Corriente alterna y continua. Breves nociones sobre la producción y las características básicas de la CA y CC. Forma parte del contenido de Lecturas básicas para solar térmica y FV
Produción de corriente alterna y corrinte continua
El hecho de que existan la corriente alterna y la continua es solo una exigencia de la física, con sus ventajas y limitaciones de las que hablamos a continuación. Por lo que concierne a la temática de esta web, vamos a extendernos algo más describiendo la primera por la relación con el volcado de energía eléctrica en la red pública; para la explicación más detallada de la corriente continua hay bastante lectura en las páginas sobre acumuladores y panel fotovoltaico.
- Frecuencia y polaridad
- La energía solo se transforma
- Más sobre corriente alterna
- Qué es el coseno de fi
- Transporte de energía en forma de corriente eléctrica alterna
Frecuencia y polaridad
Cuando la producción de energía eléctrica ocurre desde una máquina giratoria impulsada por energía mecánica, ( salto de agua, viento, etc.) es en forma de ciclos que recorren sus diferentes valores desde 0 hasta un máximo desde el que, pasando de nuevo por todos esos valores, regresa otra vez a 0. Así un determinado número de veces por segundo ( frecuencia ). Esto es corriente alterna ( en una gráfica tendría forma senoidal ). No hay polo positivo ni negativo como en una batería o un panel fotovoltáico. La alternancia constante y regular de estos valores ( en Europa 50 ciclos o Hercios ) nos permite extraer unos valores de tensión o diferencia de potencial que llamamos eficaces y que son los que pueden ser medidos con un voltímetro. Esta forma de corriente eléctrica está presente en los enchufes de nuestra casa y, no es casualidad que éstos nos permitan introducir la clavija sin posición determinada: no hay polaridad.
Corriente continua. Cuando la energía eléctrica se produce desde un proceso químico (electrones viajando de un lado a otro) como es el caso de un acumulador o un panel fotovoltaico, los electrones se ordenan de forma que uno de los bornes del elemento generador contiene la carga positiva y el otro la carga negativa ( polaridad ) de tal forma que si los ponemos en contacto a través de un elemento más o menos conductor de corriente eléctrica, se establecerá un intercambio entre ellos hasta que ambos bornes equilibren su potencial eléctrico y ninguno de ellos sea más positivo o más negativo que el otro.
En el caso de un acumulador esto supondría una situación de descarga total. En el caso de un panel fotovoltaico esto sucedería en ausencia total de luz solar. Al contrario de lo que sucede con un enchufe doméstico, cuando un receptor es alimentado con CC, sí ha de respetarse la forma de conexión, ocurriendo que las clavijas normalizadas impiden la posibilidad de invertir los polos.
La energía solo se transforma
Permítanos el lector en este punto, introducir una pequeña reflexión: En todos los casos de generación de energía eléctrica citados anteriormente está presente el concepto de transformación, es decir la conversión de otra forma de energía en electricidad, pero jamás la creación de ésta. El sol evaporó el agua en su momento para que por medio de la lluvia, pudiera ser almacenada en los embalses y, al dejarla caer, transformamos su energía potencial en energía cinética con la que producimos electricidad en forma de corriente alterna; o creó las diferencias de temperatura en la atmósfera provocando la brisa que mueve un aerogenerador; o iluminó suficientemente una célula fotovoltaica para provocar un desplazamiento de electrones y producir una corriente continua.
Más sobre corriente alterna
Como hemos dicho antes llamamos corriente alterna a la que se nos entrega con valores de tensión que no son fijos, es decir, varían pero con una alternancia regular en tiempo y valor (frecuencia ), y se produce cuando un conductor eléctrico, representado abajo por el punto negro, corta perpendicularmente a su eje las líneas de fuerza de un campo magnético, representadas en los dibujos por las líneas paralelas. Ese conductor es una de las espiras o vueltas de un bobinado movido circularmente y a velocidad uniforme por una fuerza mecánica. Esta transformación de la energía da como resultado lo que llamamos fuerza electromotriz.
El punto del dibujo es un hilo eléctrico visto en sección atravesando el campo magnético
El conductor eléctrico gira dentro de un campo de fuerza magnética y en sus extremos podemos medir una tensión cuyo valor depende en cada momento de su trayectoria, es decir, del ángulo con el que corte las líneas del campo ( positivo y negativo ). A mayor perpendicularidad de corte, mayor tensión podremos medir en sus extremos. En el punto en que el conductor se mueve tangencialmente a estas líneas, la tensión sería cero. Igualmente, si el conductor se detiene no se genera ninguna tensión en sus extremos. En el dibujo de abajo podemos ver la producción de alterna trifásica.
El desfase eléctrico entre cada uno de los tres bobinados es de 120 grados y sumados equivalen a una circunferencia, o sea 360 grados.
Tres conductores eléctricos ( bobinados ) que giran a distancias iguales mantendrían un ángulo de 120º entre ellos y generarían valores de tensión iguales pero en distintos momentos, es decir desfasados 120º. Esto es lo que recibe el nombre de corriente trifásica ( Tres fases independientes ). Los tres bobinados unidos por un extremo compondrían el hilo neutro ( valor 0 voltios ).
Los conductores inducidos ( bobinado inducido ) pueden ser movidos por cualquier fuerza mecánica como hemos mencionado más arriba, ( turbina de vapor, salto de agua, viento, etc ) para provocar su movimiento circular dentro el campo magnético. Esto es tan solo una noción esquemática y muy básica pero necesaria para entender más adelante el funcionamiento del inversor o convertidor de CC procedente de los paneles solares, en CA para distribuir o inyectar en la red eléctrica.
No profundizaremos más en otros conceptos de relativos a este tema, como la relación entre fases o el valor neutro, la conexión estrella o triángulo, etc para los que sería necesario abrir otro tema con nociones de trigonometría, pero sí explicaremos someramente un término que encontraréis en las hojas de características de los inversores: el coseno de fi.
Qué es el coseno de fi
Hemos dicho que no teníamos intención de profundizar mucho más en corriente alterna, pero no podemos pasar por alto este pequeño detalle: el “ coseno de fi “; o cos seguido de la letra griega que no somos capaces de reproducir aquí pero que se pronuncia como el entrecomillado. También se suele llamar factor de potencia y es simplemente el factor que define la componente reactiva de la corriente alterna, o lo que es lo mismo, cómo influyen las capacitancias e inductancias ( todo lo que no es resistencia pura ) conectadas a una red.
El conjunto de las cargas inductivas y capacitivas no deben tener un ángulo de desfase “ fi “ con respecto a la componente resistiva, cuyo coseno sea muy inferior a 0,9. Este valor es el que puede verse en las placas de características de los inversores además de en otros muchos aparatos eléctricos. El inversor de la instalación fotovoltáica que proporciona energía a una red, también supone una carga para la misma y por tanto debe tener controlado el factor de potencia muy próximo a la cifra mencionada.
Transporte de energía en forma de corriente eléctrica alterna
La CA nos ofrece la maravillosa facultad de poder ser transformada en valor de forma sencilla, es decir, podemos reducir o ampliar los valores de la onda senoidal gracias a lo que explicábamos en puntos anteriores de esta misma página. Decíamos que un conductor que se mueve a través de un campo magnético produce una diferencia de potencial en sus extremos, proporcional a la perpendicularidad con la que corta esas lineas, pues bien, también sucede lo contrario, es decir, un cable bajo tensión alterna produce un campo magnético también variable, que a su vez puede ser transportado por un elemento metálico cuando es atravesado por las lineas de fuerza de ese campo. Esto es básicamente el funcionamiento de un transformador eléctrico y lo explicamos a continuación.
Este aparato está compuesto por una pieza metálica llamado núcleo magnético formado por un número determinado chapas aisladas entre sí por una delgada película de barniz que hace la función de aislante eléctrico entre ellas. El cuerpo formado por las láminas metálicas está rodeado por diferentes bobinados de hilo de cobre también recubierto por una fina capa de aislamiento. Estas bobinas alojan en su interior una parte del núcleo como se puede ver en el esquema, y realizan la función de inducir flujo magnético o ser inducidas por éste.
En el esquema del transformador puede verse un bobinado de entrada llamado primario y otro de salida llamado secundario. El producto voltios por amperios es igual en ambos.
El bobinado de entrada, está representado en el dibujo con muchas más espiras ( vueltas ) alrededor del núcleo, que el de salida. Esto significa que el secundario recogerá menos flujo magnético y por tanto el valor de la diferencia de potencial entre sus bornes será menor; sin embargo, la potencia del transformador es un valor único, es decir, sería incorrecto hablar de una potencia de salida o de entrada, puesto que si nos fijamos en los valores de la imagen, los productos VxI de ambos lados son iguales, siendo la intensidad del secundario mucho mayor que la que circula por el bobinado primario y la tensión entre bornes de éste, mucho mayor que la del secundario.
Después de este razonamiento es más fácil entender cómo se produce la distribución de energía a través de líneas de alta tensión, que en ocasiones transportan energía eléctrica envasada a 100.000 voltios mediante cables extremadamente delgados. Al ser tan alta la tensión de transporte se reduce la intensidad, pudiendo instalar cables aéreos con mucho menos peso, facilitando de esta manera el cálculo de los tendidos eléctricos que en muchos casos deben cubrir enormes distancias. Con la instalación de subestaciones de transformación en ubicaciones adecuadas, la tensión de transporte se reduce al derivarse hacia poblaciones o grandes barrios y en éstos, se reduce aún más hasta llegar a nuestra casa con los conocidos 220 voltios.
En las etapas de media tensión ( en torno a 25.000 voltios o inferior ) es generalmente cuando las plantas de producción fotovoltaica aportan su energía a la red eléctrica. Es en este momento cuando interviene un elemento clave que hace posible que la corriente continua producida por el campo de paneles, pueda ser compartida con la corriente alterna de la red pública: el inversor.
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