Máquinas eléctricas (página 2)

No obstante todos los tipos indicados, la mayor parte de
la energía
eléctrica generada proviene de los tres primeros tipos
de centrales reseñados.

Todas estas centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen
en común el elemento generador, constituido por un
alternador (turboalternador), movido mediante una
turbina que será distinta dependiendo del
tipo de energía primaria utilizada.

En las centrales fotovoltaicas la corriente obtenida es
continua y para su utilización es necesaria
su conversión en alterna, mediante el
empleo de
dispositivos denominados inversores u
onduladores.

Central termoeléctrica

Una central termoeléctrica es una
instalación industrial empleada para la
generación de electricidad a partir de la
energía liberada en forma de calor,
normalmente mediante la combustión de algún
combustible fósil como
petróleo, gas natural o
carbón. Este calor es empleado por un
ciclo termodinámico convencional para mover
un alternador y producir energía
eléctrica.

En la actualidad se están construyendo numerosas
centrales termoeléctricas de las denominadas de
ciclo combinado, que son un tipo de central que
utiliza gas natural como combustible para alimentar
una turbina de gas. Como los gases tienen
todavía una temperatura
muy alta, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda
turbina, esta vez de vapor. Cada una de estas
turbinas está acoplada a su correspondiente
alternador para generar la electricidad como
en una central termoeléctrica clásica.

Como la diferencia de la temperatura que se produce
entre la combustión y los gases de escape es más
alta que en el caso de una turbina de gas o una de
vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del
55%.

Central hidroeléctrica

Esquema de una central hidroeléctrica (en
portugués).

Una central hidroeléctrica es aquella que
genera electricidad mediante el aprovechamiento de
la energía potencial del agua embalsada
en una presa situada a más alto nivel que la
central.

El agua es conducida mediante una tubería de
descarga a la sala de máquinas
de la central, donde mediante enormes turbinas
hidráulicas se produce la generación de
energía eléctrica en
alternadores.

Características de una central
hidroeléctrica

Presa Hidroeléctrica en Grandas de Salime
(Asturias).

Las dos características principales de una
central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su
capacidad de generación de electricidad son:

• La potencia, que es función
  del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el
  nivel medio aguas abajo de la usina, y del caudal máximo
  turbinable, además de las características de la
  turbina y del generador; y, la energía
  garantizada, en un lapso de tiempo
  determinado, generalmente un año, que es función
  del volumen
  útil del embalse, y de la potencia
  instalada.

La potencia de una central puede variar desde unos pocos
MW (megawatts), hasta 30 MW se consideran minicentrales. La
Central hidroeléctrica mayor del mundo, hasta la fecha
(2005), Itaipú, tiene una potencia instalada
de 14.000 MW, sumando las 20 turbinas.

Tipos de centrales
hidroeléctricas

Desde el punto de vista de su concepción
arquitectónica, las centrales pueden ser clasificadas
en:

• Centrales al aire libre, al
  pie de la presa, o relativamente alejadas de esta, y conectadas
  por medio de una tubería en presión;
• Centrales en caverna, generalmente conectadas al
  embalse por medio de túneles, tuberías en
  presión, o por la combinación de
  ambas.

Desde el punto de vista de como utilizan el agua
para la generación, se pueden clasificar en:

• Centrales a filo de agua.
  Utilizan parte del flujo de un río para generar
  energía eléctrica. Están operando en forma
  continua, porque no tienen capacidad para almacenar agua, no
  disponen de embalse. Turbinan el agua
  disponible en el momento, limitadamente a la capacidad
  instalada. En estos casos las turbinas pueden ser de eje
  vertical, cuando el río tiene una pendiente fuerte, u
  horizontal cuando la pendiente del río es
  baja.
• Centrales acopladas a uno o más
  embalses. Es el tipo más frecuente de
  central hidroeléctrica.
• Centrales mareomotrices. Utilizan
  el flujo y reflujo de las mareas. Pueden ser ventajosas en
  zonas costeras donde la amplitud de la marea es amplia, y las
  condiciones morfológicas de la costa permite la construcción de una presa que corta la
  entrada y salida de la marea en una bahía. Se genera
  energía tanto en el momento del llenado como en el
  momento del vaciado de la bahía.
• Centrales mareomotrices
  sumergidas. Utilizan la energía de las
  corrientes submarinas. En 2002, en Gran
  Bretaña se implementó la primera de estas
  centrales a nivel experimental.
• Centrales que aprovechan el movimiento
  de las olas. Este tipo de central es objeto de
  investigación desde la década de
  los 80. A inicios de agosto de 1995, el "Ocean
  Swell Powered Renewable Energy (OSPREY)" implementó la
  primera central que utiliza la energía de las olas en el
  norte de Escocia. La potencia de esta central es
  de 2 MW. Lamentablemente fue destruida un mes más tarde
  por un temporal.

Modalidad de
generación

La modalidad con que se opera una central
hidroeléctrica puede variar a lo largo de su vida
útil. Las centrales pueden operar en régimen
de:

• generación de energía de
  base;
• generación de energía en
  períodos de punta. Estas a su vez se pueden dividir en:
  centrales tradicionales; o, centrales o de bombeo.

La demanda de
energía eléctrica de una ciudad, región, o
país, tiene una variación a lo largo del
día. Esta variación es función de muchos
factores, entre los que se destacan:

• tipos de industrias
  existentes en la zona, y turnos que estas realizan en su
  producción;
• tipo de cocina doméstica que se utiliza
  más frecuentemente;
• tipo de calentador de agua que se permite
  utilizar;
• la estación del año;
• la hora del día en que se considera la
  demanda.

La generación de energía eléctrica
debe seguir la curva de demanda, así, a medida que aumenta
la potencia demandada deberá incrementarse el caudal
turbinado, o iniciar la generación con unidades
adicionales, en la misma central, e incluso iniciando la
generación en centrales reservadas para estos
períodos.

Central nuclear

Torres de refrigeración de la central nuclear de
Cofrentes, España.

Central nuclear de Civaux (Francia)

Una central nuclear es una instalación
industrial empleada para la generación de
energía eléctrica a partir de
energía nuclear, que se caracteriza por el
empleo de materiales
fisionables que mediante reacciones
nucleares proporcionan calor. Este calor es
empleado por un ciclo termodinámico
convencional para mover un alternador y producir
energía eléctrica.

Las centrales nucleares constan de uno o varios
reactores, que son contenedores impermeables a la
radiación
(llamadas habitualmente vasijas) en cuyo interior se
albergan varillas u otras configuraciones geométricas de
minerales con
algún elemento fisil (es decir, que puede
fisionarse) o fértil (que puede convertirse
en fisil por reacciones nucleares), usualmente
uranio. En el proceso de
fisión radiactiva, se establece una reacción que es
sostenida y moderada mediante el empleo de elementos auxiliares
dependientes del tipo de tecnología
empleada.

Las instalaciones nucleares son construcciones muy
complejas por la variedad de tecnologías industriales
empleadas y por la elevada seguridad con la
que se les dota. Las características de la reacción
nuclear hacen que pueda resultar peligrosa si se pierde su
control y
prolifera por encima de una determinada temperatura a la que
funden los materiales empleados en el reactor, así como si
se producen escapes de radiación nociva por esa u otra
causa.

La energía nuclear se caracteriza
por producir, además de una gran cantidad de
energía eléctrica, residuos nucleares
que hay que albergar en depósitos aislados y controlados
durante largo tiempo. A cambio, no
produce contaminación atmosférica de
gases derivados de la combustión que producen
el efecto
invernadero, ni precisan el empleo de combustibles
fósiles convencionales. Sin embargo, las
emisiones contaminantes indirectas derivadas de su
propia construcción, de la fabricación del
combustible y de la gestión
posterior de los residuos radiactivos (se denomina gestión
a todos los procesos de
tratamiento de los residuos, incluido su almacenamiento)
no son despreciables.

Energía eólica

La energía eólica es la que se
obtiene por medio del viento, es decir mediante la
utilización de la energía
cinética generada por efecto de las corrientes de
aire.

El término eólico viene del
latín Aeolicus, perteneciente o relativo a
Éolo o Eolo, dios de los vientos en
la mitología griega y, por tanto,
perteneciente o relativo al viento. La energía
eólica ha sido aprovechada desde la antigüedad para
mover los barcos impulsados por velas o hacer funcionar la
maquinaria de molinos al mover sus aspas. Es un tipo de
energía verde.

Parque eólico

En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover
aerogeneradores. En estos la energía
eólica mueve una hélice y mediante un sistema
mecánico se hace girar el rotor de un generador,
normalmente un alternador, que produce
energía eléctrica. Para que su
instalación resulte rentable, suelen agruparse en
concentraciones denominadas parques
eólicos.

Ventajas de la energía
eólica

Aunque la cantidad de energía producida por este
medio es aún una mínima parte de la que se consume
por los países desarrollados la energía
eólica, siempre que su localización sea definida
con criterios técnicos, considerando los otros usos
posibles del espacio, presenta las siguientes
ventajas:

·        
Es un tipo de energía renovable, a diferencia
de la quema de combustible fósil.

·        
Se considera una "energía limpia" ya que no requiere
una combustión que produzca dióxido de
carbono
(CO2), y no produce apenas residuos
contaminantes.

·        
Este tipo de generación, al no necesitar de
ningún combustible, es económico.

·        
Estado integrado a sistemas interligados de
energía eléctrica, permite el ahorro de
combustible fósil, o agua almacenada en los
embalses.

·        
Puede colocarse en espacios no aptos para otros fines, por
ejemplo en zonas desérticas, próximas a la costa,
en laderas áridas y muy empinadas para ser
cultivables.

·        
Puede convivir con otros usos del suelo, por
ejemplo prados para uso ganadero o cultivos bajos como trigo,
maíz,
papas, remolacha, etc.

·        
Dado que los aerogeneradores actuales son de
baja velocidad de
rotación, el problema de choque con las aves se
está reduciendo.

Inconvenientes de la energía
eólica

A pesar de las ventajas señaladas anteriormente,
la energía eólica está entrando en una fase
de fuerte cuestionamiento, por parte de medios
ecologistas que aducen diferentes razones, algunas de ellas
derivadas no de un problema intrínseco del tipo de
generación, sino más bien de un deficiente estudio
de impacto
ambiental, o de una localización inapropiada, sin
tomar en cuenta los otros potenciales usos del espacio, las
principales objeciones levantadas son:

·        
No sustituye totalmente a fuentes de
energía no renovables. Es más, necesita del apoyo
de centrales movidas por otros tipos de
energía.

·        
En algunos casos, los estudios de impacto ambiental previos a la
instalación de los parques eólicos son bastante
deficientes y parciales. Así, existen parques
eólicos en España en
espacios protegidos como ZEPA (Zona de Especial
Protección de Aves) y LIC (Lugar de
Importancia Comunitaria) de la Red Natura 2000, lo que es
una contradicción.

·        
Los lugares más apropiados para su instalación
suelen coincidir con las rutas de las aves
migratorias, o zonas donde las aves aprovechan vientos de
ladera, lo que hace que entren en conflicto los
aerogeneradores con aves y murciélagos. La mortalidad de
aves y murciélagos es considerable al colisionar con las
hélices o electrocutarse en los tendidos
eléctricos, que por otra parte son comunes a cualquier
tipo de generación eléctrica, con la sola
excepción de las células
fotovoltaicas.

·        
En las proximidades de los parques eólicos se produce
contaminación acústica, debido al
ruido que
producen. Recientemente se está experimentado la
viabilidad de construir parques eólicos en el mar, no
lejos de la costa, pero situadas de tal forma que no incidan de
forma excesiva sobre el paisaje.

·        
Impacto paisajístico: Los aerogeneradores alcanzan
alturas de unos cien metros y artificializan el paisaje. Son muy
visibles a gran distancia. Se instalan en zonas elevadas,
montañosas, para lo que es necesario construir pistas y
realizar desmontes, destruyendo la vegetación natural y originando problemas
erosivos, lo que dificulta el desarrollo de
alternativas rurales de turismo sostenible
(senderismo, turismo rural, etc).

·        
La apertura de pistas y la presencia de operarios en los
parques eólicos hace que la presencia humana sea constante
en lugares hasta entonces poco transitados. Ello afecta
también a la fauna.

Central térmica solar

Heliostat o de una central
térmica

Antigua central térmica solar (Solar Two) en
Barstow, CA. Hoy observatorio astronómico para observar la
Radiación Cherenkov

Una central térmica solar o termosolar es
una instalación industrial en la que a partir del
calentamiento de un fluido mediante radiación solar, y su
uso en un ciclo termodinámico convencional se
produce la potencia necesaria para mover un
alternador para generar electricidad
como en una central térmica
clásica.

Constructivamente, es necesario concentrar la
radiación solar para que se puedan alcanzar
temperaturas elevadas, de 300 º C hasta 1000
º C, y obtener así un rendimiento aceptable en el
ciclo termodinámico, que no se podría
obtener con temperaturas más bajas. La captación y
concentración de los rayos solares se hacen por medio de
espejos con orientación automática que apuntan a
una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos
más pequeños de geometría
parabólica. El conjunto de la superficie reflectante y su
dispositivo de orientación se denomina
"heliostato".

Los fluidos y ciclos termodinámicos
escogidos en las configuraciones experimentales que se han
ensayado, así como los motores que
implican, son variados, y van desde el ciclo Rankine
(centrales nucleares, térmicas de
carbón) hasta el ciclo Brayton (centrales de
gas natural) pasando por muchas otras variedades
como el motor de Stirling, siendo las más
utilizadas las que combinan la energía termo solar con el
gas
natural.

Energía solar fotovoltaica

Celda solar

Se denomina energía solar fotovoltaica a
una forma de obtención de energía
eléctrica a través de paneles
fotovoltaicos. Los paneles, módulos o colectores
fotovoltaicos están formados por dispositivos
semiconductores tipo diodo que, al recibir
radiación solar, se excitan y provocan saltos
electrónicos, generando una pequeña
diferencia de potencial en sus extremos. El
acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la
obtención de voltajes mayores en configuraciones muy
sencillas y aptas para alimentar pequeños dispositivos
electrónicos (véase mayor información en Panel
fotovoltaico).

A mayor escala, la
corriente eléctrica continua que
proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en
corriente alterna e inyectar en la red,
operación que es muy rentable económicamente pero
que precisa todavía de subvenciones para una mayor
viabilidad.

En entornos aislados, donde se requiere poca
potencia eléctrica y el acceso a la red es
difícil, como estaciones meteorológicas o
repetidores de comunicaciones, se emplean las placas
fotovoltaicas como alternativa económicamente
viable.

Energía mareomotriz

La energía mareomotriz es la que resulta
de aprovechar las mareas, es decir, la diferencia de
altura media de los mares según la posición
relativa de La Tierra y La Luna, y que
resulta de la atracción gravitatoria de esta última
y del sol sobre las masas de agua de los mares. Esta diferencia
de alturas puede aprovecharse interponiendo partes móviles
al movimiento natural de ascenso o descenso de las aguas, junto
con mecanismos de canalización y depósito, para
obtener movimiento en un eje. Mediante su acoplamiento a un
alternador se puede utilizar el sistema para la
generación de electricidad, transformando
así la energía mareomotriz en energía
eléctrica, una forma energética más
útil y aprovechable. Es un tipo de energía
renovable limpia.

Antiguo molino de mareas en Isla Cristina
(Huelva)

La energía mareomotriz tiene la cualidad de
renovable, en tanto que la fuente de energía
primaria no se agota por su explotación, y limpia, ya que
en la transformación energética no se producen
subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o
sólidos. Sin embargo, la relación entre la cantidad
de energía que se puede obtener con los medios actuales y
el coste económico y ambiental de instalar los
dispositivos para su proceso han evitado una proliferación
notable de este tipo de energía.

Otras formas de extraer energía del mar son: la
olas, energía mareomotriz; de la
diferencia de temperatura entre la superficie y las aguas
profundas del océano, el gradiente térmico
oceánico.

TURBINAS

Prueba de una turbina Pratt and Whitney en la Robins Air
Force Base, Georgia, EEUU.

Una turbina es una
máquina de fluido que permite transformar la
energía del fluido que la atraviesa en movimiento rotativo
de un eje. El fluido puede ser líquido (o
comportarse como tal) como en las turbinas
hidráulicas de las centrales
hidroeléctricas, o gaseoso como en las
turbinas de los aerogeneradores, las turbinas
de vapor y las turbinas de gas.

Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas,
denominadas rotor y estator, siendo la primera la que, impulsada
por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento
de rotación.

El término turbina suele aplicarse
también, por ser el componente principal, al conjunto de
turbina conectada a un generador para la
obtención de energía
eléctrica.

Usos de las turbinas

Las turbinas se emplean masivamente en la
ingeniería industrial y
eléctrica como parte de los ciclos
termodinámicos de transformación de calor en
movimiento, así como en la Ingeniería
Aeronáutica, en donde se utilizan como
motores de aeronaves.

§  Turbina
de Hidráulicas (de agua)

Rotor de una turbina Francis.

Una turbina hidráulica es un elemento que
aprovecha la energía cinética y
potencial del agua para producir un
movimiento de rotación que, transferido mediante un eje,
mueve directamente una máquina o bien un
generador que transforma la energía
mecánica en
eléctrica.

En cuanto a su modo de funcionamiento, se pueden
clasificar en dos grupos:

1. Turbinas de acción
2. Turbinas de reacción

Las turbinas de acción
aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua,
mientras que las de reacción aprovechan además la
pérdida de presión que se produce en su
interior.

Turbinas Hidráulicas

Una turbina hidráulica es un elemento que
aprovecha la energía cinética y
potencial del agua para producir un
movimiento de rotación que, transferido mediante un eje,
mueve directamente una máquina o bien un
generador que transforma la energía
mecánica en
eléctrica.

En cuanto a su modo de funcionamiento, se pueden
clasificar en dos grupos:

1. Turbinas de acción
2. Turbinas de reacción

Las turbinas de acción aprovechan
únicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que
las de reacción aprovechan además la pérdida
de presión que se produce en su interior.

Una turbomáquina elemental o monocelular tiene,
básicamente, una serie de álabes fijos
(distribuidor), y otra de álabes móviles (rueda,
rodete, rotor). La asociación de un órgano fijo y
una rueda móvil constituye una célula;
una turbomáquina monocelular se compone de tres
órganos diferentes que el fluido va atravesando
sucesivamente: el distribuidor, el rodete y el
difusor.

    El distribuidor y el difusor (tubo de
aspiración), forman parte del estator de la
máquina, es decir son órganos fijos; así
como el rodete está siempre presente, el distribuidor y el
difusor pueden ser, en determinadas turbinas,
inexistentes.

    El distribuidor es un
órgano fijo cuya misión es
dirigir el agua desde la sección de entrada de la
máquina hacia la entrada en el rodete,
distribuyéndola alrededor del mismo (turbinas de
admisión total), o a una parte (turbinas de
admisión parcial), es decir, permite regular el agua que
entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente (caudal
cero), hasta lograr el caudal máximo. El distribuidor es
también un órgano que transforma la energía
de presión en energía cinética; en las
turbinas hélicocentrípetas y en las axiales
está precedido de una cámara espiral (voluta) que
conduce el agua desde la sección de entrada, asegurando un
reparto simétrico de la misma en la superficie de entrada
del distribuidor.

    El rodete es el elemento
esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los
que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y
la máquina. Atendiendo a que la presión
varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican
en:

a) Turbinas de acción o
impulsión

    En las turbinas de acción el
agua sale del distribuidor a la presión
atmosférica, y llega al rodete con la misma
presión; en estas turbinas toda la energía
potencial del salto se transmite al rodete en forma de
energía cinética.

b) Turbinas de reacción o
sobrepresión

    En las turbinas de reacción el
agua sale del distribuidor con una cierta presión que va
disminuyendo a medida que atraviesa los álabes del rodete,
de manera tal que, a la salida, la presión puede ser nula
o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a
presión en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto,
la energía potencial del salto se transforma en
energía cinética y en energía de
presión.

    El difusor o tubo de
aspiración, es un conducto por el que sale el agua,
generalmente con ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que
sale del rodete y la conduce hasta el canal de fuga, permitiendo
recuperar parte de la energía cinética a la salida
del rodete, para lo cual debe ensancharse. Si por razones de
explotación el rodete está instalado a una cierta
altura por encima del canal de fuga, un simple difusor
cilíndrico permite la recuperación de la
energía que no aprovecha el rodete (si la turbina no posee
tubo de aspiración, se la llama de escape
libre).

      En las turbinas de
acción, el empuje y la acción del agua, coinciden,
mientras que en las turbinas de reacción, el empuje y la
acción del agua son opuestos. Este empuje es consecuencia
de la diferencia de velocidades entre la entrada y la salida del
agua en el rodete, según la proyección de la misma
sobre la perpendicular al eje de giro.
    Según la dirección de entrada del agua en las
turbinas, éstas pueden clasificarse en: