Técnico en Electrónica: Generación de corriente continua

Tras el descubrimiento de Edison de la generación de electricidad, la corriente continua comenzó a emplearse para la transmisión de energía eléctrica. Durante el siglo XX, este uso decayó en favor de la corriente alterna por sus menores pérdidas en la transmisión a larga distancia, si bien se conservó en la conexión de líneas eléctricas de diferente frecuencia.

Se ha extendido el uso de la corriente continua mediante células solares, dado el nulo impacto medioambiental del aprovechamiento de energía solar frente a soluciones convencionales.

Generación de CC

La corriente continua o directa es aquella cuyas cargas eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo hacia el polo positivo de una fuente de fuerza electromotriz, tal como ocurre en las baterías, en los dínamos, o en cualquier otra fuente generadora de este tipo de corriente eléctrica, como lo son también las celdas solares. La manera más amplia de difusión de energía eléctrica de la denominada continua se da a través de las pilas y los acumuladores recargables.

Las pilas responden a un efecto de tipo químico. El funcionamiento resumido de una pila eléctrica es el siguiente: tomamos dos barras de elementos químicos diferentes, como, por ejemplo, el carbón y el zinc, y los sumergimos en una solución de agua y ácido sulfúrico. Dado que el ácido ataca al zinc de una forma más rápida de como lo hace con el carbón, se origina entre estos dos materiales una diferencia de potencial. Dicho montaje constituye la base de una pila eléctrica. Las dos barras que se utilizan se denominan electrodos, mientras que la solución acuosa en la que estos se sumergen recibe el nombre de electrolito.

Estos generadores químicos tienen una vida limitada. En el que presentamos, la conexión en los electrodos (bornes) de la pila de un circuito eléctrico por alimentar produce una corriente de electrones entre el polo negativo (zinc) y el positivo (carbón) a través del circuito alimentado. A continuación, los electrodos retornan a la barra de zinc a través de la solución ácida. Cuando el electrodo de zinc queda completamente corroído por la acción del ácido, la pila ha llegado al final de su vida.

Pilas

Dentro de las pilas de vida limitada, se destaca la pila seca o Leclanché, la cual aporta una ventaja definitiva a las explicadas antes, ya que, en vez de utilizar una disolución líquida como electrolito, usa una pasta que realiza las mismas funciones. Todo ello, unido al hecho de que la pila esté completamente sellada, ha contribuido a su masiva utilización. La tensión que suelen ofrecer este tipo de pilas es de 1,5 voltios. Existen pilas de tensiones mayores que no son sino un conjunto de pilas de 1,5 V empaquetadas en un mismo encapsulado. Las pilas alcalinas operan con una mezcla de zinc y bióxido de manganeso, y su eficiencia en circuitos de elevado consumo es sensiblemente superior a los otros tipos.

Acumuladores

Otras formas de fuentes alternativas son los acumuladores, más conocidos como baterías; una vez agotada la sustancia que provoca la reacción química, puede recargarse haciendo pasar a través de ellas una corriente eléctrica continua. En el proceso de descarga, transforman energía química en energía eléctrica; el proceso de carga es inverso, la energía eléctrica del exterior se transforma en energía química.

Entre los tipos de baterías, encontramos los acumuladores de plomo, los acumuladores de plomo y calcio, y los de níquel y cadmio. Los acumuladores de plomo están formados por una serie de elementos (pilas) sumergidos en electrolito, mezcla de ácido sulfúrico y agua destilada. Cada elemento está formado por un grupo de placas positivas de dióxido de plomo, todas ellas unidas por un puente de plomo antimonio, y un grupo de placas negativas de plomo esponjoso aleado con un 6% de antimonio para darle consistencia, también unidas entre sí. De esta forma, cada elemento suministra unos 2,4 V cuando está completamente cargado, y, para obtener 12 V, necesitaremos 6 elementos acoplados en serie. Los acumuladores de plomo-calcio son las llamadas baterías sin mantenimiento. Las rejillas de sus placas están constituidas por una aleación de plomo-calcio que alarga la vida de la batería y reduce la autodescarga. Además, sufre menor evaporación de agua, por lo que, teóricamente, no hay que completarlas. Otra característica importante es que el nivel de corrosión en los bornes es muchísimo menor, pues no se produce la evaporación del ácido.

Por último, los acumuladores de níquel-cadmio son aquellos que tienen aspecto de pila y, por lo general, se utilizan en las luces de emergencia; al ser recargables, reemplazan con ventaja a las pilas secas. Algunas son de gran tamaño y resultan mucho más caras que las baterías de plomo, pero tienen la propiedad de poderse descargar hasta 0 V y volver a cargarse sin sufrir deterioro.

Dinamos

En cuanto a las dinamos, son máquinas eléctricas que producen energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Para ello, están dotadas de un armazón fijo denominado estator, encargado de crear el campo magnético en cuyo interior gira un cilindro (rotor), donde se crearán las fuerzas electromotrices inducidas. Cuando está en funcionamiento, hace girar una espira en un campo magnético, y se produce una FEM inducida en sus conductores.

La tensión obtenida en el exterior a través de un anillo colector y de una escobilla en cada extremo de la espira tiene carácter senoidal. Si conectamos los extremos de la espira a unos semianillos conductores aislados entre sí, conseguiremos que cada escobilla esté siempre en contacto con la parte de inducido que presenta una determinada polaridad. El inducido suele tener muchas más espiras, y el anillo colector está dividido en un mayor número de partes o delgas, aisladas entre sí, que forman lo que se denomina el colector.

Las escobillas son de grafito o carbón puro montado sobre portaescobillas que, mediante un resorte, aseguran un buen contacto. Al aumentar el número de delgas, la tensión obtenida tiene menor ondulación y se acerca más a la tensión continua que se desea obtener. En el caso de las dinamos de excitación de serie, el devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados. Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada, se construye con pocas espiras de gran sección y presenta el inconveniente de no excitarse al trabajar en vacío.

En la dinamo con excitación mixta o compuesta, el circuito inductor se divide en dos partes independientes, y conecta una en serie con el inducido y otra en derivación.

Existen dos modalidades, la compuesta corta, que pone el devanado derivación directamente en paralelo con el inducido (EAC), y la compuesta larga, que lo pone en paralelo con el grupo formado por el inducido en serie con el otro devanado (FC).

El devanado serie aporta solamente una pequeña parte del flujo, y se puede conectar de forma que su flujo se sume al flujo creado por el devanado paralelo (aditiva) o de forma que su flujo disminuya el flujo del otro devanado (diferencial). Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación de la dinamo, se consigue que la tensión que suministra el generador a la carga sea mucho más estable para cualquier régimen de carga. La gran estabilidad conseguida en la tensión por estas dinamos las convierte, en la práctica, en las más utilizadas para la generación de energía.

Celdas solares

Por último, hablamos de los paneles o celdas solares, formados por numerosas celdas denominadas celdas fotovoltaicas, que convierten la luz en electricidad. Estas dependen del efecto fotovoltaico por el que la energía luminosa produce cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos de diferente tipo, originando así un campo eléctrico capaz de generar una corriente. El silicio cristalino y el arseniuro de galio son la elección típica de materiales para celdas solares. Los cristales de arseniuro de galio son creados en especial para uso fotovoltaico, mientras que los cristales de silicio están disponibles en lingotes estándares más baratos, producidos principalmente para el consumo de la industria microelectrónica. El silicio policristalino tiene una menor eficacia de conversión, pero, también, menor costo.

Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos considerar tanto la naturaleza del material como la de la luz del sol. Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, por lo general, silicio y arseniuro de galio. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas (“huecos”) de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico. Los huecos se mueven hacia la capa positiva, y los electrones, hacia la negativa.

Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellas solo se pueden recombinar pasando a través de un circuito externo fuera del material. Por lo tanto, si se hace un circuito, se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos.

Cuando se expone a luz solar directa, una celda de silicio de 6 cm de diámetro puede producir una corriente de alrededor de 0,5 amperes a 0,5 volts (equivalente a un promedio de 90 W/m², en un rango de usualmente 50-150 W/m², dependiendo del brillo solar y la eficacia de la celda). El arseniuro de galio es más eficaz que el silicio, pero también más costoso. Con su aparición en la industria aeroespacial, la energía fotovoltaica se ha convertido en el medio más fiable para suministrar energía eléctrica a satélites o sondas en las órbitas interiores del sistema solar, gracias a la mayor irradiación solar sin el impedimento de la atmósfera.

En el ámbito terrestre, este tipo de energía se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica y para producir electricidad a gran escala a través de redes de  distribución. También ha sido usada para dar energía a vehículos solares, y vehículos terrestres la usan para cargar sus baterías de forma autónoma. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años.

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