Ministerio de Educación del Ecuador

182/274

Olás y energía eléctrica: generación de corriente con boya, solenoide e imanes

📄 teoria fisica 🎓 bachillerato · 1° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español

Página 182

182 de 274

Anterior Página 182 / 274 Siguiente

Respuesta rápida

Ejercicio 1: usar la inducción electromagnética ( $\mathcal{E}=-N\Delta\Phi/\Delta t$ ) para transformar el oleaje en corriente alterna, mediante boya con solenoide desplazándose entre imanes; potencia media efectiva ≈ 50 MW.

📚 theory fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 6 min lectura

Solución — Página 182

Fisica 1° · 2024

Ejercicio 1

Lectura: "Olas y energía eléctrica"

Enunciado (actividad de reflexión): Alguna vez has pensado... Si usaras la física, como en esta lectura, para crear un mecanismo que solucione un problema, ¿cuál sería?

Comprensión del texto

El texto parte de un problema real: el calentamiento global, causado en parte por la quema de combustibles fósiles para generar electricidad, cuya consecuencia principal es emitir dióxido de carbono ( $\text{CO}_2$ ), gas de efecto invernadero.
La solución física clásica es transformar energía de movimiento (agua que cae, viento) en energía eléctrica moviendo turbinas.
El oleaje marino es difícil de aprovechar con turbinas convencionales, porque el agua del mar se mueve de forma continua arriba y abajo (ascendente y descendente), no en un flujo constante como el río o el viento.
El mecanismo propuesto: una boya que sube y baja con las olas; en su parte inferior se monta un solenoide (bobina de cable de cobre enrollada en espiral, de $N$ espiras).
El solenoide se mueve dentro del campo magnético de una serie de imanes. Al desplazarse, el flujo magnético a través de la bobina varía ( $\Delta \Phi$ ), y según la ley de Faraday se induce una fuerza electromotriz (fem):

$\mathcal{E} = -N\,\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$

El signo menos indica que la fem inducida se opone a la causa (ley de Lenz). Como el movimiento es oscilatorio, la corriente resultante es alterna. 6. El campo magnético permanente de los imanes no se consume; la energía eléctrica proviene del movimiento de la boya, es decir, de la energía cinética de las olas. 7. Datos técnicos: una estación sobre un área marítima de $1{,}5\;\text{km}^2$ podría producir $100\;\text{MW}$ .

$\frac{100\;\text{MW}}{1{,}5\;\text{km}^2} \approx 66{,}7\;\text{MW}/\text{km}^2$

Condición de operación: oleaje con altura entre $0{,}5\;\text{m}$ y $5\;\text{m}$ . Energía disponible en el $50\%$ del tiempo, mejor que la energía eólica, porque el oleaje es más predecible que el viento.

Ejercicio 1

Si usaras la física, como en esta lectura, para crear un mecanismo que solucione un problema, ¿cuál sería? Describe el problema, el principio físico que usarías y cómo funcionaría el mecanismo.

Respuesta orientativa: Propongo un generador de electricidad para comunidades costeras aisladas que hoy dependen de combustibles fósiles o no tienen red eléctrica. El principio físico sería la inducción electromagnética de Faraday: varias boyas con bobinas de cobre se sumergen en el oleaje de la costa; al subir y bajar con las olas, las bobinas recorren el campo de imanes fijos y generan corriente alterna. El flujo magnético varía como $\Phi = B\,A\cos\theta$ y, como el movimiento es oscilatorio, la fem inducida lo es también: $\mathcal{E} = -N\,\dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}$ . La electricidad se acondiciona con un rectificador y se almacena en baterías para iluminar la comunidad.

Cálculo de verificación (dato del texto): si la estación usa el $50\%$ del tiempo de operación de una planta eólica equivalente y produce $100\;\text{MW}$ disponibles, la potencia media efectiva es

$P_{\text{media}} = 0{,}50 \times 100\;\text{MW} = 50\;\text{MW}$

Respuesta

El mecanismo usa la inducción electromagnética para transformar el movimiento ondulatorio del mar en electricidad limpia, sin $\text{CO}_2$ .

Contenido de la página

Alguna vez has pensado...

Si usaras la física, como en esta lectura, para crear un mecanismo que solucione un problema, ¿cuál sería?

Olas y energía eléctrica

En los últimos años se ha comprobado que una de las causas del calentamiento global es el consumo de combustibles fósiles que se emplean, entre otras cosas, para generar energía eléctrica. Debido a esto es muy importante encontrar formas alternativas de generación energética que no produzcan dióxido de carbono, uno de los principales gases que atrapan el calor.

Siempre se buscó la manera de transformar la energía del movimiento de la naturaleza en energía eléctrica. En consecuencia, se aprovecha la fuerza del agua que cae o los vientos, que mueven turbinas para producir electricidad.

Sin embargo, ha resultado problemático transformar la energía del movimiento del agua de los mares con este tipo de aparatos.

Un grupo de investigadores ha desarrollado un mecanismo que, por su misma simplicidad, podría resultar útil y costeable. Una boya en el mar sube y baja de manera continua. Se adapta al artefacto, en su parte inferior, un solenoide, que es un cable de cobre enredado en espiral. El movimiento ascendente y descendente de éste se ubica en medio del campo magnético de una serie de imanes, lo cual genera corriente eléctrica alterna.

Los científicos creen que una estación con dispositivos semejantes colocados en un área marítima de $1{,}5\;\text{km}^2$ podría generar $100\;\text{megavatios}$ .

Es necesario que las estaciones estén colocadas en sitios en los que predomine un oleaje con una altura entre los $0{,}5$ y $5\;\text{m}$ .

Se calcula que puede generarse la energía en un $50\%$ del tiempo requerido en las estaciones de energía eólica, en las cuales la producción depende del movimiento del aire, que es menos predecible que el oleaje.

Tomado de Universidad Nacional Autónoma de México. Coordinación de la Investigación Científica de la UNAM. (2007). 400 pequeñas dosis de ciencia. México.

Ejemplos resueltos

Una estación de olas ocupa $1{,}5\;\text{km}^2$ y puede generar $100\;\text{MW}$ . ¿Cuánta potencia media efectiva produce si trabaja el $50\%$ del tiempo?

Potencia por unidad de área:

$\frac{100\;\text{MW}}{1{,}5\;\text{km}^2}\approx 66{,}7\;\text{MW}/\text{km}^2$

Potencia media efectiva:

$P_{\text{media}}=0{,}50\times100\;\text{MW}=50\;\text{MW}$

Tabla

Comparación	Energía eólica	Energía de olas
Fuente	Movimiento del aire	Movimiento vertical del agua
Predictibilidad	Menor (el viento cambia rápido)	Mayor (el oleaje es más constante)
Tiempo de generación	100 % del tiempo estimado	50 % del tiempo eólico
Condiciones operativas	Velocidad del viento	Ola de 0,5 a 5 m de altura

Diagrama

flowchart LR
    A[Oleaje marino] --> B[Boya que sube y baja]
    B --> C[Solenoide de cobre]
    C --> D[Desplazamiento en el campo de imanes]
    D --> E[Variación del flujo magnético]
    E --> F[Fem inducida]
    F --> G[Corriente alterna]
    G --> H[Estación eléctrica limpia: 100 MW]

Fórmulas y ecuaciones

Ley de Faraday: ( $\mathcal{E}$ $=-N\$ , $\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}$ )

Flujo magnético: $$\Phi$ = $B\,A\cos\theta$$

$\mathcal{E}$ = $-N\$ , $\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$

$\Phi$ = $B\,A\cos\theta$

$\frac{100\;\text{MW}}{1{,}5\;\text{km}^2}$ $\approx$ $66{,}7\$ ; $\text{MW}$ / $\text{km}$ ^2

$P_{$ $\text{media}$ } = 0{,}50 $\times$ $100\$ ; $\text{MW}$ = $50\$ ; $\text{MW}$

Glosario (8)

Calentamiento global: Aumento progresivo de la temperatura media del planeta, favorecido por gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono.
Dióxido de carbono (CO₂): Gas producido por la quema de combustibles fósiles que atrapa el calor en la atmósfera.
Solenoide: Bobina de alambre (por ejemplo, de cobre) enrollada en espiral que produce un campo magnético al pasar corriente por él, o que genera fem inducida al moverse dentro de un campo.
Corriente alterna (CA): Corriente eléctrica cuya dirección y sentido cambian periódicamente con el tiempo.
Campo magnético: Región del espacio donde actúan fuerzas magnéticas; aquí lo generan los imanes fijos del artefacto.
Oleaje: Conjunto de olas en el mar; se caracteriza por su altura y su periodo.
Energía eólica: Energía eléctrica obtenida del movimiento del aire mediante turbinas.
Inducción electromagnética: Aparición de una fuerza electromotriz en un conductor cuando varía el flujo magnético que lo atraviesa.

Preguntas para practicar

¿Por qué el oleaje resulta difícil de aprovechar con turbinas convencionales como las del agua que cae o las eólicas?

Porque el agua del mar se mueve de forma continua hacia arriba y hacia abajo, sin un flujo direccional constante como el de un río o del viento; las turbinas necesitan un flujo unidireccional para girar.

¿Qué papel cumplen los imanes en el mecanismo descrito?

Los imanes crean un campo magnético estable a través del cual se desplaza el solenoide; al variar el flujo magnético que lo atraviesa, se induce una fuerza electromotriz que hace circular la corriente por el cable de cobre.

¿Por qué el texto dice que esta fuente es más predecible que la energía eólica?

Porque el oleaje es producido por perturbaciones lejanas (vientos del océano) que tardan en llegar a la costa, de modo que ofrece una altura de ola más estable entre 0,5 y 5 m, mientras que el viento cambia rápidamente de velocidad y dirección.

Temas y conceptos clave

Generación de energía eléctrica a partir del oleajeInducción electromagnética y solenoideEnergías renovables y calentamiento globalCalentamiento globalDióxido de carbono (CO₂)Energía eléctrica renovableSolenoideCampo magnético de imanesCorriente alternaOleaje y altura de olaEnergía eólica

Fuentes y referencias

Universidad Nacional Autónoma de México, Coordinación de la Investigación Científica (2007). 400 pequeñas dosis de ciencia. México.

¿Te fue útil esta página?

Preguntas que la gente también hace

¿Cómo se transforma la energía del oleaje en energía eléctrica?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Qué es un solenoide y qué función cumple en el generador de olas?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Por qué la corriente generada por una boya en el mar es alterna?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

📌 Antes de leer esto

• Concepto de energía cinética y transformación de energía
• Campo magnético, imanes e inducción electromagnética
• Diferencia entre corriente continua y alterna

Siguiente tema sugerido

Fuerza electromagnética y máquinas eléctricas: motores y generadores (aplicación de la ley de Faraday).

📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 1977 caracteres

Alguna vez has pensado...

Si usaras la física, como en esta lectura, para crear un mecanismo que solucione un problema, ¿cuál sería?

Olas y energía eléctrica

gases que atrapan el calor.

Sin embargo, ha resultado problemático transformar la energía del movimiento del agua de los mares con este tipo de aparatos.

Los científicos creen que una estación con dispositivos semejantes colocados en un área marítima de 1.5 km2 podría generar 100 megavatios.

Es necesario que las estaciones estén colocadas en sitios en los que predomine un oleaje con una altura entre los 0.5 y 5 m.

Se calcula que puede generarse la energía en un 50 por ciento del tiempo requerido en las estaciones de energía eólica, en las cuales la producción depende del movimiento del aire, que es menos predecible que el oleaje.

Tomado de Universidad Nacional Autónoma de México. Coordinación de la Investigación Científica de la UNAM. (2007). 400 pequeñas dosis de ciencia. México.

Texto de Física | 491

Páginas cercanas