Lectura 01 UAJMS InductriaElectricaGral 2016

8/16/2019 Lectura 01 UAJMS InductriaElectricaGral 2016

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ASPECTOS TECNOLÓGICOS GENERALES

- INDUSTRIA ELÉCTRICA -

A continuación se presenta un resumen de aspectos tecnológicos que permitirán una familiarización conlas características particulares de los sistemas eléctricos y en especial con la tecnología relativa a lageneración de energía eléctrica, se intenta describir la tecnología utilizada en esta rama de la industria ylograr una familiarización con su lenguaje. Muchas veces el desconocimiento de algunos términos es laprincipal barrera para la introducción al sector.

En relación a los aspectos tecnológicos, la eléctrica es una industria relativamente madura. Si bien escierto que continuamente se dan avances (especialmente en aspectos relacionados con la electrónica depotencia), los principios básicos de funcionamiento, tanto de la generación como del transporte deenergía eléctrica, son esencialmente los mismos. Esta estabilidad de la tecnología en el sector eléctricoposibilita que la vida útil de los equipos sea muy larga. Esto, a la vez, permite que las inversiones en elsector sean muy intensas y sus tiempos de maduración sean prolongados. Inversiones que por otro lado

son de alta especificidad e irreversibilidad.Muy probablemente para algunos lectores que provengan del sector eléctrico, muchos de los términosque se manejarán le serán familiares, sin embargo, servirá para uniformar la terminología.

Al final se introducen algunos datos que caracterizan al sistema eléctrico boliviano.

Guía de Estudio

La lectura de este documento será objeto de evaluación y análisis.


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CONTENIDO1 Conceptos Básicos ................................................................................................................................. 3

1.1 Termodinámica.............................................................................................................................. 3

1.2 Química ......................................................................................................................................... 5

1.3 Electricidad .................................................................................................................................... 6

1.4 Máquinas eléctricas ....................................................................................................................... 9

1.5 Magnitudes Físicas y sus Unidades ............................................................................................. 11

2 El Sistema Eléctrico.............................................................................................................................. 13

2.1 Tecnologías de Generación ......................................................................................................... 18

2.2 Ciclos térmicos y combustibles ................................................................................................... 29

2.3 Generación distribuida ................................................................................................................ 30

2.4 Co-generación ............................................................................................................................. 31

2.5 Aspectos ambientales de las tecnologías de generación ............................................................ 312.6 Transmisión ................................................................................................................................. 33

2.7 Distribución ................................................................................................................................. 38

3 Operación y Expansión ........................................................................................................................ 39

3.1 Operación Eléctrica del Sistema .................................................................................................. 39

3.2 Operación Energética del Sistema............................................................................................... 43

3.3 La Expansión del Sistema ............................................................................................................ 47

3.4 El Funcionamiento Conjunto ....................................................................................................... 49

4 El sector eléctrico boliviano - 2014 ..................................................................................................... 51


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1 Conceptos Básicos

1.1

Termodinámica

La Termodinámica es la rama de la Física que trata sobre la energía, particularmente sobre latransformación de un tipo de energía en otra.

Para el entendimiento de la generación de energía eléctrica, es decir, la transformación de otro tipo deenergía en energía eléctrica, es importante tener presentes algunos de los resultados de esta ciencia.

Toda la teoría de la Termodinámica clásica se basa en unos pocos postulados muy simples, de aplicaciónmuy general pero con consecuencias realmente notables.

El Primer Principio de la Termodinámica

Este postulado plantea simplemente la conservación de la energía. Dicho así, parece algo muy sencillo,pero como en la Física la energía se define para que se conserve, el postulado pasa a ser una trivialidad.

El asunto está entonces en qué se define como energía. Sin entrar en muchos detalles se dirá que laenergía adopta diversas formas pero la suma de éstas se mantiene constante.

Si se separa conceptualmente un sistema de su ambiente, los flujos de energía entre el sistema y su

ambiente podrán tomar la forma de calor o de trabajo.

El Segundo Principio de la Termodinámica

Este postulado es algo más difícil de entender que el primero y su enunciado tiene diversasformulaciones. Intenta explicar hechos que se observan en la naturaleza y que no asombrarían a nadie,como por ejemplo que si se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas, y no se hace nadamás que esto, no es posible que el objeto más frío se enfríe y el más caliente se caliente.

Para los fines que interesa tratar más adelante simplemente bastará con un enunciado sencillo y fácil deentender (y que por otro lado es equivalente a cualquier otro que se haga): No es posible diseñar undispositivo cuyo único resultado sea la transformación total del calor que se le suministra en trabajo.

Como se notará, este postulado es esencial en los temas que se tratarán, ya que una de las formas máshabituales de obtener energía eléctrica es suministrando energía mecánica (trabajo) a un generador ymuy frecuentemente ese trabajo se obtiene de un proceso en el cual lo que se suministra es calor.

Ciclos termodinámicos

En términos generales un ciclo es un proceso tal, que en forma periódica se restituyen todas lascondiciones iniciales. En la producción de energía eléctrica a partir de procedimientos térmicos seutilizan ciclos termodinámicos en los cuales la sustancia que realiza el ciclo es un fluido, generalmenteaire, gases de combustión o agua.

Del segundo principio se desprende que mediante un proceso cíclico no será posible transformar todo elcalor suministrado en trabajo (no habría otros efectos, ya que se trata de un proceso cíclico).

Este resultado es absolutamente general: independientemente de cómo esté constituido el sistema queopera cíclicamente, si se lo aísla mentalmente del resto del universo, a través de esa frontera imaginariapor un lado ingresará calor y por otro lado se obtendrá trabajo e indefectiblemente también calor;además la suma del calor y el trabajo que salen será exactamente igual al calor que entra una vezcompletado el ciclo.

En términos prácticos el resultado de todo esto es que en cualquier instalación donde estéproduciéndose energía eléctrica mediante un proceso térmico (combustiones, reacciones nucleares,calentamiento solar, etc.) debe indefectiblemente existir un lugar donde esté desechándose parte del


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calor. Éste puede pasar inadvertido en el caso que, por ejemplo, se utilice el agua de un curso cercanopara lograr el enfriamiento o se expulsen gases calientes directamente a la atmósfera, o puede ser muyvisible cuando se utilicen torres de enfriamiento.

Rendimiento termodinámico de un ciclo

En términos generales el rendimiento o eficiencia de un proceso es la relación que existe entre lo que

quiere obtenerse de éste y lo que se aporta para obtenerlo. Por lo tanto, para definir un rendimiento esnecesario tener bien definido a priori qué es lo que realmente quiere obtenerse.

Es usual expresar un rendimiento como el cociente de lo que quiere obtenerse y lo que se aporta paraobtenerlo, expresados ambos en las mismas unidades. El resultado será entonces un valor adimensional,que se expresará en por unidad o en porcentaje.

Mediante un ciclo termodinámico, muchas veces (y en particular en la generación de energía eléctrica) loque quiere obtenerse es trabajo y lo que se aporta es calor. (Es obvio, por el primer principio de latermodinámica, que, si se divide todo lo que se obtiene entre lo que se aporta el resultado es siempre 1.)

Se define entonces como rendimiento de un ciclo termodinámico al cociente del trabajo obtenido en elciclo y el calor aportado a éste. En primera instancia debe notarse que este número, como resultado del

segundo principio, es menor a uno.Sadi Carnot (1796-1832) ideó el siguiente ciclo para funcionar entre dos temperaturas dadas. Unasustancia de trabajo describe los siguientes cuatro procesos:

a) una expansión reversible a temperatura constante T1b) una expansión reversible sin intercambio de calor desde T1 a T2c) una compresión reversible a temperatura constante T2d) una compresión reversible sin intercambio de calor desde T2 a T1

El ciclo operando en este orden es un ciclo motor (entrega trabajo mecánico): En el proceso a) se tomacalor de la fuente caliente; en los procesos a) y b) el sistema entrega trabajo al exterior; en el proceso c)el sistema entrega calor a la fuente fría; en los procesos c) y d) recibe trabajo desde el exterior: el

balance resultante es que el trabajo entregado por el sistema es mayor que el recibido, habiéndoseobtenido la diferencia por la transformación de parte del calor entrante en trabajo.El ciclo de Carnot tiene algunos inconvenientes para ser utilizado en aplicaciones prácticas, pero tiene ungran valor teórico. (Más adelante se verán otros ciclos que son las esquematizaciones teóricas de losciclos que se implementan en la realidad para obtener energía mecánica a partir de calor.)

Puede calcularse que el rendimiento de este ciclo viene dado por:

donde T1 es la temperatura absoluta dela fuente caliente y T2 es la temperatura

absoluta de la fuente fría. (Latemperatura absoluta o termodinámicaes la que se expresa en Kelvin o gradosRankine.)


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Puede demostrarse que cualquier ciclo reversible que funciona entre dos temperaturas dadas tiene elmismo rendimiento que el ciclo de Carnot. Por otro lado también se demuestra que ninguna máquinatermodinámica funcionando entre dos temperaturas dadas puede tener un rendimiento superior al deCarnot (teorema de Carnot). El resultado importante de todo esto es que existe un límite teórico a lacantidad de trabajo que puede obtenerse de un ciclo térmico.

Por otro lado debe notarse que el rendimiento máximo alcanzable teóricamente aumenta con elaumento de la temperatura de la fuente caliente y con la disminución de la temperatura de la fuentefría.

Resumen de aspectos termodinámicos

Existe una equivalencia entre calor y trabajo mecánico.

En ningún caso puede obtenerse de un sistema que no varía internamente más energía de la quese aporta.

No es posible transformar todo el calor aportado en trabajo mecánico.

Existe un límite teórico para el rendimiento de un ciclo térmico y éste está relacionado con lastemperaturas entre las cuales opera.

1.2

QuímicaLas consideraciones químicas se restringirán solamente a una noción básica sobre la combustión, puestoque es el proceso por excelencia a partir del cual se obtiene calor para la generación de energía eléctricapor medio de ciclos térmicos.

Combustión

La combustión es un proceso químico en el cual una sustancia (combustible) reacciona con el oxígeno(comburente) para producir otras sustancias y ceder calor (reacción exotérmica).

Véase, por ejemplo, la combustión completa del metano, hidrocarburo que constituye la mayor parte delgas natural:

Una molécula de metano, reacciona con una molécula de oxígeno para formar una molécula de dióxidode carbono y dos moléculas de agua. La cantidad de calor cedida es una característica de la reacción. Lasproporciones en las cuales se combinan los diferentes elementos son fijas.

En las combustiones que intervienen en los ciclos térmicos de generación de energía eléctrica, el oxígenoproviene siempre de aire ambiente en cantidades suficientes como para garantizar una combustióncompleta. Las combustiones incompletas no son relevantes en procesos de generación de energía.

Combustibles

Los combustibles que interesan desde el punto de vista de la industria eléctrica en las tecnologíasconvencionales son el carbón, el gas natural y los derivados del petróleo.

En otras tecnologías menos habituales también puede interesar considerar otros combustibles comoalcoholes, gases derivados de procesos biológicos e industriales, materiales orgánicos de origen vegetal yanimal e hidrógeno gaseoso. En todos ellos, salvo en el hidrógeno gaseoso, el carbono está presente y elresultado final será su conversión a dióxido de carbono. Lo relevante de este hecho es que el dióxido decarbono es el principal gas causante del llamado “efecto invernadero”. El hidrógeno, cuando está

presente (lo que ocurre en la mayoría de los casos), termina transformándose en agua.

En el caso de los llamados “combustibles nucleares” no son en realidad tales. Se emplea este nombre poranalogía con los otros procesos de producción de calor, pero no ocurre ningún proceso de combustión


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con ellos; las reacciones que tienen lugar en este caso no son de naturaleza química, sino de carácterfísico a nivel de los núcleos de los átomos que forman la materia.

Poder calorífico

La cantidad de energía liberada en forma de calor en una reacción química es una característica de ésta.En una reacción de combustión completa la cantidad de calor producida por unidad de masa del

combustible se denomina poder calorífico del combustible.

Cuando hay hidrógeno en la composición del combustible, éste se transforma en agua durante lacombustión. Luego de ésta, el agua puede recogerse en estado líquido o en estado gaseoso. Pero parapasar del estado líquido al gaseoso es necesario aportar energía (calor latente de vaporización) y delmismo modo al pasar del estado gaseoso al líquido el agua cede energía al ambiente.

Pueden definirse dos poderes caloríficos, según se incluya o no el calor latente de vaporización del aguaque interviene en la reacción. El poder calorífico superior es el que resulta cuando el agua se recoge enestado líquido. El inferior es el que resulta cuando el agua se recoge en estado gaseoso.

Es usual que el rendimiento de las máquinas térmicas que utilizan combustible se exprese tomandocomo base el poder calorífico inferior, es decir, considerando a éste como energía entrante. Por otro

lado, en los combustibles para los cuales su precio se expresa en función de unidades energéticas (algomuy habitual para el gas natural), esto se hace generalmente tomando como base el poder caloríficosuperior.

Resumen de los aspectos químicos

La combustión es una reacción química en la cual un combustible se combina con oxígeno y selibera calor.

Éste es uno de los métodos utilizados para obtener calor en los procesos térmicos de generaciónde energía eléctrica.

Los combustibles que se utilizan habitualmente en los procesos de generación eléctricacontienen todos carbono e hidrógeno en mayor o menor medida.

El carbono de estos combustibles se transforma en dióxido de carbono y el hidrógeno en agua.

Los poderes caloríficos superior e inferior de un combustible difieren en el calor necesario paravaporizar el agua resultante de la combustión de éste.

1.3 Electricidad

El origen de la electricidad está en la naturaleza misma de la materia: La carga es una propiedad de laspartículas que componen la materia. Ésta puede tener signo positivo o negativo. Experimentalmente seencuentra que cargas puntuales ejercen entre sí una fuerza que las atrae si son de diferente signo o lasrepele si son de igual signo. Esta fuerza es proporcional al producto de las cargas e inversamenteproporcional al cuadrado de la distancia que las separa, lo que se conoce como ley de Coulomb. (Launidad de la carga en el Sistema Internacional es el Coulomb (C), en honor a C. A. Coulomb (1736-1806),quien estudió estos temas.)

El movimiento de cargas eléctricas es una corriente eléctrica. Se define entonces intensidad de corrienteeléctrica como la velocidad a la cual una carga neta (diferencia entre cargas positivas y negativas)atraviesa una superficie (una sección transversal de un conductor, por ejemplo).

También se verifica experimentalmente que se ejercen fuerzas entre conductores que llevan unacorriente eléctrica. Todo esto llevó a formular estos hechos en términos de campos, esto es, enalteraciones de las propiedades del espacio causadas por las cargas y los movimientos de éstas (es decir,las corrientes eléctricas) que causan fuerzas también sobre las cargas (campo eléctrico) y sobre lascorrientes (campo magnético.


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Es también una constatación experimental que la variación en el tiempo del flujo de un campomagnético a través de un circuito produce una fuerza electromotriz. Este resultado, conocido como leyde inducción electromagnética o Ley de Faraday, es de fundamental importancia en todo el campo de laelectrotecnia, ya que en él se basa el funcionamiento de las máquinas eléctricas como los generadores ylos transformadores.

ElectrotecniaSe conoce como Electrotecnia a los aspectos de la producción y consumo de la energía eléctrica en lasaplicaciones usuales de iluminación y fuerza motriz (motores eléctricos). Desde el punto de vista de laelectrotecnia, como se trata de aplicaciones en corriente continua o de frecuencia industrial (50 o 60 Hz),interesan solamente algunos resultados básicos de la teoría electromagnética, donde puedensimplificarse las ecuaciones generales en razón de la baja frecuencia.

La dependencia de algunas variables respecto de la variación en el tiempo de otras hacen que unaexplicación detallada de los fenómenos que ocurren no sea sencilla y trascienda una recopilación comoesta. Simplemente se mencionan algunos resultados que pueden facilitar la comprensión de otrostemas:

Potencia eléctrica: La potencia eléctrica es instantáneamente igual al producto de la corriente por ladiferencia de tensiones aplicada. Pero en corriente alterna tanto la corriente como la tensión aplicadavarían constantemente en el tiempo. Y, puede suceder que la variación de una presente un desfasajerespecto de la variación de la otra. Este desfasaje dependerá de las características del circuito y puedeexpresarse como un ángulo si se representa a la corriente y la tensión como vectores que giran.

Factor de potencia: La potencia realmente entregada por un circuito es igual al producto de la tensiónpor la corriente y un factor que dependerá del desfasaje entre ambas. Éste es denominado factor depotencia y se demuestra que es igual al coseno del ángulo de desfasaje entre la tensión y la corriente.

Potencia activa y potencia reactiva: Esta es una descomposición que tiene sentido desde el punto devista eléctrico. La potencia activa es la efectivamente entregada o tomada por un circuito y será sobreésta la que se tratará principalmente. La potencia activa es la que puede transformarse de eléctrica en

mecánica en los motores, o a la inversa en los generadores. La potencia reactiva surge deconsideraciones eléctricas, está vinculada con las intensidades de corriente y tensión y no es posibleconvertirla en potencia mecánica ni a la inversa.

Ley de Ohm: Expresa una proporcionalidad entre la corriente que circula por un conductor y la tensióneléctrica entre sus extremos. La constante de proporcionalidad es una propiedad física del materialconductor empleado (Resistencia eléctrica).

Valor eficaz: Una tensión que oscila en el tiempo, aplicada a un circuito absolutamente resistivo (quecumple la ley de Ohm), producirá una corriente en él con la misma forma de variación que la tensión. Lapotencia disipada será igual al producto de esta corriente por la tensión, y también variará en el tiempo.Puede entonces definirse una potencia media en un ciclo de variación que será igual a la corrientemáxima por la tensión máxima por cierto factor que dependerá de la forma de la onda de tensión. Se

definen entonces valores eficaces de tensión y corriente de manera tal que ese factor de forma quedeincluido en ellos y por lo tanto la potencia sea igual al producto de la tensión eficaz por la corrienteeficaz. Es usual que las tensiones generadas en alterna tengan una variación sinusoidal en condicionesnormales, y en esas condiciones la relación entre los valores eficaces serán los valores máximos divididosla raíz cuadrada de 2.

Alterna versus continua


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La utilización de altas tensiones para el transporte de la energía eléctrica ofrece ventajas. Esto se debe aque para transportar la misma potencia, utilizando tensiones mayores se requieren corrientes menores.Las pérdidas de potencia en un conductor (pérdidas óhmicas) estarán dadas por las características delconductor y por la corriente que circula, dependiendo en forma cuadrática de ésta. Existirá entonces unbalance óptimo según las distancias y las potencias a transportar entre los costos de los conductores, loscostos de las pérdidas y los costos de utilización de tensiones mayores (mayores aislaciones, mayoresdistancias, etc.). Surgen así rangos de tensiones adecuados según las distancias y potencias. Estoscambios de tensiones pueden lograrse con relativa sencillez mediante la utilización de transformadores.Pero el funcionamiento de los transformadores requiere que las corrientes varíen en el tiempo, se basanen la ley de Faraday. Esta es la causa fundamental para que los sistemas eléctricos sean casi totalmentede corriente alterna. A nivel mundial1, los sistemas eléctricos han evolucionado en dos frecuencias: 50 y60 Hz.

La evolución de la tecnología y el abaratamiento en relación a la electrónica de potencia han hecho queactualmente, para grandes distancias y potencias, el balance económico vuelva a volcarse hacia lacorriente continua. Esto es porque los sistemas de alterna normalmente son trifásicos, y emplean 3conductores, y los de continua emplean solamente 2 conductores.

Sistemas trifásicosLa utilización de sistemas trifásicos ofrece ventajas y esta es la forma que han tomado los sistemaseléctricos en el mundo.

Un sistema trifásico puede verse como la superposición de tres sistemas monofásicos de igual frecuenciacuyas tensiones se encuentran desfasadas en el tiempo un tercio de ciclo (o 120º, si se las representacomo vectores giratorios). La ventaja surge al notar que se puede utilizar un conductor común a los tressistemas, reduciéndose de seis a cuatro el número de conductores necesarios para lograr lo mismo. Másaún, si el sistema se encuentra equilibrado, es decir si hay simetría en las tres fases, las corrientes quecirculan por ese conductor común son nulas y por lo tanto se hace también innecesaria la presencia deese cuarto conductor, denominado neutro.

En definitiva, utilizando solamente tres conductores puede transmitirse el triple de potencia queutilizando solamente dos. (Si se consideran las tensiones entre las fases, y no entre fase y neutro, para lamisma corriente, la potencia de un sistema trifásico es la raíz cuadrada de tres veces superior que la quese transmite en un sistema monofásico.)

Además, generar en forma trifásica puede lograrse con relativa sencillez. Y en muchas aplicaciones, latrifásica ofrece ventajas; particularmente en motores, ya que es muy fácil a partir de corrientes trifásicasgenerar un campo magnético rotatorio en el espacio, principio básico de funcionamiento de este tipo demáquinas.

Resumen de los aspectos eléctricos

La electricidad tiene su origen en la naturaleza misma de la materia.

Su comportamiento está regido por leyes conocidas, pero la solución general de las ecuaciones

involucradas es de gran complejidad. La electrotecnia trata los aspectos de producción y consumo de la energía eléctrica en las

aplicaciones usuales de iluminación y fuerza motriz.

La utilización de corriente alterna presenta algunas ventajas, entre las que se destacan lafacilidad para generarla y la existencia de una máquina sencilla como es el transformador paravariar su tensión.

1 Bolivia: 50Hz.


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Las frecuencias utilizadas son 50 y 60 Hz.

La transmisión de energía eléctrica en forma trifásica presenta ventajas de costos frente a laforma monofásica.

Los sistemas de corriente continua ofrecen ventajas a partir de grandes niveles de tensión.

1.4

Máquinas eléctricas

Las máquinas que transforman energía eléctrica en energía mecánica son los motores eléctricos y lasmáquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica son los generadores eléctricos.

Los principios de funcionamiento de los motores y los generadores son los mismos y en la mayoría de loscasos un motor puede teóricamente funcionar como generador y viceversa. (También son los mismosprincipios que rigen el funcionamiento de los transformadores, pudiendo considerarse estos últimoscomo generadores o motores “inmovilizados”.)

Una corriente eléctrica genera un campo magnético, la variación del flujo de un campo magnéticoproduce una fuerza electromotriz. Además, un conductor por el cual circula una corriente experimentauna fuerza cuando está sometido a un campo magnético. Asimismo, el hierro y sus aleaciones, que seemplean en las máquinas eléctricas, experimentan fuerzas cuando están sometidos a campos

magnéticos. Estos hechos son los que se utilizan en el funcionamiento de estas máquinas.En el caso de los motores se logra un campo magnético rotatorio a partir de la alimentación de corrienteeléctrica de la red. Las fuerzas que se producen sobre el hierro y conductores por los cuales circulacorriente eléctrica resultan en un movimiento.

En el caso de los generadores se produce por algún mecanismo un campo magnético y se lo hace girarpor medio de un motor primario, es decir, una fuente de energía mecánica, como una turbina o motorde combustión interna. La variación del flujo de este campo a través de bobinados convenientementedispuestos genera una fuerza electromotriz.

Se trata en general de máquinas rotativas que constan de dos partes: una fija (llamada estator) y unamóvil (llamada rotor). En un generador eléctrico, lo usual es producir un campo magnético en el rotor yhacerlo girar mecánicamente mediante el motor primario para que induzca una fuerza electromotriz enlos devanados del estator.

Generadores de corriente continua (dínamos)

La obtención de corriente continua se logra conmutando las conexiones mediante un colector sobre elcual rozan escobillas. Esto trae diversos problemas que hacen de estas máquinas equipos costosos y conproblemas de mantenimiento.

Salvo para aplicaciones de muy pequeña escala no conectadas a la red (principalmente carga de bateríaso fuentes de excitación para generadores) estas máquinas no se emplean en la actualidad comogeneradores de potencia.

Cuando por algún motivo se requiere el uso de corriente continua lo usual es generar corriente alterna yluego rectificarla (transformarla en continua) mediante elementos electrónicos de potencia.

Generadores de corriente alterna (alternadores)

Se trata en general de máquinas trifásicas, ya que lo usual es que generen para redes trifásicas. Elprincipio para lograr generación trifásica es ubicar bobinados iguales desplazados en el espacio en formasimétrica, es decir, formando 120º entre sí. El comportamiento será igual al de tres generadoresmonofásicos pero las tensiones generadas estarán desfasadas la tercera parte de un ciclo, puesto que losbobinados en los cuales se induce se encuentran separados por un tercio de vuelta.


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Generadores síncronos: Éstos llevan ese nombre porque el campo magnético gira a la misma velocidadque el rotor de la máquina.

Velocidad de giro: La relación entre la frecuencia de la tensión inducida en un devanado de una máquinaeléctrica y la velocidad de giro de ésta estará dada por en número de pares de polos magnéticos con loscuales se haya diseñado la máquina (aspecto constructivo del bobinado/devanado). La relación que

vincula la frecuencia de generación con la velocidad de giro será:f= n* v/ 60

donde:

f, frecuencia de generación

n, número de pares de polos

v, velocidad de giro de la máquina en revoluciones por minuto (rpm).

Por lo tanto, los generadores síncronos conectados a una red de 50 Hz girarán a 3000 rpm si tienen unpar de polos, a 1500 rpm si tienen dos pares de polos, a 1000 rpm si tienen tres pares, etc. En redes de60 Hz las velocidades serán 3600 rpm y sus submúltiplos.

Como regla general, los generadores diseñados para acoplarse a motores primarios rápidos (por ejemploturbinas de gas y de vapor) tendrán en general uno número bajo de pares de polos y los diseñados paraacoplarse a motores lentos (por ejemplo, turbinas hidráulicas y eólicas) tendrán un alto número de paresde polos. De lo contrario deben utilizarse reductores o aumentadores (multiplicadores) de la velocidadde giro, solución que generalmente será más costosa y con mayores problemas de mantenimiento.

Generador síncrono de rotor bobinado: En éstos el campo magnético es producido por electroimanesalimentados por alguna fuente de corriente continua. Esta corriente que produce el campo magnético,llamada corriente de excitación, puede provenir de una fuente externa y ser inyectada a los bobinadosdel rotor o puede ser generada y rectificada directamente en el mismo rotor. En este último caso se evitael uso de sistemas de alimentación de corriente a un sistema móvil, como por ejemplo anillos rozantes yescobillas de carbón.

Éste es el tipo de máquina que se utiliza en la mayoría de los casos en la generación de potencias desdemedias hasta muy grandes.

Desde el punto de vista del sistema eléctrico en su conjunto, el tener control de las corrientes deexcitación tiene grandes ventajas, ya que permite el control de la potencia reactiva suministrada por lamáquina, es decir, permiten un control sobre la tensión de la red.

Generador asíncrono o generador de inducción: En estas máquinas el giro del campo magnético nocoincide con el movimiento físico del rotor. Aquí, el campo magnético es creado por el estator al estaréste conectado a una fuente de tensión externa. La diferencia relativa entre la velocidad de giro del rotory la del campo magnético se denomina deslizamiento. Al diferir éstas, desde el punto de vista del rotor,el campo magnético tendrá un giro relativo, lo que provoca una variación del flujo magnético a través de

los circuitos de éste. Se produce entonces una fuerza electromotriz que, al estar estos circuitos cerradosproducirá corrientes en ellos.

Las características eléctricas de estos circuitos internos al rotor serán las que determinarán elcomportamiento entre el par mecánico y el deslizamiento, ya que de ellas dependerán las corrientesinducidas en el rotor y de estas últimas, las fuerzas que se producen.

Si el rotor gira más lentamente que el campo magnético producido por el estator, la máquina funcionarácomo motor, entregando potencia. En cambio, si se lleva al rotor, mediante un motor primario, a girar


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más rápidamente que el campo magnético provocado por las tensiones de la red, la máquina entregarápotencia eléctrica y funcionará entonces como generador.

Los rotores de este tipo de máquinas pueden ser de dos tipos:

Jaula de ardilla: En este caso las espiras del rotor están constituidas simplemente por barrasconductoras unidas en los extremos de forma que constituyan circuitos cerrados. No se tienen

acceso desde el exterior a estos circuitos.

Rotor bobinado: En este caso se puede tener acceso a los circuitos de los bobinados del rotorcon lo cual se puede modificar sus características eléctricas y por lo tanto cambiar la respuestadel par en función del deslizamiento.

Por su simplicidad, los generadores asíncronos son de utilización mayoritaria en la generación de energíaeólica. Tienen como ventaja que no requieren de sincronización para ser conectados a la red.

Su desventaja principal es que no son autónomos ya que necesitan de la propia red para generar elcampo magnético, por lo tanto no pueden ser utilizados en sistemas aislados.

Pérdidas en los generadores de energía eléctrica: En teoría, toda la potencia mecánica suministrada enel eje a un generador podría ser convertida en potencia eléctrica en bornes de éste. Sin embargo, en la

realización práctica de los equipos existen pérdidas de potencia por diversas causas. Por una parte, altratarse de equipos con partes en movimiento aparecen pérdidas mecánicas por rozamientos. Además,existen pérdidas de origen eléctrico: pérdidas óhmicas por la circulación de corrientes por conductoresque tienen cierta resistencia y pérdidas debidas a la inducción de corrientes en zonas no deseadas de lamáquina. Estas pérdidas, en generadores grandes, son de apenas algún punto porcentual de la potenciagenerada y se transforman en calor que debe ser evacuado de la máquina para evitar aumentos detemperatura inadmisibles. Existen diversos sistemas de refrigeración, dependiendo del diseño de lamáquina. Usualmente se emplea algún fluido, que puede ser desde aire, algún otro tipo de gas oinclusive agua. La utilización de hidrógeno, por sus buenas propiedades en relación a la transferencia decalor, ha sido un método habitual de refrigeración de grandes generadores.

Sincronización: El acoplamiento de una máquina generadora a una red en la cual ya hay otros

generadores funcionando requiere de cierto cuidado. Es necesario primero llevar a la máquina a lavelocidad de giro tal que la frecuencia generada sea la misma que la de la red. Además, se requiere quelas tensiones que genera la máquina coincidan dentro de cierto rango de tolerancia con las tensiones dela red en el punto de conexión. Este proceso se conoce como sincronización y es imperativo para losgeneradores síncronos. Existen dispositivos automáticos que realizan completamente la sincronización obien pueden ayudar a hacer una sincronización “manual”.

Resumen de máquinas eléctricas

Los generadores eléctricos transforman la potencia mecánica entregada en su eje en potenciaeléctrica.

Los generadores de corriente continua se denominan dínamos y los generadores de corriente

alterna se denominan alternadores. Los alternadores pueden ser síncronos o asíncronos.

Para grandes potencias el generador habitualmente utilizado es el alternador síncrono.

1.5 Magnitudes Físicas y sus Unidades

El Sistema Internacional de Unidades (SI)


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El SI es un sistema de unidades para las magnitudes físicas adoptado como norma por la gran mayoría delos países del mundo. En éste se divide a las unidades en básicas y derivadas. Algunas unidades básicas,son:

kilogramo (kg) masametro (m) longitud

segundo (s) tiempoampere o amperio (A) corriente eléctricakelvin (K) temperatura termodinámicamol (mol) cantidad de materiacandela (cd) intensidad luminosa

Las unidades derivadas son las que se obtienen de las básicas por medio de multiplicaciones y divisiones.A algunas de éstas se les ha dado nombres y símbolos específicos. Entre todas forman un sistemacoherente de unidades. Entre las que interesan particularmente se encuentran las unidades referidas a laenergía y magnitudes eléctricas:

hertz o hercio (Hz) frecuenciaNewton (N) fuerzaJoule o julio (J) energíaWatt o vatio (W) potenciaVolt o voltio (V) potencial eléctricoohm u ohmio (Ω) resistencia eléctrica

El SI define ciertos prefijos y sus correspondientes símbolos para formar los nombres de los múltiplos ysubmúltiplos de las diferentes unidades. En particular interesa conocer los siguientes:

Múltiplos:

tera (T): 1012

, giga (G): 109

, mega (M): 106

, kilo(k): 103

, hecto (h): 102

, deca (da): 101

Submúltiplos:

deci (d): 10-1

, centi (c): 10-2

, mili (m): 10-3

, micro (µ): 10-6

, nano (n): 10-9

, pico (p): 10-12

Entonces, por ejemplo, un megavatio o megawatt (MW) será equivalente a 1000000 vatios, un kilovoltioo kilovolt (kV) será equivalente a 1000 voltios.

En el SI, la unidad de energía es el Joule (J), que es la energía necesaria para desplazar un metro unafuerza de un newton. Y la unidad de potencia es el Watt (W), equivalente a la tasa de variación de un joule por segundo.

En la práctica, y principalmente en la industria eléctrica es usual utilizar como unidad de energía el vatio-hora (Wh) y sus múltiplos: kilovatio-hora (kWh), megavatio-hora (MWh), gigavatio-hora (GWh) y

teravatio-hora (TWh). Un vatio-hora es la energía resultante de aplicar una potencia de un vatio duranteuna hora.

(Nota: el vatio-hora, el kilovatio-hora, etc. son unidades de energía y se utilizan para expresar, porejemplo energía generada o consumida. Es así que uno puede decir “Este mes, en mi casa consumimos356 kWh (kilovatios-hora)” y no es correcto decir “este mes consumimos 356 kW (kilovatios)”, ya que elvatio y sus múltiplos y submúltiplos son unidades de potencia y no de energía. Otro error muy común esutilizar como unidad para expresar energía el kilovatio “por” hora (kW/h): “Este mes consumimos 356


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kilovatios por hora (kW/h)”. Esto es erróneo, ya que el “vatio por hora” sería, si se quiere, una unidad de

tasa de variación de la potencia, algo que sí tiene interpretación física, pero que sin dudas no es la que sequiere dar en este contexto.)

La caloría (cal): Una caloría es la cantidad de energía que hay que aportar para elevar en un grado Celsiusla temperatura de un gramo de agua. Puesto que la cantidad de calor que es necesario aportar para

variar la temperatura en un grado varía levemente dependiendo de la temperatura desde la cual separte, se han definido diversas calorías. Lo más usual es utilizar la definición de caloría de las tablasinternacionales de vapor, caloría IST: 1 cal = 4.1868 J

Tonelada equivalente de petróleo (TEP): Es aproximadamente la energía que aporta la combustión deuna tonelada de petróleo. Se define como 107 kcal.

La British Thermal Unit (btu): Se define de forma similar a la caloría. Es la cantidad de energía que hayque aportar para elevar en un grado Fahrenheit una libra de agua. La equivalencia es la siguiente: 1 btu =1055.056 J

También en lo relativo a potencia se utilizan en ciertas ocasiones unidades diferentes al Watt:

Caballo de fuerza: Existen diversas definiciones de esta unidad. En principio debe tenerse en cuenta que,

a pesar que su nombre, es una unidad de potencia. Supuestamente se tomó como base para sudefinición la potencia que puede ejercer un caballo (aparentemente uno relativamente grande). Todaslas definiciones dan valores cercanos. Puede tomarse el siguiente equivalente: 1 hp= 746W

Será necesario ver algunas unidades de temperatura, ya que ésta es una magnitud relevante en los ciclosde generación térmicos. Existen diversas escalas de temperatura de uso frecuente en la actualidad:Escala Celsius: En esta escala de temperatura se asigna al 0ºC la temperatura de 273.15 K, siendo launidad la misma que el Kelvin. Escala Rankine: Un grado Rankine está definido como 5/9 de un Kelvin.Escala Fahrenheit: La unidad es la misma que la de la escala Rankine. Se le asigna el valor igual a 32F parala temperatura de 273.15 K (0ºC).

2 El Sistema Eléctrico

Técnicamente, en los sistemas eléctricos existen tres etapas bien diferenciadas: la generación, latransmisión y la distribución. La primera se refiere a la producción de energía eléctrica. La segunda tratasobre el transporte de esa energía desde el lugar de generación hasta los centros de consumo. La terceraconsiste en el reparto de la energía a cada consumidor individual.

Demanda

Una característica muy particular de los sistemas eléctricos es la igualdad permanente entre la oferta y lademanda de energía (igualdad entre la generación y la demanda).

Puede suponerse a la red eléctrica como una canalización pasiva a la cual se inyecta potencia en unospuntos y que, al no poder acumularse la energía eléctrica en ésta, la misma cantidad de potencia esretirada simultáneamente en otros puntos.

Estrictamente, desde un punto de vista eléctrico y considerando intervalos de tiempo muy pequeños,esto no es exactamente así: la creación de los campos eléctricos y magnéticos que intervienen en losprocesos eléctricos requieren cierta energía y al variar constantemente éstos (por tratarsemayoritariamente de sistemas de corriente alterna) existen transferencias y acumulaciones de energíaentre los diversos elementos de las redes. Pero los tiempos en los cuales esto ocurre son losrelacionados con la frecuencia del sistema: a 50 Hz, la duración de los ciclos es de 20 ms; para 60 Hz esde 16.67 ms. En definitiva, siempre debe cumplirse el primer principio de la termodinámica y como la red


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por sí misma no genera energía y tampoco puede acumularla indefinidamente, la energía que se extraede ella tiene que ser indefectiblemente igual a la que se le inyecta en forma promedial.

Desde el punto de vista de la demanda es común utilizar indistintamente el término carga, comosinónimo de potencia eléctrica consumida.

Pérdidas

La demanda a nivel del sistema de generación será igual a la agregación de las demandas individualesmás las pérdidas en el sistema de transporte desde el punto de generación hasta el lugar de consumo.Las pérdidas serán consecuencia de los fenómenos eléctricos que ocurren en la transferencia de energíadesde un punto a otro. Ésta potencia se disipará en forma de calor en los distintos elementos de lasredes de transporte.

Diseño y operación del Sistema Eléctrico

Existen diversos aspectos a tener en cuenta en el diseño de un sistema eléctrico:

-

Por un lado, el sistema debe poder inyectar instante a instante la potencia que se estárequiriendo.

-

Por otro lado, el sistema debe estar diseñado de forma que esa potencia pueda ser llevada desde

los puntos en los cuales es inyectada a los puntos en los cuales es demandada.

El primer aspecto puede a su vez dividirse en dos consideraciones: la existencia de los equipos capacesde inyectar esa potencia y la existencia de los insumos necesarios para generarla. El primer aspecto estárelacionado con el diseño del sistema de generación y el segundo con los diseños de las redes detransmisión y distribución.

En cualquier caso, el dimensionado del sistema se hace normalmente teniendo en cuenta elrequerimiento máximo.

Algunas características energéticas de la demanda de energía eléctrica

Desde el punto de vista energético, es decir, en términos de la potencia demandada interesa conocer enprimera instancia su variación a lo largo del tiempo. Una misma cantidad de energía puede consumirse

durante un período dado de muy diversas maneras. Puede consumirse, por ejemplo, tomando unapotencia constante durante todo el período o una potencia muy pequeña durante la mayor parte delperíodo y una potencia muy grande durante un corto lapso. Tanto para su generación como para eldiseño de las redes que la transportarán, esta variación a lo largo del tiempo será relevante ya que porun lado la generación deberá poder acompañar esta variación y por otra parte, deberá tanto podergenerarse como transportarse la potencia máxima requerida.

El consumo de energía eléctrica está estrechamente asociado a la actividad humana. Existirá por un ladouna variación, casi siempre un crecimiento a lo largo del tiempo del consumo, a medida que aumenta eldesarrollo y se intensifican ciertos usos eléctricos. Existirán además variaciones estacionales el consumo.Por ejemplo, las cargas asociadas a calefacción y refrigeración tendrán variaciones estacionales ya quedependerán fuertemente de la temperatura ambiente y ésta tiene en la mayor parte de las regiones

geográficas una variación de este tipo. Los ciclos laborales semanal y diario también impondrán alconsumo de energía eléctrica una variación de este tipo.

Por otra parte interesa la distribución geográfica de la demanda. Desde el punto de vista de latransmisión, interesará la ubicación de la demanda en relación a dónde se encuentran las fuentes degeneración. Esto tendrá impacto sobre el diseño de la red de transmisión e influirá directamente sobrelos costos de ésta. Desde el punto de vista de la distribución surge como concepto relevante el dedensidad de carga, es decir, cómo se distribuye la carga en relación a la superficie geográfica donde se


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encuentra. Es obvio que tendrá costos mucho mayores suministrar una demanda que está esparcida enun gran territorio que una demanda igual desde el punto de vista energético, pero concentrada.

Una primera aproximación al modelado de un sistema eléctrico es el modelo uninodal o de barra única.Se supone, en un modelo de este tipo, que toda la potencia del sistema se inyecta y se extrae de unmismo nodo (o barra, en términos eléctricos). Esto equivale a despreciar todos los efectos de la red de

transmisión. Un modelo de este tipo es una muy buena aproximación para el tratamiento de losaspectos económicos relativos al suministro de la demanda.

Además de las características puramente energéticas de la demanda eléctrica, también interesanobviamente los aspectos eléctricos de ésta.

Debe notarse que no hay una total independencia entre los aspectos energéticos y los eléctricos delsistema, ya que, por ejemplo, las pérdidas, que son parte de las consideraciones energéticas dependende cuestiones eléctricas.

Desde el punto de vista de la estabilidad del sistema eléctrico puede ser relevante conocer, por ejemplo,la dependencia de la carga a la tensión y la frecuencia.

Por otro lado, la misma demanda puede introducir perturbaciones desde el punto de vista eléctrico al

sistema que lo afecten en forma parcial o global y tengan impacto sobre la calidad del servicio.Curvas de carga

La forma usual de representar la demanda es mediante curvas de carga, es decir, gráficas de la variaciónde la potencia demandada en función del tiempo. Éstas pueden representar la demanda agregada detodo el sistema, la de un área geográfica, la de un sector de la economía, la de una industria en particularo un hogar, etc.

A continuación se muestran algunos ejemplos de curvas de carga.

La curva de carga diaria representadaes típica de una demanda en la que,por ejemplo, el sector residencial tiene

gran peso: aparece una punta duranteel comienzo de la noche debida a usosde iluminación y cocción y también unaumento de la potencia demandadahacia el mediodía, debida también acocción. Los consumos mínimos se dandurante la madrugada.

A continuación se aprecia la curva de carga del día de máxima demanda del sistema interconectadonacional boliviano, así como su composición por empresa:


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CURVA DE CARGA EN DÍA DE MÁXIMA DEMANDA (MW)JUEVES 22 DE OCTUBRE DE 2015

Fuente: Estadística 2015, CNDC

Monótonas de carga:

Otra forma usual de representar la demanda es mediante curvas monótonas. Estas curvas se dan para unperíodo de tiempo (día, semana, mes, año, etc.) y muestran qué fracción del período tiene potencias quesuperan cierto valor.

La siguiente es la monótona correspondiente a la curva semanal anterior:

En este caso, la secuencia temporal sepierde, pero una representación de este

tipo puede ser muy adecuada para elestudio del suministro de la demanda. Elárea bajo la curva obtenida de este modoserá igual al área bajo la curva original y porlo tanto representará la energía consumidaen el período.

Una representación aún más simplificada esmediante bandas o escalones. Ésta essolamente una versión más simplificada dela curva monótona.

Se trata de definir intervalos dentro del período total y sustituir las potencias en cada intervalo por un

valor representativo. Se obtiene entonces una representación escalonada de la monótona de carga.

Es usual utilizar como valor representativo del escalón el valor medio de la potencia en el intervalo delescalón. De esta forma, la energía durante el período será igual a la suma de cada una de las potenciasrepresentativas multiplicadas por la duración de la banda o escalón.

MAX-2015MW

CRE 532,805

DELAPAZ 307,186

ELFEO 73,998

ELFEC 218,457 CESSA 43,417

SEPSA 68,178

ENDE 33,470

SETAR 35,030

ENDE DELBENI 442

EMDEECRUZ -

EMIRSA 160

EM VINTO 4,802

COBOCE 5,522

SAN CRISTOBAL 46,502

M XIMA 1,369,969dia jueves 22hora 19:30

EMPRESA


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La curva de carga queda entoncescaracterizada la potenciarepresentativa de cada banda y laduración de ésta. Generalmente setoma un número pequeño debandas, entre 2 y 4, según bloquehorarios representativos de lademanda.

Como el propósito de una representación en bandas o escalones es dar, aunque en forma simplificada,cierta información sobre la curva de carga, y sobre este aspecto lo más relevante es la potencia máximaya que ésta condiciona las dimensiones del sistema, se toma en general una duración relativamentebreve para la banda de mayor carga. De esta forma, el valor representativo de ésta será muy próximo alvalor máximo de potencia en el período.

Una representación de este tipo es adecuada para un modelado energético del sistema eléctrico, ya quepor un lado se obtiene una representación sencilla que facilita los cálculos y por otro se conservanexactamente los valores de energía y en forma razonable las características relativas a la potencia.

Factor de carga

Es el cociente entre la energía suministrada en un período y el producto de la potencia máxima en elperíodo por la duración de éste. Es el parámetro más sencillo utilizado para caracterizar una demanda,ya que mediante un único número se obtiene una idea de la forma de la curva de carga.

Una curva de carga absolutamente plana, es decir, con una potencia constante, tiene un factor de cargaigual a 1. A medida que la curva de carga va empuntándose, el factor de carga disminuye.

Predicción de la demanda

Dada esa característica especial de los sistemas eléctricos respecto a que en cada instante la oferta(generación) debe ser igual a la demanda, la predicción de ésta adquiere una importancia fundamental.

Tanto para la operación como para la planificación de los sistemas eléctricos es usual que se cuente condiversos modelos para estimar el comportamiento de la demanda.

Para la operación interesan las variaciones de la demanda en el corto y el cortísimo plazo. Se utilizan engeneralmente en este caso modelos de series temporales univariantes u otros modelos estadísticos quetoman en cuenta algunas variables relevantes como la temperatura y la luminosidad. También pueden

usarse técnicas matemáticas más complejas (redes neuronales, sistemas expertos, etc.) para lasestimaciones de muy corto plazo, alimentándose estos modelos directamente con los valores de laoperación obtenidos de los sistemas automáticos de adquisición de datos.

Para la planificación de la expansión de los sistemas interesa la evolución de la demanda en el largoplazo. Es usual en estos casos proceder en etapas: Se estima mediante métodos econométricos laevolución, por ejemplo anual o trimestral del consumo de energía eléctrica, explicándolo a partir otrasvariables relevantes de la economía, por ejemplo el producto interno bruto. (Obviamente en estos casos,


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se deberá contar además con estimaciones de esas variables explicativas o con modelos para estimarlas.)Posteriormente se reparte esa energía en curvas de carga estimadas a partir de otras técnicas.

Gestión de la demanda

Las llamadas políticas de gerenciamiento (o gestión) de la demanda tienen como objetivo laracionalización del uso de la energía eléctrica. El objetivo es la reducción de las inversiones requeridas en

el suministro, pero actuando desde el lado de la demanda.

Por una parte se refiere a un uso más eficiente de la energía. Se entiende aquí por eficiencia la obtenciónde las mismas prestaciones con menor consumo de energía. Por otro lado, hay un enfoque relativo a unamejor utilización de las instalaciones existentes tanto a nivel de generación como de redes. Esto se logramediante un “aplanado” de las curvas de carga, es decir, aumentando los factores de carga.

Existen muy variadas formas de actuar en este sentido. Por ejemplo, puede estimularse la compra deequipamiento más eficiente desde el punto de vista de la demanda (iluminación, calefacción,refrigeración, etc.). Para lograr la mejora en el factor de carga pueden pasarse señales tarifarias a lademanda de forma de desestimular el consumo en los horarios de punta.

2.1

Tecnologías de Generación

Es necesaria la descripción general de las diversas tecnologías para la generación de energía eléctrica. Enla mayoría de los casos el proceso general es similar: a partir de una fuente de energía primaria se utilizaun motor para obtener energía mecánica. Esta energía mecánica es utilizada para mover un generadorque produce la energía eléctrica.

En varias de las tecnologías, los motores primarios utilizados son turbinas, por lo que conviene haceralguna aclaración respecto de éstas: Una turbina es una máquina rotatoria a través de la cual transita unfluido sin ser en ningún momento totalmente confinado (turbomáquina) y que transforma la energíamecánica que tiene ese fluido en energía mecánica que se extrae por el eje. Las turbinas son por lo tantomotores: suministran energía mecánica en el eje de la máquina. No es una turbina una máquina quehace la función inversa: transferir energía desde el eje hacia el fluido: las turbomáquinas que hacen estafunción inversa se denominan turbocompresores, turboventiladores o turbobombas, pero no turbinas.

2.1.1 Hidroenergía

La energía disponible en cierto volumen de agua (o cualquier otro cuerpo) en reposo en el campogravitatorio terrestre (energía potencial) es proporcional a su masa y a la altura a la cual se encuentra.

La potencia máxima que puede entonces obtenerse será proporcional al gasto (masa de agua que circulapor unidad de tiempo) y al salto (diferencia de alturas entre las cuales se desplaza el volumen de agua).Una central hidráulica consiste en algún método de represar un curso de agua de forma de manteneruna diferencia de niveles y canalizarlo a través de una turbina para poder extraer la energía resultante deesa diferencia de alturas.

Desde el punto de vista del sistema energético, la clasificación en tres tipos que sigue es relevante:

Centrales de pasada:De manera general se denominan así las que no cuentan con un embalse. En éstas, al no haberposibilidad de acumular el agua afluente, la única decisión posible será utilizar el agua que llega paragenerar energía (turbinarla) o dejarla pasar (verterla).

Centrales con embalse:

En éstas, el agua afluente tiene la posibilidad de ser acumulada antes de ser turbinada. Por lo tanto, enéstas puede decidirse acumular el agua que llega en lugar de turbinarla o verterla. Por otro lado, en caso


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que no haya aportes de agua, puede utilizarse agua acumulada anteriormente para generar energíaigualmente.

En la operación de este tipo de centrales se dan embalsados y desembalsados que permiten transferirenergía en el tiempo de forma relativamente independiente a los aportes de agua. Estas centralesestarán caracterizadas por el tamaño del embalse con que cuentan. Este tamaño será relevante, más que

en términos de su capacidad volumétrica, en términos de su capacidad energética y una forma deexpresar esto será en relación a la potencia que tiene instalada la central. Una forma usual de expresaresta relación es en función del tiempo de vaciado: suponiendo que el embalse se encuentra lleno y queno llega agua a él, el tiempo de vaciado será lo que tarda en agotarse si la central turbina a pleno, esdecir, utilizando totalmente su capacidad instalada. Existirán pues embalses diarios, semanales,mensuales, anuales o plurianuales, según su tiempo de vaciado. Las centrales con embalses horarios(pequeños), se clasifican con centrales de pasada.

Centrales de bombeo:

Son centrales hidráulicas que cuentan con dos embalses a distintas alturas. Pueden generar energíaeléctrica turbinando el agua desde el embalse superior al inferior o acumular energía bombeando aguadesde el embalse inferior al superior. Esto puede lograrse teniendo turbinas-generadores y bombas-

motores independientes o máquinas reversibles que pueden actuar como ambas cosas a la vez. Este tipode centrales permite un seguimiento de la curva de demanda cuando la generación efectiva no es losuficientemente flexible para lograrlo. Los ciclos de operación (diarios, semanales, etc.) dependerán delas características del sistema eléctrico en el cual estén instaladas y de las características de la propiacentral. Debe tenerse en cuenta que la energía que puede recuperarse de un sistema de este tipo es unafracción de la energía aportada, ya que existe por un lado un rendimiento en el turbinado al recuperar laenergía y por otro un rendimiento en el bombeo (en general menor que el de turbinado) al almacenarla.

Existen muy diversos diseños de centrales hidráulicas y las potencias de éstas pueden ir desde unospocos kilovatios hasta superar la decena de gigavatios (ejemplo: Itaipú: 18 turbinas Francis de 700 MW).Es usual que una central hidráulica cuente con más de una turbina instalada. También es usual que existamás de una central sobre un mismo curso de agua (centrales en cascada).

En muchos casos, al menos dentro de cierto rango, el caudal de agua vertido también es una variablecontrolable por el operador de la central.

Para saltos pequeños se utilizanturbinas de flujo axial, con rotor dehélice. Salvo para potencias muypequeñas lo usual en este caso esel empleo casi exclusivo deturbinas tipo Kaplan. Éstas sonturbinas de paso variable: cuentancon un mecanismo que permitevariar el ángulo de las palas deforma coordinada con el sistemade control de caudal a través de laturbina (distribuidor). De estaforma se consigue un rendimientoóptimo de la máquina paradiferentes condiciones defuncionamiento.


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Para saltos intermedios se utilizan turbinas tipo Francis (de reacción), dentro de las cuales el agua sigueun curso en parte radial y en parte axial.

Para grandes saltos se utilizan turbinas conocidas como de acción, tipo Pelton. En este tipo de máquinas,mediante toberas se obtienen chorros de agua de alta velocidad que inciden sobre una rueda conelementos en forma de cucharas, haciéndola girar.

2.1.2

Ciclos de Vapor

El ciclo termodinámico mediante el cual se obtiene potencia mecánica a partir de calor mediante unaturbina de vapor es el conocido como Ciclo Rankine.

Consta de las siguientes etapas:

-Calentamiento y vaporización de un fluido

-Expansión del vapor, realizando trabajo

-Condensación del vapor cediendo calor

-Elevación de la presión del líquido condensado, mediante el aporte de trabajo

En la implementación práctica de este ciclo se utilizan los siguientes elementos:

-

El fluido (en casi todos los casos agua)es calentado y evaporado a altapresión en un generador de vapor ocaldera.

-

El vapor resultante se expande en unaturbina diseñada para funcionar convapor, mediante la cual se obtiene lapotencia útil.

-

Luego de la expansión el vapor escondensado en un intercambiador decalor llamado condensador.

-

El agua obtenida al condensar el vapores enviada nuevamente a la caldera,elevándole la presión mediante unabomba (bomba de alimentación). Enesta parte del ciclo se aporta potencia,pero en cantidad mucho menor a laque se obtiene en la turbina.

Este tipo de máquinas se conocen comomotores de combustión externa: lacombustión se produce en forma externa alciclo y el calor obtenido de ésta es transferidoal fluido que realiza el ciclo.

Generadores de vapor (calderas):

El diseño básico de éstos consta de un recinto (hogar) en el cual se produce la combustión y un sistemade intercambio de calor entre los gases calientes generados por la combustión y el agua.


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Desde el punto de vista del generador de vapor como elemento aislado, existirá una eficiencia enrelación a la cantidad de calor que se genera en la combustión y la que realmente se aprovecha algenerarse el vapor. En la práctica existe una limitante a esta mejora de la eficiencia de intercambio.

En todo ciclo térmico que transforma calor en trabajo mecánico existe una parte de ese calor que nopuede ser utilizada. En los ciclos de vapor este calor se extrae a través del condensador. Éste es

simplemente un intercambiador de calor que condensa el vapor proveniente de la salida de la turbinautilizando para esto agua a temperatura ambiente. El condensado obtenido es inyectado nuevamente algenerador de vapor mediante la bomba de alimentación.

Cuando no existe un curso de agua importante en las cercanías de la central o cuando la cantidad decalor que debe desecharse es tal que provocaría un aumento de la temperatura ambientalmenteinadmisible en el curso de agua que existiera, se utilizan torres de enfriamiento. El agua de enfriamientorecorre entonces un circuito cerrado, tomando calor en el condensador y enfriándose luego en la torre.No debe confundirse esta agua de refrigeración con el agua que cumple el ciclo.

El agua que se utiliza en un ciclo de vapor (la que efectivamente cumple el ciclo) debe tratarse, por unlado para quitarle las sales que pudieran causar incrustaciones en las superficies de intercambio y porotro lado para eliminar el oxígeno disuelto en ésta que puede provocar corrosión. La existencia de otros

gases en el circuito también puede causar problemas. Deben existir por lo tanto equipos para eliminarsales en el agua que sea necesario reponer al ciclo así como equipos para eliminar otros gases delcircuito de vapor.

Existen múltiples variantes del ciclo Rankine empleadas para mejorar el rendimiento.

El rendimiento global de una central de generación de energía eléctrica en general se define como elcociente entre la potencia eléctrica obtenida en bornes del transformador de máquina y la potenciatérmica aportada por el combustible utilizado para generarla (expresada en función de poder caloríficode éste, generalmente el inferior). En este rendimiento se incluyen entonces el rendimiento deintercambio en el generador de vapor, el rendimiento real del ciclo utilizado y los rendimientos eléctricosdel generador y el transformador de máquina.

Estos valores son menores al 40% para centrales de ciclo de vapor convencionales, pudiendo llegar hastaaproximadamente 45% en centrales de ciclos supercríticos.

Particularidades de la operación de ciclos de vapor:

La operación de un ciclo de vapor es algo complejo. A continuación se resaltarán algunas de lascaracterísticas técnicas de la central de ciclo de vapor desde el punto de vista del sistema eléctrico.

Lo usual es acoplar directamente un generador síncrono a la turbina. Al ser estas últimas máquinas deelevada velocidad de giro, el generador será de un bajo número de pares de polos, generalmente uno.

Tiempos de arranque: Tanto en el generador de vapor como en las primeras etapas de la turbina seutilizan temperaturas muy elevadas para el funcionamiento de los ciclos de vapor. En particular losgeneradores de vapor son grandes estructuras que deben ser llevadas a las temperaturas de operación a

velocidades relativamente lentas para evitar deformaciones causadas por calentamientos no uniformes.Por lo tanto es usual que, entre que se inicia el arranque de una máquina de este tipo hasta que sepuede generar la máxima potencia, transcurran varias horas.

Variación de la carga y funcionamiento a cargas parciales: Se trata de máquinas diseñadas para funcionarcon rendimiento óptimo a una potencia dada. Sin embargo, admitiendo una degradación delrendimiento pueden funcionar a cargas parciales. De todas formas existe siempre una potencia mínimapor debajo de la cual la máquina no puede operar.


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2.1.3

Turbinas de Gas

La máquina turbina de gas consta básicamente de tres partes:

compresor

cámara de combustión

turbina propiamente dicha

Su nombre deriva de que el fluido que realiza el ciclo termodinámico es un gas (básicamente aire) y noestá relacionado con el combustible utilizado, que puede ser de diversos tipos.

El ciclo teórico de funcionamiento de estas máquinas es el conocido con el nombre de Ciclo Brayton,Ciclo Joule o Ciclo Joule-Brayton y consta de las siguientes etapas:

-Una compresión del gas

-Un calentamiento del gas a presión constante

-Una expansión del gas

-Un enfriamiento a presión constante

Para lograr el proceso de compresión debe aportarse trabajo al fluido. En el proceso de calentamiento seaporta calor. Durante la expansión se obtiene trabajo del fluido. En el enfriamiento se obtiene calor deél.

Al tratarse de un proceso cíclico, la suma neta total del trabajo y el calor aportados es nula (el fluidovuelve a las mismas condiciones luego de culminar el ciclo), pero el trabajo obtenido en la expansión esmayor que el requerido para la compresión (en una cantidad igual a la diferencia entre el calor aportadoen la etapa de calentamiento y el obtenido en la etapa de enfriamiento).

En la práctica, este ciclo se implementa de la siguiente forma: El aire atmosférico es tomado por elcompresor y comprimido hasta cierta presión que puede llegar a las decenas de atmósferas. Mediante lainyección de combustible en la cámara de combustión, el aire es calentado a alta temperatura.Posteriormente el aire (junto con los gases de combustión formados) se expande en una turbina,

mediante la cual se extrae potencia mecánica. Parte de esta potencia mecánica es utilizada para moverel compresor que forma la máquina y el resto es potencia mecánica útil que se utiliza para mover elgenerador. Se obtienen un rendimientos del orden del 35%.


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La máquina turbina de gas es lo que se conoce como un motor de combustión interna, ya que lacombustión ocurre dentro de la misma máquina que realiza el ciclo termodinámico. Este tipo de ciclosson los que se conocen como ciclos abiertos, ya que el ciclo se “cierra” en la atmósfera: los gases deescape de la turbina no son enfriados directamente y vueltos a ser inyectados en el compresor, sino quese expulsan a la atmósfera y el compresor toma aire nuevo de ésta.

Existen diversos diseños de estas máquinas: El diseño más sencillo es el que el compresor, la turbina degas y el generador están todos sobre un mismo eje.

En algunos otros diseños la turbina de gas es doble: una primera etapa que está directamente acopladaal compresor y una segunda etapa que es solidaria con el generador. El conjunto de compresor y turbinade gas acoplado se conoce como generador de gases calientes, ya que lo que hacen es producir los gasesque luego serán expandidos en la turbina que mueve el generador.

En otros diseños todavía, existe una etapa inicial de compresión que es mecánicamente alimentada porla turbina acoplada al generador y existen un compresor y una turbina intermedios, acoplados entre sí,que giran libremente a una velocidad diferente a la del conjunto solidario al generador.

La tecnología de turbinas de gas tuvo un gran desarrollo con la industria aeronáutica, ya que el principiomediante el cual se generan los gases de propulsión de los aviones a reacción es el mismo que sedescribe aquí. Es así que mediante algunas adaptaciones, los fabricantes de turbinas de gas han utilizadolos mismos modelos de turbinas aeronáuticas para aplicaciones industriales, incluida la generacióneléctrica. Estos diseños son los que se conocen como turbinas aeroderivadas.

El rendimiento teórico de un ciclo de turbina de gas estará dado por la relación de compresión. En lapráctica, la limitación técnica a la obtención de mayores rendimientos está dada por la resistencia de losmateriales a las altas temperaturas del ciclo. Este problema se da fundamentalmente en los álabes de laprimera etapa de la turbina, ya que éstos deben soportar las temperaturas más altas del ciclo y ademásresistir enormes esfuerzos dinámicos. Todo el desarrollo en relación a turbinas de gas ha estadocentrado en la obtención de materiales capaces de resistir estas temperaturas y esfuerzos.

Desde el punto de vista del sistema eléctrico, los ciclos abiertos de turbina de gas son capaces dearrancar y llegar a su potencia máxima en un tiempo muy corto, generalmente entre diez y treintaminutos.

Tanto la potencia máxima que pueden producir como su rendimiento tienen una relación sensible con latemperatura ambiente. A medida que ésta aumenta tanto la potencia máxima como el rendimientodisminuyen. Las turbinas de gas tienen malos rendimientos a cargas parciales y son fuertementeafectadas por la altura sobre el nivel del mar a la que operan.


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2.1.4

Ciclos Combinados

Puesto que la temperatura a la cual salen los gases una turbina de gas es elevada (del orden de los 500ºC) surge la idea de aprovechar estos gases calientes para seguir obteniendo energía mecánica. Un ciclocombinado es pues la combinación de un ciclo de turbina de gas con un ciclo de vapor: los gasescalientes a la salida de la turbina de gas son utilizados como fuente de calor de un ciclo de vapor.

Se utiliza una caldera de recuperación, que es simplemente un intercambiador en el cual los gases deescape se enfrían calentando agua y generando vapor para alimentar el ciclo de vapor.

El ciclo de gas de un ciclo combinado es igual al ciclo de gas abierto: se utilizan las mismas máquinas. Lomismo ocurre con el ciclo de vapor: será igual al visto anteriormente con la única salvedad que elgenerador de vapor el lugar de tener un hogar donde se realiza una combustión, obtendrá los gasescalientes de la salida de ciclo de gas. Esto permite obtener rendimientos del orden del 55%.

En grandes números, del total de la potencia obtenida de un ciclo combinado, dos tercios se obtienendel ciclo de gas y un tercio del ciclo de vapor. Obsérvese que con el mismo consumo de combustible,

además de obtenerse una potencia similar a la que se obtiene con un ciclo abierto de turbina de gas, segenera la potencia del ciclo de vapor. Es de allí que proviene el aumento de rendimiento.

Las configuraciones que existen son muy variadas. Por ejemplo pueden utilizarse uno o más módulos deciclo de gas.

Los generadores eléctricos pueden ser únicos (en el caso de máquinas mono eje) o pueden estardispuestos uno o más para los módulos de turbina de gas y otro movido por la turbina de vapor.


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El tiempo de arranque de estas máquinas está determinado por el ciclo de vapor, por lo tanto no sonmáquinas de arranque rápido como las turbinas de gas.

En relación a los tiempos de construcción, dependiendo de la configuración adoptada puede hacersesecuencialmente, construyéndose primero el ciclo de gas y posteriormente combinándolo con el ciclo devapor, dejando en la primera etapa una chimenea de para desviar los gases sin que pasen por la caldera

de recuperación y así permitir la utilización del ciclo de gas únicamente.2.1.5

Energía Nuclear

Las centrales nucleares de generación eléctrica son centrales térmicas en las cuales la fuente de calor esun proceso termonuclear. Manteniendo controlado un proceso de fisión nuclear en un reactor seobtiene calor. Existen diversos diseños de reactores nucleares, estando las diferencias entre ellos, entérminos muy generales, básicamente en dos aspectos:

cómo se mantiene controlada la reacción nuclear

cómo se transfiere el calor generado al ciclo termodinámico

En lo restante se trata simplemente de un ciclo de vapor (ciclo Rankine) que contará como cualquier otrociclo de vapor con una turbina que moverá un alternador y un condensador con algún método para

eliminar el calor no aprovechable.Por las características particulares de los procesos utilizados, los rendimientos termodinámicos de losciclos implementados son relativamente bajos, generalmente apenas superiores al 30%.

Ésta es una tecnología que presenta fortísimas economías de escala, por lo que las plantas nuclearesexistentes están construidas para generar potencias muy grandes, del orden de varias centenas demegavatios.

Desde el punto de vista del sistema eléctrico las centrales nucleares se diseñan para generar unapotencia relativamente constante, por lo que no son adecuadas para adaptarse a las variaciones de lademanda.

2.1.6 Energía Geotérmica

La generación de energía eléctrica en base a energía geotérmica consiste en la utilización en un ciclotermodinámico del calor que se encuentra bajo la superficie terrestre. Aquí también el motor primario esuna turbina de vapor.

Cuando existe, puede emplearse directamente vapor de agua que aflora a la superficie para alimentarturbinas de vapor. Más habitual es la utilización de depósitos naturales subterráneos de agua calientepresurizada: en este caso, al disminuir la presión, parte del agua se transforma en vapor que esposteriormente expandido en una turbina. El remanente de agua y el condensado del vapor vuelven areinyectarse al depósito.

También, y particularmente cuando las temperaturas obtenibles son relativamente bajas, puedenutilizarse ciclos de vapor con otros fluidos diferentes al agua en un circuito cerrado que intercambian

calor con el medio geotérmico.Esta tecnología es obviamente aplicable solamente en lugares donde geológicamente se dispone delrecurso.

2.1.7

Motores Reciprocantes

Estos son motores en los cuales el trabajo se realiza por medio del desplazamiento de pistones dentro decilindros y finalmente se obtiene en un eje por medio de bielas y un cigüeñal.


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La implementación que se hace de ellos es como motores de combustión interna (el aporte de calor sehace por medio de una combustión que tiene lugar dentro del mismo motor) y en ciclos abiertos (el ciclose cierra en la atmósfera).

El Ciclo Otto: El esquema de funcionamiento de estos motores fue inventado por Nicholas Otto (1832-1891). El ciclo teórico consiste en:

-una compresión

-un calentamiento a volumen constante

-una expansión

-un enfriamiento a volumen constante

Éste es el ciclo de funcionamiento teórico de los motores de gasolina de los automóviles: Se admite en elcilindro una mezcla de aire y combustible, se comprime ésta por medio de la acción del pistón(impulsado por los otros pistones o simplemente por inercia en los casos de motores mono-cilindro), seproduce entonces una chispa que enciende la mezcla y el calentamiento producido por la combustiónimpulsa el pistón en una carrera en la que entrega potencia.

El Ciclo Diesel: Este ciclo fue inventado por Rudolf Diesel (1858-1913) y su intención inicial era la deutilizar como combustible carbón pulverizado. El ciclo teórico consiste en:

-una compresión

-un calentamiento a presión constante

-una expansión

-un enfriamiento a volumen constante

Éste es el ciclo de funcionamiento de teórico de los motores de los automóviles Diesel: Se admite en elcilindro aire, se comprime éste, se inyecta el combustible de forma gradual para lograr una combustión apresión aproximadamente constante mientras el pistón es empujado, finalmente se abren las válvulas deescape para desechar los gases de combustión.

El rendimiento teórico de ambos ciclos depende de la relación de compresión, es decir, del cocienteentre volumen al comienzo de la carrera de compresión y el volumen final de ésta. Puede demostrarseque para una misma relación de compresión, el rendimiento del ciclo Otto es mayor que el del cicloDiesel. Sin embargo, razones técnicas (básicamente la auto ignición de la mezcla de combustible y aire)hacen que en los motores de ciclo Otto no se pueda llegar a relaciones de compresión tan altas como lasque se obtienen en ciclos Diesel (donde los que se comprime es solamente aire). Por lo tanto, paratecnologías de fabricación comparables, los motores Diesel tienen mayores rendimientos que losmotores Otto, ya que los primeros tienen mayores relaciones de compresión.

Motores de dos y de cuatro tiempos: Tanto los motores de ciclo Otto como los de ciclo Diesel pueden serde dos o cuatro tiempos. En los motores de dos tiempos los gases resultantes de la combustión luego dela carrera de expansión son barridos por el nuevo fluido entrante. La denominación proviene del hechoque todo el ciclo ocurre en dos movimientos del pistón: una carrera de compresión y una de expansión.En los motores de cuatro tiempos el mismo pistón barre los gases luego de la combustión. Existen por lotanto para un ciclo cuatro carreras del pistón: la de compresión, la de expansión, una de expulsión y unade admisión. Un motor de dos tiempos tiene mayor potencia que un motor de cuatro tiempos de similartamaño.

En los motores de ciclo Otto, al ser el fluido de entrada una mezcla de aire con combustible, durante elbarrido, al estar simultáneamente abiertas las válvulas de admisión y de escape parte de la mezcla con


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combustible escapa a la atmósfera, lo que tiene como consecuencia tanto problemas de rendimientocomo ambientales.

En cambio, en el ciclo Diesel el fluido que se admite es solamente aire. Por lo tanto, salvo para potenciasmuy pequeñas o en casos en que la relación tamaño-potencia es crítica, no se utilizan motores de cicloOtto de dos tiempos. En cambio, es usual que los motores de ciclo Diesel de grandes potencias sean de

dos tiempos.La potencia que puede obtenerse en estos motores está básicamente limitada por la cantidad de aireque pueda meterse en el cilindro (mientras los elementos mecánicos resistan las fuerzas resultantes), yaque será la cantidad de oxígeno lo que limite la reacción de combustión y por lo tanto el calor de entradaal ciclo.

Para aumentar entonces la potencia por unidad de tamaño puede entonces incrementarse la cantidadde aire en la admisión comprimiéndolo. Para esto es habitual utilizar en los motores Diesel un compresoren la admisión. La potencia requerida para mover este compresor es obtenida por medio de una turbinaque es accionada por los gases de escape.

Desde el punto de vista de la generación de energía eléctrica los motores reciprocantes tienen la ventajade que el tiempo de arranque es extremadamente corto. En general se los utiliza como sistema derespaldo, aunque también existen sistemas de generación centralizados que utilizan esta tecnología.

Para grandes potencias, utilizando ciclos Diesel, se logra alcanzar rendimientos superiores al 45%. Losciclos Otto tienen rendimientos de entre 30 y 40%, por lo que no se los utiliza para grandes potencias.Por otro lado el combustible requerido para estos últimos requiere propiedades tales que lo hacen demayor costo.

2.1.8 Energías no convencionales

La energía eólica

Consiste en el aprovechamiento de la energía cinética del aire atmosférico (obtención de la energía delviento). Ésta puede ser de aplicación directa (ejemplo: bombeo de agua) y en este caso el impacto sobre

el sector eléctrico será indirecto, a través de una reducción de la demanda eléctrica.En lo relativo a generación de energía eléctrica, la tecnología eólica ha tenido un gran desarrollo en losúltimos años. Su aplicación se ha dado a nivel tanto de sistemas autónomos como de generaciónconectada a la red.

Para la generación de energía eléctrica el diseño más habitual es el de la máquina axial (eje de giro en lamisma dirección que el viento) y los rotores de tres palas.

Existen comercialmente aerogeneradores de muy diversos tamaños:

Microturbinas:

Son los aerogeneradores de potencia menor a los 3 kW. Se trata en general de máquinas congeneradores síncronos de imanes permanentes que se utilizan para cargar baterías, valiéndose

de un sistema de rectificación (transformación de la corriente alterna generada en corrientecontinua).

Pequeños aerogeneradores:

Son los de potencias menores a 50 kW. Su utilización se restringe al suministro de energíaeléctrica a pequeños centros poblados aislados de la red eléctrica, en combinación con algúnotro tipo de generación, por ejemplo, motores reciprocantes.

Grandes aerogeneradores:


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Son los de potencias hasta 1 MW. Se utilizan para inyectar potencia directamente a la red.Tienen diámetros que varían entre 25 y 55 m. En ellas se utilizan casi exclusivamentegeneradores asíncronos usualmente acoplados a la turbina eólica mediante un sistema demultiplicación de velocidad. Se diseñan de forma que la velocidad de giro esté entre 15 y 50revoluciones por minuto, según su diámetro, ya que se intenta que la velocidad de punta de palano sea alta para evitar problemas de ruido. Generalmente se los instala en grupos en terrenosadecuados respecto de las condiciones del viento, formando los llamados parques o granjaseólicas.

Generadores de potencia superior a 1 MW:

Últimamente se han desarrollado máquinas de grandes potencias para ser utilizadas eninstalaciones off-shore. Existen en operación en la actualidad generadores que superan los 4MW de potencia.

Energía Solar

La radiación solar que llega a nivel de la superficie terrestre en un día despejado es del orden de los 1000W/m2.

Aplicación directa: La utilización directa de la energía solar en el acondicionamiento térmico y lumínicode edificios tiene como efecto la reducción de la demanda de energía eléctrica

Generación de energía eléctrica: Puede ser de dos tipos:

Fotovoltaica: Es la transformación de la energía solar directamente en energía eléctrica. Se utilizan paraesto paneles recubiertos de algún material (generalmente cristales de silicio o silicio amorfo) que al serexpuesto a la radiación solar genera una diferencia de potencial y permite mantener una corrienteeléctrica, obteniéndose así energía eléctrica. El rendimiento de éstos es relativamente bajo, nosuperándose para los de fabricación estándar el 15%, en relación a la energía de la radiación solarincidente. Por otro lado, su costo es extremadamente alto por unidad de potencia. Su uso estárestringido a aplicaciones puntuales, aisladas y de baja potencia. Dado que la potencia obtenida dependede la radiación solar incidente se requiere de medios de acumulación de energía si se requiere un uso

continuo. Para esto habitualmente se utilizan baterías, lo que por un lado aumenta más los costos de lainstalación y por otro degrada aún más su rendimiento. La energía resultante se utiliza directamentecomo corriente continua o se emplean elementos electrónicos para su transformación en corrientealterna.

Térmica: Consiste en la utilización en algún ciclo termodinámico del calor proveniente de la radiaciónsolar. Se utilizan colectores y concentradores que calientan directamente el fluido del ciclo o algún otrofluido intermedio de intercambio.

Celdas de Combustible

Las celdas de combustible (fuel cells) son dispositivos en los que se realiza el proceso inverso a laelectrólisis del agua, obteniéndose a partir de

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Lectura 01 UAJMS InductriaElectricaGral 2016

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