3.1 Conocimiento y clasificacin de las fuentes de energa
naturales.Energa solarLaenerga solares unafuente de energade
origenrenovable, obtenida a partir del aprovechamiento de
laradiacin electromagnticaprocedente delSol.Laradiacin solarque
alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la
Antigedad, mediante diferentes tecnologas que han ido evolucionando
con el tiempo desde su concepcin.La fuente de energa solar ms
desarrollada en la actualidad es laenerga solar fotovoltaica.Energa
solar fotovoltaicaEs una fuente deenergaque produceelectricidadde
origenrenovable, obtenida directamente a partir de laradiacin
solarmediante un dispositivosemiconductordenominadoclula
fotovoltaica, o bien mediante una deposicin de metales sobre un
sustrato denominadaclula solar de pelcula fina.En un semiconductor
expuesto a la luz, unfotnde energa arranca unelectrn, creando a la
vez un hueco en el tomo excitado. Normalmente, el electrn encuentra
rpidamente otro hueco para volver a llenarlo, y la energa
proporcionada por el fotn, por tanto, se disipa en forma de calor.
El principio de una clula fotovoltaica es obligar a los electrones
y a loshuecosa avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar
de simplemente recombinarse en l: as, se producir unadiferencia de
potencialy por lo tanto tensin entre las dos partes del material,
como ocurre en unapila. Energa elicaEn un semiconductor expuesto a
la luz, unfotnde energa arranca unelectrn, creando a la vez un
hueco en el tomo excitado. Normalmente, el electrn encuentra
rpidamente otro hueco para volver a llenarlo, y la energa
proporcionada por el fotn, por tanto, se disipa en forma de calor.
El principio de una clula fotovoltaica es obligar a los electrones
y a loshuecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar
de simplemente recombinarse en l: as, se producir unadiferencia de
potencialy por lo tanto tensin entre las dos partes del material,
como ocurre en unapila. Energa HidrulicaSe denominaenerga
hidrulica,energa hdricaohidroenergaa aquella que se obtiene del
aprovechamiento de las energascinticaypotencialde la corriente del
agua, saltos de agua omareas. Es un tipo deenerga verdecuando su
impacto ambiental es mnimo y usa la fuerza hdrica sin represarla;
en caso contrario, es considerada solo una forma de energa
renovable. Se puede transformar a muy diferentes escalas. Existen,
desde hace siglos, pequeas explotaciones en las que la corriente de
un ro, con una pequea presa, mueve una rueda de palas y genera un
movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo,
la utilizacin ms significativa la constituyen las centrales
hidroelctricasde presas, aunque estas no son consideradas formas de
energa verde, por el alto impacto ambiental que producen.Dichas
caractersticas hacen que sea significativa en regiones donde existe
una combinacin adecuada de lluvias, desniveles geolgicos y orografa
favorable para la construccin de represas. La energa hidrulica se
obtiene a partir de laenerga potencial ycinticade las masas de agua
que transportan los ros, provenientes de la lluvia y del deshielo.
El agua en su cada entre dos niveles del cauce se hace pasar por
unaturbina hidrulicala cual trasmite la energa a unalternadorel
cual la convierte enenerga elctrica.Otro sistema que se emplea es
conducir el agua de un arroyo con gran desnivel, por una tubera
cerrada, en cuya base hay una turbina. El agua se recoge en una
presa pequea y la diferencia de altura proporciona la energa
potencial necesaria.Otro ms consiste en hacer en el ro una presa
pequea y desviar parte del caudal por un canal con menor pendiente
que el ro, de modo que unos kilmetros ms adelante habr ganado una
cierta diferencia de nivel con el cauce y se hace caer el agua a l
por una tubera, con una turbina.Ventajas e inconvenientes
Ventajas Se trata de una energa renovable de alto rendimiento
energtico. Debido al ciclo del agua su disponibilidad es
inagotable. Es una energa totalmente limpia, no emite gases, no
produce emisiones txicas, y no causa ningn tipo de lluvia cida y,
desde este punto de vista, es ecolgica.Inconvenientes La
construccin de grandes embalses puede inundar importantes
extensiones de terreno, obviamente en funcin de la topografa del
terreno aguas arriba de la presa, lo que podra significar prdida de
tierras frtiles, dependiendo del lugar donde se construyan; En el
pasado se han construido embalses que han inundado pueblos enteros.
Con el crecimiento de la conciencia ambiental, estos hechos son
actualmente menos frecuentes, pero an persisten; Destruccin de la
naturaleza. Presas y embalses pueden ser destructivas a los
ecosistemas acuticos. Por ejemplo, estudios han mostrado que las
presas en las costas de Norteamrica han reducido las poblaciones de
trucha septentrional comn que necesitan migrar a ciertos lugares
para reproducirse. Hay bastantes estudios buscando soluciones a
este tipo de problema. Un ejemplo es la invencin de un tipo de
escalera para los peces; Cambia los ecosistemas en el ro aguas
abajo. El agua que sale de las turbinas no tiene prcticamente
sedimento. Esto puede dar como resultado la erosin de los mrgenes
de los ros. Cuando las turbinas se abren y cierran repetidas veces,
el caudal del ro se puede modificar drsticamente causando una
dramtica alteracin en los ecosistemas.Energa geotrmicaSe
llamaenerga geotrmicaa laenergaque puede obtenerse mediante el
aprovechamiento delcalordel interior de laTierra. El trmino
geotrmico viene delgriegogeo(Tierra), ythermos(calor); literalmente
calor de la Tierra. El interior de la tierra est caliente y la
temperatura aumenta con la profundidad. Las capas profundas, pues,
estn a temperaturas elevadas y, a menudo, a esa profundidad
haycapas freticasen las que se calienta el agua: al ascender, el
agua caliente o el vapor producen manifestaciones en la superficie,
como los giseres o las fuentes termales, utilizadas para baos desde
la poca de los romanos. Actualmente, el progreso en los mtodos de
perforacin y bombeo permiten explotar la energa geotrmica en
numerosos lugares del mundo.Puede considerarse que hay dos tipos de
yacimientos geotrmicos, que se podran llamar:Yacimientos de agua
calienteEstos yacimientos pueden formar una fuente o ser
subterrneos, contenidos en unacufero.Los que forman fuentes, se
aprovechan desde tiempos muy antiguos como baos termales. En
principio podran aprovecharse enfriando el agua antes de
utilizarla, pero suelen tener caudales relativamente reducidos.En
cuanto a los subterrneos, yacimientos de aguas termales muy
calientes a poca o media profundidad, sirven para aprovechar el
calor del interior de la tierra. El agua caliente o el vapor pueden
fluir naturalmente, por bombeo o por impulsos de flujos de agua y
de vapor. El mtodo a elegir depende del que en cada caso sea
econmicamente rentable.En la mayora de los casos la explotacin debe
hacerse con dos pozos (o un nmero par de pozos), de modo que por
uno se obtiene el agua caliente y por otro se vuelve a inyectar en
el acufero, tras haber enfriado el caudal obtenido.Yacimientos
secosEn este caso, hay una zona bajo la tierra, a profundidad no
excesiva, con materiales o piedras calientes, en seco. Se inyecta
agua por una perforacin y se recupera, caliente por otra, se
aprovecha el calor, por medio de unintercambiadory se vuelve a
reinyectar como en el caso anterior.Generadores elctricos Un
generador es unamquina elctrica rotativaque transformaenerga
mecnicaen energa elctrica. Lo consigue gracias a la interaccin de
los dos elementos principales que lo componen: la parte mvil
llamada rotor, y la parte esttica que se denomina estator.
Mquinas elctricasrotativas: los generadoresLlamamos mquinas
elctricas a losdispositivos capaces de transformarenerga elctricaen
cualquier otra forma de energa. Las mquinas elctricas se pueden
dividir en: Mquinas elctricasrotativas, queestn compuestas de
partes giratorias, como las dinamos, alternadores y motores.
Mquinas elctricasestticas, queno disponen de partes mviles, como
los transformadores.Las mquinas elctricas rotativasson reversibles,
y quepueden trabajar de dos maneras diferentes: Comomotor elctrico:
Convierte la energa elctrica en mecnica. Comogenerador elctrico:
Convierte laenerga mecnicaen elctrica.
Todas las mquinas rotativas estn formada por una parte fija
llamadaestator,tiene forma cilndrica,y otra mvil llamadarotor.
Prdidas y eficiencia de las mquinas elctricas rotativasComo
cualquier mquina, la potencia de salida que ofrecen las mquinas
elctricas rotativas es menor que la potencia de alimentacin que se
les suministra, potencia suministrada. La diferencia entre la
potencia de salida y la suministrada son las prdidas:
La potencia de salida de un generador elctrico es la potencia
elctrica que entrega, la potenciatil. La potencia suministrada
ototal es lapotencia mecnica de entrada:la potencia mecnica que
absorbela mquina para poder generar electricidad.Dentro de una
mquina elctrica rotativa, las prdidasms significativas son: Prdidas
mecnicas: Causadas por el rozamiento entre las piezas mviles y por
la ventilacin o refrigeracin interior de los devanados. Prdidas
elctricas o prdidas en el cobre: Se producen en el circuito
elctrico y en sus conexiones y son debidas alefecto Joule. Prdidas
magnticas o prdidas en el hierro: Dependen de las variaciones que
se producen en los campos magnticos y de la frecuencia.As mismo, el
cociente entre la potencia de salida (tambin llamada potenciatil) y
la potencia suministrada (tambin llamada potencia total o
absorbida) es la eficiencia. Esta eficiencia se expresaen tanto por
ciento (%):
Por lo tanto, la eficiencia de una mquina elctricadetermina la
cantidad de trabajo til que puede producir, a partir de la energa
total que consume.Principio de funcionamiento de un generador
elctrico: Ley de FaradayEl principio de funcionamiento de los
generadores se basa en el fenmeno deinduccin electromagntica.LaLey
de Faraday. Esta ley nos dice que elvoltaje inducido en un circuito
es directamente proporcional al cambio del flujo magntico en un
conductor o espira. Esto quiere decir que si tenemos uncampo
magnticogenerando un flujo magntico, necesitamos una espira por
donde circule una corriente para conseguir que se genera laf.e.m.
(fuerza electromotriz).
Generador de corriente alterna: el alternadorLos generadores de
corriente alterna o alternadores son mquinas que transforman energa
mecnica, que reciben por el rotor, en energa elctrica en forma de
corriente alterna.La mayora de alternadores son mquinas de
corriente alternasncrona, que son las que girana lavelocidad de
sincronismo, que est relacionada con el nombre de polos que tiene
la mquina y la frecuencia dela fuerza electromotriz. Esta relacin
hace que el motor gire a la misma velocidad que le impone el
estator a travs del campo magntico. Esta relacin viene dada por la
expresin:
Dondefes lafrecuenciaa la cual est conectada la mquina yPes el
nmero depares de polos.Su estructura es la siguiente: Estator:
Parte fija exterior de la mquina. El estator est formado por una
carcasa metlica que sirve de soporte. En su interior encontramos el
ncleo del inducido, con forma de corona y ranuras longitudinales,
donde se alojan los conductores del enrollamiento inducido. Rotor:
Parte mvil que gira dentro del estator El rotor contiene el sistema
inductor y los anillos de rozamiento, mediante los cuales se
alimenta el sistema inductor. En funcin de la velocidad de la
mquina hay dos formas constructivas. Rotor de polos salidos o rueda
polar: Utilizado para turbinas hidrulicas o motores trmicos, para
sistemas de baja velocidad. Rotor de polos lisos: Utilizado para
turbinas de vapor y gas, estos grupos son llamados
turboalternadores. Pueden girar a 3000, 1500 o 1000 r.p.m. en
funcin de los polos que tenga.Elalternadores unamquina elctrica
rotativa sncronaque necesita de una corriente de excitacin en el
bobinaje inductor para generar el campo elctrico y funcionar. Por
lo tanto su diagrama de funcionamiento es el siguiente:
Al ser mquinas sncronas que se conectan a la red han de trabajar
a una frecuencia determinada. En el caso de Europa y algunas zonas
de Latinoamrica se trabaja a 50 Hz, mientras queen los Estados
Unidos usan 60 Hz. En aplicaciones especiales como en el caso de la
aeronutica, se utilizan frecuencias ms elevadas, del orden de los
400 Hz.El principio de funcionamiento de los alternadores es el
mismo que hemos estudiado hasta ahora, con una pequea diferencia.
Para generar el campo magntico, hay que aportar unacorriente de
excitacin(Ie)en corriente continua. Esta corriente genera el campo
magntico para conseguir lacorriente inducida(Ii)que ser corriente
alterna.Los alternadores estn acoplados a una mquina motriz que les
genera la energa mecnica en forma de rotacin.Segn la mquina motriz
tenemos tres tipos: Mquinas de vapor: Se acopla directamente al
alternador. Generan una velocidad de giro baja y necesitan un
volante de inercia para generar una rotacin uniforme. Motores de
combustin interna: Se acoplan directamente y las caractersticas son
similares al caso anterior. Turbinas hidrulicas: La velocidad de
funcionamiento tiene un rango muy amplio. Estos alternadores estn
diseados para funcionar bien hasta el doble de su velocidad de
rgimen.Excitatriz de los alternadoresLos alternadores necesitan una
fuente de corriente continua para alimentar los electroimanes que
forman el sistema inductor. Por eso, en el interior del rotor se
incorpora la excitatriz.La excitatriz es la mquina encargada de
suministrar la corriente de excitacin a las bobinas del estator,
parte donde se genera el campo magntico. Segn la forma de producir
el flujo magntico inductor podemos hablar de: Excitacin
independiente.La corriente elctrica proviene de una fuente
exterior. Excitacin serie.La corriente de excitacin se obtiene
conectando las bobinas inductoras en serie con el inducido. Toda la
corriente inducida a las bobinas del rotor pasa por las bobinas del
estator. Excitacin shunt o derivacin.La corriente de excitacin se
obtiene conectando las bobinas del estator en paralelo con el
inducido. Solo pasa por las bobinas del estator una parte de la
corriente inducida. Excitacin compound.En este caso las bobinas del
estator estn conectadas tanto en serie como en paralelo con el
inducido.Efectos del funcionamiento de un alternadorCuando un
alternador funciona conectado a un circuito exterior se crean
corrientes inducidas que nos generan los siguientes efectos: Cada
de tensin en los bobinajes inducidos: La resistividad que nos
presentan los conductores hace que tengamos una cada de tensin.
Efecto de reaccin en el inducido: El tipo de reaccin que tendremos
en el inducido depender de la carga conectada: Resistiva: Tenemos
un incremento en la cada de tensin interna y una disminucin de la
tensin en los bornes de salida. Inductiva: Aparece una cada de
tensin importante en los bornes de salida. Capacitiva: Disminuye la
cada de tensin interna y eleva ms el valor de la tensin de salida
en los bornes de salida. Efecto de dispersin del flujo magntico:
Hay lneas de fuerza que no pasan por el inducido, se pierden o
llegan al siguiente polo. Cuanto ms alta sea la corriente del
inducido, ms prdidas por dispersin nos encontramos.Generador de
corriente continua: la dinamoEl generador de corriente continua,
tambin llamado dinamo, es una mquina elctrica rotativaa la cual le
suministramos energa mecnica y la transforma en energa elctrica en
corriente continua. En la actualidad se utilizan muy poco, ya que
la produccin y transporte de energa elctrica es en forma de
corriente alterna. Una de las caractersticas de las dinamos es que
son mquinas reversibles: se puedenutilizar tanto como generador o
como motor. El motor es la principal aplicacin industrial de la
dinamo, ya que tiene facilidad a la hora de regular su velocidad de
giro en el rotor.Las principales partes de esta mquina
son:EstatorEl estator es la parte fija exterior de la dinamo. El
estator contiene el sistema inductor destinado a producir elcampo
magntico. Est formado por: Polos inductores: Diseados para repartir
uniformemente el campo magntico. Distinguimos en ellos el ncleo y
la expansin polar. El nmero de polos ha de ser par, en caso de
mquinas grandes se han de utilizar polos auxiliares.
Devanadoinductor: Son las bobinas de excitacin de los polos
principales, colocadas alrededor del ncleo. Estn hechos con
conductores de cobre o de aluminio recubiertos por un barniz
aislante. Culata: La culata sirve para cerrar el circuito magntico
y sujetar los polos. Est construida con material
ferromagntico.RotorEl rotor es la Parte mvil que gira dentro del
estator. El rotor al estar sometido a variacin de flujo crea
lafuerza electromotrizinducida, por lo tanto contiene el sistema
inducido. Est formado por: Ncleo del inducido: Cilindro construido
para reducir las prdidas magnticas. Dispone de ranuras
longitudinales donde se colocan las espiras del enrollamiento del
inducido. Devanadoinducido: Formado por espiras que se distribuyen
uniformemente por las ranuras del ncleo. Se conecta al circuito
exterior de la mquina por medio del colector y las escobillas.
Colector: Cilindro solidario al eje de la mquina formado por
segmentos de cobre o lminas aisladas elctricamente entre ellas. En
cada lmina se conecta una bobina. Es el encargado de realizar la
conversin de corriente alterna a corriente continua. Escobillas:
Son piezas de carbn-grafito o metlicas, que estn en contacto con el
colector. Hacen la conmutacin de la corriente inducida y la
transportan en forma de corriente continua hacia el exterior.
Cojinetes: Sirven de soporte y permiten el giro del eje de la
mquina.EntrehierroEl entrehierroe s el espacio de aire comprendido
entre el rotor y el estator. Suele ser normalmente deentre1y 3
milmetros. El entrehierroes imprescindible para evitar rozamientos
entre la parte fija y la parte mvil.Ventajas del alternador
respecto a la dinamoEl alternador tiene varias ventajas que hacen
que sea un tipo de mquina ms utilizada, ya no solo el hecho de que
produce electricidad en corriente alterna, que es como se consume,
si no por otras ventajas del tipo utilizacin. Algunas de
lasventajas del alternador respecto a la dinamo son las siguientes:
En elalternador elctrico se puede obtener mayor gama de velocidad
de giro. La velocidad de giro puede ir desde 500 a 7.000 rpm. La
dinamo a altas rpm sufre el colector y las escobillas elevado
desgaste y subida de temperaturas. El conjunto rotor y estator en
el alternador esmuy compacto. Los alternadores poseen un solo
elementocomo regulador de tensin. Los alternadores elctricos son ms
ligeros: pueden llegar a ser entre un 40 y un 45% menos pesados que
las dinamos, y de un 25 a un 35% ms pequeos. El alternador trabaja
en ambos sentidos de giro sin necesidad de modificacin. Lavida til
del alternadores superior a la de la dinamo. Esto es debido a que
el alternador elctrico es ms robusto y compacto, por la ausencia
del colector en el inducido, y soporta mejor las altas
temperaturas.Centrales trmicas de ciclo combinadoLa central trmica
de ciclo combinado es aquella donde se genera electricidad mediante
la utilizacin conjunta de dos turbinas: Un turbo grupo de gas Un
turbo grupo de vapor
Para la transformacin de la energa del combustible en
electricidad se superponen dos ciclos: El ciclo de Brayton (turbina
de gas): toma el aire directamente de la atmsfera y se somete a un
calentamiento y compresin para aprovecharlo como energa mecnica o
elctrica. El ciclo de Rankine (turbina de vapor): donde se
relaciona el consumo de calor con la produccin de trabajo o creacin
de energa a partir de vapor de agua. Partes fundamentales de una
central de ciclo combinadoPara entender el funcionamiento de una
central trmica de ciclo combinado hay que conocer primero las
partes que la forman: Turbina de gas. Que consta de: Compresor,
cuya funcin es inyectar el aire a presin para la combustin del gas
y la refrigeracin de las zonas calientes. Cmara de combustin, donde
se mezcla el gas natural (combustible) con el aire a presin,
produciendo la combustin. Turbina de gas, donde se produce la
expansin de gases que provienen de la cmara de combustin. Consta de
tres o cuatro etapas de expansin y la temperatura de los gases en
la entrada est alrededor de 1.400C saliendo de la turbina a
temperaturas superiores a los 600C. Caldera de recuperacin. En esta
caldera convencional, el calor de los gases que provienen de la
turbina de gas se aprovecha en un ciclo de agua-vapor. Turbina de
vapor.
Funcionamiento de una central de ciclo combinadoEn primer lugar
el aire es comprimido a alta presin en el compresor, pasando a la
cmara de combustin donde se mezcla con el combustible.A
continuacin, los gases de combustin pasan por la turbina de gas
donde se expansionan y su energa calorfica se transforma en energa
mecnica, transmitindolo al eje.Los gases que salen de la turbina de
gas se llevan a una caldera de recuperacin de calor para producir
vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor
convencional.A la salida de la turbina el vapor se condensa
(transformndose nuevamente en agua) y vuelve a la caldera para
empezar un nuevo ciclo de produccin de vapor.Actualmente la
tendencia es acoplar la turbina de gas y la turbina de vapor a un
mismo eje, de manera que accionan conjuntamente un mismo generador
elctrico.
Ventajas del Ciclo CombinadoLas caractersticas principales de
las centrales trmicas de ciclo combinado son: Flexibilidad. La
central puede operar a plena carga o cargas parciales, hasta un
mnimo de aproximadamente el 45% de la potencia mxima. Eficiencia
elevada. El ciclo combinado proporciona mayor eficiencia por un
margen ms amplio de potencias. Sus emisiones son ms bajas que en
las centrales trmicas convencionales. Coste de inversin bajo por MW
instalado. Periodos de construccin cortos. Menor superficie por MW
instalado si lo comparamos con las centrales termoelctricas
convencionales (lo que reduce el impacto visual). Bajo consumo de
agua de refrigeracin. Ahorro energtico en forma de
combustibleImpactos medioambientales de les centrales de ciclo
combinadoLa utilizacin de gas natural para la generacin de
electricidad mediante la tecnologa del ciclo combinado se encuentra
dentro de la poltica medioambiental de un gran nmero de pases, ya
que ofrece un gran nmero de ventajas en comparacin con el resto de
tecnologas de produccin elctrica.En concreto, las emisiones de CO 2
en relacin a los kWh producidos son menos de la mitad de las
emisiones de una central convencional de carbn.
Bibliografa
http://twenergy.com/energia-geotermicahttp://www.energia.gov.ar/contenidos/archivos/Reorganizacion/contenidos_didacticos/publicaciones/libro_energia_eolica.pdfhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_fotovoltaicahttp://www.energizar.org.ar/energizar_desarrollo_tecnologico_energia_hidraulica.htmlhttp://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/v.-funcionamento-basico-de-generadoreshttp://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-electricidad/ix.-las-centrales-termicas-de-ciclo-combinado
10
