Sistemas de Generación. Descripción.

Fundamentos de Ingeniería Eléctrica para otras Disciplinas 2015 Ing. Ramón Villasana, Ph.D

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

En general, la generación de energía eléctrica consiste en transformar alguna clase de energía química, mecánica, térmica o luminosa, entre otras, en energía eléctrica.

Para la generación a gran escala se recurre a instalaciones denominadas centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las transformaciones citadas. Estas constituyen el primer escalón del sistema de suministro eléctrico.

Ilustración referencial : Plantas a Gas vs. Plantas de ciclo combinado

La generación eléctrica se realiza, básicamente, mediante un generador; si bien estos difieren poco entre sí en cuanto a su principio de funcionamiento, varían en función a la forma en que se accionan. Explicado de otro modo, difiere en que tipo de fuente de energía primaria utiliza para convertir la energía contenida en ella, en energía eléctrica.

Generador eléctrico

La electricidad presenta una diferencia muy importante respecto a otros tipos de energía, como el gas natural, el carbón o los derivados del petróleo, y esta es que no puede almacenarse.

la producción eléctrica debe ajustarse en todo momento al consumo, por lo que su producción, transporte y distribución debe llevarse a cabo de forma técnicamente equilibrada y prácticamente instantánea. Podría decirse que la electricidad es un producto y un servicio con rasgos singulares y diferenciales.

El consumo de electricidad tiene dos particularidades. Es creciente con los años debido al desarrollo económico e industrial y presenta grandes fluctuaciones horarias incluso dentro del mismo día y hora. Esto exige un control preciso y que la generación, transporte y distribución deba realizarse en el momento en que se consume.

FUENTES USUALES DE ENERGÍA PRIMARIA

Las fuentes de energía primaria más utilizadas actualmente en el mundo son: - Petróleo (Energía Calórica) - Carbón ( Energía Calórica) - Gas natural ( Energía Calórica) - Energía hidráulica ( Energía mecánica del agua) - Energía nuclear ( Energía Calórica)

Todas estas, a excepción de la hidráulica son no-renovables.

FUENTES RENOVABLES DE ENERGÍA PRIMARIA

Las energías renovables están destinadas a ganar importancia a medida que se van agotando las fósiles no-renovables. Las energías renovables destacadas utilizan como energía primaría: - La energía mecánica del agua (La energía hidráulica ) - La energía cinética del viento (La energía eólica ) - La energía de la radiación solar (La energía solar) - La energía de materias orgánicas como la leña, el biogas, etc. (La biomasa). - La energía del interior de la tierra (La energía geotérmica) - La energía cinética de las olas, energía potencial de las mareas y energía cinética de las corriente marinas (Las energías marinas )

CENTRALES DE GENERACION DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Entonces de acuerdo a la energía primaria que utilicen, las centrales de generación se identifican entre las mas comunes, como: • CENTRALES HIDROELÉCTRICAS (Agua). • CENTRALES TERMOELÉCTRICAS (Gas, Carbón, Petróleo) •CENTRALES DE TURBO-GAS (Gas) • CENTRALES DE CICLO COMBINADO (Gas) • CENTRALES GEOTERMOELÉCTRICAS (Vapores Termales) • CENTRALES NUCLEOELÉCTRICAS (Uranio) • CENTRALES EÓLICAS (Viento) • CENTRALES SOLARES (Sol) • CENTRALES DE BIOMASA (Residuos Industriales y urbanos) Hacemos a continuación, en una breve presentación de cada una de estas.

Componentes básicos para diferentes fuentes de energía

CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Es aquella energía obtenida principalmente de las corrientes de agua de los ríos. Las partes constitutivas básicas de un complejo o central hidroeléctrica son: Fuente de abastecimiento Obras de conducción Casa de Máquinas Subestación

ENERGIA HIDROELECTRICA

Centrales Hidroeléctricas

GRUPO TURBINA GENERADOR DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

Utilizan como fuente de energía el

agua almacenada en un embalse, de

forma que la potencia aprovechable en

un salto hidráulico depende del caudal

del salto y de su altura en metros. La

energía almacenada en el agua

provocará el movimiento de los alabes de

la turbina hidráulica transformándose en

una energía mecánica igual al producto

entre del par mecánico entregado por la

turbina y su velocidad angular. Estas

centrales requieren una gran inversión en

su construcción y además requieren de

un embalse que inundará un área en

general muy extensa.

Entre las ventajas de estas

centrales están en que no

contaminan, que el combustible

es el agua, y que tienen gran

facilidad para su arranque,

parada y ajuste mediante la

apertura o cierre de la válvula

de admisión a la turbina. Por

ello se utilizan como centrales

de regulación para ajustar la

generación de energía eléctrica

a la demanda de una forma

rápida y gradual.

La potencia, que es función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la turbina, y del caudal máximo turbinable, además de las características de la turbina y del generador. La energía garantizada, que generalmente se considera en un lapso de tiempo determinado, (un año p.e), que es función del volumen útil del embalse, y de la potencia instalada.

Potencia de una central hidroeléctrica La potencia de una central hidroeléctrica se mide generalmente en Megavatios (MW) y se calcula mediante la fórmula siguiente:

donde:

Pe = potencia en vatios (W) ρ = densidad del fluido en kg/m³ ηt = rendimiento de la turbina hidráulica (entre 0,75 y 0,94) ηg = rendimiento del generador eléctrico (entre 0,92 y 0,97) ηm = rendimiento mecánico del acoplamiento turbina alternador (0,95/0.99) Q = caudal turbinable en m3/s H = desnivel disponible en la presa entre aguas arriba y aguas abajo, en metros (m)

PLANTAS TERMOELECTRICAS

Una planta termoeléctrica es una instalación empleada a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica.

PLANTAS TERMOELECTRICAS En el proceso termoeléctrico existe una clasificación de tipos de generación,

según la tecnología utilizada para hacer girar los generadores eléctricos.

Vapor: Con vapor de agua se produce el movimiento de una turbina

acoplada al generador eléctrico.

Turbo-gas: Con los gases de combustión se produce el movimiento de una

turbina acoplada al generador eléctrico.

Combustión interna: Con un motor de combustión interna se produce el

movimiento del generador eléctrico.

Ciclo Combinado: Combinación de las tecnologías de turbo-gas y vapor.

Constan de una o mas unidades turbo-gas y una de vapor, cada turbina

acoplada a su respectivo generador eléctrico

Al final de esta sección haremos un resumen del proceso de la generación

termoeléctrica

El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta, se emplea para calentar el agua , que se encuentra en la caldera, y producir el vapor.

PLANTAS TERMOELECTRICAS A VAPOR El vapor producido con una alta presión, hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando de nuevo el ciclo.

Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento.

El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración que son grandes estructuras que identifican a estas centrales.

Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten constantemente, vapor de agua (que se forma durante el ciclo) no contaminante, a la atmósfera.

PLANTAS TERMOELECTRICAS: RESUMEN DEL PROCESO (a)

PLANTAS TERMOELECTRICAS: RESUMEN DEL PROCESO (b)

TURBINA DE PLANTAS TERMOELECTRICAS

ESQUEMA DE GENERADOR DE PLANTAS TERMOELECTRICAS

PRINCIPIO DE OPERACIÓN

PLANTAS DE TURBO-GAS

RENDIMIENTO DE PLANTAS TERMOELECTRICAS

La eficiencia energética de las centrales térmicas dependerá

fundamentalmente del poder calorífico del combustible.

El rendimiento de estas centrales nunca supera el 45%. Debido a la

inercia térmica de la caldera (unas 7 horas) no es posible utilizarlas

como centrales de regulación ya que no se puede realizar su

arranque o parada de forma rápida. En ciertas ocasiones

estas centrales se dejan desconectas de red, es decir sin

generar energía, pero operando en caliente con la caldera en

funcionamiento.

PLANTAS DE TURBO-GAS (UTG)

En una UTG, un compresor gira e introduce aire del medio ambiente que posteriormente se comprime hasta un valor aproximado de 10 Atmósferas y se envía a la cámara de combustión. De esta manera se proporciona el suministro de oxígeno necesario para poder quemar el combustible. Aunque en esta etapa aún no se ha agregado calor, la temperatura del aire se incrementa debido a la compresión.

En la cámara de combustión, el aire comprimido se combina con el combustible alimentado y, con la ayuda de una bujía de ignición, se produce la combustión, que provoca un incremento substancial de la temperatura. Los gases producto de la combustión son enviados a la turbina de gas, en donde se expanden y desarrollan trabajo mecánico que se aprovecha para impulsar un generador eléctrico y producir energía eléctrica

Estas plantas son grupos compactos, sencillos y fáciles de transportar de pequeña y media potencia entre 5 y 100 Mw. Los gases de escape se pueden utilizar para potabilizar agua en centrales de lugares desérticos o para sistemas de calefacción.

PLANTAS DE TURBO-GAS: TURBINA

PLANTAS DE TURBO-GAS: RESUMEN DEL PROCESO

PLANTAS DE CICLO COMBINADO

La central térmica de ciclo combinado es aquella donde se genera electricidad mediante la utilización conjunta de dos turbinas: Uno o mas turbogrupos de gas Un turbogrupo de vapor

Cada una de las turbinas mueve un generador eléctrico, o

bien ambas turbinas pueden accionar simultáneamente a un

generador único. Los rendimientos de estos ciclos son

mayores que para el resto de centrales térmicas

llegando al 60% en algunos casos.

Las centrales de ciclo combinado que han crecido de forma

muy notable en el mundo debido a que tienen grandes

ventajas como su modularidad y sus costes moderados

de inversión por lo que son muy competitivas

económicamente. El único inconveniente es que su

funcionamiento económico depende del precio del gas

utilizado como combustible.

Ilustración referencial : Plantas a Gas vs. Plantas de ciclo combinado

Funcionamiento de una central de ciclo combinado. En primer lugar el aire es comprimido a alta presión en el compresor, pasando a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible. A continuación, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transmitiéndolo al eje. Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor convencional. A la salida de la turbina el vapor se condensa (transformándose nuevamente en agua) y vuelve a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor.

Ventajas del Ciclo Combinado Las características principales de las centrales térmicas de ciclo combinado son: Flexibilidad. La central puede operar a plena carga o cargas parciales, hasta un mínimo de aproximadamente el 45% de la potencia máxima. Eficiencia elevada. El ciclo combinado proporciona mayor eficiencia por un margen más amplio de potencias. Sus emisiones son más bajas que en las centrales térmicas convencionales. Coste de inversión bajo por MW instalado. Periodos de construcción cortos. Menor superficie por MW instalado si lo comparamos con las centrales termoeléctricas convencionales (lo que reduce el impacto visual). Bajo consumo de agua de refrigeración. Ahorro energético en forma de combustible

Las centrales eléctricas con turbinas de gas

tienen costes de operación relativamente altos,

pero como ventaja los costes de inversión son bajos,

por lo que se utilizan para cubrir las puntas de

demanda durante unas pocas horas al año. Sucede

justo lo contrario que con las centrales nucleares,

mientras que las centrales térmicas convencionales

se encontrarían en una situación intermedia respecto

de este criterio.

PLANTAS GEOTERMOELECTRICAS

En muchos lugares de la Tierra se producen fenómenos geotérmicos que pueden ser aprovechados para generar energía útil para el consumo. Estas fuerzas se desarrollan en el interior de la corteza terrestre, normalmente a profundidades de 50 km, en una franja llamada sima o sial; algunas de sus manifestaciones sobre la superficie son los volcanes activos.

Conforme descendemos hacia el interior de la corteza terrestre se produce un aumento gradual de temperatura, estimado en 1 grado cada 37 metros de profundidad. Sin embargo, en determinadas zonas de nuestro planeta, por ejemplo en algunas islas volcánicas de Canarias, las altas temperaturas se encuentran a nivel de la superficie. En estos casos, es cuando una instalación geotérmica resulta más rentable.

El funcionamiento de una central geotérmica es bastante simple: consta de una perforación practicada a gran profundidad sobre la corteza terrestre (unos 5 km), con objeto de obtener una temperatura mínima de 150º C, y en la cual se han introducido dos tubos en circuito cerrado en contacto directo con la fuente de calor.

U.S..B.

INDENE - FUNINDES

Desde la superficie se inyecta agua fría a través de uno de los extremos del tubo, la cual se calienta al llegar al fondo formando vapor de agua y regresando a chorro a la superficie a través del otro tubo. En el extremo de éste está acoplada una turbina-generador que suministra la energía eléctrica para su distribución. El agua enfriada es devuelta de nuevo al interior por el primer tubo para repetir el ciclo.

PLANTAS NUCLEOELÉCTRICAS

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.

La reacción de fisión nuclear

La reacción de fusión nuclear

La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos muy livianos se unen,

formando un núcleo atómico más pesado con mayor estabilidad. Estas

reacciones liberan energías tan elevadas que en la actualidad se estudian

formas adecuadas para mantener la estabilidad y confinamiento de las

reacciones.

Una central térmica nuclear es una instalación que aprovecha el calor obtenido mediante la fisión (o fusión) de los núcleos de uranio para producir energía eléctrica. Por consiguiente, las centrales nucleares tienen un reactor, es decir, una instalación que permite iniciar y controlar una reacción en cadena de fisión nuclear.

Este calor producido por la fisión

nuclear se transfiere a un fluido

(por ejemplo CO2 o sodio líquido),

y a continuación mediante un

intercambiador se transfiere a un

circuito de agua para crear vapor de

agua dentro de la caldera. A partir de

aquí el funcionamiento es como en

una central térmica convencional.

Las centrales nucleares no se

pueden emplear nunca como

centrales de regulación ya que el

proceso de parada y arranque del

reactor es muy costoso y se realiza

solamente de forma planificada con

mucha antelación en los períodos

programados de parada para su

mantenimiento.

En las centrales nucleares, aunque

los costes de inversión son muy

altos, los costes de operación

derivados principalmente del coste

del combustible son muy pequeños

lo que las convierte en la tecnología

apropiada para utilizarlas como

plantas base durante las 8760 horas

del año.

PLANTAS EÓLICAS

ENERGÍA EÓLICA Se trata de un tipo de

energía limpia que hace

uso de la fuerza del

viento, la cual sin

embargo presenta

dificultades, pues no

existen en la naturaleza

flujos de aire constantes

en el tiempo, más bien

son dispersos e

intermitentes.

La producción de energía eléctrica mediante el uso de generadores eólicos (aerogeneradores), se basa en el mismo principio que los molinos de viento: aprovechar la energía del viento para hacer girar una turbina, la cual está convenientemente acoplada a un generador eléctrico.

PLANTAS EÓLICAS

Un aerogenerador eléctrico es, por tanto, una máquina que convierte la energía cinética del viento (masa a una cierta velocidad) en energía eléctrica. Para ello, utiliza unas palas, que conforman una “hélice”, y que transmiten la energía del viento al rotor de un generador. Como se muestra en la figura, para los mas comunes, los de eje horizontal, sobre una torre de soporte se coloca una góndola , que aloja en su interior a el generador, el cual está conectado, mediante una multiplicadora, a el conjunto de palas o “hélice”.

PLANTAS EOLICAS

Los conversores de Energía Eólica pueden variar desde 1 metro a 100 metros de diámetro y su potencia puede ser desde 1KW hasta varios MW. Se pueden conectar en una red de suministro de energía, requieren solo una pequeña superficie para su funcionamiento y su uso no produce efectos nocivos en el medio ambiente.

PLANTAS EOLICAS

Generalmente se agrupan en un mismo emplazamiento varios aerogeneradores, dando lugar a los llamados parques eólicos, que pueden verse en la cima de numerosas montañas del mundo.

EVOLUCION DE LAS PLANTAS EÓLICAS

ENERGIA EÓLICA EN EL MUNDO

Reparto por regiones de la potencia eólica instalada acumulada a 01/01/2010

Reparto por países de la potencia eólica instalada (y evolución entre 2004 y 2010)

INSTALACIONES EÓLICAS EN VENEZUELA

Con la culminación de esa fase de prueba,

todo estaría listo para incorporar 30 megavatios

al SEN, producto de la generación de energía

de estos primeros 23 aerogeneradores.

El Parque Eólico Paraguaná, proyecto

impulsado por PDVSA, a través del Centro de

Refinación Paraguaná, está ubicado entre las

poblaciones de Amuay y Los Taques en el

estado Falcón y generará 100 megavatios de

potencia eléctrica gracias a la instalación de 76

aerogeneradores en total, en 3 etapas.

PARQUE EÓLICO PARAGUANÁ (PEP)

A mediados de Diciembre del 2012 se anunció por parte de PDVSA la prueba de

los primeros 23 aerogeneradores del Parque Eólico Paraguaná PEP, un hecho

que anuncia la pronta incorporación de energía limpia al Sistema Eléctrico

Nacional (SEN).

PARQUE EÓLICO LA GUAJIRA

El parque eólico La Guajira comprende la

puesta en marcha de 25,2 Mw en la fase 1 con

12 aerogeneradores de 2,1 Mw cada uno,

mientras que la fase 2 tiene previsto la

incorporación de 24 equipos adicionales.

El parque eólico la Guajira es otra instalación

eólica venezolana ubicada cerca de Caimare

Chico, a 9 kilómetros de Sinamaica. Allí se

pretende instalar 75,6MW en la primera fase con

aerogeneradores de tecnología latinoamericana,

IMPSA de 2,1MW cada uno de velocidad variable

con generador síncrono de imanes permanentes.

GENERACIÓN EÓLICA EN LATINOAMËRICA

En Latinoamérica se cuenta con una capacidad

de generación eólica instalada al termino del

2011 de 1.509MW en Brasil, 569MW en

México, 205MW en Chile, 132MW en Costa

Rica, 130MW en Argentina, 102MW en

Honduras, 33MW en Republica Dominicana,

19,5MW en Colombia y 200MW de otros

proyectos en Jamaica, Cuba, Dominica,

Guadalupe, Curazao, Aruba, Martinica,

Bonaire, Ecuador, Nicaragua, Perú y Uruguay.

En Venezuela se proyectan otros desarrollos

eólicos que se espera ver convertidos en

realidad en el futuro próximo.

POTENCIA DE UN GENERADOR EÓLICO

La máxima potencia que le podemos “sacar” al

viento, ya sea con un molino de viento

“quijotesco” o un aerogenerador de última

generación (la llamada “eólica”), se calcula con

la siguiente fórmula aproximada, que tiene en

cuenta todas las pérdidas (aerodinámicas,

mecánicas y eléctricas) de la máquina:

P = 0,15 · D2· v³

• P es la potencia expresada en vatios [W]

• D es el diámetro del rotor en metros [m]

• v es la velocidad del viento en metros por

segundo [m/s].

Ejemplo:

¿Qué potencia máxima podría generar una

eólica cuyo rotor tiene un diámetro

de 6 metros?

Si el viento sopla a 10 m/s (= 36 km/h), la

potencia del molino será

P = 0,15 · 36 · 10³ = 5400 [W] = 5,40 [kW]

Pero si sopla a 20 m/s = 72 km/h (¡un viento

“peligroso” para una eólica

casera!), la potencia será

P = 0,15 · 36 · 20³ = 43200 [W] = 43,20 [kW]

Conclusión: a doble velocidad del viento, la

eólica desarrollará 8 veces más

potencia.

Velocidad de giro de una eólica

La velocidad de giro de una eólica se puede calcular con la siguiente

fórmula: n = (60 · λ· v) / (π· D)

• n es el número de revoluciones por minuto [rpm]

• λ se llama velocidad especifica. Este factor depende del tipo de eólica

(rápida o lenta). Puede tener un valor comprendido entre aprox. 1 y 14.

Asumamos que este factor es de aprox. 4.

• v es la velocidad del viento en metros por segundo [m/s].

• D es el diámetro de la eólica en metros [m]

Para hacernos una idea:

En un aerogenerador moderno de 20 metros de diámetro (los que se

utilizan en los parques eólicos actuales), la velocidad específica es del

orden de λ= 8.

Calculemos con esta fórmula su velocidad de giro bajo un viento de 10 m/s

(= 36 km/h) ; n = (60 · 8 · 10) / (π· 20) = 76,4 rpm

No parece mucho, ¡pero las puntas de las palas giran a 288 km/h! Esto

produce bastante ruido y es un grave peligro para las aves.

Reglas generales:

• a más diámetro, menor velocidad de giro

• un mayor número de palas no aumenta necesariamente la velocidad de

giro, pero sí el rendimiento de la eólica.

En la actualidad se construyen eólicas con

diámetros de rotor que alcanzan los 90 m y

con una potencia nominal de 3 MW, lo que

da una idea del área de barrido del rotor.

PLANTAS SOLARES

ENERGÍA SOLAR

Es la energía que llega a la Tierra proveniente de la estrella más cercana a

nuestro planeta: El Sol. Esta energía abarca un amplio espectro de

Radiación Electromagnética, donde la luz solar es la parte visible de tal

espectro. La energía solar es generada por la llamada Fusión Nuclear que

es la fuente de vida de todas las estrellas del Universo.

Centrales solares

Las centrales solares son aquellas que utilizan

la energía procedente del Sol para la

producción de electricidad.

El Sol emite continuamente energía en forma

de ondas electromagnéticas en todas

direcciones del espacio. Una parte de esta

energía llega a la Tierra en forma de radiación

invisible, aunque su incidencia en esta depende

de otros factores tales como la latitud, la hora

del día, las condiciones meteorológicas, el

grado de contaminación de la atmósfera, la

inclinación de la Tierra respecto al sol, etc.

PLANTAS SOLARES

ENERGÍA SOLAR

El hombre puede transformar la energía solar en

energía térmica o eléctrica. En el primer caso la

energía solar es aprovechada para elevar la

temperatura de un fluido, como por ejemplo el

agua, y en el segundo caso la energía luminosa

del sol transportada por sus fotones de luz, incide

sobre la superficie de un material semiconductor

(Ej.: el silicio), produciendo el movimiento de

ciertos electrones que componen la estructura

atómica del material. Un movimiento de electrones

produce una corriente eléctrica que se puede

utilizar como fuente de energía de componentes

eléctricos o bien electrónicos. Es el caso del

principio de funcionamiento de las calculadoras

solares.

Dado que la energía del sol se manifiesta

en forma de calor y luz, su

aprovechamiento se puede realizar desde

dos perspectivas diferentes:

• aprovechando el calor

(conversión térmica)

• aprovechando la luz

(conversión fotovoltaica).

La energía solar es el recurso energético más abundante del planeta. El flujo solar puede ser utilizado para suministrar calefacción, agua caliente o electricidad. Para el aprovechamiento de la energía solar se distinguen tres modalidades de aprovechamiento: La arquitectura solar pasiva Los sistemas solares activos Celdas fotovoltaicas

Aprovecha al máximo la luz natural, valiéndose de la estructura y los materiales de la edificación para capturar, almacenar y distribuir el calor y la luz.

Se valen de bombas o ventiladores para transportar el calor desde el punto de captación, hasta el lugar donde se precisa calor o agua caliente

Las centrales solares térmicas:

Central solar de torre central:

Un campo de espejos móviles o helióstatos reflejan y concentran la radiación solar en

un punto receptor donde se encuentra el fluido que absorbe la energía calorífica y así

obtener vapor, siendo el resto del proceso similar al de las centrales térmicas

Las centrales solares experimentales que

hay en el mundo actualmente que utilizan

este sistema ocupan grandes espacios,

pero su potencia no supera los 2 ó 3

Megavatios.

Las centrales solares

térmicas:

En resumen pues, si se

concentran las radiaciones

solares en un punto con la

ayuda de espejos, se

consigue aumentar la

temperatura de un fluido y

convertirlo en vapor a

presión. Este vapor de agua

mueve un grupo turbina-

alternador donde se genera

la energía eléctrica.

Las centrales solares térmicas: Funcionamiento

Las centrales solares térmicas:

Central termo solar de colector distribuido:

Un grupo de espejos curvos y orientables proyecta la radiación sobre una tubería

que los recorre y por la cual circula aceite térmico. Este fluido cederá su calor al

sistema de agua y vapor.

Central solar fotovoltaica

• Las centrales fotovoltaicas: La energía solar puede convertirse directamente en energía eléctrica mediante la utilización de células solares o fotovoltaicas. Estas pequeñas células están construidas con un material semiconductor que se trata previamente con impurezas para aumentar o disminuir el número de electrones en sus diferentes capas. Al incidir la luz del sol sobre la capa superior, se excitan sus electrones, originando una pequeña corriente eléctrica. Este fenómeno se conoce como efecto fotovoltaico.

Aprovechan la inestabilidad electrónica de elementos como el Silicio, para provocar, con el aporte de luz solar, una corriente eléctrica capaz de ser almacenada.

Central solar fotovoltaica

• Las placas solares se conectan a una batería que acumula la energía eléctrica, pudiendo disponer de ella en cualquier momento.

• Las placas solares se utilizan en edificios aislados, farolas de carretera, torres de repetidoras de comunicación, calculadoras, relojes, vehículos experimentales, satélites especiales, etc.

• La producción de grandes cantidades de energía eléctrica en las centrales solares fotovoltaicas se consigue con campos solares formados por un gran numero de placas que proporcionan el voltaje y la intensidad de corriente necesarios.

Ilustración del funcionamiento de una central solar fotovoltaica

1. Módulos o paneles

fotovoltaicos

Están formados por varias

células fotovoltaicas conectadas

entre si de forma que producen

una corriente eléctrica de una

intensidad y voltaje

determinados. Las células

suelen estar hechas de silicio,

que puede ser mono o

policristalino. El primer tipo es

más eficiente.

U.C.V.

2. Regulador de carga

Impide que las baterías se sigan

cargando cuando ya han

alcanzado su nivel máximo. Si

se sobrecargan se pueden

calentar peligrosamente y se

acorta su vida útil.

-Evita el retorno de la carga de

la batería a los paneles

-Si la batería estuviese cargada,

pasaría la corriente al sistema

de consumo y sino tuviésemos

consumo, la disiparía en forma

de calor.

3. Baterías

Acumulan la energía producida

para que este disponible durante

la noche y en los días nublados.

Se recomienda que:

-Semanalmente, se vigile que el

nivel de carga no exceda

demasiado

-Se controle el nivel de líquido y

rellénelas con agua destilada o

ionizada.

Para que el sistema funcione

bien, las baterías deben tener

una capacidad algo superior a las

necesidades estimadas

4. Inversor de corriente continua

(DC) o corriente alterna (AC)

Adapta la corriente generada por los

paneles, que es continua, a la

utilizada por los electrodomésticos y

los motores. Cuanto más alta es la

potencia del inversor, mayor es su

precio. Por eso, conviene elegir

electrodomésticos de Serie A (bajo

consumo)

5. Iluminación (Carga)

Cuando solo se necesite iluminación,

se puede prescindir del inversor

porque hay lámparas que funcionan

con corriente continua.

Ilustración Central solar fotovoltaica

U.C.V.

INTALACION DE CELDAS SOLARES FOTOVOLTAICAS MAS GRANDE DE

VENEZUELA, CARACAS, EDIFICIO VEPICA, LOS SAMANES

PLANTAS DE BIOMASA

BIOMASA

Una parte de la energía que llega a la Tierra

procedente del Sol es absorbida por las plantas, a

través de la fotosíntesis, y convertida en materia

orgánica con un mayor contenido energético que las

sustancias minerales. De este modo, cada año se

producen 2·1011 toneladas de materia orgánica seca,

con un contenido de energía equivalente a 68000

millones de tep (toneladas equivalentes de petróleo),

que equivale aproximadamente a cinco veces la

demanda energética mundial. A pesar de ello, su

enorme dispersión hace que sólo se aproveche una

mínima parte de la misma. Entre las formas de

biomasa más destacables por su aprovechamiento

energético destacan los combustibles energéticos

(caña de azúcar, remolacha, etc.) y los residuos

(agrícolas, forestales, ganaderos, urbanos, lodos de

depuradora, plantas, etc.)

ORIGEN DE LA ENERGIA DE BIOMASA

La bioenergía o energía de biomasa es

entonces un tipo de energía renovable

procedente del aprovechamiento de la

materia orgánica e industrial formada en

algún proceso biológico o mecánico,

generalmente, de las sustancias que

constituyen los seres vivos (plantas, seres

humanos, animales, entre otros), o sus

restos y residuos. El aprovechamiento de

la energía de la biomasa se hace

directamente (por ejemplo, por

combustión), o por transformación en otras

sustancias que pueden ser aprovechadas como combustibles.

PLANTAS DE BIOMASA

Se distinguen básicamente dos

tipos de biomasa, según la

procedencia de las sustancias

empleadas: la biomasa vegetal,

relacionada con las plantas en

general (troncos, ramas, tallos,

frutos, restos y residuos vegetales,

etc.); y la biomasa animal,

obtenida a partir de sustancias de

origen animal (grasas, restos,

excrementos, etc.)

TIPOS DE DE BIOMASA

La biomasa vegetal es aquella

que abarca los bosques, árboles,

matorrales, plantas de cultivo, etc.

Por ejemplo, en las explotaciones

forestales se produce una serie de

residuos o subproductos, con un

alto poder energético, que no

sirven para la fabricación de

muebles ni papel, como son las

hojas y ramas pequeñas, y que se

pueden aprovechar como fuente

energética.

TIPOS DE DE BIOMASA

La biomasa animal o residual es

aquella que se deriva de los

residuos de estiércol, residuos de

mataderos, basuras urbanas,

cascaras, huesos, excrementos

animales y humanos, etc.

Los purines y estiércoles de las

granjas de vacas y cerdos pueden

valorizarse energéticamente por

ejemplo, aprovechando el gas (o

biogás) que se produce a partir de

ellos, para producir calor y

electricidad.

TIPOS DE DE BIOMASA

De la misma forma puede

aprovecharse la energía de las

basuras urbanas, porque también

producen un gas o biogas

combustible, al fermentar los

residuos orgánicos, que se puede

captar y se puede aprovechar

energéticamente produciendo

energía eléctrica y calor. Las

plantas eléctricas que utilizan

estos gases se denominan

plantas de biogas

TIPOS DE DE BIOMASA

COSTOS RELATIVOS DE PROCESOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN VENEZUELA

Capacidad Instalada: 23.161 MW

GURI (8.851 MW)

CARUACHI (2.196 MW)

MACAGUA (2.930 MW)

PEÑA LARGA (80 MW)

TERMOZULIA (470 MW)

RAMÓN LAGUNA

(660 MW)

RAFAEL URDANETA (266 MW)

CONCEPCIÓN (32 MW)

SANTA BÁRBARA

(36 MW) CASIGUA

(62 MW)

SAN LORENZO (40 MW)

TERMOBARRANC

AS (150 MW)

PLANTA PÁEZ (240 MW)

PLANTA

ENELBAR (130 MW)

CORO (71 MW)

PUNTO FIJO (199 MW)

PLANTA

CENTRO (2.000 MW)

CASTILLITO (61 MW)

PLANTA DEL ESTE (141 MW)

JOAQUINA

SÁNCHEZ (1.706 MW)

O.A.M. (450 MW)

FERNANDO (90 MW)

LUISA CÁCERES (232 MW)

GUANTA (140 MW)

ALFREDO SALAZAR (210 MW)

JUSEPÍN (20 MW) SANTA BÁRBARA

(20 MW)

ARGIMIRO

GABALDÓN (80 MW)

PLANTAS HIDRÁULICAS

PLANTAS

TERMOELÉCTRICAS

PLANTA TÁCHIRA (217 MW)

SAN AGATÓN (300 MW)

TUCUPITA (10 MW)

Menor de 5 Años

Entre 6 y 25 años

Mayor de 26 Años

Turbogas nuevo

CC nuevo

Parque actual

Antigüedad

del Parque Termoeléctrico

Eficiencia del Parque Termoeléctrico

Utilizando Gas Natural

35% 65%

Composición Hidrotérmica

CAMEJO (300 MW)

Mayo 2008

SERVICIOS AUXILIARES DE PLANTAS DE GENERACION

Se define como el conjunto de instalaciones formadas por las fuentes de

alimentación de corriente directa y de corriente alterna, de baja tensión,

que se utilizan para energizar los sistemas de la planta y su

subestación. Se les denomina auxiliares, pero son básicos, sin ellos la

planta no puede funcionar. Se usan para energizar los sistemas de:

control, refrigeración,

aireación, lubricación,

protección, señalización,

comunicación alarmas

alumbrado sistema

contra incendio.

Además de los sistemas señalados previamente, los servicios auxiliares en

una planta comprenden también las siguientes funciones:

Aire Acondicionado

Agua de refrigeración,

Aguas de drenajes,

Equipos antiincendios,

Aire comprimido,

Servicios de agua potable,

Tratamientos de aguas residuales,

entre otros.

Equipos de levantamiento, grúas, etc.

Los sistemas de servicios auxiliares se considerarán

cuidadosamente en la etapa de diseño de la planta, porque desde

su concepción misma se está determinando la confiabilidad y

flexibilidad de la operación.

Con respecto a los servicios auxiliares mecánicos, tal como se

expresó, se resaltan los equipos de aire comprimido, sistema de aire

acondicionado y puente grúa para el levantamiento.

CARGAS DE LOS SERVICIOS AUXILIARES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE

ALTERNA

Algunos de los equipos conectados a los diferentes barrajes de los servicios

auxiliares de la central se citan a continuación:

Servicios auxiliares de unidad. Entre los equipos conectados a los barrajes

para los servicios auxiliares de unidad (480V) están:

1. Bomba de agua para el enfriamiento de la unidad.

2. Calefactores de la unidad.

3. Bomba de aceite del regulador de velocidad.

4. Bombas de aceite para los cojinetes de guía y empuje

si se requieren.

5. Ventiladores de enfriamiento para el equipo de excitación.

6. Ventiladores de enfriamiento para los transformadores

CARGAS DE LOS SERVICIOS AUXILIARES ELÉCTRICOS DE

CORRIENTE ALTERNA

Control de motores y servicios auxiliares generales.

A los barrajes para el centro de control de motores y servicios auxiliares

generales (480 V) se conectan:

1. Ventilación e iluminación de la casa de máquinas.

2. Compresores de aire para los interruptores de máquina y

3. para el acumulador aire aceite del regulador de velocidad.

3. Alimentación para las herramientas del taller.

4. Puente grúa.

5. Cargadores de batería para servicios auxiliares de corriente

directa (Tableros de control para las máquinas, iluminación de emergencia,

etc.).

CARGAS DE LOS SERVICIOS AUXILIARES ELÉCTRICOS DE

CORRIENTE ALTERNA

Servicios auxiliares del patio de la subestación.

Se dispone usualmente de un barraje a 220 V para los servicios auxiliares del

patio de la subestación, de los cuales se alimentan cargas tales como:

1. Motores para la operación de interruptores y seccionadores.

2. Tomas e iluminación de la sala de control y de relés.

3. Calefacción de los interruptores y seccionadores.

4. Cargadores de baterías para los servicios auxiliares de corriente continua.

SERVICIOS AUXILIARES DE CORRIENTE

DIRECTA

El sistema de servicios auxiliares de corriente

directa, se compone de un cargador, un banco

de baterías, y tableros de distribución.

Cargador de baterías. El cargador de baterías

tendrá la capacidad para abastecer toda la

carga de corriente directa de la casa de

máquinas, entendiendo que toda carga cuya

duración sea mayor o igual a 1 minuto se

considerará como permanente.

El cargador abastecerá la carga de corriente

directa y mantendrá el banco de baterías en

flotación; condición que se garantiza con el flujo

de corriente hacia las baterías de

aproximadamente 1/10 de su capacidad en

amperios - hora, expresada en miliamperios.

SERVICIOS AUXILIARES DE CORRIENTE DIRECTA

Banco de baterías. El banco de baterías se dimensionará para una autonomía

mínima de 10 horas, sin que sufra deterioro su nivel de tensión, esto significa

que en caso de falla del cargador, abastecerá toda la carga durante 10 horas.

Es un criterio para determinar la capacidad en amperios - hora del banco.

SERVICIOS AUXILIARES DE CORRIENTE DIRECTA

Tableros de distribución. Desde ellos se distribuye la alimentación para las

cargas de corriente directa. Entre ellas, las más representativas son:

1. Sistema de control.

2. Sistema de protección.

3. Inversores para los sistemas de comunicación.

4. Alumbrado de emergencia.

5. Circuitos de disparo de los interruptores.

6. Motores de carga de resortes almacenadores

de energía de interruptores.

7. Bombas, en determinado tipo de diseño.

8. Sistema de señalización y alarmas.

SERVICIOS AUXILIARES ELECTROMECÁNICOS

Sistema de aire comprimido. El aire comprimido se requiere para el frenado

de los generadores, para los interruptores de máquina, la presurización del

acumulador aire - aceite del regulador de velocidad y para mantenimiento.

Disminuir el nivel de agua del tubo de aspiración puede requerirse para operar

turbinas de reacción en modo condensador sincrónico, o para mantenimiento, lo

cual se logra con aire comprimido.

El aire comprimido se almacena en varios tanques acumuladores desde los

cuales se toma cuando sea requerido. Es posible que se necesiten

compresores grandes para despresurizar el tubo de aspiración en proyectos

con turbinas de reacción, y para la operación de herramientas neumáticas o

equipos para mantenimiento.

Sistema de aire acondicionado. El sistema de calefacción, ventilación y aire

acondicionado (CVAC) para centrales de generación eléctricas, es similar que

para una planta industrial, excepto los requerimientos especiales de una central

subterránea, o de grandes cargas calóricas de equipos eléctricos.

Sistema de aire acondicionado.

Generalmente, la infraestructura de casas de máquinas deberá mantenerse

ventilada durante todo el tiempo, pero no son refrigeradas o dotadas de

calefacción excepto en los casos en los cuales:

1. La temperatura deba mantenerse para proteger el equipo de calentamiento

excesivo o de enfriamiento.

2. Condensación de agua sobre superficies metálicas que puedan afectar el

trabajo del metal o causar goteras sobre equipos ubicados en la parte

inferior.

Sistema de aire acondicionado.

Existen espacios de casa de máquinas que generalmente, poseen calefacción y

refrigeración con el objeto de mantener temperaturas mínimas y máximas para

equipos de control, refrigerar las protecciones, y para mantener una

temperatura mínima para el confort del personal.

La temperatura mínima estará entre 7°C

y 10°C para la protección de equipos y

20°C para áreas ocupadas por personal

y salas de control.

ESPACIO MÍNIMO % RELATIVO MÁXIMO % RELATIVO

Galena de tuberías - 80

Galerías eléctricas 40 80

Espacios para visitantes 30 80

Sala de control 40 80

Cuartos de computadores 45 55

Oficinas 30 70

Comedor 30 70

Entrada del aire de suministro - 80

Humedad para varias áreas de casa de máquinas

Puentes Grúa. Se utilizan con dos propósitos, uno para la construcción y

montaje de las unidades generadoras cuando es necesario llevar las

piezas desde el sitio de almacenamiento hasta su lugar de operación. En

casas de máquinas subterráneas se las utiliza intensivamente en los

vaciados de concreto y otros requerimientos de obras civiles. El segundo

propósito es en la elevación y transporte de la carga durante el

funcionamiento de la central, en el mantenimiento y la reparación de los

equipos instalados. Su movimiento se efectúa en sentido paralelo al eje

longitudinal de la casa de máquinas, por medio de ruedas apoyadas en

carriles dispuestos a lo largo de ella.

Puentes Grúa.

Se requiere la manipulación de una gran variedad de cargas con un amplio

rango de velocidades de levantamiento y desplazamiento. Por lo tanto el

puente grúa debe someterse a un buen mantenimiento y prueba antes de

iniciar ciclos de reparación y mantenimiento de la planta.

Para determinar su capacidad de carga en toneladas, es necesario estimar

cuál es el peso de la pieza compacta más pesada a transportar,

normalmente esta pieza es el rotor del generador.

Sistemas de Generación. Descripción.

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