repelen Polos distintos se atraen 01/01/2018Procesos de generación de electricidad7

Magnetismo - Líneas de campo magnético NS Las líneas de campo magnético se pueden describir al imaginar una pequeña brújula colocada en puntos cercanos. La dirección del campo magnético B en cualquier punto es la misma que la dirección que indica esta brújula. El campo B es fuerte donde las líneas son densas y débil donde las líneas están esparcidas. 01/01/2018Procesos de generación de electricidad8

Magnetismo - Líneas de campo entre imanes NN Polos distintos Polos iguales Salen de N y entran a S Atracción Repulsión NS Polos distintos Salen de N y entran a S Atracción 01/01/2018Procesos de generación de electricidad9

Magnetismo - Densidad de las líneas de campo 01/01/2018Procesos de generación de electricidad10 Al campo magnético B a veces se le llama densidad de flujo en webers por metro cuadrado (Wb/m 2 ). NN Densidad de línea AA Campo eléctrico  Densidad de línea AA Líneas de flujo de campo magnético  NS

Magnetismo - Densidad de las líneas de campo 01/01/2018Procesos de generación de electricidad11 NS  Densidad de flujo magnético: AA Las líneas de flujo magnético son continuas y cerradas.Las líneas de flujo magnético son continuas y cerradas. La dirección es la del vector B en dicho punto.La dirección es la del vector B en dicho punto. Las líneas de flujo NO están en la dirección de la fuerza sino.Las líneas de flujo NO están en la dirección de la fuerza sino . Cuando el área A es perpendicular al flujo: La unidad de densidad de flujo es el weber por metro cuadrado.

Magnetismo - Cálculo de densidad de flujo cuando el área no es perpendicula 01/01/2018Procesos de generación de electricidad12 El flujo que penetra al área A cuando el vector normal n forma un ángulo  con el campo B es: El ángulo  es el complemento del ángulo a que el plano del área forma con el campo B. (cos  = sin  n A   B

Magnetismo - Origen de campos magnéticos 01/01/2018Procesos de generación de electricidad13 Recuerde que la intensidad de un campo eléctrico E se definió como la fuerza eléctrica por unidad de carga. Puesto que no se han encontrado polos magnéticos aislados, no se puede definir el campo magnético B en términos de la fuerza magnética por unidad de polo norte. En vez de ello se verá que los campos magnéticos resultan de cargas en movimiento, no de carga o polos estacionarios. + E + B v v 

Magnetismo - Fuerza magnética sobre carga en movimiento 01/01/2018Procesos de generación de electricidad14 NS B N Imagine un tubo que proyecta carga +q con velocidad v en el campo B perpendicular. Fuerza magnética F hacia arriba sobre carga que se mueve en el campo B. vF El experimento muestra: Lo siguiente resulta en una mayor fuerza magnética F: aumento en velocidad v, aumento en carga q y un mayor campo magnético B.

Magnetismo - Dirección de la fuerza magnética 01/01/2018Procesos de generación de electricidad15 B vF NSN Regla de la mano derecha: Con la mano derecha plana, apunte el pulgar en dirección de la velocidad v, dedos en dirección del campo B. La palma de la mano empuja en dirección de la fuerza F. La fuerza es mayor cuando la velocidad v es perpendicular al campo B. La desviación disminuye a cero para movimiento paralelo. B v F

Magnetismo - Fuerza y ángulo de trayectoria 01/01/2018 Procesos de generación de electricidad 16 SNNS NN SNN La fuerza de desviación es mayor cuando la trayectoria es perpendicular al campo. Es menor en paralelo. B v F v sen  v 

Magnetismo - Definición del campo B 01/01/2018Procesos de generación de electricidad17 Observaciones experimentales muestran lo siguiente: Al elegir las unidades adecuadas para la constante de proporcionalidad, ahora se puede definir el campo B como: Una intensidad de campo magnético de un tesla (T) existe en una región del espacio donde una carga de un coulomb (C) que se mueve a 1 m/s perpendicular al campo B experimentará una fuerza de un newton (N). Intensidad de campo magnético B:

Magnetismo 01/01/2018Procesos de generación de electricidad18 Ejemplo 1. Una carga de 2 nC se proyecta como se muestra con una velocidad de 5 x 10 4 m/s en un ángulo de 30 0 con un campo magnético de 3 mT. ¿Cuáles son la magnitud y dirección de la fuerza resultante? v sen  v   B v F Dibuje un bosquejo burdo. q = 2 x C v = 5 x 10 4 m/s B = 3 x T  = 30 0 Al usar la regla de la mano derecha, se ve que la fuerza es hacia arriba. Fuerza magnética resultante: F = 1.50 x N, hacia arriba B

Magnetismo - Fuerzas sobre cargas negativas 01/01/2018Procesos de generación de electricidad19 Las fuerzas sobre cargas negativas son opuestas a las que ocurren sobre fuerzas positivas. La fuerza sobre la carga negativa requiere una regla de la mano izquierda para mostrar fuerza F hacia abajo. NSNNSN B v F Regla de mano derecha para q positiva F Bv Regla de mano izquierda para q negativa

Magnetismo - Cómo indicar la dirección de los campos B 01/01/2018Procesos de generación de electricidad20 Una forma de indicar las direcciones de los campos perpendiculares a un plano es usar cruces X y puntos Una forma de indicar las direcciones de los campos perpendiculares a un plano es usar cruces X y puntos  : X X X X X X X X X X X X X X X X  Un campo dirigido hacia el papel se denota mediante una cruz “X” como las plumas de una flecha. Un campo dirigido afuera del papel se denota mediante un punto “” como la parte frontal de una flecha. 

Magnetismo - Práctica con direcciones: 01/01/2018Procesos de generación de electricidad21 X X X X X X X X X X X X X X X X  X X X X X X X X X X X X X X X X  ¿Cuál es la dirección de la fuerza F sobre la carga en cada uno de los ejemplos siguientes? -v - v +v v + ArribaF IzquierdaF F Derecha ArribaF q negativa

Procesos de Generación de Electricidad 01/01/2018Procesos de generación de electricidad22 Tradicional Otras Formas

Ejemplos de centrales generadoras de energía eléctrica 01/01/2018Procesos de generación de electricidad23 Solar PV: Pocking (Germany), 10 MWp (since April 2006) First wave power: Povoa de Varzim (Portugal), 2.25 MW (expected summer 2006) Wind: Horns Rev & Nysted (Denmark), 160 MW First marine current: Lynmouth (UK), 300 kW (since 2003) Largest space power: International Space Station, 78 kW (since 2000) Largest nuclear: Kashiwazaki (Japan), 8.2 GW (since 1997) Largest pumped storage: Bath County (USA), 2.1 GW (operating since 1985) Largest hydro:Tres Gargantas, China, 22,4GW (todavia faltan etapas) (Brazil/Paraguay), 12 GW (completed 1983) Largest solar thermal power: Kramer Junction (USA), 350 MWe (since 30 years) Largest tidal power: La Rance (France), 240 MW (since 40 years)

Indicadores para caracterizar centrales Potencia o capacidad nominal (Pnom) Potencia o capacidad máxima (Pmax) Potencia mínima (Pmin) Potencia instalada (en central) (Pinst) Potencia media (Pmed) Potencia garantizada Factor de planta (Fpl) Factor de utilización (Futl) 01/01/2018Procesos de generación de electricidad24

Costos Típicos de Inversión en Generación Térmicas a Carbón Costo: US$/kW Reactores Nucleares Costo: >2000 US$/kW ¿? Hidroeléctricas Costo: US$/kW Turbina a Gas Costo: US$/kW Ciclo Combinado Costo: US$/kW Eólico Costo: US$/kW Geotérmico Costo: US$/kW Otros: Celdas Solares, Celdas de Combustible, etc. 01/01/2018Procesos de generación de electricidad25

DEFINICION GENERADOR ENERGÍA MECÁNICAENERGÍA ELÉCTRICA 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). 01/01/2018Procesos de generación de electricidad26

Ley de Faraday-Lenz Un campo magnético variable genera o induce un FEM Notar que si el flujo es variable en el tiempo la fem se induce independiente de la corriente I 01/01/2018Procesos de generación de electricidad27

Ley de Faraday-Lenz Un campo magnético variable genera o induce un FEM Recordemos que la definición de fem es 01/01/2018Procesos de generación de electricidad28

Ley de Faraday-Lenz Un campo magnético variable genera o induce un FEM La FEM inducida “aparece” en el circuito con campo variable: 01/01/2018Procesos de generación de electricidad29

Ley de Faraday-Lenz Un campo magnético variable genera o induce un FEM La FEM inducida “aparece” en el circuito con campo variable: 01/01/2018Procesos de generación de electricidad30

Ley de Faraday-Lenz Un flujo magnético variable genera o induce un FEM Notar que un flujo variable en el tiempo se puede lograr de dos formas: Con un campo variable B(t) Con una superficie variable S(t) 01/01/2018Procesos de generación de electricidad31

Principio del generador Área variable en el tiempo produce B(t) 01/01/2018Procesos de generación de electricidad32

Principio del generador – Unidades φ Sistema CGS[líneas][líneas/cm2] Sistema mks[Wb] (Weber)[Wb/m2] = [Tesla] Equivalencias1 [Wb] = 10^8 [líneas]1 [Tesla] = 10^4 [Gauss] = 10 [kGauss] 01/01/2018Procesos de generación de electricidad33

Principio del generador 01/01/2018Procesos de generación de electricidad34

Principio del generador 01/01/2018Procesos de generación de electricidad35

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Principio del generador 01/01/2018Procesos de generación de electricidad37

Principio del generador 01/01/2018Procesos de generación de electricidad38

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DEFINICION DE MOTOR ENERGÍA ELÉCTRICA ENERGÍA MECÁNICA 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). 01/01/2018Procesos de generación de electricidad40

Torque Magnético Ley de Biot y Savarat 01/01/2018Procesos de generación de electricidad41

Torque Magnético 01/01/2018Procesos de generación de electricidad42

Torque Magnético 01/01/2018Procesos de generación de electricidad43

Torque Magnético 01/01/2018Procesos de generación de electricidad44

Torque Magnético 01/01/2018Procesos de generación de electricidad45

Torque Magnético 01/01/2018Procesos de generación de electricidad46

Motor elemental 01/01/2018Procesos de generación de electricidad47

Motor elemental 01/01/2018Procesos de generación de electricidad48