nerador de ca de imán permanente típico que muestra los ¡manes permanen tes rectos incrustados en el rotor
(Fairbanks Morse Engine Accessories Operation, Colt Industries).
"CONTACTO" DE POLO VOLANTE
POLOS DEL IMÁN PERMANENTES BOBINA DE ENCENDIDO TERMINAL DEL SECUNDARIO DE LA BOBINA DEL ALTO VOLTAJE TERMINAL DEL PRIMARIO DE LA BOBINA BAJO VOLTAJE BRAZO DE LOS PLATINOS PLATINOS CAPACITOR (CONDENSADOR) BLOQUE DE ROZAMIENTO DE LEVA
Fig. 17-10. Circuito de encendido de un
motor típico de gasolina de un cilindro que emplea un generador de ca de imán permanente.
BUJÍA
CABLE DE CONEXIÓN A TIERRA DE LA BOBINA CONECTADO A UN EXTREMO DE LOS DEVANADOS PRIMARIO Y SECUNDARIO DE LA MISMA
Fig. 17-11. Generador trifásico: (A)
estructura básica de un generador tri fásico sencillo; (B) formas de onda senoi dales de un voltaje trifásico.
B VOLTAJE A VOLTAJE B VOLTAJE C ESCOBILLAS ANILLOS COLECTORES N
S
PIVOTE LEVA DE LA CULATA IMÁN MATERIAL TROQUELADO LAMINACIONEScircuitos automáticos o disyuntores; uno de éstos se conecta en serie con cada uno de los conductores. El alternador típico de automóvil es un ejemplo de un generador trifásico.
Un sistema de energía eléctrica trifásico entrega un sumi- nistro de energía eléctrica más estable a una carga. Por esta razón, los sistemas trifásicos se emplean para equipo de gran capacidad que opera a voltajes de 208 volts o más. Entre estos equipos se incluyen grandes motores, máquinas para soldar y unidades calefactoras.
Casi todas las compañías de generación en Estados Unidos utilizan generadores trifásicos y líneas de distribución de po- tencia trifásica. Las cargas monofásicas que operan a un vol- taje aproximadamente de 120 volts se conectan a uno de los tres conductores de la línea eléctrica y a un cuarto conductor, llamado alambre neutro. Las cargas ordinarias en casas y otras instalaciones se conectan de la misma manera.
AUTOEVALUACIÓN
Pruebe su conocimiento, escribiendo en una hoja de papel aparte, la palabra o palabras que completen correctamente las siguientes afirmaciones:
1. Un generador eléctrico produce un voltaje por medio de
2. Un generador puede operarse girando bo-
binas de alambre a través de un o girando un más allá de las bobinas
de alambre.
3. Un generador se define como una máquina que convierte energía en energía 4. En su forma básica, un conmutador es un
dispositivo semejante a un anillo formado por piezas metálicas llamadas
5. Un conmutador se emplea en un generador 6. Los electroimanes que producen el campo magnético necesario para la operación de un generador se denominan
7. La corriente continua que se emplea para activar los devanados de campo de un ge- nerador se denomina corriente
8. Muchos generadores de cc son accionados por
9. Los generadores de ca grandes son accio- nados por fuentes de energía mecánica, como , y
10. Los generadores de corriente alterna se co- nocen también con el nombre de
11. La armadura rotatoria de un generador de
ca cuenta con o anillos que están en contacto con
12. La frecuencia de la corriente alterna pro- ducida por un generador depende de la ve- locidad de y del número de. magnéticos formados por los devanados de campo.
13. Un generador trifásico tiene tres conjuntos separados de
PARA REPASO Y ESTUDIO
1. Defina un generador eléctrico.
2. Describa la estructura de un generador de corriente alterna sencillo y explique su o- peración.
3. ¿Cuáles son los tres factores que determi- nan el voltaje inducido por la acción del generador?
4. ¿Cuál es el propósito de un conmutador en un generador de cc?
5. Explique el mecanismo de conmutación. 6. Mencione los elementos principales de un
generador de cc práctico.
7. ¿Qué se entiende por corriente de excita- ción de un generador?
8. ¿Cómo se obtiene la corriente de excita- ción en un generador de cc?
9. Mencione tres medios que hagan girar los rotores de grandes generadores de ca.
10. ¿Los grandes generadores de ca son por lo general del tipo de campo rotatorio? 11. ¿Cuáles son los dos factores que determi-
nan la frecuencia de un generador de ca? 12. ¿Qué es un magneto?
13. Explique la operación del magneto volante que se emplea comúnmente en pequeños motores de gasolina.
14. Describa el voltaje trifásico.
15. ¿Cuál es la ventaja de la potencia trifásica en comparación con la potencia mono- fásica?
ACTIVIDADES INDIVIDUALES DE ESTUDIO
1. Prepare un escrito o un informe oral rela- cionado con el desarrollo de grandes gene- radores comerciales.
2. Demuestre la operación de un magneto. Describa su estructura y explique cómo es capaz de producir voltaje.
3. Prepare un escrito o un informe oral que mencione los sistemas de energía eléctrica trifásicos y los propósitos por los que se emplean.
Unidad 18 Otras fuentes de energía eléctrica
Las fuentes de energía son una parte importante de la tecno- logía. Ésta implica la aplicación de ideas científicas para fa- bricar máquinas que puedan trabajar. Los países como Esta- dos Unidos sólo podrán mantener su nivel social y técnico empleando grandes cantidades de energía. Sin embargo, el consumo de energía origina varios problemas, entre ellos: 1) la disminución (agotamiento) de suministros de combusti- ble; 2) la contaminación del ambiente; 3) una dependencia de países extranjeros respecto de suministros de combustible, y 4) dificultades económicas causadas por la necesidad de gas- tar grandes cantidades de dinero en combustibles importados de otros países.
La energía eléctrica es una de las formas de energía más limpias y fáciles de transportar. Si pueden encontrarse méto- dos para producir grandes cantidades de energía eléctrica a un costo razonable, la sociedad será capaz de mantener sus altos niveles de vida. Al mismo tiempo, deben reducirse los daños al ambiente. Considere un automóvil eléctrico alimen- tado con baterías recargables. Tal vehículo no contaminaría, sería silencioso y probablemente tendría pocos problemas de mantenimiento. Mayor información acerca del automóvil eléctrico se da en la Unidad 35, "Sistema eléctrico del auto- móvil".
En la actualidad, la producción de la mayor parte de la energía eléctrica se inicia con energía calorífica. Los combus- tibles fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas natural, se queman para producir calor. Este calor se emplea para calen- tar agua y transformarla en vapor, el cual se utiliza posterior- mente para poner en movimiento turbinas que hacen funcio- nar grandes generadores.
El calor se produce también por fisión atómica en centrales nucleoeléctricas. La operación de éstas y otros tipos comunes de centrales de generación eléctrica se estudia en la Unidad 44, "Industria de la energía eléctrica".
Fig. 18-1. Vista de la sección transversal
de una celda de silicio.
Las reservas mundiales de carbón mineral, petróleo, gas natural y materiales fisionables son limitadas. Por esta razón, deben emplearse otras fuentes de energía. Algunas de éstas son la solar, la eólica, el calor del océano, el movimiento de las olas y los materiales orgánicos (animales o plantas). Estas fuentes en particular son útiles para producir electricidad.
Fig. 18-2 Purificador experimental de
agua accionado con energía solar (U.S.
Department of Defense).
ENERGÍA SOLAR
El empleo de la energía solar como fuente para generar ener- gía eléctrica tiene muchas ventajas. La energía solar es
PANELES SOLARES BATERÍAS CARGA ELECTRONES SÍMBOLO CONTACTO NEGATIVO CONTACTO POSITIVO
ENERGÍA RADIANTE (LUZ)
SILICIO TIPO p JUNTURA p-n SILICIO TIPO n
SUSTRATO METÁLICO
inextinguible (no puede agotarse) y está disponible en todas partes. El empleo de la energía solar debe dañar poco al am- biente y producir pocos desperdicios. Las ceJdas fotovoJtaicas o solares generan directamente electricidad a partir de la energía solar sin usar ningún combustible. La transformación de la energía solar en electricidad puede ayudar a resolver los problemas energéticos a largo plazo.
Celdas solares. Estas celdas casi siempre se hacen de una
capa de silicio, un elemento no metálico muy común, que re- cubre una base metálica conocida como sustrato. El silicio se trata químicamente para producir las formas llamadas tipo p y tipo n. El área donde estas dos formas se tocan se denomina juntura p-n.
La sección transversal de una celda solar de silicio se muestra en la figura 18-1. La capa superior de silicio tipo p es muy delgada. La energía luminosa pasa a través de ella y al- canza la juntura p-n. La energía luminosa suministra energía a los electrones en la capa tipo p y por tal motivo éstos atraviesan la juntura p-n hasta llegar a la capa tipo n. Por consi- guiente, la capa tipo n queda cargada negativamente. Un voltaje se produce entre las capas en cada lado de la juntura p-n.
La cantidad de voltaje producido por una sola celda solar es muy pequeña. Por esta razón, a menudo se conectan muchas celdas para formar un panel solar. Un uso muy impor- tante de los paneles solares es proporcionar energía para car- gar baterías y circuitos de trabajo en vehículos espaciales. La figura 18-12 muestra un purificador de agua accionado con energía solar. Este sistema experimental utiliza varios di- seños de celdas solares montadas en paneles. Las celdas sola- res producen 11 kilowatts cuando el Sol está en el cenit, por lo general alrededor del mediodía. Además, la energía se alma- cena en 20 baterías de plomo-ácido de automóvil, las cuales se utilizan durante los días nublados y cuando se necesita más energía para arrancar los motores.
ENERGÍA EÓLICA
La energía del viento se ha usado por muchos años en Estados Unidos. El aeromotor es una máquina que convierte la ener- gía eólica en trabajo útil. En las áreas rurales de Estados Uni- dos los aeromotores se usaron por lo regular para bombear agua. Hasta hace poco los aeromotores se han considerado de manera formal como otro medio para generar electricidad. En la figura 18-3 se muestran algunos diseños modernos de aeromotores que producirán electricidad. Las aspas de un ae- romotor se modelan algunas veces como hélices de avión. Cuando el viento golpea las aspas, las hace girar. Para produ- cir electricidad se conecta un generador al eje alrededor del cual giran las aspas. Un dispositivo semejante a un timón di- rige las aspas en la dirección del viento. En la figura 18-4 se
Fig. 18-3. Diseños experimentales de
pequeños aeromotores para uso limitado
(Rockwell International).
Fig. 18-4. El primer gran generador
eólico que se usará en Estados Unidos durante varias décadas (National Aero-
nautics and Space Administration).
muestra un gran generador eólico moderno que se encuentra en operación en Clayton, Nuevo México. Este generador eólico puede producir 200 kilowatts de electricidad. Alimen- tado directamente al sistema de la empresa de generación eléctrica local, esto es casi suficiente energía para electrificar 60 casas. Con una velocidad del viento de 8 millas por hora (12.9 km/h) la máquina comenzará a generar energía. A 18 millas por hora (29.0 km/h), producirá su salida máxima de 200 kilowatts. De 18 a 35 millas por hora (29. 0 a 56.3 km/h), se ajustará la inclinación de las aspas, lo cual conserva la salida estable a 200 kilowatts. Con vientos mayores a 35 millas por hora (56.3 km/h), la máquina se para por sí misma.
CALOR DEL OCÉANO
Otra posible manera de generar electricidad es utilizar la energía térmica (calor del océano). Esto implica emplear el agua del océano para colectar y almacenar la energía del Sol. Un sistema que efectúe esto puede tener la forma de una gran estructura flotante anclada en el piso oceánico (Fig. 18-5). Este sistema aprovecha la diferencia de temperatura entre las capas superiores calientes de agua y las capas inferiores más frías. El agua más caliente puede transformar en gas un líquido como el amoniaco. La presión del gas puede utilizarse para impulsar una turbina, a la cual puede conectársele un generador eléctrico. El gas después de pasar a través de la turbina, puede regresar al estado líquido con el agua más fría. El ciclo anterior puede repetirse infinidad de veces. Este sistema trabaja en forma similar a las centrales termoeléctri- cas, las cuales se describen en la Unidad 44. Sin embargo, un
Alcoa 8 k W Enertech ALTA S E G U R I D A D D E F U N C I O N A M I E N T O Areospace Systonwlnc. Windworks Grumman Northwind
sistema de conversión de la energía térmica oceánica opera- ría con presiones y temperaturas mucho más bajas y emplea- ría cantidades muy grandes de agua del océano. La energía se transmitiría a la tierra por medio de cables submarinos y ahí se conectaría con las líneas eléctricas ordinarias. Un gran número de tales sistemas podrían construirse; probable- mente se localizaría cerca de los centros de mayor población.
ENERGÍA GEOTÉRMICA
Los científicos tratan de encontrar otras fuentes naturales de energía calorífica. Una posible fuente, que en la actualidad se utiliza poco, es la energía geotérmica, el calor natural de la Tierra. Esta inmensa fuente podría aprovecharse perforando pozos profundos en la Tierra. Tales pozos entregan vapor, el cual podría canalizarse hacia turbinas que accionan grandes generadores eléctricos.
MOVIMIENTO DE LAS OLAS
Otra fuente de energía que se está considerando es el empleo del movimiento de las olas. Una manera de hacerlo consiste en utilizar una boya anclada (flotador). Se habrán observado las boyas que señalan las entradas a canales y puertos. Una boya para utilizar el movimiento de las olas en la producción de electricidad tiene dos partes. La sección inferior es la parte que flota. La parte superior se modela como un balón con su parte inferior abierta. Las olas obligan al agua a mo- verse hacia arriba y hacia abajo en esta parte superior. Esto impulsa aire hacia dentro y hacia fuera de un tubo que con- tiene un rotor con aspas semejantes a las de un aeromotor. El aire mueve las aspas del rotor, las cuales se diseñan para gi- rar siempre en la misma dirección. Un generador eléctrico está conectado al eje del rotor. Tal sistema podría ser una forma barata de generar electricidad en países con costa ma- rítima.
Fig. 18-5. Concepto artístico de una
estructura flotante para un sistema de conversión de la energía térmica del océano (Lockheed Missiles and Space
Co., Inc.).
MATERIALES ORGÁNICOS
Los materiales orgánicos que pueden transformarse en com- bustibles útiles son otra fuente de energía posible. Tales ma- teriales abarcan desechos agrícolas tanto de cultivos y anima- les como de aguas negras, que pueden transformarse en gas metano, alcohol y petróleo. Algunos cultivos pueden desarro- llarse específicamente para producir combustibles. Tales combustibles pueden sustituir un poco del petróleo o gasolina que emplean los motores para hacer girar a los generadores eléctricos.
TRANSMISIÓN DE ENERGÍA A GRAN ALTURA
En la figura 18-6 se muestra una idea artística de un tipo de central de energía satélite, un sistema espacial de conversión de energía. Este sistema está siendo estudiado por la National Aeronautics and Space Administration (NASA). Un sistema de este tipo puede ponerse en una órbita fija (trayectoria) al- rededor de la Tierra. Ahí puede colectar energía del Sol libre de contaminación. Esta energía puede transmitirse a la Tierra en forma de microondas, ondas de radio de ultraalta frecuen- cia. La estación receptora en la Tierra puede transformar las microondas en electricidad. Localizado muy arriba de la Tie- rra, este sistema no sería afectado por las nubes o la noche y, por tanto, podría operar continuamente.
Fig. 18-7. Operación básica de una
celda de combustible.
Fig. 18-6. Concepto artístico de un sis
tema de conversión de energía espacial
(National Aeronautics and Space Admi- nistration). SOL COLECTOR SOLAR DE 5 x 5 MILLAS (8.05 x 8.05 KM) LÍNEA DE TRANSMISIÓN ELÉCTRICA DE 2 MILLAS (3.22 KM) DE CONTROL ESTACIÓN EQUIPO DE ENFRIAMIENTO ANTENA DE MICROONDAS DE RANURAS DE 1 x 1 MILLA (1.61 x 1.61 KM)
- RADIADOR DE CALOR DE DESECHO ANTENA RECEPTORA DE 6 x 6 MILLAS (9.65 x 9.65 KM) GUÍAS DE ONDAS CARCA ELECTRONES OXIGENO COMBUSTIBLE DIÓXIDO DE CARBONO CÁTODO ÁNODO AGUA ELECTRÓLITO
CELDAS DE COMBUSTIBLE
En una celda de combustible, las reacciones químicas entre el oxígeno y un combustible ocasionan que la energía química se tranforme directamente en energía eléctrica. El hidrógeno y el metano son los combustibles que se usan con mayor frecuencia en tales celdas.
La estructura básica de una celda de combustible de hidrógeno-oxígeno se muestra en la figura 18-7. En esta celda se suministra hidrógeno líquido o gaseoso al cátodo o electrodo negativo. Posteriormente el hidrógeno se distribuye en todo el electrólito y por ello este último libera electrones. Estos electrones se depositan en el cátodo por lo cual queda