LA ENERGIA ELECTRICA LA ELECTRICIDAD

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1 LA ENERGIA ELECTRICA En una de las formas de manifestarse la energía. Tiene como cualidades la docilidad en su control, la fácil y limpia transformación de energía en trabajo, y el rápido y eficaz transporte, son los cualidades que permiten a la electricidad ser "casi" lo energía perfecta. El gran problema de la electricidad es su dificultad para almacenaría. Si e n estos momentos se pudiera condensar el fluido eléctrico con la misma facilidad con lo que se almacena cualquier otro fluido energético, por ejemplo lo gasolina, estaríamos ante una de las mayores revoluciones tecnológicos de nuestro tiempo. LA ELECTRICIDAD Los fundamentos físicos de la electricidad se explican a partir del modelo atómico. La materia está compuesta por un conjunto de partículas elementales: electrones, protones y neutrones. Cuando un átomo tiene el mismo número de protones (cargas positivas) que de electrones (cargas negativas) es eléctricamente neutro. Es decir, la electricidad no se manifiesta, ya que las cargas de diferente signo se neutralizan. Los electrones de las capas más alejadas del núcleo, sobre todo de los átomos metálicos, tienen cierta facilidad para desprenderse. Cuando un átomo pierde electrones queda cargado positivamente y si, por el contrario, captura electrones, entonces queda cargado negativamente. Este es el principio por el que algunos cuerpos adquieren carga negativa (hay más electrones que protones) o adquieren carga positiva (hay más protones que electrones). Un cuerpo con carga negativa tiene predisposición a ceder electrones y un cuerpo con carga positiva tiene tendencia a capturarlos. Por lo tanto, cuando se comunican dos cuerpos con cargas eléctricas distintas, mediante un material conductor de la electricidad, fluye una corriente eléctrica que no es otra cosa que la circulación de electrones. Por lo tanto, la corriente eléctrica circula desde el cuerpo cargado negativamente hacia el cuerpo positivo. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 1 de 1

2 Producción de electricidad Para que se produzca una corriente eléctrica es necesario que exista una diferencia de potencial o tensión eléctrica entre dos puntos. Dicha diferencia se puede conseguir por distintos procedimientos: - Por transformación química. Al sumergir dos metales diferentes, o un metal y carbón, en una solución apropiada, se origina una diferencia de potencial entre los dos metales. Las pilas se basan en este hecho. - Por Inducción. Si se desplaza un conductor eléctrico en el interior de un campo magnético, aparece una diferencia de potencial en los extremos del mismo. Los generadores industriales de electricidad están basados en esta propiedad electromagnética. - Por calentamiento. Cuando se calienta una soldadura de dos metales distintos, aparece una tensión eléctrica. Esta tensión es muy pequeña, por lo que suele tener aplicaciones para la medida de temperaturas. - Por acción de la luz. Al incidir los fotones de la luz sobre ciertos materiales aparece un flujo de corriente de cierta importancia. Las células fotovoltaicas aprovechan esta energía, tal como se ha visto en temas anteriores. - Por fricción. Al frotar dos objetos entre sí puede producirse una diferencia de potencial entre ellos. Por ejemplo, la electricidad estática que suele acumular un coche está ligada al rozamiento del aire con la carrocería y al propio rozamiento de las ruedas. Igualmente, al frotar una varilla de vidrio o plástico con un trozo de lana aparece una acumulación de cargas de diferente signo en ambos objetos. - Por presión. Algunos materiales tienen la propiedad de que, al serles aplicadas fuerzas de compresión o de tracción, aparecen tensiones eléctricas en sus superficies. Este fenómeno piezbeléctrico es característico de algunos cristales, principalmente cuarzo, y tiene diferentes aplicaciones para la producción de pequeñas corrientes: micrófono, reloj de cuarzo o mechero. CENTRALES ELÉCTRICAS De todos estos procedimientos para la producción de electricidad, el más conveniente para transformar una energía mecánica en corriente eléctrica es el basado en el principio de inducción. La energía cinética del agua que cae por la tubería de una central, el movimiento de las aspas de un aerogenerador o la presión que ejerce el vapor de una central térmica son fácilmente transformables en electricidad. Para ello, sólo es necesario intercalar un generador de electricidad, el cual, en esencia, no es más que un conjunto de conductores q ue se mueven en el interior de un campo magnético. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 2 de 2

3 El funcionamiento global de una central eléctrica es básicamente el mismo, sea ésta térmica, nuclear o hidroeléctrica. Simplemente, consiste en transformar la energía cinética del vapor o del agua en energía mecánica de rotación. De ello se encarga la turbina, que, al estar solidariamente unida al generador de electricidad, permite transformar movimiento en electricidad. El condensador es un elemento que hace posible que el vapor de agua, a la salida de la turbina, se convierta en agua líquida, para volver a repetir el proceso de calentamiento en la caldera. Finalmente, el transporte de la electricidad interesa hacerlo a muy altas tensiones para reducir las pérdidas, por lo que debe elevarse la tensión de salida del generador varias decenas de veces. El transformador es el encargado de hacer esta última función. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA La producción de energía eléctrica se realiza en centrales eléctricas, y debe ajustarse al consumo, dada la imposibilidad de almacenar la electricidad. La ubicación de las centrales de producción debe de estar lo más próxima posible a los centros de consumo, además, los centros de producción están interconectados entre sí para poder efectuar intercambios de energía desde las zonas excedentes de producción hacia aquellas en que la producción no cubre el consumo. Los principales tipos de centrales de producción de energía eléctric a son: 1º Centrales térmicas Las centrales termoeléctricas convencionales producen la electricidad a partir de la energía calorífica desprendida por la combustión de fuel-oil, carbón, gas natural. El combustible se quema en una caldera, y el calor producido se transmite al agua, que se convierte en vap or a alta temperatura. Después de circular por una serie de conductos, acciona las turbinas e impulsa sus álabes haciéndolos giran Dicho movimiento es transmitido al generador que, por los fenómenos de electromagnetismo y de inducción, convierte la energía cinética del vapor de agua en energía eléctrica. Los principales elementos que constituyen una central termoeléctrica son: - Combustible : el combustible, ya sea fuel-oil, gas o carbón, llega a la central térmica desde los almacenamientos situados en los parques adyacentes a la central. En el caso del carbón, se conduce mediante cintas transportadoras al molino, para su triturado. El carbón, una vez pulverizado, se mezcla con aire caliente y se inyecta a presión en la caldera para su combustión. Si es de fuel-oil, se precalienta para que fluidifique, antes de ser inyectado en los quemadores de la caldera. Si es de gas, los quemadores estarán concebidos para quemar este tipo de combustible. - Caldera: la caldera genera el vapor que accionará los cuerpos de las turbinas. Después de accionar estas, el vapor se convierte en líquido en el condensador. El agua obtenida por la condensación de vapor se somete a diversas etapas de calentamiento, y se inyecta de nuevo en la caldera, en las condiciones de presión y temperatura más adecuadas para obtener el máximo rendimiento del ciclo. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 3 de 3

4 - Calentadores: el agua que circula en un circuito cerrado se calienta sucesivamente en el calentador y en el sobrecalentador, antes de ser enviada a la turbina. - Chimenea: al objeto de minimizar los efectos de la combustión del carbón sobre el medio ambiente, parte de los contaminantes son retenidos en el interior de la propia central mediante los llamados precipitadores. - Turbinas: el rotor de la turbina de una central térmica se mueve solidariame nte con el rotor del generador, después de que el vapor haya accionado los álabes de los cuerpos de las turbinas de alta presión, media presión y baja presión. - Torre de refrigeración: las torres de refrigeración tienen por misión trasladar a la atmósfera el calor extraído del condensador, cuando el sistema de agua de circulación que refrigera el condensador opera en circuito cerrado. - Alternador: en el generador es donde se produce la energía eléctrica, la cual es transportada mediante lineas de transporte a alta tensión a los centros de consumo. 2º Centrales nucleares Consta de los siguientes elementos: - Reactor nuclear. Ya visto con anterioridad. - Intercambiador de calor. Compuesto por un recipiente donde llega el fluido a alta temperatura, procedente del reactor y que cede esta al agua convirtiendose en vapor. - Turbinas: de idénticas características a la de la c. térmica. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 4 de 4

5 - Torre de refrigeración: de idénticas características a la de la c. térmica - Alternador: de idénticas características a la de la c. térmica 3º Centrales hidráulicas Aprovechan la energía contenida en el salto de agua de las presas para mover unas turbinas que a su vez accionan los alternadores. Constan de: Presa: retiene el agua y garantiza el paso constante de agua Turbinas: obtienen movimiento de de rotación por la acción de la energía del cinética del agua. Alternadores: de idénticas características a la de la c. térmica 4º Centrales eólicas Aprovechan el movimiento de rotación obtenido en los aerogeneradores para accionar directamente los alternadores contenidos en las mismas góndolas. 5º Centrales solares Pueden ser de dos tipos, como sabemos, según aprovechen el calor o la luz. En el primer caso se usan las centrales solares de alta temperatura para producir directamente la evaporación del agua y por tanto el vapor necesario para mover las turbinas que a su vez accionan los alternadores. Constan, básicamente, de los mismos elementos que las térmicas y las nucleares, con la diferencia del origen del calor para producir el vapor. En el segundo caso, producción con células solares, ya se vio con anterioridad, es decir, es la producción de energía eléctrica directamente por medio del efecto fotovoltaico. 6º Centrales de RSU y Biomasa El proceso es similar al de las centrales térmicas. En este caso el combustible es no es de origen fósil sino directamente los residuos con la instalación adaptada a ello convenientemente. Una segunda opción es utilizar como combustible el gas producido de estas materias por el métodos ya vistos. 7º Centrales geotérmicas Se utilizan para ello los yacimientos térmicos de alta IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 5 de 5

6 temperatura. Donde el vapor obtenido se aprovecha directamente para accionar las turbinas y estos a los alternadores. 8º Centrales de energía marina Pueden ser, como sabemos de dos tipos, según aprovechen la energía de las mareas o de las olas, pero en ambos casos se aprovecha el movimiento de las turbinas para accionar directamente los alternadores. LA COGENERACIÓN DE ENERGÍA En una central termoeléctrica, el combustible calienta agua hasta convertirla en vapor a alta temperatura. Este vapor se proyecta sobre una turbina, que mueve un alternador, para producir electricidad. La totalidad de la energía termocinética del vapor no puede transformarse en electricidad. Existe un calor residual que ha de ser, simplemente, evacuado a la atmósfera antes de repetirse el ciclo de calentamiento del agua. La cogeneración consiste en producir energía eléctrica y calor allá donde se demanda, partiendo de un único proceso. En resumen, un sistema de cogeneración es una pequeña central termoeléctrica en la que se aprovecha el calor sobrante para otros usos industriales. Esta es una medida de ahorro muy importante, ya que aumenta el rendimiento energético del combustible hasta más del 80%. Por otro lado, permite una mayor independencia energética en las industrias. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 6 de 6

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