ciclo rankine sencillo
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CICLO RANKINE SENCILLO
El ciclo Rankine es el ideal para las plantas de potencia de
vapor. No incluye ninguna irreversibilidad interna y esta compuesto por
cuatro procesos:
Compresión isentrópica en la bomba.
Adición de calor a presión constante en la caldera.
Expansión isentrópica en la turbina.
Rechazo de calor a presión constante en el condensador.
Este ciclo es el modelo para la termoeléctrica simple. Es
conveniente mostrar los estados y los procesos en diagramas T-s
como el mostrado en la figura:
El ciclo Rankine también incluye la posibilidad de sobrecalentar
el vapor a presión constante. Para analizar el ciclo de Rankine es útil
pensar que la eficiencia depende de la temperatura promedio a la cual
se suministra calor y la temperatura promedio a la cual se cede calor.
Cualquier cambio que incremente la temperatura promedio a la que e
suministre calor o que disminuya la temperatura promedio a la cual se
cede calor incrementara la eficiencia del ciclo de Rankine.
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El ciclo de Rankine se basa en el hecho de que es mucho más
fácil condensar todo el vapor y manejar solo el líquido en la bomba.
Análisis de Energía del Ciclo Ideal Rankine: Los componentes
asociados con el ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y
condensador) son el positivo del flujo permanente por ello es posible
analizarlos como proceso de flujo permanente.
Los cambios en la energía cinética y potencial del vapor suelen
ser pequeños respecto a los términos de trabajo y de transferencia de
calor, por lo que casi siempre se ignoran. D tal modo la ecuación de
energía de flujo permanente por unidad de masa de vapor se reduzca
a:
q - w = he - hi (kJ/Kg)
La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo, y se
supone que la bomba y la turbina serán isentrópicas. En ese caso la
relación de la conservación de la energía para cada dispositivo se
expresa:
Bomba (q = 0): wbomba,en = h2 –h1
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Ó wbomba,en = υ(P2 –P1)
Caldera (w = 0): qen = h3 – h2
Turbina (q = 0): wtur,sal = h3 – h4
Condensador (w = 0): qsal = h4 – h1
La eficiencia térmica del ciclo Rankine se determina a partir de:
ηt= wneta/qen = 1 – qsal/qen
¿Cómo Incrementarla eficiencia del ciclo ranking?: Para
incrementar la eficiencia térmica de un ciclo de potencia se aumenta la
temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al fluido de trabajo
en la caldera, o se disminuye la temperatura promedio del fluido, debe
ser lo mas alta posible durante la adición de calor y lo mas baja
posible durante el rechazo de calor.
Tres maneras de lograr esto en el ciclo ideal Rankine simple son:
Reducción de la presión del condensador (disminución
de Tbaja,prom): El vapor existe como una mezcla saturada en el
condensador a la temperatura de saturación correspondiente
a la presión dentro del condensador. Por consiguiente, la
reducción de la presión de operación del condensador reduce
automáticamente la temperatura del vapor y, en consecuencia
la temperatura a la cual el calor se rechaza. El estado de la
entrada de la turbina se mantiene igual. Existe un aumento en
la salida neta de trabajo debido a la disminución de la presión
del condensador. De igual manera aumentan los
requerimientos de entrada de calor, pero este aumento es
pequeño. De manera que el efecto total de reducir la presión
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del condensador es un aumento en la eficiencia térmica del
ciclo. Para aprovechar el aumento de eficiencia a bajas
presiones, los condensadores de las centrales de potencia de
vapor suelen operar bastante debajo de la presión
atmosférica. Lo cual no representa un problema mayor,
puesto que los ciclos de potencia de vapor operan en un
circuito cerrado. No obstante, hay un límite inferior a la
presión del condensador que puede usarse; no puede ser
menor que la presión de saturación correspondiente a la
temperatura del medio de enfriamiento. La reducción de la
presión no deja de tener efectos colaterales. Por un lado,
origina el problema de las filtraciones de aire dentro del
condensador. Pero más importante aún, es que incrementa el
contenido de humedad del vapor en las etapas finales de la
turbina. La presencia de grandes cantidades de humedad es
inconveniente en las turbinas, debido a que disminuye la
eficiencia de éstas, y erosiona sus álabes.
Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas
(aumento de Talta,prom): Es posible elevar la temperatura
promedio a la cual se añade calor al vapor sin aumentar la
presión de la caldera, y es con el sobrecalentamiento del
vapor a altas temperaturas. El sobrecalentamiento implica un
aumento en el trabajo neto y un aumento en la entrada de
calor. Sin embargo, el efecto total es un incremento en la
eficiencia térmica, puesto que aumenta la temperatura
promedio a la cual se añade el calor. De igual manera y
convenientemente, el sobrecalentamiento del vapor a
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temperaturas elevadas disminuye el contenido de humedad
del vapor a la salida de la turbina. La temperatura a la cual el
vapor se sobrecalienta está limitada por consideraciones
metalúrgicas. Actualmente la temperatura de vapor más alta
permisible en la entrada de la turbina es de
aproximadamente 620ºC (1.150ºF). Cualquier aumento en
este valor depende del mejoramiento de los materiales o del
descubrimiento de otros nuevos que puedan soportar
temperaturas más altas.
Incremento de la presión de la caldera. (aumento de
Talta,prom): Otra manera de aumentar la temperatura promedio
durante el proceso de adición de calor es incrementar la
presión de operación de la caldera, lo cual eleva
automáticamente la temperatura a la cual sucede la
ebullición. Lo que, a su vez, incrementa la temperatura
promedio a la cual se añade calor al vapor y de ese modo
incrementa la eficiencia térmica del ciclo. Cabe destacar que,
para una temperatura de entrada en la turbina fija aumenta el
contenido de humedad del vapor en la salida de la turbina.
Este efecto colateral indeseable puede corregirse, al
recalentar el vapor. Las presiones de operación de las
calderas se han incrementado gradualmente a lo largo de los
años desde 2.7MPa (400psia) en 1922 hasta más de 30MPa
(4500psia) en la actualidad, lo cual genera suficiente vapor
para producir una salida neta de potencia de 1000MW o más.
Hoy día, muchas centrales de potencia de vapor modernas
operan a presiones supercríticas (P > 22.09MPa) y tienen
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eficiencias térmicas de 40% en el caso de las centrales de
combustibles fósiles y de 34% para centrales núcleo
eléctricas. Las menores eficiencias de las centrales
nucleoeléctricas se deben a las inferiores temperaturas
máximas utilizadas en esas plantas por razones de seguridad.
En el ciclo de Rankine, se hace recircular siempre el mismo
fluido en un ciclo cerrado reversible. Los componentes del ciclo de
Rankine también llamado el ciclo de la máquina de vapor Standard.
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FUENTES DE ENERGÍA ALTERNATIVAS
La Biomasa: Se le llama biomasa al combustible energético q se
obtiene directa o indirectamente de los recursos biológicos. La energía
de biomasa procede de la madera, residuos agrícolas y estiércol,
continúa siendo la fuente de energía principal en los países en
desarrollo. Cuando la materia viva se descompone, la energía
contenida en ella se libera. Esto ocurre mediante el metabolismo de los
alimentos, la descomposición de la materia viva o la combustión de la
leña, etc. Por tanto, podemos decir, que el conjunto de materia viva
que existe en un momento dado, o biomasa, es un gran depósito
energético temporal, cuya magnitud está mantenida a base de un
constante flujo de captación y liberación.
Desde hace algún tiempo, la humanidad ha sabido beneficiarse
del valor energético de la biomasa quemándola para calentarse, secar
cosas o cocinar alimentos. La biomasa, junto con la energía directa del
sol y la fuerza muscular, han sido las principales fuentes de energía
utilizadas por la humanidad durante largos períodos de tiempo.
La única biomasa explotada actualmente para fines energéticos
es la de los bosques. No obstante, el recurso sistemático de la biomasa
de los bosques para cubrir la demanda energética sólo puede ser una
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opción razonable en países donde la densidad territorial y de población
es muy baja, es decir, los países del tercer mundo.
Los residuos agrícolas, deyecciones y camas de ganado son
también tres elementos que constituyen una parte importante de la
bioenergía. En ciertos países como España sólo parece recomendable
el uso de la paja de los cereales (en los casos en que el retirarla del
campo no afecte a la fertilidad del suelo) y las deyecciones y camas del
ganado (cuando el no utilizarlas sistemáticamente como estiércol no
perjudique las productividades agrícolas).
La convivencia con cultivos energéticos está muy discutida. Una
planta acuática particularmente interesante desde el punto de vista
energético sería el jacinto de agua, que posee una de las
productividades de biomasa más elevadas del reino vegetal. También
se podría recurrir a ciertas algas microscópicas (micrófitos), que
tendrían la ventaja de permitir un cultivo continuo.
A diferencia de las energías extraídas de la tanatomasa (carbón;
petróleo) la energía derivada de la biomasa es renovable
indefinidamente. De igual manera, a diferencia de las energías eólica y
solar, la de la biomasa es fácil de almacenar. Sin embargo, necesita
enormes volúmenes de combustibles que hacen su transporte costoso
lo que la convierte en una energía apropiada para la utilización local y
sobre todo rural. Su rendimiento, expresado en relación a la energía
solar incidente sobre las mismas superficies, es muy débil (0,5 % a 4
%, contra 10 % a 30 % para las pilas solares fotovoltaicas), pero las
superficies terrestres y acuáticas, de las que pueden disponer no
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tienen comparación con las que pueden cubrir, por ejemplo, los
captadores solares.
Algunas aplicaciones de la biomasa: Como es de esperar de la
variedad de productos resultantes de la biomasa las aplicaciones
posibles son también numerosas, entre ellas se tienen:
Producción térmica: Casi siempre se utilizan los productos de
combustión directa, aunque en ocasiones también se emplea
biogás.
Producción industrial: Se viene aplicando la biomasa en
instalaciones como hornos cerámicos, secaderos y calderas.
En este ámbito existe la suficiente tecnología para mejorar un
poco los rendimientos.
Producción doméstica: Desde siempre se han usado estufas
en los hogares, con rendimientos energéticos muy bajos.
Pero en los últimos años han apareciendo nuevos criterios en
cuanto a eficiencia de los equipos, mejora de los efectos
ambientales, características del combustible..., lo cual puede
ser una oportunidad para los productos densificados de
biomasa. Esto contribuiría a diversificar la demanda y los
productos. Recientemente también se están instalando
calderas de biomasa para calefacción de centros públicos y
de comunidades de vecinos.
Transporte: Probablemente este es el campo donde más
dependencia hay a la utilización de los derivados del petróleo.
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Por ello los biocombustibles de origen vegetal tienen un
interés especial en este campo, ante la vulnerabilidad del
abastecimiento y la subida progresiva de los precios, que se
están viendo actualmente. Hay dos tipos de combustible
desarrollados a partir de la biomasa, el bioetanol y el
biodiésel:
1. El bioetanol se aplica a la combustión en motores de
gasolina, mezclado con ella o sustituyéndola.
2. El biodiésel se aplica a motores diésel, mezclado en
ciertas proporciones con gasoil o, más raramente,
sustituyéndolo.
Ventajas de la utilización de la biomasa: Aunque la energía de la
biomasa se ha aprovechado desde que el hombre descubrió el fuego,
la consideración actual de la biomasa como una fuente de energía
limpia se hace bajo nuevos criterios y enfoques, tales como:
El balance de CO2 emitido por la combustión de la biomasa
es neutro. La combustión de biomasa, si se realiza en las
condiciones adecuadas, produce agua y CO2, pero la
cantidad emitida de CO2 (principal responsable del efecto
invernadero) fue captada por las plantas durante su
crecimiento. Es decir, el CO2 de la biomasa viva forma parte
de un ciclo de circulación continuo entre la atmósfera y la
vegetación, sin que suponga incremento de ese gas en la
atmósfera con tal que la vegetación se renueve a la misma
velocidad que se degrada.
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La producción de la biomasa es totalmente descentralizada,
ya que el recurso utilizado por esta energía está disperso por
el territorio, que puede generar un gran cambio social y
económico en el mundo rural.
La utilización de la biomasa como energía también disminuye
la dependencia externa para el abastecimiento de
combustibles.
Una parte de la biomasa para fines energéticos procede de
materiales residuales que es necesario eliminar. El
aprovechamiento energético supone convertir un residuo en
un recurso o lo que es lo mismo, reciclar.
La biomasa también es un importante campo de innovación
tecnológica. Las respuestas tecnológicas que se están
realizando están dirigidas a mejorar por completo el
rendimiento energético de la biomasa, minimizar los efectos
ambientales de los residuos aprovechados, incrementar la
competitividad comercial de los productos y posibilitar nuevas
aplicaciones de los biocombustibles.
La biomasa no emite contaminantes sulfurados o
nitrogenados, ni partículas sólidas.
Dificultades de la expansión de la biomasa: Los principales
obstáculos para la aplicación de la biomasa no son de carácter
tecnológico sino de mentalidad y de capacidad organizativa en todos
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los sectores sociales implicados. Incluso el subsector de los
biocombustibles que es seguramente el menos desarrollado cuenta
con recursos científico-técnicos suficientes. También se podrían
considerar como obstáculos para el desarrollo de la biomasa como
energía:
La estacionalidad.
La planificación de recopilación de materias primas, en el
caso de los cultivos energéticos y de residuos de cultivo, así
como la de los residuos forestales.
La dificultad de planificar podas, limpiezas, siegas, y
coordinar al personal humano necesario para estas
actividades.
La dispersión espacial del recurso
La variabilidad de producción
La gestión adecuada de estas cuestiones es la clave para
aprovechar al máximo los recursos más abundantes. La competencia
del aprovechamiento energético de la biomasa con otros fines,
ocasiona incertidumbres de abastecimiento y oscilación de precios de
las materias primas. Este aspecto es particularmente crítico para las
plantas de generación eléctrica, cuando los proveedores no forman
pare del proyecto de explotación.
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Ventajas DesventajasFavorece el reciclaje de residuos urbanos Contribuye a una mejor limpieza de los bosques y como consecuencia previene incendios forestales Aprovecha ciertos terrenos que no son válidos para otros cultivos.
Necesidad de grandes superficies de cultivo Tecnología en desarrollo
El calor terrestre: (fuente de energía geotérmica). Nuestro
planeta guarda una enorme cantidad de energía en su interior. Un
volcán o un geiser es una buena muestra de ello.
Son varias las teorías que tratan de explicar las elevadas
temperaturas del interior de la Tierra. Unas sostienen que se debe a las
enormes presiones existentes bajo la corteza terrestre; otras suponen
que tienen origen en determinados procesos radiactivos internos; por
último, hay una teoría que lo atribuye a la materia incandescente que
formó nuestro planeta.
Diversos estudios científicos realizados en distintos puntos de la
superficie terrestre han demostrado que, por término medio, la
temperatura interior de la tierra aumenta 3ºC cada 100m de
profundidad. Este aumento de temperatura por unidad de profundidad
es denominado gradiente geotérmico. Se supone que variará cuando
alcancen grandes profundidades, ya que en el centro de la tierra se
superarían los 20.000ºC, cuando en realidad se ha calculado que es,
aproximadamente, de 6.000ºC.
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La forma más generalizada de explotarla, a excepción de fuentes
y baños termales, consiste en perforar dos pozos, uno de extracción y
otro de inyección. En el caso de que la zona esté atravesada por un
acuífero se extrae el agua caliente o el vapor, este se utiliza en redes
de calefacción y se vuelve a inyectar, en el otro caso se utiliza en
turbinas de generación de electricidad. En el caso de no disponer de un
acuífero, se suele proceder a la fragmentación de las rocas calientes y
a la inyección de algún fluido.
Es difícil el aprovechamiento de esta energía térmica,
ocasionado por el bajo flujo de calor, debido a la baja conductividad de
los materiales que la constituyen; pero existen puntos en el planeta que
se producen anomalías geotérmicas, dando lugar a gradientes de
temperatura de entre 100 y 200ºC por kilómetro, siendo estos puntos
aptos para el aprovechamiento de esta energía, como lo son:
Hidrotérmicos: tienen en su interior de forma natural el fluido
calo portador, generalmente agua en estado líquido o en
vapor, dependiendo de la presión y temperatura. Suelen
encontrarse en profundidades comprendidas entre 1 y 10 m.
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Geopresurizados: son similares a los hidrotérmicos pero a
una mayor profundidad, encontrándose el fluido calor portador
a una mayor presión, unos 1000 bares y entre 100 y 200ºC,
con un alto grado de salinidad, generalmente acompañados
de bolsas de gas y minerales disueltos.
El viento: La fuente de energía eólica es el viento, o mejor dicho,
la energía mecánica que, en forma de energía cinética transporta el
aire en movimiento. El viento es originado por el desigual
calentamiento de la superficie de nuestro planeta, originando
movimientos convectivos de la masa atmosférica.
La Tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del
Sol. Esta energía, en lugares favorables, puede ser del orden de 2.000
Kw.h/m2 anuales. El 2% de ella se transforma en energía eólica con un
valor capaz de dar una potencia de 10E+11 Giga vatios.
La primera referencia histórica sobre el aprovechamiento del
viento para mover máquinas son unos molinos de eje vertical que
figuran en obras geográficas del siglo V a. de C. A lo largo de la historia
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ha habido varios modelos de molinos de viento y de los cuales se
pueden hacer grupos:
De eje horizontal
De eje vertical
De válvulas abatibles
De arrastre diferencial
De pantalla
De palas giratorias
Molinos de viento clásicos
Eólicas lentas
Eólicas rápidas
De variación cíclica de incidencia de palas fijas
De variación cíclica de incidencia de palas móviles
Ventajas DesventajasLimpia Sencillez de los principios aplicados Conversión directa Empieza a ser competitiva
Discontinuidad de los vientos Dispersión geográfica Generación de interferencias Tecnología en desarrollo Dificultad de almacenamientoImpacto sobre ecosistemas
El Mar: Los mares y los océanos son inmensos colectores
solares, de los cuales se puede extraer energía de orígenes diversos.
La energía mareomotriz es la energía asociada a las mareas
provocadas por la atracción gravitatoria del Sol y principalmente de la
Luna.
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La radiación solar incidente sobre los océanos, en
determinadas condiciones atmosféricas, da lugar a los
gradientes térmicos oceánicos (diferencia de temperaturas) a
bajas latitudes y profundidades menores de 1000 metros.
La interación de los vientos y las aguas son responsables del
oleaje y de las corrientes marinas.
La influencia gravitacional de los cuerpos celestes sobre las
masas oceánicas provoca mareas.
La energía estimada que se disipa por las mareas es del orden
de 22000 TWh. De esta energía se considera recuperable una
cantidad que ronda los 200 TWh. El obstáculo principal para la
explotación de esta fuente es el económico. Los costes de inversión
tienden a ser altos con respecto al rendimiento, debido a las bajas y
variadas cargas hidráulicas disponibles. Estas bajas cargas exigen la
utilización de grandes equipos para manejar las enormes cantidades
de agua puestas en movimiento. Por ello, esta fuente de energía es
sólo aprovechable en caso de mareas altas y en lugares en los que el
cierre no suponga construcciones demasiado costosas. La limitación
para la construcción de estas centrales, no solamente se centra en el
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mayor coste de la energía producida, si no, en el impacto ambiental
que generan.
Ventajas Desventajas
Limpia
Renovable
Necesita construir presas y diques.
Posible impacto ambiental en
ecosistemas .Sólo es aprovechable en
lugares muy concretos .Corrosión de los
sistemas
El sol: El sol es una poderosa fuente de energía. La energía
solar es la fuente principal de vida en la tierra y es el origen de la
mayoría de fuentes de energía renovables, tanto de la energía eólica,
la hidroeléctrica, la biomasa, y la de las olas y corrientes marinas.
Todos los aspectos de nuestra vida diaria involucran el uso de
energía: el transporte, la producción de alimentos y el abastecimiento
de agua (bombeo), así como la calefacción o el acondicionamiento de
nuestros hogares y oficinas. Para estos fines, los combustibles fósiles
tales como el petróleo, el carbón y el gas natural son los más
empleados, a pesar que la energía solar absorbida por la tierra en un
año equivale a 20 veces la energía almacenada en todas las reservas
de combustibles fósiles en el mundo y diez mil veces superior al
consumo actual.
La energía solar puede ser aprovechada de modos diversos,
además de las formas simples empleadas para secar ropa, calentar
agua o edificios, o para secar cosechas (lo que se conoce como
energía térmica solar).
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El principio de la electricidad solar: Mientras las celdas solares
permanecen expuestas a la luz, este proceso de liberación de
electrones continua y, por ende, el proceso de generación de
electricidad. Los materiales capaces de generar este efecto fotovoltaico
son los denominados semiconductores. En un proceso de producción
especial, las celdas solares son fabricadas de estos materiales
semiconductores. Un panel solar puede producir energía limpia por un
período de 20 años o más. El desgaste se debe, principalmente, a la
exposición al medio ambiente. Un panel solar montado
apropiadamente constituirá una fuente de energía limpia, silenciosa y
confiable por muchos años.
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Ventajas Desventajas
Limpia.Aplicación sencilla de los principios conversión directa.Empieza a ser competitiva
Considerables variaciones en el tiempo de irradiación. Aprovechable sólo en algunas partes del planeta.Necesidad de grandes superficies de captación para su aprovechamiento a gran escala. Tecnología en desarrollo. Dificultad de almacenamiento
El agua: Ya desde la antigüedad, se reconoció que el agua que
fluye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada
energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo.
Una muestra de ellos son lo molinos.
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Desde hace poco más de un siglo se aprovecha la energía
hidráulica para generar electricidad, y de hecho fue una de las primeras
formas que se emplearon para producirla. El aprovechamiento de la
energía potencial del agua para producir energía eléctrica utilizable,
constituye en esencia la energía hidroeléctrica. Es por tanto, un recurso
renovable y autóctono.
El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar
este potencial se denomina central hidroeléctrica. Hoy en día, con los
problemas medioambientales, se ven las cosas desde otra perspectiva.
Esto ha hecho que se vayan recuperando infraestructuras
abandonadas dotándolas de nuevos equipos automatizados y turbinas
de alto rendimiento. En consecuencia, el impacto ambiental no es más
del que ya existía o por lo menos inferior al de una gran central. A
estas instalaciones, con potencia inferior a 5.000Kw se les denomina
minihidráulicas. Las minicentrales hidroeléctricas están condicionadas
por las características del lugar de emplazamiento. La topografía del
terreno influye en la obra civil y en la selección del tipo de máquina.
Ventajas Desventajas
Es una energía limpia. No contaminante Su transformación es directa Es renovable
Coste inicial elevado (construcciones de grandes embalses) Riesgos debidos a la posible ruptura de la presa Capacidad limitada de los embalses. Impacto medioambiental
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en los ecosistemas
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MÉTODOS DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA
La energía es la capacidad que poseen los cuerpos y sistemas
para realizar un trabajo. Esta propiedad se evidencia en formas
diversas que pueden transformarse e interrelacionarse.
La energía siempre puede ser transformada independientemente
de cual sea su origen, es decir, todas las formas de energía pueden
convertirse en otras a través de procesos adecuados. En el transcurrir
de la transformación puede perderse o ganarse una forma de energía,
pero la suma total permanece constante.
La energía, independientemente de su procedencia, tiende a ser
transformada en calor, siendo ésta la forma más apocada de la
energía. En los dispositivos mecánicos la energía no empleada para
realizar trabajo útil se disipa como calor de rozamiento, y las pérdidas
de los circuitos eléctricos se producen fundamentalmente en forma de
calor.
El Principio de Conservación de la Energía, producto de
prácticas empíricas de siglos pasados, sostiene que la energía puede
ser transformada más no puede ser creada ni destruida. El mismo
constituye uno de los principios básicos de la mecánica clásica. Del
mismo modo que el Principio de Conservación de la Materia, sólo se
cumple en fenómenos que implican velocidades bajas en comparación
con la velocidad de la luz. Cuando las velocidades se empiezan a
aproximar a la de la luz, como ocurre en las reacciones nucleares, la
materia puede transformarse en energía y viceversa.
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La humanidad ha alcanzado la utilización de innovadoras fuentes
de energías de maneras cada vez más eficientes gracias al desarrollo
tecnológico que ha sido el elemento básico de este logro; pero este
progreso también tiene sus limitantes.
Los métodos de aprovechamiento energético en su totalidad
recurren en cualquier instante al intercambio de energía térmica. La
utilización de fuentes de energía alternativa como combustibles fósiles
o de la biomasa permite obtener la energía a partir de los recursos de
combustión que liberan la energía térmica que se utiliza para calentar
un fluido.
La energía nuclear genera una energía cinética que se
transforma en energía térmica. El aprovechamiento de la energía
hidráulica ha requerido una evaporación previa de agua por la acción
térmica solar. La energía eólica es consecuencia de las variaciones
térmicas en la atmósfera.
La principal limitante de las tecnologías de generación de
energía está impuesta por la propia naturaleza. Los fenómenos
relacionados a la energía calórica y las leyes que rigen su
transformación en otro tipo de energía son objeto de estudio de la
termodinámica.
La trascendencia de la energía procedente del sol para el
desarrollo de la vida fue reconocida desde la antigüedad, sin embargo
la ciencia del calor y la temperatura es relativamente reciente. Es
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importante resaltar que no toda la energía térmica almacenada en un
medio es utilizable.
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Los sistemas desarrollados por el hombre para aprovechar la
energía térmica de los combustibles se basan en calentar un fluido a
una presión elevada para que al expandirse en una turbina la haga
girar. Simultáneamente, la turbina hace girar el rotor de un generador
eléctrico. El rendimiento de este ciclo varía entre el 35% y el 45%.
Actualmente, utilizando turbinas de gas se alcanzan rendimientos del
50%. Con la energía nuclear el proceso es semejante, pero los
rendimientos se quedan en el 35%. En la actualidad se están
desarrollando múltiples tecnologías que pretenden aumentar los
recursos y los rendimientos, reduciendo al mismo tiempo el impacto
ambiental.
Descontando los desarrollos tecnológicos asociados a la fusión
nuclear, el futuro tecnológico estará asociado al perfeccionamiento de
los procedimientos existentes de producción y utilización de la energía.
Este avance tecnológico estará supeditado a la mejora de la eficacia, a
la reducción de costes y a la reducción del impacto ambiental. La
energía se utilizará más eficientemente mediante las tecnologías de
control y de automatización.
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En la antigüedad, la disponibilidad de energía en relación a la
demanda de consumo humano era abundante. La madera y el carbón
vegetal eran el principal combustible hasta la aparición del combustible
de carbón mineral. Aún hoy día la madera constituye el 13% de la
energía mundial, y la mayor parte se quema de modo poco eficaz para
cocinar y calentar los hogares en los países menos desarrollados.
Como consecuencia de ello la madera como combustible está
empezando a escasear en África y el Sureste asiático.
La invención de la caldera de carbón hizo permitió el transporte
por ferrocarril, este invento resultó una forma de propulsión más segura
y eficaz que muchas otras. No es necesario recalcar la gran eficacia de
este invento; la conversión de la energía química del carbón en energía
mecánica de la máquina alcanzaba un rendimiento inferior al 1%.
Entre los sistemas de conversión de energía se encuentran los
sistemas de conversión directa de la energía que son capaces de
convertir varias formas de energía térmica, química o nuclear
directamente en trabajo o en energía eléctrica. Estos sistemas operan
sin el uso de sustancias de trabajo que de manera alterna absorben,
almacena y liberan la energía. De manera ideal, la conversión de
energía térmica, nuclear en una celda de combustible, celda
fotovoltaica, sistema termoeléctrico, batería u otro sistema de
conversión directa de energía alcanzan eficiencias altas. Sin embargo,
existen limitaciones en la operación del sistema y dificultades para
conseguir la eficiencia requerida.
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Para poder elegir un sistema de conversión adecuado, debemos
tomar en cuenta la eficiencia y otros factores. Como lo son el tamaño,
la masa, la seguridad, el costo inicial, el costo de mantenimiento, la
adaptabilidad a varios combustibles y la contaminación ambiental. Esto
nos da como resultado que cada uno de los dispositivos de conversión
directa de energía es el adecuado para ciertas aplicaciones de acuerdo
a sus características y requerimientos.
La contaminación causada por las emisiones de máquinas hoy
en día es de gran preocupación. Algunos en parte por ser muy
numerosos, como por ejemplo el automóvil.
En términos de contaminación ambiental, las celdas de
combustibles son una atractiva opción, sin embargo, en la práctica se
limita su utilidad como fuente móvil de energía, y así, las celdas de
combustibles frecuentemente son consideradas para otras
aplicaciones, como para la generación de la potencia descentralizada o
centralizada.
Por ello, fue necesario el desarrollo de otros sistemas de
conversión directa de energía:
Dispositivos fotovoltaicos
Dispositivos termoeléctricos
Dispositivos termoiónicos
Dispositivos magnetohidrodinámicas
Los dispositivos fotovoltaicos pueden operar isotérmicamente,
pero la energía radiante de entrada viene de una fuente a una
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temperatura diferente. Los dispositivos termoeléctricos, termoiónicos y
magnetohidrodinámicas incluyen la adición de calor desde un depósito
de temperatura más alta y la eliminación de calor a un depósito de
temperatura más baja. Para esto se aplica el principio de Carnot. Estos
dispositivos pueden no tener altas eficiencias pero son atractivos
gracias a la simplicidad del sistema entre otros.
Dispositivos fotovoltaicos:
Estos dispositivos convierten la energía de la luz o de otra
radiación electromagnética directamente en trabajo o energía eléctrica.
No hay conversión intermedia a otras formas de energía tales como
calor. Por lo tanto, la eficiencia térmica no está definida en conexión
con los dispositivos fotovoltaicos y no se puede hacer comparación con
el rendimiento del ciclo de Carnot.
Las celdas fotovoltaicas no pueden operar isotermicamente. La
operación de una celda fotovoltaica involucra mucha pérdida, de modo que
sólo una fracción de energía radiante incide sobre la celda y se convierte en
trabajo eléctrico.
Dispositivos termoeléctricos:
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Los dispositivos termoeléctricos simples pueden ser usados de
varias formas. Si la corriente es anulada, este dispositivo puede ser un
termopar o un instrumento de medición de temperatura, cuando se usa
un contador adecuado para medir la diferencia potencial a través de las
conexiones del circuito externo.
Los materiales termoeléctricos deseables tienen propiedades
que están entre las de los metales y los aislantes. Por esta razón, los
semiconductores son comúnmente usados.
La eficiencia de un generador termoeléctrico depende de la
temperatura de operación, de las propiedades del material y de la
densidad de la corriente. Si el dispositivo opera estable y
reversiblemente, la eficiencia sólo dependerá de las temperaturas de
los cuerpos con los que el generador intercambia calor, de acuerdo con
el principio de Carnot. Los efectos irreversibles incluyen la conducción
de calor a través de los materiales termoeléctricos desde los extremos
calientes a los extremos fríos, la resistencia óhmica a través del
dispositivo, la resistencia del contacto entre los materiales y las
pérdidas de corriente y calor. Las eficiencias son bajas, pero los
generadores termoeléctricos son simples y seguros y pueden usar un
calor de entrada de varias fuentes: combustibles, radiación solar,
diferencias de temperatura que ocurren en la naturaleza y fuentes de
calor nuclear.
Los generadores termoeléctricos también pueden ser operados
de forma inversa como refrigeradores termoeléctricos. Los coeficientes
de rendimiento son bajos pero aquí, de nuevo, otras ventajas hacen
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que los refrigeradores termoeléctricos sean adecuados para algunas
aplicaciones.
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Dispositivos termoiónicos:
Los dispositivos termoiónicos se encuentran constituidos por dos
electrodos en forma de placas planas estrechamente espaciados y
paralelos entre ellos en un recinto sellado que contiene vacío o un
plasma. Por medio de la fuente de calor externa, el cátodo se eleva a
una temperatura tan alta que los electrodos son expulsados de él. Los
electrodos fluyen al ánodo, que se mantiene a baja temperatura por
transferencia del calor a algunas partes de los alrededores. Los
electrodos se alejan del ánodo para fluir a través del circuito eléctrico
externo y de regreso al cátodo.
Las temperaturas del cátodo típicamente exceden los 1200k y
pueden pasar de los 2000k. Las temperaturas del ánodo pueden ser
tan altas como 1000k. Como el calor es liberado a esa temperatura, los
generadores termoiónicos pueden ser mejor aplicados como unidades
de principio, siendo el calor liberado por el dispositivo termoiónico el
calor de entrada a otro sistema de potencia, como una turbina de gas o
una planta de vapor.
Son varios los factores que perjudican el funcionamiento de los
generadores termoiónicos. Conforme pasan los electrones del cátodo
al ánodo dentro del generador termoiónico, la repulsión mutua de los
electrones en la brecha interelectrodos inhibe la emisión de electrones
del cátodo. Esto se llama efecto de carga espacial.
Otros efectos que perjudican el rendimiento del generador
termoiónico son la transferencia de calor por radiación entre los
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electrodos y pérdidas de calor dispersas a los alrededores. También
hay pérdidas óhmicas en los electrodos y en la circuitería interna.
Dispositivos magnetohidrodinámicos:
En un generador eléctrico convencional, los conductores
eléctricos se mueven a través de un campo magnético para inducir
corrientes eléctricas en los conductores. Los conductores deben
moverse contra una fuerza de retraso, y esto requiere un trabajo de
entrada.
Los generadores magnetohidrodinámicos (mhd) son análogos a
los generadores eléctricos convencionales, en ellos un fluido conductor
se mueve a través de un campo magnético. Entonces se induce una
corriente en el fluido conductor. Esta corriente pasa a través de unos
electrodos que se encuentran en las paredes del canal y a lo largo de
un circuito externo.
Los efectos que perjudican el rendimiento de los generadores
mhd reales incluyen efectos de carga espacial (similares a los de los
convertidores termoiónicos), pérdidas óhmicas en el gas ionizado,
transferencia de calor del gas, pérdidas de fricción del fluido, y algunas
pérdidas asociadas con las interacciones de los campos eléctrico y
magnético en el gas.
Es importante resaltar, que un generador mhd involucra
transferencia de calor con reservorios de energía a diferentes
temperaturas, por lo que se aplica la limitación de la eficiencia del
principio de Carnot.
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CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES ELÉCTRICAS
Entre las numerosas centrales eléctricas existentes
(hidroeléctrica, nucleares, termoeléctrica, solares, eólicas,…, etc.) se
puede realizar una división de dos clases las principales o las más
comunes, y las de nueva tecnología y que aprovechan fuentes de
energía alternativas. Quedando la clasificación de esta manera:
Principales centrales eléctricas:
Centrales hidroeléctricas
Centrales nucleares
Centrales termoeléctricas
Centrales eléctricas alternativas:
Centrales solares térmicas
Centrales eólicas
Centrales geotérmicas
Centrales fotovoltaicas
Centrales mareomotrices
Principales Centrales Eléctricas
1. Central hidroeléctrica
Es un sistema de generación de electricidad que utiliza el agua
como fuente de energía, para lo cual transforma la energía de
movimiento del agua (energía hidráulica), en energía eléctrica a través
de los generadores.
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Esto se logra al tomar el agua de una o varias fuentes (ríos,
lagos, etc.) que se retienen en un embalse (como energía potencial),
en un sitio con mayor elevación con respecto a la casa de máquinas.
Estas aguas se dirigen por medio de la fuerza de la gravedad, a través
de un sistema de conducción (túneles, canales, tuberías, tanques de
oscilación, etc.), hasta llegar a casa de máquinas, lográndose convertir
la energía potencial en energía cinética (de movimiento) o energía
hidráulica. Con su masa y velocidad, el agua hace girar las turbinas
(tipo Peatón, Francis o Kaplan), ubicadas en casas de máquinas, las
cuales transforman la energía hidráulica en energía rotacional.
Los generadores, que se encuentran acoplados a las turbinas
por un eje en común, son los encargados de transformar la energía
rotacional en energía eléctrica, la cual se traslada a la subestación
elevadora (ubicada cerca de la casa de máquinas); ésta se encarga de
elevar la tensión o voltaje para que la energía llegue a los centros de
distribución con la debida calidad. Todo este proceso es administrado
desde la sala de control de la casa de máquinas.
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Ventajas Desventajas
No requieren combustible. Es limpia, es decir, no contamina ni el aire ni el agua. Puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua y navegación. Costos de mantenimiento y explotación bajos. La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos
Costos por kilovatio instalado muy altos. La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas. La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.El emplazamiento, determinado por características naturales, puede estar lejos del centro o centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, lo que significa un aumento de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdida de energía.
2. Centrales de Energía Nuclear:
Las plantas de energía nucleares generan mediante la fisión de
átomos de uranio (uranio enriquecido). El calor de este proceso de
fisión se emplea para impulsar una turbina que genera electricidad. El
reactor nuclear y el equipo de generación eléctrica son sólo parte de un
conjunto de actividades interrelacionadas.
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La producción de un suministro fiable de electricidad a partir de
la fisión nuclear exige extraer, procesar, transportar enriquecer y
empaquetar el uranio; en la forma adecuada, así como también
requiere construir el reactor y el equipo generador, de igual manera
procesar y retirar el combustible gastado. Estos procesos requieren
unos procesos industriales muy complejos e interactivos y
conocimientos especializados.
3. Centrales termoeléctricas
La energía eléctrica se produce principalmente a partir de
transformaciones de otras energías, el empuje del vapor obtenido al
hervir agua en una caldera acciona las turbinas que ponen en
funcionamiento el rotor de dinamos o alternadores para producir la
corriente eléctrica. Este tipo de energía presenta ventajas en su fácil
transporte, su bajo precio, etc.
El vapor generado tiene una gran presión, y se hace llegar a las
turbinas para que su expansión sea capaz de mover los alabes de las
mismas.
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Las denominadas centrales termoeléctricas clásicas son de:
carbón, de fuel o gas natural. En dichas centrales la energía de la
combustión del carbón, fuel o gas natural se emplea para hacer la
transformación del agua en vapor.
Las centrales térmicas clásicas están compuestas principalmente
por una caldera y una turbina que mueve al generador eléctrico. La
caldera, es el elemento fundamental y en ella se produce la combustión
del carbón, fuel o gas.
Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace
hervir agua para producir vapor. El calor necesario para caldear y
vaporizar el agua puede ser suministrado por un hogar, por gases
calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial, un ejemplo
de ello sería un horno. Si la caldera propiamente dicha está conectada
a otros, de los cuales unos calientan el agua (recalentadores de agua)
o el aire de combustión (precalentador de aire), y otros recalientan el
vapor (recalentadores), suele denominarse el conjunto grupo
evaporador, y la parte del grupo en que se produce la evaporación se
llama vaporizador o haz vaporizador.
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Durante su funcionamiento, la caldera propiamente dicha está
sometida interiormente a la presión de equilibrio del agua y de su vapor
a la temperatura alcanzada. Los otros elementos del grupo recorridos
por el agua o el vapor, a partir de la bomba de alimentación, están
sometidos casi a la misma presión, pero la temperatura del fluido
puede ser inferior o superior a la ebullición.
De forma general y sistemática, el vapor de agua se produce
llevando al punto de ebullición el agua contenida en un recipiente
El agua de alimentación introducida en el generador de vapor,
proviene de la fuente fría (red colectora del producto condensado más
agua adicional).
Comúnmente, la duración del equipo generador en plantas
térmicas es inferior a la de las plantas hidráulicas. Esto, aunado al
costo del combustible y a los gastos elevados de operación y de
sostenimiento, hacen que la energía producida en ellas sea de mayor
costo que la obtenida en alternadores de turbinas hidráulicas.
La utilización económica del vapor exige que este recorra un
ciclo cerrado desde la fuente de calor, constituida por la maquina
45
térmica que consume el combustible transformándolo en calor,
pasando por maquinas de transferencia, condensación, bombeo de
vapor, realentadores, etc., hasta el grupo turbina – generador de
conversión de la energía, volviendo condensado al sistema de
recalentamiento y alimentación.
La planta debe disponer al menos de una unidad excedente para
los casos de averías, si lo exige la estabilidad del servicio, y que las
variaciones inevitables en la carga exigen cierta flexibilidad en la
generación, que no puede obtenerse sino mediante el uso de varias
unidades.
Las plantas de potencia de vapor generan la fracción principal y
el incremento de la potencia eléctrica producida en el mundo. Del
mismo modo, la generación de potencia de vapor con frecuencia se
combina con la producción de vapor que se usa para calentamiento de
edificios, calentamiento de agua y varios procesos industriales. El ciclo
de potencia de vapor en si es en esencia el mismo si el reservorio que
suministra calor al vapor es una caldera en la que se quema
combustible o un reactor nuclear en el que ocurre la fisión.
El ciclo Carnot es un modelo inadecuado para el diseño de
plantas de potencia de vapor debido a las dificultades de llevar a cabo
los procesos requeridos mientras se utiliza la máxima temperatura
posible para adición de calor. Otras sustancias de trabajo tienen
propiedades de saturación que eliminan algunos de los problemas de
la utilización de agua en un ciclo Carnot, pero ocasionan otras
dificultades.
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Centrales Eléctricas Alternativas
1. Centrales Solares Térmicas:
Centrales solares térmicas transforman la radiación solar en
calor y lo transfieren a un fluido de trabajo. El calor se usa entonces
para calentar edificios, agua, mover turbinas para generar electricidad,
secar granos o destruir desechos peligrosos. Los Colectores Térmicos
Solares se dividen en tres categorías:
Colectores de baja temperatura: Proveen calor útil a
temperaturas menores de 65º C mediante absorbedores
metálicos o no metálicos y puede aplicarse en calentamiento
de piscinas, calentamiento doméstico de agua para baño y,
en general, para todas aquellas actividades industriales en las
que el calor de proceso no es mayor a 60º C, por ejemplo, el
lavado textil, la pasteurización etc.
Colectores de temperatura media: Son los dispositivos que
concentran la radiación solar para entregar calor útil a mayor
temperatura, usualmente entre los 100 y 300º C. En esta
categoría podemos encontrar los concentradores
estacionarios y a los canales parabólicos, estos efectúan la
concentración mediante espejos dirigidos hacia un receptor
de menor tamaño. Tienen el inconveniente de trabajar
solamente con la componente directa de la radiación solar por
lo que su utilización queda restringida a zonas de alta
insolación.
Colectores de alta temperatura: Existen en tres tipos
diferentes: los colectores de plato parabólico, la nueva
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generación de canal parabólico y los sistemas de torre
central. Operan a temperaturas mayores a los 500º C y se
usan para generar electricidad y transmitirla a la red eléctrica;
en algunos países estos sistemas son operados por
productores independientes y se instalan en lugares donde
las posibilidades de días nublados son escasa o mejor aun
remotas.
Colectores de baja temperatura
El colector solar plano es el aparato más representativo de la
tecnología solar fototérmica. Su principal aplicación es en el
calentamiento de agua para baño y albercas, aunque también se utiliza
para secar productos agropecuarios mediante el calentamiento de aire
y para destilar agua en comunidades rurales principalmente.
Esta conformado básicamente por:
Marco de aluminio anodizado.
Cubierta de vidrio templado, bajo contenido en hierro.
Aislante, usualmente poliestireno.
Cabezales de alimentación y descarga de agua.
Placa absorbente. Enrejado con aletas de cobre.
Caja del colector, galvanizada.
Los colectores solares tienen dimensiones que los caracterizan.
En términos generales la unidad básica consiste de un colector plano
de 1.8 a 2.1m2 de superficie, conectado a un termo tanque de
almacenamiento de 150 a 200 litros de capacidad; a este sistema
frecuentemente se le añaden algunos dispositivos termostáticos de
control a fin de prevenir congelamientos y pérdidas de calor durante la
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noche. Las unidades domésticas funcionan mediante el mecanismo de
termosifón, es decir, mediante la circulación que se establece en el
sistema debido a la diferencia de temperatura de las capas de líquido
estratificadas en el tanque de almacenamiento. Para instalaciones
industriales se emplean varios módulos conectados en arreglos serie-
paralelo, según el caso, y se emplean bombas para establecer la
circulación forzada.
Colectores de media y alta temperatura
Los sistemas tipo canal parabólica usan reflectores parabólicos
en una configuración de canal para enfocar la radiación solar directa
sobre un tubo largo que corre a lo largo de su foco y que conduce al
fluido de trabajo, el cual pude alcanzar temperaturas hasta de 500º C.
La generación foto térmica de electricidad es actualmente una de
las aplicaciones más extensas de la energía solar en el mundo. Existen
más de 2.5 millones de m2 de concentradores solares instalados en 9
plantas propiedad de Solar Energy Generation System (SEGS) la
Compañía Luz de Israel, que representan 354 MW y más del 85% de la
electricidad producida con energía solar. Sus plantas usan aceite
sintético como medio de transferencia de calor en el campo de
concentradores; como circuito primario, el calor recogido por el aceite
se intercambia posteriormente con agua donde se lleva a cabo la
generación de vapor, el cual a su vez se expande para completar un
ciclo Rankine. Durante los periodos de baja insolación, o bien para
nivelar la oferta, se asisten con gas natural.
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Actualmente se ha introducido el ciclo combinado para mejorar la
eficiencia termodinámica de estos sistemas y se estudia en varios
países, entre ellos México, la posibilidad de generar directamente el
vapor en el campo de concentradores. Con esto se espera lograr llevar
los precios de generación a niveles competitivos con las plantas
termoeléctricas convencionales.
Existen otros sistemas, no comerciales aún, como los de torre
central que usan helióstatos (espejos altamente reflejantes) para
enfocar la luz solar, con la ayuda de una computadora y un
servomecanísmo, en un receptor central. Los sistemas parabólicos de
plato usan estos reflectores para concentrar la luz del sol en un
receptor montado arriba del plato, en su punto focal.
2. Centrales eólicas
Una central eólica es una instalación en donde la energía
cinética del viento se puede transformar en energía mecánica de
rotación. Para esto se instala una torre en cuya parte superior existe un
rotor con múltiples hélices, orientadas en la dirección del viento. Las
hélices giran alrededor de un eje horizontal que actúa sobre un
generador de electricidad.
Una de las limitaciones para su mayor aprovechamiento es que a
pesar que el 1 % aproximadamente de la energía solar que recibe la
tierra se transforma en movimiento atmosférico, esta energía no se
distribuye uniformemente
51
Así como también, limitaciones tecnológicas para alcanzar
potencias superiores a un megavatio, lo cual hace que su utilidad esté
restringida a los sectores donde se desee emplear
3. Centrales geotérmicas
Las centrales geotérmicas son las instalaciones que aprovecha
la energía geotérmica para producir energía eléctrica. Una central
geotérmica no es más que una central térmica en la que la caldera ha
sido sustituida por el reservorio geotérmico y en la que la energía es
suministrada por el calor de la tierra, en vez del petróleo u otro
combustible.
4. Centrales mareomotrices
La central mareomotriz aplica una técnica consistente en
encauzar el agua de la marea en una cuenca y, en su camino, accionar
las turbinas de una central eléctrica. Cuando las aguas se retiran,
también generan electricidad, usando un generador de turbina
reversible.
Las mareas se aprecian como una variación del nivel del mar,
que ocurre cada 12h 30 minutos y puede suponer una diferencia del
nivel desde unos 2 metros hasta unos 15 metros, según la diferencia
de la topografía costera.
La mayor central mareomotriz se encuentra en el estuario del
Rance (Francia). La energía sólo se obtenía una vez por marea. El
embalse creado por las obras que represan el Rance tiene un volumen
de 184.000.000m3 entre los niveles de pleamar y bajamar. Su
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extensión es aproximadamente 20.000.000km que se alargan hasta la
orilla del río Rance, situada junto a la parte más profunda.
En Gran Bretaña se estudió la posibilidad de construir una
central mareo motriz, en el estuario del río Severn, habiendo estudiado
dos posibles ubicaciones, la que parecía más favorable (denominada
Cardiff-Weston), suponía construir un dique de 16.3 kilómetros para
emplazar 192 turbo-grupos, con una producción prevista de 14.4
TWh/año, pero este proyecto tuvo un rechazo social por las
destrucciones de los ecosistema que el mismo conllevaba.
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TIPOS DE CENTRALES PRODUCTORAS DE
ELECTRICIDAD SEGÚN LA ENERGIA PRIMARIA
UTILIZADA
Tipo de central Energía utilizada Sistema de
transformación
Térmica
convencional
Energía calorífica,
combustión de
combustible fósiles
(carbón, gas, fuel)
Turbina de vapor
Térmica Nuclear
Energía calorífica
procedente de la fisión
nuclear
Turbina de vapor
HidroeléctricaEnergía mecánica del
agua
Turbina
Hidráulica
EólicaEnergía mecánica del
vientoHélices
SolarEnergía luminosa y
calorífica del sol
Células
fotovoltaicas
MareomotrizEnergía mecánica de
las mareas
Turbina
hidráulica
GeotérmicaEnergía calorífica de la
tierra Turbina de vapor
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DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS
Caldera: Es un gran intercambiador de calor donde el calor
que se origina en los gases de combustión, reactores
nucleares u otras fuentes se transfieren al agua a presión
constante. La caldera, con la sección donde el calor se
sobrecalienta (el sobrecalentador), recibe el nombre de
generador de vapor. Las Calderas o Generadores de vapor
son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un
combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para
distintas aplicaciones en la industria. Se utiliza para teñir
ropas, para producir vapor de limpieza, para cocción de
alimentos, para esterilizar instrumentos, entre otros. La forma
de las calderas de vapor ha evolucionado considerablemente
y, sobre todo, se ha diversificado. Las primeras calderas
consistían esencialmente en recipientes cerrados, cuya parte
inferior, llena de agua, estaba sometida a la irradiación de un
hogar o al contacto de gases calientes.
Calor: Es la energía transferida entre dos sistemas que está
exclusivamente relacionada con la diferencia de temperatura
existente entre ellos. Una superficie a través de la cual puede
haber transferencia de calor se llama diatérmica; en caso
contrario se denomina adiabática.
Centrales eléctricas: Son las instalaciones productoras de
energía eléctrica. En ellas hay un conjunto de máquinas
motrices y aparatos que se utilizan para generar energía
55
eléctrica. Las centrales reciben el nombre genérico de la
energía primaria utilizada: centrales térmicas de carbón, de
gas, centrales nucleares, centrales hidráulicas o
hidroeléctricas, centrales eólicas, centrales geotérmicas, etc.
Ciclo de vapor de Carnot: Es el más eficiente de los que
operan entre dos niveles de temperatura especificados. Es
considerado como un presunto ciclo ideal para las centrales
de potencia de vapor. De ser posible, se adoptaría como el
ciclo ideal. Sin embargo, el ciclo de Carnot no es un modelo
apropiado para los ciclos de potencia de vapor.
Energía: Es la capacidad que tienen los cuerpos y sistemas
para realizar un trabajo; esta propiedad se evidencia en
formas diversas que pueden transformarse e
interrelacionarse. Un trabajo efectuado sobre un cuerpo o
sistemas de cuerpos supone un aumento de su energía. Es
tal vez el fuego la manifestación más potente de la energía.
Presión: Es la fuerza ejercida por un agente sobre una
unidad de superficie. La presión ejercida sobre los fluidos, en
los que se incluyen los gases y los líquidos, revisten un
especial interés para la termodinámica y la hidrodinámica. En
los cuerpos gaseosos un incremento en la presión a volumen
constante conlleva a un aumento paralelo en la temperatura.
La principal unidad de medida de presión son el Nw/m2 en el
sistema internacional y en bar o dina/cm2 en el sistema
cegesimal.
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Termodinámica: Es la disciplina de la física que persigue el
estudio sistemático de las relaciones existentes entre el calor,
la temperatura y la energía.
Turbina: Una turbina consta de al menos una fila estacionaria
de hojas o boquillas y al menos de una fila de hojas móviles
que son una parte del rotor.
Vapor: Se definirá como el fluido de trabajo, puesto que su
empleo predomina en los ciclos de potencia de vapor.
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CONCLUSIÓN
Una vez considerada la importancia de la energía en la vida
cotidiana y las diversas fuentes generadoras de las mismas podemos
concluir que el principio de conversión de energía de las principales
centrales es básicamente la transformación de energía mecánica en
energía eléctrica, este descubrimiento introdujo la electricidad en el
campo de acción durante la Revolución Industrial, hasta entones
dominada por el vapor y la energía hidráulica, y fue el punto de
partida para el desarrollo de la industria eléctrica.
La conversión directa de energía no es mas que la conversión
de energía de calor a trabajo eléctrico o mecánico y este trabaja sin
necesidad de la interposición de una sustancia de trabajo que
experimenta un ciclo, una de las maneras de reflejarlos es
observando los generadores termoeléctricos, estos dispositivos
absorben calor de una fuente de alta temperatura y libera calor a
una temperatura baja.
De igual manera a lo largo de la realización del trabajo se pudo
observar como los sistemas eléctricos están relacionados en cada
campo de acción de la vida cotidiana; así mismo se estudiaron las
diversas fuentes de energía y las centrales que las aprovechan.
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BIBLIOGRAFÍA
GORDON J. Van Wylen y Richard E. Sonntag “Fundamentos
de Termodinámica” Editorial LIMUSA- WILEY (México).
YUNUS A. Cengel y Michael A. Boles “Termodinámica”
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BALZHISER. Richard, Michael Samuels y John Eliassen
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LICENI. Franco “Centrales Eléctricas a vapor” Librería y
editorial ALSINA.
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Océano 1996
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http:\www.monografias.com/tecnología/index.shtml
http:\www.mem.org.ve
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