CENTRALES ELÉCTRICAS MODULO 1

MODULO 1
TALLER DE PRODUCCION Y DISTRIBUCION
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.
TIPOS DE CENTRALES ELÉCTRICAS
Las convencionales
- HIDROELECTRICAS
- TERMOELECTRICAS
- NUCLEARES
Las del futuro
-
EOLICA
SOLAR
GEOTERMICA
MAREOMOTRIZ
CENTRAL HIDROELÉCTRICA
Una central hidroeléctrica es una instalación que permite aprovechar las masas de agua en movimiento
que circulan por los ríos para transformarlas en energía eléctrica, utilizando turbinas acopladas a los
alternadores.
Según la potencia instalada, las centrales hidroeléctricas pueden ser:
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Centrales hidráulicas de gran potencia: más de 10MW de potencia eléctrica.
Mini centrales hidráulicas: entre 1MW y 10MW.
Micro centrales hidroeléctricas: menos de 1MW de potencia.
Ejemplo de una central HIDROELÈCTRICA
Presa o logo
Componentes principales de una central hidroeléctrica
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La presa: se encarga de contener el agua de un río y almacenarla en un embalse.
Rebosaderos: elementos que permiten liberar parte del agua que es retenida sin que pase por
la sala de máquinas.
Destructores de energía: se utilizan para evitar que la energía que posee el agua que cae
desde los salientes de una presa de gran altura produzcan, al chocar contra el suelo, grandes
erosiones en el terreno. Básicamente encontramos dos tipos de destructores de energía:
o Los dientes o prismas de cemento: provocan un aumento de la turbulencia y de los
remolinos.
o Los deflectores de salto de esquí: disipan la energía haciendo aumentar la fricción del
agua con el aire y a través del choque con el colchón de agua que encuentra a su caída.
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Sala de máquinas: Construcción donde se
sitúan las máquinas (turbinas, alternadores…)
y elementos de regulación y control de la
central.
Turbina: Elementos que transforman en
energía mecánica la energía cinética de una
corriente de agua.
Alternador: Tipo de generador eléctrico
destinado a transformar la energía mecánica
en eléctrica.
Conducciones: La alimentación del agua a las
turbinas se hace a través de un sistema
complejo de canalizaciones.
En el caso de los canales, se pueden realizar excavando el terreno o de forma artificial mediante
estructuras de hormigón. Su construcción está siempre condicionada a las condiciones geográficas. Por
eso, la mejor solución es construir un túnel de carga, aunque el coste de inversión sea más elevado.
La parte final del recorrido del agua desde la cámara de carga hasta las turbinas se realiza a través de
una tubería forzada. Para la construcción de estas tuberías se utiliza acero para saltos de agua de
hasta 2000m y hormigón para saltos de agua de 500m.
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Válvulas: dispositivos que permiten controlar y regular la circulación del agua por las
tuberías.
Chimeneas de equilibrio: son unos pozos de presión de las turbinas que se utilizan para evitar
el llamado “ golpe de ariete”, que se produce cuando hay un cambio repentino de presión
debido a la apertura o cierre rápido de las válvulas en una instalación hidráulica.
La presa
La presa es el primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica. Se encarga de contener
el agua de un río y almacenarla en un embalse.
Con la construcción de una presa se consigue un determinado desnivel de agua, que es aprovechado
para conseguir energía. La presa es un elemento esencial y su forma depende principalmente de la
orografía del terreno y del curso del agua donde se tiene que situar.
Las presas se pueden clasificar, según el material utilizado en su construcción, en presas de tierra y
presas de hormigón.
Las presas de hormigón son las más resistentes y las más utilizadas. Hay tres tipos de presas de
hormigón en función de su estructura:
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Presas de gravedad. Son presas de hormigón triangulares con una base ancha que se va
haciendo más estrecha en la parte superior. Son construcciones de larga duración y que no
necesitan mantenimiento. La altura de este tipo de presas está limitada por la resistencia del
terreno.
Presa de vuelta. En este tipo de presas la pared es curva. La presión provocada por el agua se
transmite íntegramente hacia las paredes del valle por el efecto del arco. Cuando las condiciones
son favorables, la estructura necesita menos hormigón que una presa de gravedad, pero es
difícil encontrar lugares donde se puedan construir.
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Presas de contrafuertes. Tienen una pared que soporta el agua y una serie de contrafuertes o
pilares de forma triangular, que sujetan la pared y transmiten la carga del agua a la base.
En general, se utilizan en terrenos poco estables y no son muy económicas.
La turbina hidráulica
Las turbinas hidráulicas son el elemento fundamental para el aprovechamiento de la energía en las
centrales hidráulicas. Transforman en energía mecánica la energía cinética (fruto del movimiento) de
una corriente de agua.
Su componente más importante es el rotor , que tiene una serie de palas que son impulsadas por la
fuerza producida por el agua en movimiento, haciéndolo girar.
Las turbinas hidráulicas las podemos clasificar en dos grupos:
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Turbinas de acción. Son aquellas en las que la energía de presión del agua se transforma
completamente en energía cinética. Tienen como característica principal que el agua tiene la
máxima presión en la entrada y la salida del rodillo.
Un ejemplo de este tipo son las turbinas PELTON.
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Turbinas de reacción. Son las turbinas en que solamente una parte de la energía de presión del
agua se transforma en energía cinética. En este tipo de turbinas, el agua tiene una presión más
pequeña en la salida que en la entrada.
Un ejemplo de este tipo son las turbinas KAPLAN.
Las turbinas que se utilizan actualmente con mejores resultados son las turbinas PELTON, Francis y
Kaplan. A continuación se enumeran sus características técnicas y sus aplicaciones más destacadas:
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Turbina PELTON. También se conoce con el nombre de turbina de presión. Son adecuadas
para los saltos de gran altura y para los caudales relativamente pequeños. La forma de
instalación más habitual es la disposición horizontal del eje.
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Turbina Francis. Es conocida como turbina de sobrepresión, porque la presión es variable en
las zonas del rodillo. Las turbinas Francis se pueden usar en saltos de diferentes alturas
dentro de un amplio margen de caudal, pero son de rendimiento óptimo cuando trabajan en un
caudal entre el 60 y el 100% del caudal máximo.
Pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal o en posición vertical pero, en general, la
disposición más habitual es la de eje vertical.
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Turbina Kaplan. Son turbinas de admisión total y de reacción. Se usan en saltos de pequeña
altura con caudales medianos y grandes. Normalmente se instalan con el eje en posición
vertical, pero también se pueden instalar de forma horizontal o inclinada.
En el siguiente juego interactivo puedes comprender mejor la relación entre el caudal y la altura en las
centrales hidroeléctricas.
Tipos de centrales hidroeléctricas
Hay muchos tipos de centrales hidroeléctricas, ya que las características del terreno donde se sitúa la
central condicionan en gran parte su diseño.
Se podría hacer una clasificación en tres modelos básicos:
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Centrales de agua fluyente. En este caso no existe embalse, el terreno no tiene mucho
desnivel y es necesario que el caudal del río sea lo suficientemente constante como para
asegurar una potencia determinada durante todo el año. Durante la temporada de
precipitaciones abundantes, desarrollan su máxima potencia y dejan pasar agua excedente. En
cambio, durante la época seca, la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi
nulo en algunos ríos en verano.
Centrales de embalses. Mediante la construcción de una o más presas que forman lagos
artificiales donde se almacena un volumen considerable de agua por encima de las turbinas.
El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Con el embalse puede
producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque completamente durante
algunos meses, cosa que sería imposible con una central de agua fluyente.
Estas centrales exigen, generalmente, una inversión de capital más grande que la de agua fluyente.
Dentro de estos tipos existen dos variantes de centrales:
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Centrales a pie de presa: en un tramo de río con un desnivel apreciable se construye una
presa de una altura determinada. La sala de turbinas
está situada después de la presa.
Centrales por derivación de las aguas: las aguas del
río son desviadas mediante una pequeña presa y son
conducidas mediante un canal con una pérdida de
desnivel tan pequeña como sea posible, hasta un
pequeño depósito llamado cámara de carga o de
presión. De esta sala arranca una tubería forzada que
va a parar a la sala de turbinas. Posteriormente, el agua
es devuelta río abajo, mediante un canal de descarga.
Se consiguen desniveles más grandes que en las
centrales a pie de presa.
Centrales de bombeo o reversibles. Son un tipo especial de centrales que hacen posible un
uso más racional de los recursos hidráulicos.
Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda diaria de energía eléctrica
es máxima, estas centrales trabajan como una central hidroeléctrica convencional: el agua cae desde el
embalse superior haciendo girar las turbinas y después queda almacenada en el embalse inferior.
Durante las horas del día de menor demanda, el agua es bombeada al embalse superior para que
vuelva a hacer el ciclo productivo.
Funcionamiento de una central hidroeléctrica
La presa, situada en el curso de un río, acumula artificialmente un volumen de agua para formar un
embalse. Eso permite que el agua adquiera una energía potencial que después se transformará en
electricidad.
Para esto, la presa se sitúa aguas arriba, con una válvula que permite controlar la entrada de agua a la
galería de presión; previa a una tubería forzada que conduce el agua hasta la turbina de la sala de
máquinas de la central.
El agua a presión de la tubería forzada va transformando su energía potencial en cinética (es decir,
va perdiendo fuerza y adquiere velocidad). Al llegar a la sala de máquinas el agua actúa sobre los
álabes de la turbina hidráulica, transformando su energía cinética en energía mecánica de rotación.
El eje de la turbina está unido al del generador eléctrico, que al girar convierte la energía rotatoria en
corriente alterna de media tensión.
El agua, una vez ha cedido su energía, es restituida al río aguas abajo de la central a través de un
canal de desagüe.
Ventajas e inconvenientes de las centrales hidroeléctricas
Las ventajas de las centrales hidroeléctricas son:
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No necesitan combustibles y son limpias.
Muchas veces los embalses de las centrales tienen otras utilidades importantes: el regadío,
como protección contra las inundaciones o para suministrar agua a las poblaciones próximas.
Tienen costes de explotación y mantenimientos bajos.
Las turbinas hidráulicas son de fácil control y tienen unos costes de mantenimiento reducido.
En contra de estas ventajas podemos enumerar los inconvenientes siguientes:
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El tiempo de construcción es, en general, más largo que el de otros tipos de centrales eléctricas.
La generación de energía eléctrica está influenciada por las condiciones meteorológicas y puede
variar de estación a estación.
Los costes de inversión por kilovatio instalado son elevados.
En general, están situadas en lugares lejanos del punto de consumo y, por lo tanto, los costes de
inversión en infraestructuras de transporte pueden ser elevados.
CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
En las centrales térmicas convencionales (o termoeléctricas convencionales) se produce electricidad a
partir de combustibles fósiles como carbón, fueloil o gas natural, mediante un ciclo termodinámico de
agua-vapor. El término ‘convencionales’ sirve para diferenciarlas de otras centrales térmicas, como las
nucleares o las de ciclo combinado.
Componentes principales de una central térmica convencional
Caldera. En este espacio el agua se transforma en vapor,
cambiando su estado. Esta acción se produce gracias a la
combustión del gas natural (o cualquier otro combustible fósil
que pueda utilizar la central), con la que se generan gases a muy
alta temperatura que al entrar en contacto con el agua líquida la
convierten en vapor.
El agua que se transforma en vapor circula por unas cañerías
llamadas serpentines, donde se produce el intercambio de calor
entre los gases de la combustión y el agua.
 Turbina de vapor. Máquina que recoge el vapor de agua y que,
gracias a un complejo sistema de presiones y
temperaturas, consigue que se mueva el eje que la atraviesa.
Esta turbina normalmente tiene varios cuerpos, de alta, media y
baja presión, para aprovechar al máximo el vapor de agua.
El eje que atraviesa los diferentes cuerpos está conectado con el
generador.
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Generador. Máquina que recoge la energía mecánica generada en el eje que atraviesa la turbina y la
transforma en eléctrica mediante inducción electromagnética. Las centrales eléctricas transforman la
energía mecánica del eje en una corriente eléctrica trifásica y alterna.
Funcionamiento de una central térmica convencional
El funcionamiento de las centrales termoeléctricas convencionales es el mismo independientemente del
combustible que se utilice.
Sin embargo, sí hay diferencias en el tratamiento previo que se hace al combustible y del diseño de los
quemadores de las calderas de las centrales.
 Centrales de carbón. Donde el combustible debe ser triturado previamente.
 Centrales de fueloil. Donde el combustible se calienta para una utilización más fácil.
 Centrales de gas natural. Que no precisa almacenaje, llegando así directamente por gaseoductos.
 Centrales mixtas. Que pueden utilizar diferentes combustibles, siendo necesarios los tratamientos
previos anteriormente citados.
Una vez el combustible está en la caldera, se quema. Esto provoca que se produzca energía
calorífica que se utilizará para calentar agua y así transformarla en vapor a una presión muy elevada.
A partir de este vapor se hace girar una turbina y un alternador para que este produzca electricidad.
La electricidad generada pasa por un transformador para aumentar su tensión y así transportarla
reduciendo las pérdidas por Efecto Joule.
El vapor que sale de la turbina se envía a un elemento llamado condensador para convertirlo en agua y
así retornarlo a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor.
En el siguiente juego interactivo puedes conocer de una manera más gráfica el funcionamiento de una
central térmica convencional.
Impactos medioambientales de las centrales térmicas convencionales
La incidencia de este tipo de centrales sobre el medio ambiente se produce de dos maneras básicas:
Emisión de residuos a la atmósfera
Este tipo de residuos provienen de la combustión de los combustibles fósiles que utilizan las centrales
térmicas convencionales para funcionar y producir electricidad. Esta combustión genera partículas que
van a parar a la atmósfera, pudiendo perjudicar el entorno del planeta.
Por eso, las centrales térmicas convencionales disponen de chimeneas de gran altura que dispersan
estas partículas y reducen, localmente, su influencia negativa en el aire.
Además, las centrales termoeléctricas disponen de filtros de partículas que retienen una gran parte de
estas, evitando que salgan al exterior.
Transferencia térmica
Algunas centrales térmicas (las denominadas de ciclo abierto) pueden provocar el calentamiento de las
aguas del río o del mar.
Este tipo de impactos en el medio se solucionan con la utilización de sistemas de refrigeración, cuya
tarea principal es enfriar el agua a temperaturas parecidas a las normales para el medio ambiente y así
evitar su calentamiento
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.
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.
TURBINAS HIDRAULICAS
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 encada caso del
salto de agua y de la potencia de la turbina.
En cada cuadro en blanco haga un breve resumen del funcionamiento de cada turbina
CUADRO DE RESUMEN DE LAS CARACTERISTICAS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE
CENTRALES
TIPO DE
CENTRAL
ELECTRICA.
TERMICA
HIDROELÈCTRICA
Nuclear
Fuente de
ENERGÌA
ENERGIA
intermedia
Tipo de turbina
Elemento que
produce la
electricidad
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 termo solares
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.
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.
En la figura puedes ver un alternador elemental,
formado por una sola espira que gira dentro de un
Figura 9. Alternador
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 quien sea el que se mueve.