Formas para la obtención de energía eléctrica

Instituto Politécnico Nacional

Centro de estudios tecnológicos

Walter Cross Buchanan

Sistemas eléctricos

ING Joel Montesinos Licona

Romero Galicia Ricardo Uriel

4IV8

Formas para la obtención de energía eléctrica

Introducción

Formas de generación de energía eléctrica

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos —cuando se les coloca en contacto por medio de un conductor eléctrico—para obtener trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.

La generación de energía eléctrica se lleva a cabo mediante técnicas muy diferentes. Las que suministran las mayores cantidades y potencias de electricidad aprovechan un movimiento rotatorio para generar corriente continua en un dinamo o corriente alterna en un alternador. El movimiento rotatorio resulta a su vez de una fuente de energía mecánica directa, como puede ser la corriente de un salto de agua, la producida por el viento, o a través de un ciclo termodinámico. En este último caso se calienta un fluido, al que se hace recorrer un circuito en el que mueve un motor o una turbina. El calor de este proceso se obtiene mediante la quema de combustibles fósiles, reacciones nucleares y otros procesos.

La energía eléctrica se crea por el movimiento de los electrones, para que este movimiento sea continuo, tenemos que suministrar electrones por el extremo positivo para dejar que se escapen o salgan por el negativo; para poder conseguir esto, necesitamos mantener un campo eléctrico en el interior del conductor (metal, etc.).Estos aparatos construidos con el fin de crear electricidad se llaman generadores eléctricos. Claro que hay diferentes formas de crearla, eólicamente, hidráulicamente, de forma geotérmica y muchas más.

Actualmente la energía eléctrica se puede obtener de distintas maneras:

1.- Generación Termoeléctrica:

La que podemos diferenciar en tres grandes grupos, según su funcionamiento:

1.a) Turbinas a Vapor.

1.b) Turbinas a Gas.

1.c) Ciclos Combinados.

Todas las Centrales térmicas dependen imprescindiblemente para su puesta en marcha y funcionamiento del empleo de energías no renovables como lo son los combustibles fósiles. Producen un gran impacto negativo sobre todo en la atmósfera.

Centrales térmicas:

El principio de funcionamiento de una central térmica se basa en el intercambio de energía calórica en energía mecánica y luego en energía eléctrica.

Existen centrales, más antiguas, que en sus orígenes eran máquinas de vapor a pistón, similares en su funcionamiento a una locomotora y que movían al generador. Una de éstas, centenaria, se conserva en la escuela Otto Krause y se pone en funcionamiento una vez al año.

Luego se reemplazó por una turbina de vapor, en la cual se calienta agua en una caldera que produce vapor a presión, el cual se aplica sobre los álabes de la turbina que convierte energía potencial (presión) en energía cinética que acciona al generador.

Otro tipo es la turbo-gas en donde un compresor de flujo axial comprime el aire de entrada, inyectándolo en la cámara de combustiónahí se quema gas natural aumentando la velocidad de salida de los gases, (como un motor de acción a reacción) que mueve a una turbina que mueve a su vez al generador. La de ciclo combinado aprovecha los gases de salida de la turbo-gas (500°C) para realizar el calentamiento del agua y producir vapor accionando un generador movido por una turbina de vapor cuya potencia se suma a la del generador de turbo-gas, se logra así un aprovechamiento de energía mucho más alto.

También existe otro tipo de centrales térmicas en las cuales se utilizan motores diesel para realizar el proceso de calentamiento del agua y su posterior generación de energía eléctrica.

2.- Generación Hidroeléctrica:

Estas centrales utilizan como fuente de energía primaria un recurso renovable como lo es la fuerza de las aguas, pero tienen un gran impacto inicial sobre la flora, la fauna terrestre e íctica, el clima etc. normalmente están diseñadas con un fin multipropósito.

Tipos de centrales hidroeléctricas

La influencia de la altura es aprovechada por las centrales hidroeléctricas para convertir la energía potencial del agua en energía eléctrica, utilizando las turbinas para tal fin, acoplando estas a los alternadores. En caso que el río tenga un aporte regular de agua, la energía cinética de éste puede aprovecharse sin necesidad de realizar embalses o bien, utilizando uno de pequeñas dimensiones (a este tipo de centrales se las conoce como fluyentes).

Por condiciones climáticas el curso y caudal de los ríos resultan frecuentemente irregulares, lo que obliga a retener el agua mediante una presa, formándose así un lago o embalse que produce un salto de agua que libera fácilmente su energía potencial, almacenando agua para aquellas épocas de escasas lluvias (a estas centrales se denomina de regulación).

La estructura de la central puede ser muy diversa según le afecten los condicionantes orográficos de su ubicación, sin embargo se pueden reducir a dos tipos pero con variantes particulares.

El primer tipo es llamado aprovechamiento por derivación de agua, que consiste en una pequeña presa que desvía el agua hacia un pequeño depósito llamado de carga; de aquí pasa a una tubería forzada y posteriormente a la sala de máquinas de la central.

El segundo tipo es denominado aprovechamiento por acumulación de agua y consiste en la construcción de una presa de considerable altura en un lugar del río de condiciones orográficas adecuadas. El nivel del agua se situará en un punto cercano al extremo superior de la presa. A media altura se encuentra la toma de agua y en la parte inferior se encuentra la sala de máquinas con el grupo turbina-alternador. A la central de estas características se la conoce con el nombre de pie de presa.

Los elementos constructivos que forman una central hidroeléctrica son los siguientes: presa, aliviaderos y tomas de agua, canal de derivación, chimenea de equilibrio, tuberías de presión, cámaras de turbinas, canal de desagüe y sala de máquinas.

LA PRESA:

Es el elemento más importante de la central depende en gran medida de las condiciones orográficas de terreno, así como también el curso de agua donde se realiza la instalación.

LOS ALIVIADEROS:

Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tiene como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.

TOMAS DE AGUA

Las tomas de agua de las que parten varios conductos hacia las tuberías, se hallan en la pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. Estas tomas además de unas compuertas, para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc., puedan llegar a los álabes y producir desperfectos.

CAMARA DE TURBINA

En la cámara de turbinas se encuentran los elementos auxiliares de control, y la propia turbina. Según las características de los saltos de agua, de la altura del caudal, estas se pueden clasificar en tres tipos; de PELTON; de KAPLAN o de FRANCIS. Las primeras se utilizan en grandes saltos y caudales regulares, las de Francis en centrales de saltos intermedios y caudales variables, y las Kaplan en sitios de poca altura y caudales variables.

TURBINAS Y ALTERNADORES

Las turbinas del tipo de acción, como la Pelton, constan de un inyector que transforma la energía de presión del agua en energía cinética. La velocidad de salida del chorro del fluído llega en ocasiones a 150 metros por segundo, de tal manera que es necesario que estén fabricados en acero muy duro para lograr una duración satisfactoria. A pesar de ello y a causa de las ocasiones en que el agua llega mezclada con impurezas hace que se limite su vida útil a 4.000 horas tanto en los elementos móviles de inyector como para la válvula de aguja.

LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS DE BOMBEO

Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicas de un país.

Disponen de dos embalases situados a diferente nivel con lo que se compensan las diferencias ocasionadas , debido a que la demanda de energía a lo largo del día es muy variable .Al alcanzar esta su máximo requerimiento, las centrales de bombeo funcionan como una central convencional generando energía. Al caer el agua almacenada en el embalse superior hace girar el rodete de la turbina asociada a un alternador. Después el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día en la que la demanda de energía es menor (horas de valle) el agua es bombeada al embalse superior para que pueda hacer el ciclo productivo nuevamente. Por ello la central dispone de grupos de motores-bomba o, alternativamente, sus turbinas son reversibles de manera que puedan funcionar como bombas y los alternadores como motores.

Estas centrales mejoran el factor de potencia del sistema, trabajando como cargas en las horas de escasa demanda.

3.- Generación por formas no convencionales:

Enumeramos en este punto a las fuentes energéticas que se utilizan actualmente en forma comercial, aunque lamentablemente todavía su participación porcentual en la ecuación energética mundial no es muy significativa.

3.a)- Generación Termonuclear:

El recurso primario de estas centrales es no renovable y presentan el problema de la manipulación de los residuos por un lado y la explotación minera por el otro.

CENTRALES NUCLEARES:

La energía atómica

La energía atómica es aquella que se libera como resultado de cualquier reacción nuclear.

Esta energía puede obtenerse bien por fisión (división de los elementos pesados) o bien por fusión (unión de elementos muy ligeros). En las reacciones nucleares se libera una extraordinaria cantidad de energía y ello es debido a que en dichas reacciones se produce una disminución neta de masa que se transforma directamente en energía.

Agua pesada

Es aquélla en que todo el hidrógeno esta en forma de isótopo de masa dos (deuterio).

El hidrógeno del agua ordinaria no contiene más que una parte por 6 mil de deuterio. Es el mejor moderador de neutrones, debido a la ligereza de los núcleos que lo componen.

La importancia del uranio

El uranio es uno de los combustibles nucleares más importantes. Contiene núcleos fisionables. Su composición natural es esencialmente la de una mezcla de dos isótopos: El uranio 238 y el uranio 235, este presente en la mezcla en la proporción siete por mil. En esta se habla de uranio enriquecido.

La radioactividad

Es la desintegración espontanea de núcleos de átomos inestables con proyección de rayos radiactivos partículas o cargas eléctricas, dotadas de gran velocidad y acompañadas de emisiones de radiación electromagnética penetrante.

Residuos radiactivos

Los reactores nucleares residuan lo que proviene del combustible ya utilizado. Este combustible es en un 97 % uranio y plutonio, estos recuperados químicamente para ser usados nuevamente: el 3 % restante son producto de fisión, que son átomos radiactivos.

Los métodos utilizados para la evacuación de estos residuos se basa en:

* | * Almacenar temporalmente estos residuos y esperar que decrezca su actividad. |

* | * Llevar a cabo la concentración y almacenamiento de material radiactivo a largo plazo. |

* El reactor nuclear

* Es una instalación donde puede iniciarse, mantenerse, controlarse, una reacción en cadena. Consta de un núcleo formado por el combustible, donde tiene lugar las fisiones.

El reactor de potencia

En el reactor nuclear de potencia se utiliza el calor obtenido en el proceso de fisión para producir vapor. El vapor es utilizado entonces para mover un generador eléctrico y de esta manera obtener electricidad.

El reactor rápido

En este tipo de reactores, el combustible de plutonio se rodea de una capa de uranio. Esta al ser alcanzada por los neutrones, se transforma en plutonio.

Regulando el flujo de neutrones se puede conseguir que una capa de uranio que rodea al combustible se genere más plutonio del que se consume. Por eso estos reactores también se llaman reactores reproductores porque ya permitirán un aprovechamiento del uranio 60 a 70 veces mayor que hoy.

| |

En una central nuclear, el combustible "convencional"es reemplazado por combustible "nuclear", o sea, material que contiene núcleos fisionables

El uranio 235 es fisionable así como también lo es el plutonio; pero solo en una parte sobre 140 de uranio natural es uranio 235. En un reactor puede usarse uranio natural, con su escasa proporción de material fisionable, o uranio enriquecido, en el que se ha aumentado la proporción de uranio 235.

El calor que proviene del proceso de fisión. Se llama fisión de rompimiento de un núcleo atómico de uranio cuando recibe el impacto de un neutrón. Al romperse el núcleo del uranio se liberan nuevos neutrones y, por consiguiente, se inicia una reacción en cadena.

Esta reacción en cadena pone en libertad grandes cantidades de energía que, en forma de calor, produce el vapor para accionar una turbina como en una central convencional.

El problema de la instalación de una central nuclear de potencia, plantea a todo el mundo la elección del combustible más adecuado: uranio natural o uranio enriquecido.

Las centrales alimentadas con uranio enriquecido tienen las desventaja fundamental de que, por lo menos actualmente, muy pocos países realizan, comercialmente, el proceso de enriquecimiento.

El uranio natural en cambio, es producido y comercializado por diversos países.

3.b) Energía Solar.

Conversión directa |

Existen cuatro maneras de convertir la energía del Sol directamente en energía eléctrica:

| * Generadores fotoeléctricos |

| * Generadores fotovoltaicos |

| * Generadores termoiónicos |

| * Generadores termoeléctricos |

De estos los generadores fotovoltaicos son los más utilizados debido a su bajo costo y alto rendimiento (en comparación con los otros).

Estos generadores aprovechan la energía de los fotones que chocan con una unión de semiconductores de tipo P y N, esta unión aporta la diferencia de potencial necesaria para que se tenga una corriente, la que es consecuencia de los electrones que pasan a la banda de conducción con la energía que les ceden los fotones al chocar con la célula solar. La corriente obtenida es proporcional a la radiación del sol y el área de la célula. Al conectar en serie y en paralelo varias células se obtienen los paneles solares los cuales sirven para alimentar cargas eléctricas, baterías, etc. Este tipo de paneles se usan en la actualidad para alimentar las necesidades de algunas de aplicaciones de bajo consumo (casas pequeñas, repetidores de radio, etc.) o donde la obtención de energía de la red eléctrica sea difícil. El uso de este tipo de centrales eléctricas se logra independencia del usuario de la compañía generadora de electricidad, pero también se pueden construir grandes plantas generadoras. En estos momentos este tipo de tecnología es cara en la primera inversión pero dada la alta durabilidad y el costo casi nulo de mantenimiento y nulo en la materia prima que es el Sol estas, se vuelven muy rentables.

| Conversión No directa |

Una central Heliotérmica funciona de la misma manera que lo hace una central termoeléctrica o nuclear. La diferencia se da en la manera en que en cada una se obtiene el vapor de agua que mueve al turbogenerador. En una central térmica se quema carbón, petróleo o sus derivados para obtener vapor; en una central nuclear se aprovecha el calor que se desprende de una reacción nuclear de fisión; y en central solar o heliotérmica se concentran los rayos solares en un depósito de agua especialmente diseñado para que el agua se caliente.

La gran diferencia entre las centrales convencionales y las solares es la contaminación que las otras producen. Las centrales termoeléctricas, al quemar combustibles, lanzan gases tóxicos al aire y el bióxido de carbono contribuye al efecto invernadero causante de los cambios climáticos en el mundo. Las centrales nucleares no queman nada, pero los desechos del combustible nuclear que usan, son altamente peligrosos. Además, un accidente en el funcionamiento puede causar fatales consecuencias como lo vivido en Chernobyl en la década de los 80's.

Los componentes principales de una central heliotérmica son:

| * Espejos. |

| * Calderas. |

| * Turbinas. |

| * Generadores. |

La central más común y más poderosa que existe hoy es la llamada "torre solar", la cual consta de un gran número de espejos, guiados individualmente de forma que concentren la energía del Sol sobre un receptor, montado en la parte superior de una torre, donde se encuentra situada la caldera generadora de vapor. Y el vapor obtenido se inyecta sobre los álabes de la turbina para mover el generador y así producir la energía eléctrica que todos necesitamos, y los más importante esta se obtiene de una manera limpia y segura.

3.c) Energía Eólica.

La energía eólica se basa en la utilización del viento como energía primaria. Este ha sido un recurso empleado desde tiempos remotos en diferentes partes del mundo y para diversos propósitos.

Los conversores de Energía Eólica (ECEEs) pueden variar desde 1 metro a 100 metros de diámetro y su potencia puede ser desde 1KW hasta varios MW.

| * Se puede conectar en una red de suministro de energía. |

| * Requieren solo una pequeña superficie para su funcionamiento. |

| * Su uso no produce efectos nocivos en el medio ambiente. |

No toda la energía del viento es posible de ser transferida a la máquina eólica. La teoría del motor eólico de eje horizontal dice que en el caso más óptimo solo el 59% de la Energía cinética del viento puede ser convertida en Energía Mecánica de las palas.

La potencia extraíble del viento por un ECEEs es función de:

| El tamaño de la máquina. |

| En el caso de presentar una sección circular al viento, proporcional al cuadrado del diámetro del equipo. |

El factor más variable es la intensidad del viento que no solo presenta grandes contrastes geográficos sino que también es función cambiante del tiempo. Por ello si bien el viento está presente en forma casi permanente en toda la superficie de la tierra, solo en algunos lugares y solo parte del tiempo alcanza valores que permiten un aprovechamiento económico.

La variación del viento con la altura en los primeros metros del suelo de la atmósfera es una característica de mucha importancia práctica para el aprovechamiento energético del viento. La fricción del suelo frena la velocidad del viento, de los primeros metros se genera una capa límite en la que el proceso físico dominante es la transferencia de momento hacia el suelo. El perfil del viento en esa capa límite es muy pronunciado hasta los 30 metros, aumentado luego en forma gradual.

Por esto que expresamos antes los ECEEs deben instalarse tan alto como permitan los costos de las estructuras de sostén y en lo posible encima de los 30 metros.

Las turbinas eólicas pueden clasificarse según :

| * La interacción de sus palas con el viento. |

| * La orientación del eje de rotación con respecto al suelo. |

Según la interacción de sus palas con el viento puede ser:

| Por arrastre: El viento arrastra las palas forzando su rotación. Son de limitada eficiencia, pues la velocidad tangencial del extremo de la pala no puede ser mayor que la velocidad del viento. |

| Por sustentación: Usan la diferencia de presión generada por la acción del viento en el perfil de la pala, del mismo modo de lo que ocurre en las alas de los aviones. Por efecto del empuje producido por la diferencia de presión, los extremos de la pala se puede mover a mayor velocidad que la del viento. |

Según la orientación de los ejes de rotación con respecto a la horizontal pueden ser:

| De Eje Horizontal: El plano de rotación debe ser perpendicular al viento para captar la máxima energía. |

| De Eje Vertical: Acepta el viento en cualquier dirección con igual resultado y además puede alojar el generador cerca de la superficie pero es menos eficiente que la anterior. |

Una turbina eólica consta de:

| * Un rotor |

| * Un multiplicadorde velocidad |

| * Un sistema conversor de energía |

| * Controles |

| * Torre sostén |

La energía cinética del rotor puede ser usada como energía mecánica o convertida en energía térmica o eléctrica. Generalmente se hace esto último. En instalaciones pequeñas, los generadores eólicos utilizados son generalmente dínamos de Corriente Continua o alternadores.

La producción de Corriente Continua en este tipo de escala es conveniente porque permite almacenamiento en acumuladores. Sin embargo, los alternadores, que generan en C.A., pueden usarse para corriente continua con un rectificador. La ventaja del alternador es que además de tener mayor rendimiento, puede suministrar energía en un rango mucho más amplio de velocidad del viento. Las turbinas eólicas que suministran energía a redes de Corriente alterna de frecuencia constante alimentadas también por otras fuentes de energía, giran a velocidad constante o casi constante, debido a la existencia de un par de sincronización que actúa sobre la máquina eléctrica, ya sea ésta alternador o máquina asincrónica del equipo eólico

Bibliografía:

* http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi98/energia-vs-ambiente/generaci.htm

* http://es.wikipedia.org/wiki/Energía_eléctrica

* http://www.monografias.com/trabajos12/intrclasf/intrclasf.shtml

Leyes de kirchhoff

Esta ley también es llamada ley de nodos o primera ley de Kirchhoff y es común que se use la sigla LCK para referirse a esta ley. La ley de corrientes de Kirchhoff nos dice que:

En cualquier nodo, la suma de las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma de las corrientes que salen. De forma equivalente, la suma de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero

Esta fórmula es válida también para circuitos complejos:

La ley se basa en el principio de la conservación de la carga donde la carga en couloumbs es el producto de la corriente en amperios y el tiempo en segundos.

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