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Producción y transporte de la electricidad



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Ayuda En una central eléctrica se produce energía eléctrica por transformación de otros tipos de energía. Según el tipo de energía que transforman las centrales eléctricas se clasifican en: hidroeléctricas, si transforman la energía potencial de un salto de agua. térmicas si utilizan la energía de combustibles fósiles como carbón, fuel o gas natural. nucleares si transforman la energía obtenida en la fisión de núcleos pesados. eólicas si transforma la energía cinética del viento. etc. El fundamento de la producción de electricidad en cualquier tipo de central eléctrica es el movimiento de unas bobinas en el interior de un potente electroimán; de ese modo en las bobinas se produce corriente eléctrica, y el conjunto de las bobinas y el electroimán constituye el generador. Para mover las bobinas se conectan a una turbina, que es una especie de molino con aspas o álabes, los cuales se mueven mediante una corriente de vapor de agua o de agua líquida, como las que se muestran en los siguientes dibujos. La energía eléctrica producida se transporta mediante la red de alta tensión. Turbinas
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Ayuda Por rendimiento de una central se entiende el porcentaje de energía eléctrica que se obtiene respecto a la energía utilizada para la obtención de electricidad. Así, una central cuyo rendimiento sea del 30% significa que para obtener 30 J de energía eléctrica se precisa transformar 100 J de otro tipo de energía. El mayor porcentaje de pérdidas en una central térmica, alrededor de un 60%, se produce al enfriar el agua de refrigeración, antes de devolverla al río o al mar, para no dañar el ecosistema. El agua de refrigeración es la que se utiliza para enfriar el vapor de salida de las turbinas, y se enfría en las torres de refrigeración, en las cuales se hace caer el agua caliente en forma de lluvia y se enfría por contacto con el aire. El resto de pérdidas por calor, rozamiento y sonido son mucho menores, en total de alrededor del 10%, tal como se muestra en el siguiente diagrama. (Gp:) Combustible más oxígeno (Gp:) Pérdidas por rozamiento y gases calientes, 8% (Gp:) Pérdidas en la torre de refrigeración, 60% (Gp:) Pérdidas por calor y sonido, 2% (Gp:) Energía eléctrica Producida, 30%
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Ayuda La figura adjunta muestra el esquema de un alternador. Consta de un potente electroimán en cuyo interior gira una bobina; los hilos de entrada y salida de la bobina van soldados a unos anillos, denominados delgas, que giran con la bobina por estar todos ellos unidos a la turbina. Unos contactos eléctricos, denominados escobillas, apoyan permanentemente en las delgas y permiten la salida de corriente hasta el circuito de utilización, que en el dibujo se ha representado por una bombilla. La corriente producida se caracteriza por circular en sentidos opuestos cada media vuelta de la bobina, por lo que se denomina corriente alterna. El voltaje que proporciona este generador depende de lo potente que sea imán, del número de espiras de la bobina y de la velocidad a la que gira, aunque su valor cambia continuamente de valor y de signo. En España la corriente alterna de uso doméstico es de 220 V y 50 Hz (hertzios); el valor 220 V es el denominado voltaje eficaz, aunque el voltaje máximo es de unos 310 V, como se muestra en la gráfica de al lado. Un voltaje eficaz de 220 V es aquel que produciría la misma potencia que un voltaje constante y continuo de 220 V. El valor 50 Hz, que se denomina frecuencia, significa que la bobina gira 50 vueltas en 1 segundo, o lo que es lo mismo tarda 1/50 = 0,02 s en dar una vuelta, tiempo que se denomina período. (Gp:) Voltaje (Gp:) Tiempo de una vuelta (Gp:) + (Gp:) - (Gp:) 310 V (Gp:) - 310 V
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Ayuda El voltaje proporcionado por los alternadores de una central eléctrica es de unas decenas de miles de voltios, digamos 25000V. La energía eléctrica proporcionada por las centrales debe llegar a las casas y a las industrias, que suelen estar alejadas de las centrales, y durante el transporte de la energía se producen pérdidas por desprendimiento de calor al pasar la corriente por los cables de transporte. Como ya sabes, la potencia proporcionada por un generador se calcula como: P = V·I, lo que significa que la misma potencia se puede proporcionar con un voltaje elevado y una intensidad menor, que con un voltaje más bajo y una intensidad menor. Sin embargo, la potencia disipada o perdida en los cables de conducción se calcula por la expresión: Pperdida = I2·R, lo que significa que depende de la intensidad que circula y de la resistencia, ya que las cargas rozan con el conductor y desprenden energía. Como consecuencia de lo anterior, el transporte de energía se realiza a elevado voltaje y a intensidad menor, procurando al mismo tiempo que la resistencia de los cables sea pequeña. Como sabes de una lección anterior, para hacer menor una resistencia se puede hacer el cable más corto (lo que aquí no es posible puesto que las casas y las fábricas están donde están respecto a la central), más grueso (lo que si es posible hasta un cierto límite pues si es muy grueso es caro y pesado) y utilizar un buen conductor (que suele ser cobre). Para elevar el voltaje en el transporte y disminuir las pérdidas, y para volverlo a bajar en las casas y en las industrias por razones de seguridad, se utilizan los transformadores, que transfieren energía modificando el voltaje.
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Ayuda Un transformador es un dispositivo que transfiere energía entre dos circuitos modificando el voltaje. Consta de dos bobinas aisladas e independientes, arrolladas ambas a un núcleo de hierro. Por el denominado circuito primario circula la corriente cuyo voltaje se quiere cambiar, y en el circuito secundario circula la corriente con el nuevo voltaje. La relación de transformación de voltaje depende del número de espiras del primario y del secundario, cumpliéndose: V1/V2 = N1/N2. En un transformador ideal no hay pérdidas y se cumple que las potencias de entrada y de salida son iguales: V1·I1 = V2·I2. En un transformador real las pérdidas son pequeñas, pues el transformador es un dispositivo de elevado rendimiento. Se muestran a continuación el símbolo de un transformador con núcleo y una fotografía de un transformador de una subestación transformadora. El rendimiento de un transformador se calcula por la expresión siguiente: potencia de salida Rendimiento = ·100 potencia de entrada
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EJERCICIO 1En la figura se muestra el esquema de una central eléctrica térmica. Sitúa las palabras de la tabla en el lugar adecuado del esquema de la central. Vapor de agua Horno y caldera Turbina Alternador Vapor de agua a alta presión Torre de refrigeración Red eléctrica Humos Transformador Circuito de refrigeración (Gp:) Vapor de agua (Gp:) Turbina (Gp:) Alternador (Gp:) Vapor de agua a alta presión (Gp:) Torre de refrigeración (Gp:) Horno y caldera (Gp:) Red eléctrica (Gp:) Circuito de refrigeración (Gp:) Transformador (Gp:) Humos
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EJERCICIO 2Las centrales eléctricas térmicas y nucleares tienen un rendimiento de alrededor del 30%, mientras que el rendimiento de las centrales hidroeléctricas puede alcanzar el 85 %.(a) ¿A qué crees que puede ser debido esta diferencia de rendimiento?(b) ¿Por qué las centrales térmicas se construyen junto al mar o junto a un río?(c) ¿Conoces algún tipo de central que no necesite estar al lado de un río o del mar? En las centrales térmicas se calienta agua mediante la energía proporcionada por el combustible. En el propio proceso en la refrigeración del vapor de la turbina, y muy especialmente en la refrigeración del agua de refrigeración de dicho vapor, se producen grandes pérdidas de energía. En las centrales hidroeléctricas esas pérdidas no existen pues el agua se utiliza a temperatura ambiente, y las únicas pérdidas se producen por rozamiento y por energía acústica, que son mucho menores. Infórmate del funcionamiento de las centrales térmicas y de las centrales hidroeléctricas antes de responder al apartado (a).. Contesta al apartado (b) La respuesta está implícita en la anterior. Si se necesitan grandes cantidades de agua de refrigeración, ésta debe estar a disposición de la central. Contesta al apartado (c) La respuesta no puede ser las centrales hidroeléctricas por su propio funcionamiento. La única central de uso práctico en la actualidad sería el parque eólico, cuyo rendimiento energético máximo está sobre el 45%.
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EJERCICIO 3La figura muestra el funcionamiento de una central eléctrica térmica.(a) El vapor que entra en las turbinas se encuentra a presión y temperatura elevadas, pero hay que enfriarlo a la salida. ¿Por qué?(b) El agua de refrigeración se calienta y se hace pasar por las torres de refrigeración para enfriarlo. ¿Por qué debe hacerse eso? Contesta al apartado (a) Contesta al apartado (b) Al enfriar el vapor disminuye la presión y condensa. La diferencia de presión a la entrada y a la salida es la causa del movimiento de la turbina. El agua de refrigeración no puede echarse directamente al río o al mar, puesto que provocaría daños a los peces y a las especies vegetales de ríos y mares.
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EJERCICIO 4(a) ¿Cuál es la diferencia entre una corriente continua y una corriente alterna? Haz un gráfico voltaje-tiempo de cada tipo. El voltaje está medido en voltios y el tiempo en segundos. (b) La corriente continua la proporcionan las pilas y la corriente alterna los alternadores. ¿Podrías indicar alguna razón?(c) ¿De qué factores depende el voltaje que se genera en un alternador? Contesta al apartado (a) La corriente continua circula siempre en el mismo sentido debido a que el voltaje es constante. La corriente alterna cambia de sentido puesto que el voltaje varía de valor y de sentido continuamente. Esto se muestra en las figuras de al lado Contesta al apartado (b) La corriente continua proporcionada por una pila o batería se debe a una reacción química que es la misma en el transcurso del tiempo. Por el contrario, la bobina del alternador cambia continuamente de orientación respecto al imán, lo que causa el cambio de valor y de sentido del voltaje. Contesta al apartado (c) Los factores son tres: la mayor o menor intensidad del imán, el número de espiras de la bobina y la velocidad de giro de la misma.
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EJERCICIO 5En España el voltaje efectivo es de 220 V y la frecuencia de 50 Hz, mientras que en Estados Unidos el voltaje efectivo es de 110 V y la frecuencia de 60 Hz. Haz un gráfico de un ciclo completo de voltaje , indicando el voltaje máximo y el período, para cada una de estas corrientes. Recuerda que el voltaje máximo es, aproximadamente, 1,41 veces el voltaje efectivo. Calcula el voltaje máximo y el período para España. Calcula el voltaje máximo y el período para EEUU. (Gp:) Dibuja el gráfico de ciclo completo para España. (Gp:) Dibuja el gráfico de ciclo completo para EEUU
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EJERCICIO 6 Una central eléctrica genera una potencia de 5000 W.(a) Calcula la intensidad que circulará por los cables de transporte si el voltaje es de 250 V.(b) Calcula la intensidad que circulará por los cables de transporte si el voltaje es de 100000 V.(c) Si la resistencia de los cables es de 4?, ¿cuánto valdrá la potencia disipada en cada caso? Despeja la intensidad de la expresión de la potencia. Contesta al apartado (a) Contesta al apartado (b) Escribe la expresión de pérdida de potencia y contesta al apartado (c) (Gp:) Pperdida =I2·R , que se calcula para cada caso: que representa una pérdida de: que representa una pérdida de: lo que muestra claramente la necesidad de transportar la energía a voltajes elevados.
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EJERCICIO 7(a) Un transformador sin pérdidas reduce la potencia de 220 V a 11 V. La intensidad que circula por el secundario es de 1 A. ¿Qué intensidad circula por el primario? (b) ¿Cuál debe ser el número de espiras del secundario si el número de espiras del primario es 200?(c) Consideras adecuado tener conectado el primario del transformador a la red, aunque no esté conectado el segundario? Escribe la relación entre la potencia de entrada y de salida, despeja la intensidad en el circuito primario y calcúlala con los datos del ejercicio. Escribe la expresión de la relación de transformación, despeja el número de espiras en el secundario y realiza el cálculo. Contesta al apartado (c) No es adecuado puesto que por el circuito primario está circulando una intensidad que, aunque sea pequeña, representa un consumo de energía.
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EJERCICIO 8El dibujo muestra una red de distribución desde una central eléctrica a los centros de consumo. Hay distintos transformadores. (a) ¿Cuáles son elevadores y cuáles reductores?(b) Calcula la relación entre el número de espiras del primario y el número de espiras del secundario en el transformador número 3. (Gp:) ? (Gp:) ? (Gp:) ? (Gp:) ? (Gp:) ? (Gp:) ? Contesta al apartado (a) El único transformador elevador es el número 1, el que está a la salida de la central, y todos los demás son reductores. Contesta al apartado (b)
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EJERCICIO 9En tu casa utilizas varios aparatos eléctricos que llevan transformador. Infórmate de los que llevan transformadores elevadores y los que llevan transformadores reductores y haz una tabla. Haz clic aquí para ver la respuesta Monitores de ordenador Tubos luminiscentes Encendido de quemadores de gas o fuel Lámparas halógenas Radios Reproductores de música Juegos electrónicos Juguetes (trenes, por ejemplo) Impresoras Depiladoras eléctricas, etc. Televisores
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EJERCICIO 10Indica qué tipo de transformador, elevador o reductor, se necesita para realizar cada una de las siguientes transformaciones de voltaje, y calcula la relación de transformación en cada caso.(a) Un voltaje de 220 V en otro de 6 V para hacer funcionar un radio.(b) Un voltaje de 220 V en otro de 10000 V para el funcionamiento de un televisor.(c) Un voltaje de 25000 V en un voltaje de 500000 V para una red de alta tensión. Contesta al apartado (a) Contesta al apartado (b) Contesta al apartado (c) Se precisa un transformador reductor. Se precisa un transformador elevador. Se precisa un transformador elevador.
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EJERCICIO 11Completa la siguiente tabla sobre transformadores, haciendo los cálculos adecuados. 6 V 2750 11000 6000 Completa la tabla en tu cuaderno y haz clic aquí