Transformacin de energa por induccin electromagnticaModelo demostrativo de la obtencin de energa a travs del aprovechamiento de los campos electromagnticos circundantes a maquinas elctricas

Acosta, R.1; Agudo, A.2; Arca, P.3; Graziani, A.4; Magalln, J5.; Maturell, V6.; Mcloc, A7.; Ni, O.8; Pascual, C.9; Rivera, .10; Rodrguez, L11.; Rodrguez, J.12.; Saavedra, J13.;

Universidad Tecnolgica de Panam Facultad de Ingeniera Elctrica, Campus Central Vctor Levi Saso Ciudad de Panam, Panam Resumen Los campos electromagnticos que rodean las lneas de transmisin y motores elctricos de alto voltaje pueden ser aprovechados como fuentes de energa o una forma de optimizar la energa que de otro modo se perdera en el espacio a sus alrededores. Se plantea la posibilidad de tomar la energa de los campos electromagnticos a los alrededores de antenas, lneas de transmisin o grandes motores; la idea es aprovechar esta energa para hacer funcionar un dispositivo de baja potencia ya sea un sistema de sealizacin con LED, pequeas pantallas LED, dispositivos de medicin o un dispositivo de instrumentacin. Actualmente existen algunas aplicaciones que sern presentadas en este documento y se toman las ideas ms sobresalientes para la posible utilizacin de energizar pantallas que monitoreen temperatura o un sistema de iluminacin, todo depende de la cantidad de energa que se encuentre a los alrededores del dispositivo. Para este caso se analiza el valor de la densidad de campo a los alrededores de lneas de transmisin y de motores elctricos. Este trabajo guarda una estrecha relacin con la transmisin de energa elctrica inalmbricamente, de hecho eso es lo que se pretende hacer con la leve diferencia que se tomar la energa que en caso contrario se perdera en el espacio a los alrededores de lneas de transmisin. Palabras claves: Aprovechamiento de energa, Campos electromagnticos, induccin, motores, lneas de transmisin, trenes.

Introduccin El aprovechamiento de los campos electromagnticos para la generacin de energa elctrica es un tema que implica la optimizacin en el uso de la energa. Es un campo de la ingeniera elctrica que contribuira a desarrollar tecnologa capaz de tomar la energa contenida en los campos electromagnticos a travs de la induccin producida por esta y producir una corriente que energice una carga adecuada para la mencionada tecnologa. En la mayora de los casos se desea que los campos elctricos y

magnticos alrededor de los dispositivos que los generan, sean lo menos intensos posibles para evitar las prdidas de energa. En los alrededores de los motores elctricos y transformadores se pueden encontrar campos magnticos en mayor proporcin y en las lneas de transmisin de alta tensin se encuentran campos elctricos con mayor presencia. En el siguiente documento se presentan los conceptos bsicos de transmisin de energa a travs de campos electromagnticos a travs de la induccin electromagntica, los materiales magnticos, los dispositivos generadores de campos elctricos y magnticos a

sus alrededores como los motores y lneas de transmisin, adems se presenta la posibilidad de aprovechar la energa elctrica que se encuentra en el espacio bajo las lneas de transmisin para mover un vehculo ferroviario. 1. Induccin electromagntica y formas de generar campos electromagnticos

Los campos electromagnticos, ya sea dentro de un transistor, en la superficie de una antena o en el sistema nervioso humano, se definen en trminos de las fuerzas que producen. [1] En el medio en que vivimos, hay campos electromagnticos por todas partes, pero son invisibles para el ojo humano. Se producen campos elctricos por la acumulacin de cargas elctricas en determinadas zonas de la atmsfera por efecto de las tormentas. El campo magntico terrestre provoca la orientacin de las agujas de los compases en direccin Norte-Sur y los pjaros y los peces lo utilizan para orientarse [2]. El ser humano convive diariamente con fuentes generadoras de radiacin no ionizante como las lneas de transmisin de energa elctrica, subestaciones elctricas y estaciones de radiodifusin [3] que son fuentes de generacin de campos electromagnticos que proviene, en su mayor parte, de la generacin, transmisin y utilizacin de la energa elctrica [4]. Sin embargo, estos son a baja frecuencia (50/60 Hz). Los campos elctricos de frecuencia de red ms intensos presentes normalmente en el entorno son los de los lugares situados bajo las lneas de transmisin de alta tensin [2]. En las siguientes figuras se muestra la configuracin de una lnea de transmisin y el campo magntico que genera y la distribucin de la magnitud de la densidad de flujo magntico producido por una lnea de transmisin medida a diferentes distancias sobre el suelo. (Figuras obtenidas en ref. [5]).

Fig. 1 Configuracin de una lnea de transmisin

Fig. 2 Densidad de flujo magntico

Segn el grfico de la figura 2 se puede ver que para una lnea de transmisin de 115 kV que es usual en Panam [6] por ejemplo a 2 metros que es aproximadamente la altura de los vagones ms pequeos en un tren [7] la densidad de flujo aumenta a medida se acerca a la linea de tranmision y entre mas cerca se est en el centro de la servidumbre. 2. Factibilidad de un sistema que aprovecha la energa de los campos electromagnticos Un sistema que aprovecha los campos electromagnticos provenientes de lneas de transmisin como las mostradas en la figura 1, sera til para la optimizacin de la energa elctrica y su mayor aprovechamiento.

Sin embargo es economicamente no seria muy factible debido a que la inversin en la nueva tecnolgia seria algo cara y no sera comparable con la cantidad de potencia que se podria tomar del campo alrededor de una maquina elctrica o linea de transmisin.

RF cosecha de fuentes de ambiente

Desde un balcn en el laboratorio de Intel Research en Seattle (47 39 ' 41 "N, 122 18 '60" W), cosechamos la energa del RF de la KING-TV torre (47 37 '55 "N, 122 20' 59" W), que 960kW emisiones de ERP en el canal 48, en 674 a 680 MHz. Se trata de una distancia de 4,1 kilometros. Se utiliz un registro de banda ancha antena peridica (5 dBi) diseado para aplicaciones de televisin y un 4 etapa de potencia del circuito de recoleccin el mismo diseo que WISP, con un Estado del Arte para el aprovechamiento de la front-end sintonizados en el canal deseado. La energa de los campos electromagnticos en ancho de banda de la parte delantera sintonizado ambientes como los circundantes a maquinas fue de aproximadamente electricas, lineas de transmision y torres de 30MHz. Con la antena de forma manual orientado comunicacin. a la torre de transmisin, el voltaje de circuito 3. Posibles formas de aprovechar los CM para generar abierto se mide energa elctrica (EE) 5.0V (es decir, la nica carga en el poder fue la cosechadora voltmetro). A travs de una carga de Acontinucin presentamos dos formas de 8K de Ohm, que mide 0,7 V, que corresponde a aprovechar los campo para generar aunque sea a 60uW de poder cosechar. Esto es equivalente al pequea escala. presupuesto de la potencia neta muchos de los WISP aplicaciones de deteccin. Aplicando la Los resultados experimentales con dos frmula de transmisin de Friis con la parmetros sistemas inalmbricos de transferencia de por encima de los rendimientos de una potencia nerga recibida de espera 220uW. As, la medida A continuacin se describen dos sistemas de experimental de rendimiento transferencia de energa inalmbrica. La del sistema es razonablemente cerca de la teora identificacin y deteccin de wi-fi Plataforma rendimiento esperado. A continuacin, conecta (WISP) es una plataforma para la deteccin y la este ambiente de RF sistema de aprovechamiento computacin que se alimenta y ledo por un a los terminales de la batera de un disponible en comercial fuera de la plataforma-UHF (915 MHz) el mercado temperatura interior / exterior y el Lector RFID. WISP son pequeos dispositivos de medidor de humedad ("Termmetro / higrmetro") sensores que consumir en el orden del 2uW a con una pantalla LCD [15]. Este dispositivo est 2mW, y puede ser operado a distancias de hasta normalmente alimentado por una pila AAA de varios metros del lector. 1.5V. El termmetro / higrmetro se midi a El segundo sistema cosechas de VHF o UHF de consumir alrededor de 25uA a 1,5 V a partir de energa de la TV torres, con una potencia una fuente de alimentacin de laboratorio. disponible segn el rango y transmisin de Alrededor de una vez por su breve segundo, el potencia de transmisin. Se presenta en un consumo actual experimento en el se dispar a alrededor de 50uA, presumiblemente 60uW que se cosecha en un rango de unos 4 km. cuando el sensor se realizaron las mediciones.

El termmetro / higrmetro funciones normalmente cuando conectado al circuito de alimentacin de cosecha con la antena orientada a la torre de transmisin apropiado: la pantalla cambio parece ser tan buena como cuando el sistema est alimentado por una batera. Con la antena orientada directamente en la torre de la televisin y el termmetro / higrmetro conectados y operativos, la tensin de carga se medido a 1.7V. A medida que la antena estaba orientada lejos de la torre a la que estaba sintonizado, el contraste de la pantalla cay, y luego (cuando la antena se misoriented ms) parece dejar de funcionar por completo

Fig. 7. Control de un medidor de temperatura y humedad (incluyendo Pantalla de cristal lquido) con slo ambiente de potencia de RF.

4. Aplicaciones en funcionamiento Un equipo de fsicos del MIT ha desarrollado un sistema inalmbrico que puede transferir energa elctrica a mltiples dispositivos electrnicos de forma simultnea. El sistema, altamente eficiente, se basa en un acoplamiento mediante resonancia electromagntica, y podra implementarse empotrando una bobina en las paredes o el techo de cada habitacin. Lograron demostrar que resulta ms eficiente alimentar simultneamente a varios dispositivos que a uno solo, siempre y cuando el sistema est correctamente sintonizado. [16]

Fig. 6. Aparato para la cosecha del ambiente de RF experimento. La cosechadora de poder es la placa de circuito impreso en la parte inferior izquierda. La cosechadora es alimentad por la antena periodo de registro. La salida de la cosechadora est conectado a 8K una carga resistiva ohmios y un voltmetro.

Figura 8. Esquema de funcionamiento de WiTricity. Un proyecto que ha sido desvelado en la Conferencia TED Global 2009 en Oxford en el que explican a grandes rasgos cmo funciona la electricidad inalmbrica, un sistema que en cuestin de unos aos (debido a que necesitaramos cambiar y adaptar los equipos actuales),podra hacernos olvidar los cables como elemento conductor de la energa elctrica. El sistema que permite transmitir electricidad sin cables funciona gracias a una bobina que transforma los impulsos elctricos en ondas electromagnticas (resonancia) que trabajan en frecuencias bajas de 10 HZ hasta los dispositivos

compatibles, los cuales llevaran incorporada otra bobina que transformara las ondas en impulsos elctricos para poder alimentarse. [17] Hay empresas desarrollando y produciendo los primeros aparatos para cargar de forma inalmbrica dispositivos porttiles como tel fonos celulares, PDAs, reproductores MP3 y cmaras digitales. Este sistema opera por ondas electromagnticas de alta frecuencia que oscila a determinado valor, que excita al dispositivo preparado para recibir esa seal, lo que produce un campo electromagntico que es convertido en corriente elctrica. [18] Figura 10. Televisor inalambrico de Haier. Delphi Automotive, proveedora de componentes de arquitectura elctrica y electrnica para aplicaciones de transporte, ha alcanzado un acuerdo con WiTricity Corp., proveedor de tecnologa de transferencia elctrica inalmbrica, para desarrollar sistemas inalmbricos de recarga para vehculos elctricos. El sistema se embebe directamente en el pavimento sobre el que se aparca el vehculo y transferir automticamente la electricidad necesaria a la batera. Asimismo, han sealado la importancia de que coexistan sistemas de recarga inalmbricos con otros sistemas de cable para ofrecer una total autonoma a los usuarios. De hecho, Delphi trabaja conjuntamente con Clipper Creek para el desarrollo del Cordn Elctrico con Acople de Carga. [20]

Figura 9. Cargador inalambrico de dispositivos moviles.

La empresa china Haier lanza su primer HDTV de 32 pulgadas completamente inalmbrico que emplea la tecnologa de electricidad inalmbrica de WiTricity y la tecnologa de AMIMON para la transmisin de video de alta definicin de forma inalmbrica con WHDI (Wreless Home Digital Interface). Para la electricidad inalmbrica es necesario tener su apropiada bobina emisora de radiofrecuencias (totalmente inofensivas) en la parte posterior del televisor, colocada en paralelo para tener el resultado (de potencia) deseado. [19]

Figura 11. Diagrama pictorico del sistema de recarga inalambrica para autos.

5. Potencialidad de aprovechan energa electromagnticos.

los de

sistemas que los campos

Figura 12. Experimento realizado por Marin Soljacic. Este fenmeno hace que, cuando dos objetos tienen la misma frecuencia resonante, intercambien fuertemente energa entre s y, por tanto, que la transferencia energtica sea mucho ms eficiente entre ellos, si se aplica a dicha frecuencia. [22] Las aplicaciones de WiTricity son ilimitadas: suministro energtico para coches elctricos, aparatos pequeos como iPhone o cualquier otro telfono, maquinaria industrial. [23] 6. Barrera para la implementacin de los campos Magnticos para generar Energa Elctrica. A pesar que en las lneas de transmisin se pueden inducir voltajes relativamente altos no es suficiente para producir gran potencia debido a que el dispositivo receptor no est acoplado magnticamente o la separacin es demasiado grande, se debe concentrar la energa como en una antena para poder aprovechar la energa. La principal barrera para la implementacin de dispositivos que tomen energa de campos electromagnticos de los alrededores de fuentes generadoras como las maquinas elctricas es el hecho de la alta eficiencia que tienen los transformadores, motores elctricos y generadores. Entre ms grande es la maquina elctrica ms eficiente es y otra realidad que limita la implementacin de un sistema receptor en lneas de transmisin elctrica es que en el diseo de lneas de transmisin se trata en lo posible disminuir el efecto corona y as hacer ms eficiente la lnea de transmisin. Esto significa que el diseo no trata de disminuir los campos electromagnticos alrededor de la lnea de transmisin.

La obtencin de energa electromagntica de medios circundantes a fuentes generadoras de campos electromagnticos es una aplicacin de la electricidad inalmbrica. Esto significa que el dispositivo o aparato que se utilice para captar la energa del medio utilizar principios de la electricidad inalmbrica. La aplicacin de esta forma de aprovechamiento de la energa tiene potencial en el campo de dispositivos que consumen poca potencia como para la sealizacin y alimentacin de luminarias. Los campos electromagnticos son aprovechados por la electricidad inalmbrica (witricity, una palabra derivada de wireless electricity). Esta nueva forma de electricidad nos permitir vivir sin cables en nuestros hogares, oficinas, locales comerciales y otros. El cientfico Marin Soljacic, del Instituto Tecnolgico de Massachusets (MIT), logr iluminar un bombillo a dos metros de distancia sin la ayuda de ningn cable a travs de campos magnticos (Figura N12). La transmisin de electricidad de un punto a otro es posible gracias a dichos campos y el procedimiento, por supuesto, no es nocivo para la salud ya que no se utilizan mtodos radiactivos para transmitir la energa, y los campos magnticos interactan de manera muy dbil con los organismos biolgicos. [21]

Los campos magnticos generados por las lneas de transmisin de energa elctrica no producen efectos adversos para la salud, en virtud que no se cumple la demostracin convincente de la relacin causa-efecto [24]. 7. Modelo demostrativo de la obtencin de energa a travs del aprovechamiento de los campos electromagnticos circundantes a maquinas elctricas Debido a factores de riesgo como la seguridad solo se demostrara la implementacin de un dispositivo receptor que servir para canalizar la energa de una fuente generadora de campos electromagnticos y utilizarla para encender un dispositivo de baja potencia como luces LED, pantallas LCD u cualquier otro dispositivo de bajo consumo de energa elctrica. Se plantea desarrollar bobinas captadoras de energa que funcionarn como antenas las cuales capturan las ondas electromagnticas y las convierten en energa utilizable. La siguiente figura muestra de manera conceptual el proyecto a desarrollarse. De esta forma demostramos que el aprovechamiento de energa a travs de campos electromagnticos en ambientes donde hay maquinas elctricas es una aplicacin de la electricidad inalmbrica o se utilizan una gran cantidad de conceptos de la electricidad inalmbrica. Resultados Generales: Voltaje en la bobina transmisora Voltaje en la bobina receptora 120 V 80 V

Corriente en la bobina transmisora 0.92 A Corriente en la bobina receptora 0.05 A Potencia transmitida 1.0 -2.0 W Eficiencia de la transmisin 1.81 % Resistencia de la bobina Transmisora 1.2 Ohm Resistencia de la bobina receptora 2.2 Ohm

Especficos: Nmero de vueltas de la bobina tranasmisora Nmero de vueltas de las bobinas receptora Frecuencia de transmisin Calibre del alambre de la bobina transmisora Calibre del alambre de la bobina receptora Longitud del alambre de la bobina transmisora Longitud del alambre de la bobina 90 vueltas 68 vueltas 60 kHz 24 AWG 12 AWG 35 m 20 m

La lnea de transmisin o maquina elctrica se puede modelar como una bobina transmisora como lo demuestra la siguiente figura

receptora Dimetro de ambas bobinas Longitud de ambas bobinas

0.2 m 0.14 m

[28 de septiembre de 2010]). Licencia: Creative Commons Attribution-NonCommercial-Share Alike. Tambien en Prentice-Hall: Englewood Cliffs, NJ, 1989. ISBN: 9780132490207 [2] Organizacin Mundial de la Salud, Los campos electromagnticos (CEM) disponible en http://www.who.int/peh-emf/es/ consulta [29 de septiembre de 2010] [3] Sabsay, D.; Di Paola, E.; Quispe, C.; Perpial, D y Esteves, B., Radiacin No Ionizante. Informe final del cdigo ambiental. Documento disponible en http://www.farn.org.ar/investigacion/codigo_ambie ntal/informe_final_dic07/parte_especial/camp_elec _farn.pdf consulta [20 de septiembre de 2010] [4] Arturo, A., Lineas de transmisin, El rincn del vago. Documento disponible en http://html.rincondelvago.com/lineas-detransmision.html consulta [18 de septiembre de 2010] [5] Rebolledo, R.; Zavala, M.; y Galvn, A., Campos electromagnticos producidos por lneas de transmisin y la compatibilidad electromagntica en derechos de va compartidos Boletn IEE disponible en http://www.iie.org.mx/publica/bolja98/hugoja98.ht m consultado [21 de septiembre de 2010] [6] Empresa de transmisin elctrica S. A. Mapa interactivo del sistema de potencia de Panam, sub-estacin de Llano Snchez. Disponible en http://www.etesa.com.pa/ Consultado el da [8 de octubre de 2010] [7] Todo trenes, vagones portabobinas. Disponible en http://www.todotrenes.com/Fichas/verFichaVagon. asp?Vagon=24 consultado [10 de octubre de 2010]

Agradecimientos Al Dr. Omar Aizpura por darnos la oportunidad de hacer una revisin bibliogrfica de los factores que implican el aprovechamiento de la energa de los campos electromagnticos a los alrededores de sistemas de transmisin de potencia y en motores elctricos. Conclusin La obtencin de energa a travs de los campos electromagnticos circundantes a maquinas elctricas se reduce al desarrollo de la electricidad inalmbrica. Los campos electromagnticos a los alrededores de las maquinas elctricas se trata de disminuir al disearlas para reducir las perdida y mejorar la eficiencia. Lo que nos indica que una tecnologa que aproveche dichos campos sera algo cara e innecesaria en algunos casos El rango de potencias que se obtienen con dispositivos de aprovechamiento de energa de campos electromagnticos es baja y solo funcionara para sistemas de control o sealizacin

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