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Generación de energía eléctrica.
Disponer de un sistema fiable y seguro que permita utilizar la energía eléctrica en el hogar, en el comercio y en la industria se da por supuesto en los países avanzados y se necesita en muchos países en desarrollo.
Las necesidades de los consumidores son muy variadas, pues éstos pueden ser desde pequeñas familias hasta grandes complejos industriales distribuidos por todo el país. Cada uno necesita su propio suministro eléctrico, apropiado para su demanda y a veces a un voltaje particular, independiente de otros usuarios siempre que sea posible, y que esté disponible las veinticuatro horas del día. Además, es preferible que los cables de distribución no estén a la vista y que exista un sistema interconectado que no falle cuando se estropea la central eléctrica local. Deben existir picos de demanda de energía eléctrica, dependiendo del tiempo que haga, del momento del día que sea, o de acontecimientos especiales. El suministro debe ser homogéneo en todo el país, aunque las grandes ciudades y las áreas industriales puedan tener prioridad en casos de emergencia o en circunstancias especiales.
Todo esto sólo se puede llevar a cabo con una industria eléctrica potente y una organización comercial de gran envergadura, disponiendo de miles de personas y de materia prima en cantidades masivas para poder distribuir miles de millones de vatios de energía eléctrica.
A)¿Qué es y cómo funciona una dinamo?
El principio de funcionamiento de un generador o de una dinamo
se basa en la generación de una f.e.m. debido al movimiento de un cable conductor en el seno de un campo magnético.
Una dínnamo es un generador eléctrico formado por una bobina de cable de cobre barnizado, arrollada en un núcleo de hierro dulce ( no de acero) que gira dentro de un campo magnético producido por un imán situado alrededor de ella y que cuando gira transforma la energía cinética que recibe en energía eléctrica continua. La construcción de un generador de corriente continua es idéntica
a la de un motor de corriente continua, incluido el colector,
pero en el generador hay un movimiento mecánico del mismo para
producir electricidad, mientras que el motor se mueve por la acción
de una corriente eléctrica.
Figura: Dinamo: Dispositivo capaz de transformar el movimiento rotativo en electricidad. (Produce
Corriente Continua.)
Por ejemplo: una dinamo es lo que tu llevas en las bicicletas y que cuando lo pones en contacto con la rueda cuando se está moviendo y tiene energía cinética, ésta hace girar el eje en torno al cual está arrollado el bobinado de cobre formando un electroimán que gira dentro del campo magnético del imán de la dinamo, transformando así la energía cinética de la rueda de la bicicleta en la energía eléctrica necesaria para que las lámparas de tu "bólido" se enciendan.
Figura .-Posiciones de la bobina cuando: a) la f.e.m. inducida es máxima, y
b) cuando es cero.
Figura: Generador básico de corriente continua.
La construcción de un generador de corriente continua es idéntica a la de un motor de corriente continua, incluido el colector, pero en el generador hay un movimiento mecánico del mismo para producir electricidad, mientras que el motor se mueve por la acción de una corriente eléctrica. En la figura siguiente se representa la bobina en dos posiciones cuando está girando. En (a) el flujo magnético que pasa a través de la bobina cambia tanto más rápidamente cuanto más grande sea la velocidad con que las caras de la bobina cortan las líneas de campo magnético (aunque en el instante representado el flujo que atraviesa la bobina es cero). En (b), sin embargo, el flujo que atraviesa la bobina es más grande, pero no está variando cuando la bobina se encuentra en este punto porque no corta ninguna línea de flujo. En (a) la f.e.m. inducida será máxima, pero en (b) será cero. Por tanto, la f.e.m. que hay entre los terminales de la bobina será alterna, como se muestra esquemáticamente en la figura para los casos de funcionamiento en continua y en alterna.
Figura -f.e.m. que se obtiene en una única bobina de un generador cuando: a) funciona en continua, y b) en alterna.
Figura. Salida de un generador elemental de corriente alterna
Figura. Operación de un generador básico de corriente continua
Figura. Incrementando el número de espiras se reduce el ripple (rizado) en el voltaje
Generadores comerciales
El diseño de generadores comerciales es más complejo que el modelo simple de laboratorio y supone disponer de polos cóncavos, un electroimán en lugar de un imán permanente, varias bobinas de cable conectadas en serie y alojadas en un núcleo de hierro laminado, y escobillas de carbón para los contactos del colector (ver figuras). Estas características son muy parecidas a las de los motores eléctricos .Ya veces se puede utilizar la misma máquina como motor o como generador.
Figura. Detalles de un generador comercial.
La dinamo de bicicleta
Un tipo de generador muy común es el que llevan las bicicletas para alimentar las bombillas de las luces; suele llevar una ruedecita moleteada que gira cuando una de las ruedas de la bicicleta gira, pues roza contra ella (ver figura). Aquí se utiliza un imán permanente y la bobina está arrollada en una armadura de hierro. Se ponen como contactos unos anillos deslizantes que permiten sacar las conexiones al exterior. La carcasa de la dinamo sirve como contacto, es decir, todas las partes metálicas de la bicicleta (ésta es la razón de que sólo se utilice un cable para conectar la bombilla a la dinamo, pues el otro conductor lo forman las partes metálicas de la bicicleta).
Figura -Estructura de una dinamo de bicicleta y f.e.m. que genera.
La f.e.m. que se obtiene a la salida de este tipo de dinamo es alterna, pero no varía suavemente como la tensión de red, puesto que tiene altibajos en ciertos puntos del giro de la armadura. En la figura (b) se muestra un gráfico de la f.e.m. en función del tiempo correspondiente a la salida de una dinamo; esto se podría ver con un osciloscopio .
¿Qué es un alternador?
Es un generador eléctrico parecido a la dinamo pero con mejores ventajas, debido a que es más robusta y duradera. Produce corriente eléctrica alterna al cambiar la polaridad cada media vuelta, por lo que hay que rectificarla para convertirla en CC, si se quiere emplear para ciertas aplicaciones que lo requieran. (Por ejemplo el alternador del coche aprovecha el movimiento rotatorio del motor para recargar la batería, pero tiene que rectificarla antes de que vaya a la batería, al ser ésta de CC). En las centrales hidroeléctricas se emplean también gigantescos alternadores que generan corriente alterna trifásica.
Generadores de las centrales eléctricas
Los grandes generadores que producen decenas de megavatios de potencia se diseñan según un principio diferente de los descritos anteriormente. En lugar de utilizar el campo magnético de un imán o de un electroimán y unas bobinas en las que se induce la f.e.m. al girar dentro del campo, se utiliza una disposición contraria: el campo magnético gira y las bobinas permanecen quietas. En la figura siguiente se muestra uno de estos generadores seccionado. El rotor gira movido por turbinas de vapor en la central eléctrica y lleva sus propias bobinas alimentadas por una fuente de continua aparte para magnetizadas. Cada par de «brazos» del rotor está magnetizado con polos N-S alternativamente, por lo cual los polos N y S pasan cerca de cada bobina del estator cuando el rotor está girando.
La figura corresponde a un alternador monofásico, donde todas las bobinas están conectadas en serie para dar una única tensión de salida.
Figura -Generador de alterna monofásico.
En una disposición más compleja se utilizan tres salidas diferentes que provienen de pares opuestos de bobinas, produciéndose tres tensiones alternas de salida desfasadas entre ellas. En la figura a continuación se representa un esquema del sistema de generación de energía eléctrica utilizando una turbina para mover el rotor del generador.
A: turbina de alta presión
B: turbina de presión intermedia
C: turbina de baja presión
Figura. Características principales de un sistema de generación con turbina de una central eléctrica.
B) Pilas o baterías
¿Cómo funcionan las pilas?
Una pila o batería es esencialmente una lata llena de productos químicos que producen electrones. Las reacciones químicas son capaces de producir electrones y este fenómeno es llamado reacción electroquímica, y la velocidad de la producción de electrones hecha por esta reacción controla cuántos electrones pueden pasar por los terminales (en las pilas) o bornes (en las baterías).
La primera pila fue creada por Alessandro Volta en 1800. Para crear su batería utilizó una pila alternando capas de cinc y plata, empleando papel secante empapado en agua salada como aislante.
Este artefacto fue conocido como "pila voltaica". Las capas superior e inferior de la pila deben de ser de diferentes metales, como se muestra. Si ata un cable de arriba a abajo de la pila puede medir un voltaje y una corriente. La pila puede seguir agrandándose tanto como quiera, y cada capa incrementará el voltaje por una cantidad determinada.
¿Qué es una batería?
Es un Generador eléctrico que funciona como la pila y que está formado por varias pilas unidas en serie, polo positivo con polo negativo, consiguiendo así un voltaje mayor en el circuito.
Las baterías modernas utilizan una variedad de químicos para realizar sus reacciones. La química de las baterías comunes incluye:
- Baterías de Cinc, también conocidas como baterías estándar de carbón. La química de cinc carbón es utilizada en cualquier batería AA, o afín. Los electrodos son de cinc y carbón, con una unión ácida entre ellas como electrolito.
- Baterías alcalinas. Los electrodos son de cinc y óxido de manganeso con un electrolito alcalino.
- Batería de níquel-cadmio. Utiliza el hidróxido de níquel y electrodos de cadmio con hidróxido de potasio como electrolito. Es recargable.
- Hidruro de níquel-metal . Recargable. Reemplazó rápido al níquel-cadmio porque no sufre de los problemas del efecto memoria que tiene la anterior.
- Ion-litio . Recargable. Muy buen rendimiento, se utiliza en los últimos PC's portátiles y teléfonos móviles.
- Plata-cinc . Utilizada en aplicaciones aeronáuticas porque el rendimiento es bueno.
Normalmente las baterías se agrupan en serie para obtener altos voltajes o en paralelo para altas corrientes.
C) Centrales eléctricas, turbinas y generadores.
La electricidad que consumimos, es transportada por una red de cables, que se produce básicamente al transformar la energía cinética en energía eléctrica. Para ello, utilizan turbinas y generadores. Las turbinas son enormes ruedas con alabes y engranajes que rotan sobre sí mismos una y otra vez, impulsados por una energía externa. Los generadores son aparatos que transforman la energía cinética de movimiento de una turbina, en energía eléctrica (parecido a un alternador muy grande).
Existen dos tipos principales de centrales generadoras de electricidad: hidroeléctricas y termoeléctricas (térmicas a vapor, térmicas a gas y de ciclo combinado).
Centrales hidroeléctricas: utilizan la fuerza y velocidad del agua para hacer girar las turbinas. Las hay de dos tipos: de pasada (que aprovechan la energía cinética natural del agua de los ríos) y de embalse (el agua se acumula mediante presas, y luego se libera con mayor presión hacia la central eléctrica).
El aprovechamiento de los lagos de montaña es uno de los sistemas menos utilizados, tanto por su
escaso potencial energético como por la dificultad de su aprovechamiento racional, ya que para poder
ser utilizados como almacenes de agua, los lagos tienen que disponer de un aporte del líquido
elemento que los mantenga a un nivel aceptable sin demasiadas variaciones anuales. Este aporte puede
provenir de la fusión de las nieves, corrientes subterráneas, ríos, etc. pero en cualquier caso deberá
garantizar que el nivel de las aguas permanezca prácticamente constante, aun con el aprovechamiento
hidroeléctrico que de él se quiera realizar. |
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Supongamos que disponemos de esta reserva natural de agua, y que la intervención hidroeléctrica a
que se le someterá no interfiera en sus condiciones medioambientales; si se cumplen estos requisitos,
estaremos en condiciones de iniciar su aprovechamiento.
El proceso pasará por transformar la energía potencial de que las aguas disponen (debido a la altura
topográfica en la que están situadas respecto al valle) en energía cinética (agua con velocidad), útil
para generar un giro en los alabes de las turbinas. Para ello se canalizan las aguas del lago mediante
tuberías adecuadas, las cuales aprovechando el desnivel geográfico entre el lago y el valle impulsarán
agua a velocidad y presión adecuadas para accionar las paletas de las turbinas que se encontrarán en el
fondo del valle.
Los componentes y máquinas serán por tanto:
• Tubería
El agua obtenida del lago la canalizamos mediante una tubería en pendiente. La energía potencial, Ep = m·g·h, que teníamos al inicio, la transformamos mediante su velocidad en energía cinética, Ec = 1/2 · g ·v2.
• Turbina
En la turbina la energía se transforma en energía mecánica mediante el giro de su eje central. Es necesario disponer de agua a una presión y velocidad determinadas para poder girar el eje de la turbina. Estas condiciones de presión y velocidad dependerán del tipo de turbina utilizada (Pelton, Francis, Kaplan).
• Alternador
El alternador, al estar conectado con el eje de la turbina, consigue el giro de su rotor, que unido a la influencia de las bobinas del estátor genera energía eléctrica. Un alternador es un generador asíncrono capaz de transformar la energía mecánica en corriente eléctrica alterna.
Los alternadores basan su funcionamiento en el fenómeno de inducción magnética: una dinamo excitatriz suministra corriente al devanado inductor del rotor, el cual crea un campo magnético; el estátor forma el circuito inducido, en donde se crea la corriente alterna, proporcional a la velocidad angular del rotor. La energía mecánica que provoca el movimiento del rotor puede proceder de una turbina hidráulica o de vapor, de un motor de explosión o de cualquier otra fuente externa. Los alternadores se denominan monofásicos o polifásicos (generalmente son trifásicos) según el número de fases de la corriente alterna producida.
• Transformador
El transformador es un elemento eléctrico basado en el fenómeno de inducción mutua y destinado para transformar la tensión de una corriente alterna, pero conservando la potencia y la frecuencia. Para existir transporte de energía eléctrica es necesario disponer de una intensidad muy baja.
Hay dos tipos de transformadores. El transformador elevador, que aumenta la tensión y baja la intensidad con potencia constante (al inicio de las líneas eléctricas), y el transformador reductor, que reduce la tensión y aumenta la intensidad con potencia constante (al final de las líneas).
• Motor
Finalmente esta energía deberá ser aprovechada por medio de motores u otras máquinas que nos permitan transformar la energía eléctrica en movimiento u otra forma determinada de energía.
Figura: Distribución de componentes en un sistema de potencia convencional |
| Centrales termoeléctricas: usan el calor para producir electricidad. Calientan una sustancia, que puede ser agua o gas, los cuales al calentarse salen a presión y mueven turbinas y entonces el movimiento se transforma. Como ya hemos visto, para alimentar una central termoeléctrica se pueden usar muchas fuentes energéticas: carbón, petróleo, gas natural, energía solar, geotérmica o nuclear, biomasa... Estas son las utilizadas principalmente: |
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- 1. Centrales térmicas a vapor. En este caso, se utiliza agua en un ciclo cerrado (siempre es la misma agua). El agua se calienta en grandes calderas, usando como combustible el carbón, gas, biomasa, etc. La turbina se mueve debido a la presión del vapor de agua, y su energía cinética es transformada en electricidad por un generador.
- 2. Centrales térmicas a gas. En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de esta combustión es que gases a altas temperaturas movilizan a la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad.
- 3. Centrales de ciclo combinado. Utilizan dos turbinas, una a gas y otra a vapor. El gas calentado moviliza a una turbina y luego calienta agua, la que se transforma en vapor y moviliza, a su vez, a una segunda turbina.
Hay muchos tipos de centrales eléctricas que no se han nombrado y que se emplean en la actualidad. Ej.:
Central eólica con aerogeneradores (los alabes de los aerogeneradores actúan de turbina)
Central solar con paneles solares y fotovoltaicos (los paneles solares sólo calientan agua u otro líquido, y los fotovoltaicos recogen la radiación del sol en forma de fotones creando una diferencia de potencial en placas de
Silicio u otras, acumulando la electricidad generada en baterías.)
Central nuclear , que a partir de la fisión (“rotura”) de un átomo de isótopo de Uranio u otro, crea energía en forma de calor y “radiaciones”, que calientan agua hasta la evaporación para así mover los alabes de las turbinas y ese movimiento lo aprovecha el generador para generar la electricidad).
Otras:
Mareomotriz, Biomasa, Geotérmica.
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