centrales eléctricas

CENTRALES ELÉCTRICAS
INTRODUCCIÓN
Las centrales eléctricas son instalaciones en las que se produce energía eléctrica a partir de
otro tipo de energía. Según cuál sea la fuente de energía utilizada tenemos diferentes
tipos, de los cuales los más importantes son los indicados en las imágenes siguientes.
Hidroeléctrica
Térmica
Nuclear
Eólica
Termosolar
Fotovoltaica
Normalmente la energía inicial sufre varias transformaciones antes de obtenerse la energía
eléctrica final. Solamente las centrales fotovoltaicas son capaces de obtener energía
eléctrica directamente a partir de la energía del sol. En los demás casos la energía eléctrica
es producida por un alternador, movido por una turbina.
TIPOS DE CENTRALES ELÉCTRICAS
Los principales tipos de centrales eléctricas son los indicados en la figura siguiente. Lo que
caracteriza a cada tipo de central es la fuente de energía utilizada, así como el
procedimiento mediante el cual se obtiene la energía eléctrica.
En el diagrama anterior podemos observar que tanto la central térmica de combustión,
como la central nuclear y la central solar térmica producen calor, el cual es utilizado para
producir vapor de agua, que actúa sobre una turbina (en este caso, una turbina de
vapor). El movimiento obtenido en la turbina hace girar un alternador, que es el que es
capaz de transformar dicho movimiento en energía eléctrica.
Por otra parte, en una central hidroeléctrica es la energía del agua la que hace girar a una
turbina (en este caso, una turbina hidráulica), mientras que en una central eólica es el
viento el que mueve la turbina (en este caso, un aerogenerador). En ambos casos el
movimiento producido en la turbina es transformado en electricidad por el alternador.
1
CENTRALES ELÉCTRICAS
Figura 1. Tipos de centrales eléctricas
Sin embargo, en una central fotovoltaica no se utiliza el grupo turbina - alternador para
producir electricidad, sino que ésta se obtiene directamente de la energía solar gracias a
unos paneles fotovoltaicos.
Podemos resumir las características de los diferentes tipos de centrales de la siguiente
manera.
Energía
intermedia
Tipo de
turbina
Elemento que
produce la
electricidad
Térmica de
combustión
Combustibles de
tipo fósil, como
carbón, gas natural
y derivados del
petróleo
Energía calorífica,
utilizada para
producir vapor de
agua a presión
Turbina de
vapor
Alternador
Nuclear
Elementos pesados
y radiactivos, como
el uranio y el
plutonio
Energía calorífica,
utilizada para
producir vapor de
agua a presión
Turbina de
vapor
Alternador
Termosolar
Radiación solar
Energía calorífica,
utilizada para
producir vapor de
agua a presión
Turbina de
vapor
Alternador
Hidroeléctrica
Agua embalsada y
corrientes de agua
Turbina
hidráulica
Alternador
Eólica
Viento
Aerogenerador
Alternador
Fotovoltaica
Radiación solar
Tipo de central
Fuente de energía
eléctrica
Panel
fotovoltaico
2
CENTRALES ELÉCTRICAS
CENTRAL HIDROELÉCTRICA
Un salto de agua se produce cuando el agua fluye desde una determinada altura a otra
inferior, como sucede de forma natural en las cascadas y cataratas de ciertos ríos. Pero
también podemos producir saltos de agua de forma artificial, mediante presas, dando lugar
a los llamados embalses, que además nos permiten almacenar grandes cantidades de agua.
Una central hidroeléctrica es una instalación capaz de producir energía eléctrica a partir de
un salto de agua, ya sea natural o artificial, gracias a una turbina hidráulica y un alternador.
La turbina es la encargada de transformar la energía del agua en movimiento de giro. Por
su parte, el alternador es capaz de transformar el movimiento de giro que le transmite la
turbina en electricidad.
Figura 2. Central hidroeléctrica
Funcionamiento
1. La presa retiene el agua del río formando un embalse.
2. El agua es llevada mediante un conducto hasta la turbina. La diferencia de altura
entre la turbina y el agua del embalse es proporcional a la energía con la que llega el
agua a la turbina.
3. El agua ejerce una determinada fuerza sobre los álabes de la turbina, haciéndola
girar.
4. El eje de la turbina está unido al del alternador y por tanto le transmite su
movimiento.
5. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento.
6. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser
trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.
7. Después de pasar por la turbina el agua es devuelta al río, aguas abajo de la presa,
pudiendo ser utilizada para regar.
3
CENTRALES ELÉCTRICAS
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
•
•
•
•
Inconvenientes
Se basa en una fuente de
energía renovable.
No
produce
contaminación
ambiental
ni
residuos
peligrosos.
Además de la producción de
electricidad,
los
embalses
pueden tener otros usos:
riego, suministro de agua,
regulación del caudal del río,
deportes acuáticos, ...
Las turbinas hidráulicas son
máquinas sencillas, eficientes y
seguras, que requieren poco
mantenimiento.
•
Requiere una inversión inicial muy grande,
tanto en tiempo de construcción, como en
dinero.
El emplazamiento está determinado por las
características del río y del terreno, pudiendo
quedar lejos de los lugares de consumo,
encareciendo los costes de transporte.
Depende de la climatología, por lo que largos
periodos de sequía podrían afectar su
funcionamiento.
Además, tiene un fuerte impacto ambiental
por la construcción del embalse ya que
pueden producir la alteración de cauces,
erosión, incidencia sobre la población local y
pérdida de posibles tierras de cultivo.
•
•
•
CENTRAL TÉRMICA DE COMBUSTIÓN
Una central térmica de combustión es una instalación capaz de producir energía eléctrica a
partir de la energía calorífica producida por la combustión de carbón, fuel o gas natural en
una caldera. La caldera produce vapor de agua a presión, que hace funcionar a una
turbina de vapor, la cual mueve un alternador, que es donde se produce la energía
eléctrica.
Figura 3. Central térmica de combustión
4
CENTRALES ELÉCTRICAS
Funcionamiento
1. El combustible (carbón, fuel, gas natural) es quemado en la caldera, produciendo
una gran cantidad de calor, que se utiliza para calentar el agua que circula por unas
tuberías, hasta el punto que el agua se transforma en vapor de agua a presión.
2. El vapor a presión incide sobre los álabes de una turbina de vapor, haciéndola
girar.
3. El eje de la turbina está unido al del alternador y por tanto le transmite su
movimiento.
4. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento.
5. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser
trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.
6. Después de accionar la turbina el vapor de agua pasa de nuevo a la fase líquida en el
condensador.
7. El agua caliente procedente del condensador es enfriada en una torre de
refrigeración, gracias al agua fría de un lago, un río, o el mar.
8. El agua fría procedente del condensador es enviada de nuevo a la caldera, para
repetir el proceso.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
•
•
Inconvenientes
Tienen una rentabilidad aceptable,
sobre todo si se sitúa cerca de la zona
de extracción del combustible.
Aprovechan algunos de los residuos
que producen, como las cenizas, para
la obtención de cemento, la industria
química o la metalurgia.
•
•
•
Utiliza una fuente de energía no
renovable.
Produce una gran contaminación
ambiental, dando lugar tanto el
efecto invernadero, como la lluvia
ácida.
En el caso de que se utilicen
derivados
del
petróleo
como
combustible, existe el riesgo de
accidente en su transporte, dando
lugar a mareas negras.
CENTRAL NUCLEAR
Una central nuclear es una instalación capaz de producir energía eléctrica a partir de la
energía calorífica producida por una reacción nuclear de fisión, que consiste en la rotura
de átomos de elementos pesados y radiactivos, como el uranio o el plutonio. El calor
generado se utiliza para producir vapor de agua a presión, que hace funcionar a una
turbina de vapor, la cual mueve un alternador, que es donde se produce la energía
eléctrica.
5
CENTRALES ELÉCTRICAS
Figura 4. Central nuclear con reactor de agua a presión PWR
Funcionamiento
1. El elemento principal de una central nuclear es el reactor nuclear, formado por un
edificio de contención de doble muro, en el cual se encuentra el núcleo del
reactor y el generador de vapor.
2. En el núcleo del reactor se produce de forma controlada la reacción de fisión del
combustible (uranio, o plutonio), generándose una gran cantidad de calor, que debe
ser absorbida por un refrigerante (agua ligera, agua pesada, anhídrido carbónico, o
helio).
3. En el generador de vapor el calor absorbido por el refrigerante del núcleo del
reactor es transmitido al agua, produciendo vapor de agua a presión.
4. El vapor a presión incide sobre los álabes de una turbina de vapor, haciéndola
girar.
5. El eje de la turbina está unido al del alternador y, por tanto, le transmite su
movimiento.
6. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento.
7. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser
trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.
8. Después de accionar la turbina el vapor de agua pasa de nuevo a la fase líquida en el
condensador.
9. El agua caliente procedente del condensador es enfriada en una torre de
refrigeración, gracias al agua fría de un lago, un río, o el mar.
10. El agua fría procedente del condensador es enviada de nuevo a la caldera, para
repetir el proceso.
6
CENTRALES ELÉCTRICAS
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
•
•
•
Inconvenientes
Uno de los materiales utilizados para
su desintegración es el uranio, de
cual quedan aún grandes reservas.
La tecnología empleada está muy
desarrollada y tiene una gran
productividad, ya que con cantidades
mínimas de sustancia se obtiene una
gran cantidad de energía.
No emiten gases contaminantes.
•
•
•
Uno de los mayores problemas es la
posibilidad de una fuga radioactiva en
caso de accidente, lo que provocaría
cuantiosos daños humanos y
materiales.
Otro problema son los residuos
radiactivos que genera, de difícil y
costoso almacenamiento y que
resultan muy peligrosos a corto y
largo plazo.
También es muy alto el coste de las
instalaciones y su mantenimiento.
La reacción de fisión nuclear
Los núcleos de algunos elementos como el
uranio 235 y el plutonio 239 son muy
inestables. Si un neutrón choca con el núcleo
de uno de estos átomos, este núcleo puede
dividirse y liberar energía. La ruptura de un
núcleo atómico se denomina fisión nuclear.
Además de los fragmentos de fisión,
también se desprenden varios neutrones
(entre 2 y 3) que pueden impactar con
otros núcleos, volviendo a repetirse el
proceso, dando lugar a lo que se llama una
reacción en cadena. Si esta reacción en
cadena fuese incontrolada, tendríamos un
explosión nuclear, como en el aso de una
bomba atómica. Sin embargo, en un
reactor nuclear, la reacción en cadena se
controla mediante un material que absorbe
parte de los neutrones que se desprenden
en cada fisión.
7
CENTRALES ELÉCTRICAS
Reactores nucleares
El reactor es el elemento de una central nuclear donde se producen las reacciones de fisión
de forma controlada, utilizando la energía calorífica
desprendida en dicha fisión para convertir agua en vapor,
ya sea de forma directa o indirecta.
En el núcleo de un reactor nuclear podemos distinguir los
siguientes elementos:
•
•
•
•
•
Combustible: formado por material fisionable,
generalmente uranio, en el que tienen lugar las
reacciones de fisión y, por tanto, es la fuente de
energía de la central nuclear.
Moderador: es la sustancia que se utiliza para
disminuir la velocidad de los neutrones rápidos,
haciéndolos
más
adecuados
para
producir
reacciones de fisión. Los moderadores más
comunes son el carbono (grafito) y el agua.
Barras de regulación: son las encargadas de
controlar el funcionamiento del reactor, ya que
están hechas de un material capaz de absorber
neutrones (por ejemplo, el cadmio), de manera
que, según se introduzcan más o menos entre el
combustible nuclear, hará que disminuyan o
aumenten las reacciones de fisión que se producen
por unidad de tiempo.
Refrigerante: Es el encargado de evacuar del
núcleo del reactor el calor generado por las
reacciones de fisión. Generalmente se usan
refrigerantes líquidos, como el agua ligera o el
agua pesada, o gases, como el anhídrido carbónico Figura 5. Núcleo del reactor
y el helio.
Escudo contra radiaciones: se trata de una vasija de acero y hormigón que actúa
de carcasa del núcleo del reactor, evitando el escape de radiaciones y neutrones.
Tipos de reactores nucleares
Existen varios tipos de reactores, según qué moderador y qué refrigerante utilicen, así
como si el vapor que alimenta la turbina se genera en el propio núcleo del reactor o en un
generador de vapor. De todos ellos, vamos a centrar nuestra atención en dos tipos, que
son los más utilizados en las centrales nucleares españolas.
•
Reactor de agua a presión PWR (Pressurised Water Reactor): utiliza agua ligera
como moderador y como refrigerante y óxido de uranio enriquecido como
combustible. El refrigerante circula a una presión tal que el agua no alcanza la
ebullición. Este refrigerante pasa por el generador de vapor, donde cede su calor al
agua procedente del condensador, que se transforma en vapor para alimentar a la
turbina. Es el tipo de reactor más utilizado en el mundo
8
CENTRALES ELÉCTRICAS
Figura 6. Reactor de agua a presión PWR
•
Reactor de agua en ebullición BWR (Boiling Water Reactor): utiliza los mismos
elementos como moderador, refrigerante y combustible que el anterior (PWR), pero
ahora el refrigerante trabaja a menor presión, por lo que se produce vapor en el
propio núcleo del reactor, en lugar de un generador de vapor.
Figura 7. Reactor de agua en ebullición
9
CENTRALES ELÉCTRICAS
TURBINA HIDRÁULICA
Una turbina hidráulica es una máquina capaz de transformar la energía del agua en energía
mecánica, en forma de movimiento de giro. Aunque hay varios tipos de turbina en todos los
casos está formada por un eje al que se unen los elementos sobre los que actúa el agua,
empujándolos con fuerza para provocar el giro de dicho eje.
Tipos de turbinas hidráulicas
Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas. El tipo más conveniente dependerá en
cada caso del salto de agua y de la potencia de la turbina.
Turbina Pelton
Turbina Francis
Turbina Kaplan
En la rueda Pelton o turbina
de impulsión, el agua pasa
por una boquilla produciendo
un chorro que incide sobre
una palas con forma de
cazoletas. Se utiliza en
grandes saltos de agua, es
decir, cuando el agua tiene
mucha presión.
La turbina Francis o de
reacción tiene unos álabes
ajustables que desvían la
corriente de agua de modo
que ésta incide sobre ellos
tangencialmente. Se utiliza
para saltos de agua de
tamaño mediano.
La turbina Kaplan es de flujo
axial y en ella los álabes son
semejantes a la hélice de un
barco.
Se
utiliza
para
pequeños saltos de agua.
TURBINA DE VAPOR
Una turbina de vapor es una máquina capaz de transformar la energía del vapor de agua a
presión en energía mecánica, en forma de movimiento de giro. Está formada por un eje al
que se unen los elementos sobre los que actúa el vapor agua, empujándolos con fuerza
para provocar el giro de dicho eje.
Las turbinas de vapor de las centrales térmicas (de combustión, nucleares, o termosolares)
constan de varias etapas. La primera etapa es la que recibe el vapor de alta presión y tiene
los álabes de menor tamaño. El vapor que sale de esta etapa es recalentado y conducido a
la segunda etapa (intermedia) y de aquí pasa a la etapa de baja presión. Finalmente el
vapor que sale de la última etapa es refrigerado en el condensador, pasando a ser agua en
estado líquido.
10
CENTRALES ELÉCTRICAS
Figura 8. Turbina de vapor
ALTERNADOR
Es una máquina capaz de producir electricidad (corriente alterna) a partir de un movimiento
de giro.
Funcionamiento
Está formado por rotor y un estator. El rotor lo
constituyen una serie de electroimanes unidos al eje
de giro. Por su parte, el estator alberga una serie de
bobinas. Al girar, el campo magnético producido por
los electroimanes del rotor corta a las espiras de las
bobinas
del
estator,
induciendo
una
fuerza
electromotriz en las mismas, que da lugar a la corriente
alterna que se obtiene del alternador.
Principio físico
El alternador se basa en el principio físico de inducción
electromagnética, según el cual, cuando un conductor
corta las líneas de un campo magnético, se induce en él
una fuerza electromotriz que es tanto mayor, cuanto
mayor sea la velocidad del movimiento y la intensidad
del campo magnético.
Figura 9. Alternador
En la figura puedes ver un alternador elemental,
formado por una sola espira que gira dentro de un
campo magnético estático. El sentido de la corriente
depende de la relación entre el sentido del movimiento
y el del campo, de acuerdo con la regla de la mano
derecha (ver figura). Por tanto, si nos fijamos en un
mismo lado de la espira, la corriente tendrá un sentido
u otro según corte al campo hacia arriba o hacia abajo.
Esto es lo que se llama una corriente alterna.
Lo importante es que el conductor corte las líneas de
fuerza del campo magnético, independientemente de
quién sea el que se mueve.
11
Figura 10. Principio de
funcionamiento del alternador
CENTRALES ELÉCTRICAS
TRANSPORTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
La red eléctrica
La energía eléctrica generada en las centrales eléctricas debe ser transportada hasta los
puntos de consumo, como son las ciudades, las industrias y algunos medios de transportes.
Para ello, se utiliza un tendido de cables y una serie de trasformadores que recibe el
nombre de red eléctrica.
Figura 11. Transporte de la energía eléctrica
Podemos describir una red eléctrica típica (Figura 11) de la siguiente manera:
1. La central genera electricidad a un tensión comprendida entre 3 y 36 KV.
2. Mediante una estación elevadora se eleva la tensión hasta valores comprendidos entre
110 y 400 KV, para reducir las pérdidas en la red de transporte.
3. Al final de la red de trasporte se encuentra una subestación de transformación, que
reduce la tensión (25-132 KV) para repartir la corriente entre diferentes puntos de
consumo (poblaciones o zonas industriales) mediante redes de reparto.
4. Al final de cada red de reparto se encuentra una estación transformadora de
distribución, que reduce de nuevo la tensión (3-30 KV) para ajustarla a las
necesidades de los clientes industriales. La corriente llega a dichos clientes mediante la
red de distribución de media tensión.
5. Finalmente, mediante centros de transformación se reduce la tensión hasta los 220 V
que utilizan los clientes residenciales.
¿Por qué se eleva tanto la tensión en la red de transporte?
La energía eléctrica consumida nunca coincide con la generada, porque en la red
eléctrica se producen pérdidas inevitables, debido a la resistencia de los cables. La
resistencia de un cable depende de la resistividad del material de que esté hecho (ρ), de
la longitud (L) y de la sección (S), de acuerdo con la fórmula:
R=
ρ⋅L
12
S
CENTRALES ELÉCTRICAS
La potencia eléctrica que se pierde en los cables de la red depende no solo de la
resistencia de dichos cables, sino también de la intensidad de la corriente eléctrica que
pasa por ellos. Si llamamos PP a la potencia perdida, RT a la resistencia de los cables de
alta tensión e IT la intensidad en dichos cables, la fórmula para calcular la potencia perdida
es la siguiente:
PP = I T ⋅ RT
2
Para reducir las pérdidas debemos reducir todo lo posible la intensidad IT. Sin embargo,
para que la potencia transportada no se vea afectada, debemos aumentar la tensión (VT) en
la misma proporción. Esto explica por qué la tensión a la que se transporta le energía
eléctrica es tan elevada (ente 100 y 400 Kv).
El transformador
El transformador es el elemento encargado de elevar o reducir la tensión (según convenga)
a lo largo de la red eléctrica.
Un transformador está formado por un núcleo de hierro y dos bobinas de hilo conductor.
Se denomina primario al conjunto formado por la bobina por donde entra la energía
eléctrica y el núcleo correspondiente, y se denomina secundario al conjunto formado por la
bobina por la que sale la energía eléctrica y el núcleo correspondiente.
El funcionamiento de un transformador se basa en la inducción electromagnética:
1. La corriente alterna que pasa por la bobina del primario crea un campo magnético
variable, que se ve reforzado por el núcleo de hierro.
2. La variación del campo magnético en el núcleo del transformador induce una fuerza
electromotriz en la bobina del secundario.
Núcleo
Campo magnético
I1
V1
I2
N1
N2
Primario
V2
Secundario
Figura 12. Esquema de un transformador
La relación entre las tensiones de un transformador depende de la relación entre el número
de espiras del primario y del secundario:
V1 N 1
=
V2 N 2
13
CENTRALES ELÉCTRICAS
En un transformador ideal, en el que no se produzcan pérdidas de potencia, la potencia
que sale por el secundario es la misma que la que entra por el primario:
P1 = P2
⇒
V1 ⋅ I 1 = V2 ⋅ I 2
⇒
V1 I 2
=
V2 I 1
Sin embargo, en un transformador real sí se producen pérdidas de potencia, entre otras
cosas por el calentamiento de las bobinas y del núcleo, por lo que la potencia que se
obtiene en el secundario es inferior a la potencia que entra por el primario. En este caso,
podemos establecer el concepto de rendimiento del transformador, como el cociente entre
la potencia que tenemos en el secundario y la que tenemos en el primario:
r=
P2
P1
⇒
P2 = r ⋅ P1
⇒
V2 ⋅ I 2 = r ⋅ V1 ⋅ I 1
⇒
V1 1 I 2
= ⋅
V2 r I 1
La potencia perdida en el transformador (PPT) será la diferencia entre la potencia que
tenemos en el primario (P1) y la que tenemos en el secundario (P2):
PPT = P1 − P2
Ejemplo
Una central genera una potencia eléctrica de PG = 100 MW a una tensión de VG = 25 KV. El
transformador de la central tiene un secundario de N2 = 80000 espiras y eleva la tensión
hasta VT = 400 KV. Suponiendo que el rendimiento del transformador sea del 100% y que
la red de transporte tenga una longitud de L = 200 kilómetros y una resistencia de R = 2
Ω/Km, calcular: a) la intensidad IG de la corriente generada; b) el número de espiras del
primario del transformador de la central; c) la intensidad IT en la red de transporte; d) la
potencia perdida PP en la red de transporte; e) la potencia PC que nos queda para el
consumo después de la red de transporte.
Central
PG, VG, IG
a) PG = VG ⋅ I G ;
b)
V1 N 1
;
=
V2 N 2
PT, VT, IT
Transf.
Eleva.
RT
100 × 10 6 = 25 × 10 3 ⋅ I G ; I G =
N1
25
;
=
400 80000
N1 =
Transf.
Reduc.
PC
100 × 10 6
= 4 × 10 3 = 4000 A
3
25 × 10
25 ⋅ 80000
= 5000 espiras
400
c) Como el rendimiento del transformador es del 100%:
VG I T
;
=
VT
IG
d) RT =
I
25
= T ;
400 4000
IT =
2 Ω/Km ⋅ 200 Km = 400 Ω;
25 ⋅ 4000
= 250 A
400
PP = I T ⋅ RT = 250 2 ⋅ 400 = 25000000 W = 25 MW
2
e) PC = P1 - PP = 100 MW - 25 MW = 75 MW;
14
CENTRALES ELÉCTRICAS
ENERGÍAS ALTERNATIVAS
Las energías alternativas tratan de resolver los problemas derivados del uso de las energías
convencionales. Para ello, las energías alternativas deben utilizar fuentes de energía
renovables, deben ser poco contaminantes y estar disponibles en la mayoría de los lugares.
Problemas de las energías
convencionales
Soluciones a los problemas de las
energías convencionales
•
Aumento de la contaminación: gases
de combustión, vertido de productos
petrolíferos, fugas de sustancias
radioactivas.
•
Agotamiento de los recursos
energéticos: sobre todo petróleo y gas
natural.
•
Desequilibrio económico y social: los
recursos energéticos o la tecnología
capaz de explotarlos está en manos de
pocos países.
•
Uso de energías alternativas: que
sean renovables, poco contaminantes y
disponibles en la mayoría de los lugares.
•
Aprovechar al máximo la energía:
mediante medidas de ahorro y
utilizando sistemas de bajo consumo.
ENERGÍA SOLAR
Prácticamente toda la energía que utilizamos procede directa o indirectamente del sol. El
viento, el oleaje y el agua son consecuencia de la energía solar. Técnicamente podemos
transformar la radiación solar en calor o en electricidad.
EÓLICA
SOL
E. SOLAR
INDIRECTA
OLAS
HIDRÁULICA
E. SOLAR
DIRECTA
CAPTACIÓN
TÉRMICA
CAPTACIÓN
FOTÓNICA
PASIVA
ACTIVA
CAPTACIÓN
FOTOVOLTAICA
ARQUITECTURA
SOLAR PASIVA
E. SOLAR
TÉRMICA
E. SOLAR
FOTOVOLTAICA
CAPTACIÓN
FOTOQUÍMICA
BIOMASA
Figura 13. Esquema de las formas de aprovechamiento de la energía solar.
La energía solar (Figura 13) puede aprovecharse de forma directa o indirecta.
15
CENTRALES ELÉCTRICAS
Son energías que proceden del sol indirectamente:
•
La energía eólica: puesto que el viento es consecuencia de las variaciones de
temperatura entre diferentes zonas de la Tierra.
•
La energía de las olas: puesto que las produce el viento.
•
La energía hidráulica: puesto que el ciclo del agua está provocado por el sol.
La energía solar puede aprovecharse directamente mediante:
•
•
Captación térmica: consiste en transformar la energía solar en calor, ya sea:
o
De forma pasiva: mediante la arquitectura solar pasiva.
o
De forma activa: mediante la energía solar térmica.
Captación fotónica: consiste en transformar la energía solar en energía química
(captación fotoquímica) o en energía eléctrica (captación fotovoltaica), dando
lugar a dos formas de energía:
o
Biomasa: sustancia de origen orgánico (animal o vegetal) que, en último
término, procede de la fotosíntesis que realizan las plantas.
o
Energía fotovoltaica: la que se obtiene mediante el efecto fotovoltaico,
cualidad que tienen algunos materiales semiconductores para producir
corriente eléctrica a partir de los fotones de luz.
A continuación veremos los sistemas de aprovechamiento de energía solar de tipo
térmico y fotovoltaico. En cuanto a la energía solar térmica hay que distinguir entre los
sistemas de baja temperatura, mediante colectores solares, y los de alta
temperatura, mediante centrales solares térmicas.
COLECTORES SOLARES
El colector solar (Figura 14) consiste en una caja metálica cerrada, con un cristal en la
cara orientada hacia al sol. En el fondo tiene una superficie metálica pintada de negro que
absorbe el calor del sol y se lo transmite a una tubería de cobre la recorre.
El cristal permite el paso de la radiación solar, pero impide que salga el calor, produciendo
un recalentamiento del aire que hay en el interior del colector (efecto invernadero).
El aislamiento impide que se produzcan pérdidas de calor en el colector, aumentando su
rendimiento.
Figura 14. Colector solar.
16
CENTRALES ELÉCTRICAS
Una instalación de calentamiento de agua mediante colectores solares (Figura 15)
está formada por los siguientes elementos:
1. El colector solar: es donde se produce el calentamiento del agua por efecto de la
radiación solar. Se sitúa en el tejado o la azotea del edificio, con la inclinación y
orientación adecuadas.
2. Un acumulador: es un depósito donde se va acumulando el agua caliente. Está
conectado a la red de agua de la vivienda por dos tuberías: por la inferior entra el agua
fría y por la superior sale el agua caliente.
3. Un intercambiador: es donde el agua que se ha calentado en el colector transfiere su
calor al agua fría de la instalación de la vivienda. Consiste en un serpentín (tubería con
muchas vueltas) por donde pasa el agua caliente procedente del colector. El serpentín
caliente, al entrar en contacto con el agua del acumulador, le transfiere calor.
4. Un circuito hidráulico: formado por las tuberías a través de las cuales circula el agua
(ya sea fría o caliente) y una serie de llaves de paso, para controlar el funcionamiento
del sistema.
5. Bomba de agua: es la encargada de hacer circular el agua por el circuito del colector,
en función de las temperaturas de los sensores SC (zona de agua caliente del colector) y
SF (zona de agua fría del intercambiador).
6. Sistema auxiliar de calentamiento: se trata de un termo eléctrico o de gas que
podemos utilizar cuando la radiación solar es insuficiente para calentar el agua del
acumulador.
Figura 15. Sistema de calentamiento de agua por colector solar.
El funcionamiento del sistema es el siguiente:
1. La radiación solar calienta el agua que pasa por el colector. La circulación del agua por
el colector está controlada por una bomba.
2. Mediante un intercambiador de calor se calienta el agua de un tanque acumulador,
aislado, para evitar pérdidas de calor.
3. El agua caliente del tanque acumulador pasa al circuito de agua caliente (AC) de la
vivienda.
4. Cuando la radiación solar es insuficiente para producir la cantidad de agua caliente que
se necesita, puede utilizarse un termo eléctrico o de gas como sistema auxiliar.
17
CENTRALES ELÉCTRICAS
CENTRAL TERMOSOLAR
Una central termosolar (o solar térmica) es una instalación capaz de producir energía
eléctrica a partir de la energía calorífica producida por la radiación del sol, la cual es
utilizada para calentar agua, con objeto de producir vapor de agua a presión, que hace
funcionar a una turbina de vapor, que a su vez mueve un alternador, que es donde se
produce la energía eléctrica.
Hay dos tipos de centrales solares térmicas: las de torre central y las de colector
distribuido. La diferencia entre una y otra está en la forma de concentrar la radiación solar
para calentar un fluido conductor, que posteriormente transmitirá su calor a un circuito de
agua.
CENTRAL SOLAR TÉRMICA DE TORRE CENTRAL
Este tipo de central termosolar se caracteriza por su torre, que se sitúa aproximadamente
en el centro de la planta. La transformación de la energía solar en energía térmica se
produce en la caldera, situada en la parte superior de la torre. La concentración de la
radiación solar sobre la caldera se realiza mediante espejos planos, llamados helióstatos.
Figura 16. Central solar térmica de torre central
Funcionamiento
1. En la central solar de torre central los rayos de sol son reflejados por espejos planos,
llamados helióstatos, y concentrados en la parte superior de la torre, en donde se
encuentra la caldera, formada por unos conductos a través de los cuales circula un
fluido conductor (generalmente aceite) que absorbe el calor de la radiación solar.
Puesto que el sol va cambiando su posición a lo largo del día, los espejos deben
reorientarse continuamente y de forma precisa, con objeto de que los rayos de sol se
reflejen siempre en el lugar adecuado.
2. En el generador de vapor se produce el intercambio de calor entre el circuito del
fluido conductor y el circuito de agua, produciéndose vapor de agua a presión.
18
CENTRALES ELÉCTRICAS
3. El vapor a presión incide sobre los álabes de una turbina de vapor, haciéndola
girar.
4. Después de accionar la turbina el vapor de agua pasa de nuevo a la fase líquida en el
condensador. En este caso. el condensador puede estar refrigerado por aire o por
agua, pero sin necesidad de utilizar una torre de refrigeración.
5. El eje de la turbina está unido al del alternador y por tanto le transmite su
movimiento.
6. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento.
7. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser
trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.
CENTRAL SOLAR TÉRMICA DE COLECTOR DISTRIBUÍDO
Este tipo de central termosolar se caracteriza por usar un espejo curvo,
de forma parabólica, como elemento para concentrar la radiación solar
sobre una tubería, situada en paralelo con la superficie del espejo. Si
orientamos el espejo hacia el sol, la curvatura parabólica del espejo hace
que todos los rayos de sol se concentren en un mismo punto (en realidad
es una línea paralela a la superficie del espejo) llamado foco. Es en esa
posición donde se coloca la tubería con el líquido que queremos calentar
(generalmente aceite). El término colector distribuido hace referencia a
que los espejos curvos (colectores) están distribuidos en hileras, con
objeto de sumar sus efectos y conseguir elevar la temperatura del aceite
hasta los valores deseados.
Figura 17. Distribución de los colectores
Figura 18. Colector parabólico
Funcionamiento
1. En la central solar de colector distribuido los rayos de sol son reflejados por
espejos cilíndricos de curvatura parabólica, llamados colectores, y concentrados
sobre un conducto por el que circula un fluido conductor (generalmente aceite). En
este caso los espejos también se orientan automáticamente (en sentido vertical)
para captar siempre la máxima radiación posible para cada posición del sol a lo largo
del día. La forma parabólica de los espejos hace que los rayos de sol reflejados se
19
CENTRALES ELÉCTRICAS
concentren en un mismo punto, llamado foco, que es donde se coloca la tubería
con el fluido conductor.
2. En el generador de vapor se produce el intercambio de calor entre el circuito del
fluido conductor y el circuito de agua, produciéndose vapor de agua a presión.
3. El vapor a presión incide sobre los álabes de una turbina de vapor, haciéndola
girar.
4. Después de accionar la turbina el vapor de agua pasa de nuevo a la fase líquida en el
condensador. En este caso. el condensador puede estar refrigerado por aire o por
agua, pero sin necesidad de utilizar una torre de refrigeración.
5. El eje de la turbina está unido al del alternador y por tanto le transmite su
movimiento.
6. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento.
7. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser
trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.
Ventajas e inconvenientes de las centrales solares térmicas
Ventajas
•
Utilizan una fuente de energía
inagotable y no contaminante.
•
Mediante procesos de concentración,
pueden alcanzarse temperaturas de
hasta 3000ºC, lo que supone la
puesta
en
marcha
de
ciclos
termodinámicos de alto rendimiento.
Inconvenientes
•
Baja
eficiencia,
pues
sólo
se
aprovechan el 20% de la energía del
sol.
•
Condicionante geográfico, pues deben
ubicarse en lugares con suficiente
radiación solar.
•
Para una mayor rentabilidad, debería
incrementarse su aprovechamiento
mediante sistemas de captación de
grandes
superficies,
pero
sus
componentes son aún excesivamente
caros.
CENTRAL FOTOVOLTAICA
Una central fotovoltaica es una instalación en la que se produce electricidad a partir de la
radiación solar, mediante paneles fotovoltaicos, los cuales son capaces de convertir
directamente dicha radiación en electricidad. Por tanto, este tipo de central no hace uso de
ninguna turbina, ni de alternador.
El efecto fotovoltaico
El principio físico en el que se basan los paneles fotovoltaicos es el efecto fotovoltaico,
que consiste en la conversión de energía luminosa en electricidad, fenómeno que se
produce en algunos materiales semiconductores formados por dos capas, una de tipo N
(con exceso de electrones libres) y otra de tipo P (con defecto de electrones libres, o exceso
de huecos). Al incidir la luz solar sobre la capa N, los fotones (partículas energéticas
asociadas a la luz) absorbidos por el material semiconductor hacen que los electrones libres
20
CENTRALES ELÉCTRICAS
(negativos) adquieran suficiente energía
y tiendan a escapar del material,
mientras que los huecos (positivos) se
muevan
hacia
el
lado
contrario,
produciéndose entre las dos caras del
semiconductor una tensión semejante a
la que se produce entre los bornes de
una pila.
En una célula fotovoltaica los bornes
contactos
están
formados
por
metálicos situados en ambas caras del
material semiconductor.
Figura 19. Efecto fotovoltaico
Figura 20. Central solar fotovoltaica
Funcionamiento
1. La radiación solar incide sobre las células fotovoltaicas, que están fabricadas con
un material semiconductor capaz de producir una corriente continua a partir de dicha
radiación.
2. Las células fotovoltaicas se conectan en serie para obtener una mayor tensión,
dando lugar a los paneles fotovoltaicos, que, a su vez, se conectan en paralelo
para obtener una corriente mayor, dando lugar a las placas solares.
3. Las placas solares se orientan automáticamente a lo largo del día para obtener la
máxima radiación posible, para cada posición del sol.
4. Mediante un sistema de acumuladores eléctricos (baterías) puede almacenarse el
exceso de producción eléctrica durante el día, para ser utilizada por la noche.
5. La corriente continua se convierte en alterna mediante un grupo convertidor, el
cual también actúa como transformador, elevando la tensión de la corriente, para
poder ser trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas
posibles.
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CENTRALES ELÉCTRICAS
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
Inconvenientes
•
Utiliza una fuente de
energía inagotable y
no contaminante.
•
La
conversión
de
energía
solar
en
electricidad se realiza
directamente en los
paneles fotovoltaicos.
•
Baja eficiencia, pues sólo se aprovecha el 20% de la
energía del sol.
•
Condicionante geográfico, pues deben ubicarse en
lugares con suficiente radiación solar.
•
Para una mayor rentabilidad, debería incrementarse
su aprovechamiento mediante sistemas de captación
de grandes superficies, pero sus componentes son
aún excesivamente caros.
CENTRAL EÓLICA
Una central eólica es una instalación capaz de producir energía eléctrica a partir de la
energía del viento, mediante aerogeneradores. Un aerogenerador es en realidad una
turbina (una hélice) accionada por el viento, cuyo movimiento de giro es transmitido a un
alternador, que es el encargado de producir la electricidad.
Figura 21. Central eólica y detalle de un aerogenerador
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CENTRALES ELÉCTRICAS
Funcionamiento
1. El viento incide sobre las aspas de la hélice del aerogenerador, haciéndola girar. El
aerogenerador dispone de un sistema automático para orientarse siempre en
dirección al viento. Asimismo, las aspas pueden variar su inclinación para
adaptarse a la velocidad del viento en cada momento.
2. El movimiento de la hélice se transmite, mediante un mecanismo multiplicador, al
eje del alternador, de manera que la velocidad de giro de éste sea mucho mayor
que la de la hélice.
3. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento.
4. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser
trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
•
Utiliza una fuente de energía
renovable.
•
No produce gases contaminantes, ni
residuos peligrosos.
•
La fuente de energía es aprovechada
de forma directa y sencilla
Inconvenientes
23
•
Debido a la intermitencia de los
vientos, su funcionamiento se limita a
un rango de velocidades concreto, lo
que impide su pleno aprovechamiento.
•
Afectan al paisaje, emiten ruidos y
pueden provocar la muerte de aves
por impacto con las aspas.
•
Se trata de una tecnología que aún se
está desarrollando.