Centrales_electricas

CENTRALES ELÉCTRICAS INTRODUCCIÓN Las centrales eléctricas son instalaciones en las que se produce energía eléctrica a partir de otro tipo de energía. Según cuál sea la fuente de energía utilizada tenemos diferentes tipos, de los cuales los más importantes son los indicados en las imágenes siguientes.

Hidroeléctrica

Térmica

Nuclear

Eólica

Termosolar

Fotovoltaica

Normalmente la energía inicial sufre varias transformaciones antes de obtenerse la energía eléctrica final. Solamente las centrales fotovoltaicas son capaces de obtener energía eléctrica directamente a partir de la energía del sol. En los demás casos la energía eléctrica es producida por un alternador, movido por una turbina.

TIPOS DE CENTRALES ELÉCTRICAS Los principales tipos de centrales eléctricas son los indicados en la figura siguiente. Lo que caracteriza a cada tipo de central es la fuente de energía utilizada, así como el procedimiento mediante el cual se obtiene la energía eléctrica. En el diagrama anterior podemos observar que tanto la central térmica de combustión, como la central nuclear y la central solar térmica producen calor, el cual es utilizado para producir vapor de agua, que actúa sobre una turbina (en este caso, una turbina de vapor). El movimiento obtenido en la turbina hace girar un alternador, que es el que es capaz de transformar dicho movimiento en energía eléctrica. Por otra parte, en una central hidroeléctrica es la energía del agua la que hace girar a una turbina (en este caso, una turbina hidráulica), mientras que en una central eólica es el viento el que mueve la turbina (en este caso, un aerogenerador). En ambos casos el movimiento producido en la turbina es transformado en electricidad por el alternador.

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Figura 1. Tipos de centrales eléctricas Sin embargo, en una central fotovoltaica no se utiliza el grupo turbina - alternador para producir electricidad, sino que ésta se obtiene directamente de la energía solar gracias a unos paneles fotovoltaicos. Podemos resumir las características de los diferentes tipos de centrales de la siguiente manera. Energía intermedia

Tipo de turbina

Elemento que produce la electricidad

Térmica de combustión

Combustibles de tipo fósil, como carbón, gas natural y derivados del petróleo

Energía calorífica, utilizada para producir vapor de agua a presión

Turbina de vapor

Alternador

Nuclear

Elementos pesados y radiactivos, como el uranio y el plutonio

Energía calorífica, utilizada para producir vapor de agua a presión

Turbina de vapor

Alternador

Termosolar

Radiación solar

Energía calorífica, utilizada para producir vapor de agua a presión

Turbina de vapor

Alternador

Hidroeléctrica

Agua embalsada y corrientes de agua

Turbina hidráulica

Alternador

Eólica

Viento

Aerogenerador

Alternador

Fotovoltaica

Radiación solar

Tipo de central Fuente de energía eléctrica

Panel fotovoltaico

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CENTRAL HIDROELÉCTRICA Un salto de agua se produce cuando el agua fluye desde una determinada altura a otra inferior, como sucede de forma natural en las cascadas y cataratas de ciertos ríos. Pero también podemos producir saltos de agua de forma artificial, mediante presas, dando lugar a los llamados embalses, que además nos permiten almacenar grandes cantidades de agua. Una central hidroeléctrica es una instalación capaz de producir energía eléctrica a partir de un salto de agua, ya sea natural o artificial, gracias a una turbina hidráulica y un alternador. La turbina es la encargada de transformar la energía del agua en movimiento de giro. Por su parte, el alternador es capaz de transformar el movimiento de giro que le transmite la turbina en electricidad.

Figura 2. Central hidroeléctrica

Funcionamiento 1. La presa retiene el agua del río formando un embalse. 2. El agua es llevada mediante un conducto hasta la turbina. La diferencia de altura entre la turbina y el agua del embalse es proporcional a la energía con la que llega el agua a la turbina. 3. El agua ejerce una determinada fuerza sobre los álabes de la turbina, haciéndola girar. 4. El eje de la turbina está unido al del alternador y por tanto le transmite su movimiento. 5. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento. 6. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles. 7. Después de pasar por la turbina el agua es devuelta al río, aguas abajo de la presa, pudiendo ser utilizada para regar. 3

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Ventajas e inconvenientes Ventajas • • •

•

Inconvenientes

Se basa en una fuente de energía renovable. No produce contaminación ambiental ni residuos peligrosos. Además de la producción de electricidad, los embalses pueden tener otros usos: riego, suministro de agua, regulación del caudal del río, deportes acuáticos, ... Las turbinas hidráulicas son máquinas sencillas, eficientes y seguras, que requieren poco mantenimiento.

•

Requiere una inversión inicial muy grande, tanto en tiempo de construcción, como en dinero. El emplazamiento está determinado por las características del río y del terreno, pudiendo quedar lejos de los lugares de consumo, encareciendo los costes de transporte. Depende de la climatología, por lo que largos periodos de sequía podrían afectar su funcionamiento. Además, tiene un fuerte impacto ambiental por la construcción del embalse ya que pueden producir la alteración de cauces, erosión, incidencia sobre la población local y pérdida de posibles tierras de cultivo.

•

• •

CENTRAL TÉRMICA DE COMBUSTIÓN Una central térmica de combustión es una instalación capaz de producir energía eléctrica a partir de la energía calorífica producida por la combustión de carbón, fuel o gas natural en una caldera. La caldera produce vapor de agua a presión, que hace funcionar a una turbina de vapor, la cual mueve un alternador, que es donde se produce la energía eléctrica.

Figura 3. Central térmica de combustión

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Funcionamiento 1. El combustible (carbón, fuel, gas natural) es quemado en la caldera, produciendo una gran cantidad de calor, que se utiliza para calentar el agua que circula por unas tuberías, hasta el punto que el agua se transforma en vapor de agua a presión. 2. El vapor a presión incide sobre los álabes de una turbina de vapor, haciéndola girar. 3. El eje de la turbina está unido al del alternador y por tanto le transmite su movimiento. 4. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento. 5. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles. 6. Después de accionar la turbina el vapor de agua pasa de nuevo a la fase líquida en el condensador. 7. El agua caliente procedente del condensador es enfriada en una torre de refrigeración, gracias al agua fría de un lago, un río, o el mar. 8. El agua fría procedente del condensador es enviada de nuevo a la caldera, para repetir el proceso.

Ventajas e inconvenientes Ventajas • •

Inconvenientes

Tienen una rentabilidad aceptable, sobre todo si se sitúa cerca de la zona de extracción del combustible. Aprovechan algunos de los residuos que producen, como las cenizas, para la obtención de cemento, la industria química o la metalurgia.

• •

•

Utiliza una fuente de energía no renovable. Produce una gran contaminación ambiental, dando lugar tanto el efecto invernadero, como la lluvia ácida. En el caso de que se utilicen derivados del petróleo como combustible, existe el riesgo de accidente en su transporte, dando lugar a mareas negras.

CENTRAL NUCLEAR Una central nuclear es una instalación capaz de producir energía eléctrica a partir de la energía calorífica producida por una reacción nuclear de fisión, que consiste en la rotura de átomos de elementos pesados y radiactivos, como el uranio o el plutonio. El calor generado se utiliza para producir vapor de agua a presión, que hace funcionar a una turbina de vapor, la cual mueve un alternador, que es donde se produce la energía eléctrica.

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Figura 4. Central nuclear con reactor de agua a presión PWR

Funcionamiento 1. El elemento principal de una central nuclear es el reactor nuclear, formado por un edificio de contención de doble muro, en el cual se encuentra el núcleo del reactor y el generador de vapor. 2. En el núcleo del reactor se produce de forma controlada la reacción de fisión del combustible (uranio, o plutonio), generándose una gran cantidad de calor, que debe ser absorbida por un refrigerante (agua ligera, agua pesada, anhídrido carbónico, o helio). 3. En el generador de vapor el calor absorbido por el refrigerante del núcleo del reactor es transmitido al agua, produciendo vapor de agua a presión. 4. El vapor a presión incide sobre los álabes de una turbina de vapor, haciéndola girar. 5. El eje de la turbina está unido al del alternador y, por tanto, le transmite su movimiento. 6. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento. 7. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles. 8. Después de accionar la turbina el vapor de agua pasa de nuevo a la fase líquida en el condensador. 9. El agua caliente procedente del condensador es enfriada en una torre de refrigeración, gracias al agua fría de un lago, un río, o el mar. 10. El agua fría procedente del condensador es enviada de nuevo a la caldera, para repetir el proceso.

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Ventajas e inconvenientes Ventajas • •

•

Inconvenientes

Uno de los materiales utilizados para su desintegración es el uranio, de cual quedan aún grandes reservas. La tecnología empleada está muy desarrollada y tiene una gran productividad, ya que con cantidades mínimas de sustancia se obtiene una gran cantidad de energía. No emiten gases contaminantes.

•

•

•

Uno de los mayores problemas es la posibilidad de una fuga radioactiva en caso de accidente, lo que provocaría cuantiosos daños humanos y materiales. Otro problema son los residuos radiactivos que genera, de difícil y costoso almacenamiento y que resultan muy peligrosos a corto y largo plazo. También es muy alto el coste de las instalaciones y su mantenimiento.

La reacción de fisión nuclear Los núcleos de algunos elementos como el uranio 235 y el plutonio 239 son muy inestables. Si un neutrón choca con el núcleo de uno de estos átomos, este núcleo puede dividirse y liberar energía. La ruptura de un núcleo atómico se denomina fisión nuclear.

Además de los fragmentos de fisión, también se desprenden varios neutrones (entre 2 y 3) que pueden impactar con otros núcleos, volviendo a repetirse el proceso, dando lugar a lo que se llama una reacción en cadena. Si esta reacción en cadena fuese incontrolada, tendríamos un explosión nuclear, como en el aso de una bomba atómica. Sin embargo, en un reactor nuclear, la reacción en cadena se controla mediante un material que absorbe parte de los neutrones que se desprenden en cada fisión.

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Reactores nucleares El reactor es el elemento de una central nuclear donde se producen las reacciones de fisión de forma controlada, utilizando la energía calorífica desprendida en dicha fisión para convertir agua en vapor, ya sea de forma directa o indirecta. En el núcleo de un reactor nuclear podemos distinguir los siguientes elementos: •

•

•

•

•

Combustible: formado por material fisionable, generalmente uranio, en el que tienen lugar las reacciones de fisión y, por tanto, es la fuente de energía de la central nuclear. Moderador: es la sustancia que se utiliza para disminuir la velocidad de los neutrones rápidos, haciéndolos más adecuados para producir reacciones de fisión. Los moderadores más comunes son el carbono (grafito) y el agua. Barras de regulación: son las encargadas de controlar el funcionamiento del reactor, ya que están hechas de un material capaz de absorber neutrones (por ejemplo, el cadmio), de manera que, según se introduzcan más o menos entre el combustible nuclear, hará que disminuyan o aumenten las reacciones de fisión que se producen por unidad de tiempo. Refrigerante: Es el encargado de evacuar del núcleo del reactor el calor generado por las reacciones de fisión. Generalmente se usan refrigerantes líquidos, como el agua ligera o el agua pesada, o gases, como el anhídrido carbónico Figura 5. Núcleo del reactor y el helio. Escudo contra radiaciones: se trata de una vasija de acero y hormigón que actúa de carcasa del núcleo del reactor, evitando el escape de radiaciones y neutrones.

Tipos de reactores nucleares Existen varios tipos de reactores, según qué moderador y qué refrigerante utilicen, así como si el vapor que alimenta la turbina se genera en el propio núcleo del reactor o en un generador de vapor. De todos ellos, vamos a centrar nuestra atención en dos tipos, que son los más utilizados en las centrales nucleares españolas. •

Reactor de agua a presión PWR (Pressurised Water Reactor): utiliza agua ligera como moderador y como refrigerante y óxido de uranio enriquecido como combustible. El refrigerante circula a una presión tal que el agua no alcanza la ebullición. Este refrigerante pasa por el generador de vapor, donde cede su calor al agua procedente del condensador, que se transforma en vapor para alimentar a la turbina. Es el tipo de reactor más utilizado en el mundo

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Figura 6. Reactor de agua a presión PWR •

Reactor de agua en ebullición BWR (Boiling Water Reactor): utiliza los mismos elementos como moderador, refrigerante y combustible que el anterior (PWR), pero ahora el refrigerante trabaja a menor presión, por lo que se produce vapor en el propio núcleo del reactor, en lugar de un generador de vapor.

Figura 7. Reactor de agua en ebullición

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TURBINA HIDRÁULICA Una turbina hidráulica es una máquina capaz de transformar la energía del agua en energía mecánica, en forma de movimiento de giro. Aunque hay varios tipos de turbina en todos los casos está formada por un eje al que se unen los elementos sobre los que actúa el agua, empujándolos con fuerza para provocar el giro de dicho eje.

Tipos de turbinas hidráulicas Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas. El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la potencia de la turbina. Turbina Pelton

Turbina Francis

Turbina Kaplan

En la rueda Pelton o turbina de impulsión, el agua pasa por una boquilla produciendo un chorro que incide sobre una palas con forma de cazoletas. Se utiliza en grandes saltos de agua, es decir, cuando el agua tiene mucha presión.

La turbina Francis o de reacción tiene unos álabes ajustables que desvían la corriente de agua de modo que ésta incide sobre ellos tangencialmente. Se utiliza para saltos de agua de tamaño mediano.

La turbina Kaplan es de flujo axial y en ella los álabes son semejantes a la hélice de un barco. Se utiliza para pequeños saltos de agua.

TURBINA DE VAPOR Una turbina de vapor es una máquina capaz de transformar la energía del vapor de agua a presión en energía mecánica, en forma de movimiento de giro. Está formada por un eje al que se unen los elementos sobre los que actúa el vapor agua, empujándolos con fuerza para provocar el giro de dicho eje. Las turbinas de vapor de las centrales térmicas (de combustión, nucleares, o termosolares) constan de varias etapas. La primera etapa es la que recibe el vapor de alta presión y tiene los álabes de menor tamaño. El vapor que sale de esta etapa es recalentado y conducido a la segunda etapa (intermedia) y de aquí pasa a la etapa de baja presión. Finalmente el vapor que sale de la última etapa es refrigerado en el condensador, pasando a ser agua en estado líquido.

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Figura 8. Turbina de vapor

ALTERNADOR Es una máquina capaz de producir electricidad (corriente alterna) a partir de un movimiento de giro.

Funcionamiento Está formado por rotor y un estator. El rotor lo constituyen una serie de electroimanes unidos al eje de giro. Por su parte, el estator alberga una serie de bobinas. Al girar, el campo magnético producido por los electroimanes del rotor corta a las espiras de las bobinas del estator, induciendo una fuerza electromotriz en las mismas, que da lugar a la corriente alterna que se obtiene del alternador.

Principio físico El alternador se basa en el principio físico de inducción electromagnética, según el cual, cuando un conductor corta las líneas de un campo magnético, se induce en él una fuerza electromotriz que es tanto mayor, cuanto mayor sea la velocidad del movimiento y la intensidad del campo magnético.

Figura 9. Alternador

En la figura puedes ver un alternador elemental, formado por una sola espira que gira dentro de un campo magnético estático. El sentido de la corriente depende de la relación entre el sentido del movimiento y el del campo, de acuerdo con la regla de la mano derecha (ver figura). Por tanto, si nos fijamos en un mismo lado de la espira, la corriente tendrá un sentido u otro según corte al campo hacia arriba o hacia abajo. Esto es lo que se llama una corriente alterna. Lo importante es que el conductor corte las líneas de fuerza del campo magnético, independientemente de quién sea el que se mueve.

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Figura 10. Principio de funcionamiento del alternador

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TRANSPORTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA La red eléctrica La energía eléctrica generada en las centrales eléctricas debe ser transportada hasta los puntos de consumo, como son las ciudades, las industrias y algunos medios de transportes. Para ello, se utiliza un tendido de cables y una serie de trasformadores que recibe el nombre de red eléctrica.

Figura 11. Transporte de la energía eléctrica Podemos describir una red eléctrica típica (Figura 11) de la siguiente manera: 1. La central genera electricidad a un tensión comprendida entre 3 y 36 KV. 2. Mediante una estación elevadora se eleva la tensión hasta valores comprendidos entre 110 y 400 KV, para reducir las pérdidas en la red de transporte. 3. Al final de la red de trasporte se encuentra una subestación de transformación, que reduce la tensión (25-132 KV) para repartir la corriente entre diferentes puntos de consumo (poblaciones o zonas industriales) mediante redes de reparto. 4. Al final de cada red de reparto se encuentra una estación transformadora de distribución, que reduce de nuevo la tensión (3-30 KV) para ajustarla a las necesidades de los clientes industriales. La corriente llega a dichos clientes mediante la red de distribución de media tensión. 5. Finalmente, mediante centros de transformación se reduce la tensión hasta los 220 V que utilizan los clientes residenciales.

¿Por qué se eleva tanto la tensión en la red de transporte? La energía eléctrica consumida nunca coincide con la generada, porque en la red eléctrica se producen pérdidas inevitables, debido a la resistencia de los cables. La resistencia de un cable depende de la resistividad del material de que esté hecho (ρ), de la longitud (L) y de la sección (S), de acuerdo con la fórmula:

R=

ρ⋅L

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S

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La potencia eléctrica que se pierde en los cables de la red depende no solo de la resistencia de dichos cables, sino también de la intensidad de la corriente eléctrica que pasa por ellos. Si llamamos PP a la potencia perdida, RT a la resistencia de los cables de alta tensión e IT la intensidad en dichos cables, la fórmula para calcular la potencia perdida es la siguiente:

PP = I T ⋅ RT 2

Para reducir las pérdidas debemos reducir todo lo posible la intensidad IT. Sin embargo, para que la potencia transportada no se vea afectada, debemos aumentar la tensión (VT) en la misma proporción. Esto explica por qué la tensión a la que se transporta le energía eléctrica es tan elevada (ente 100 y 400 Kv).

El transformador El transformador es el elemento encargado de elevar o reducir la tensión (según convenga) a lo largo de la red eléctrica. Un transformador está formado por un núcleo de hierro y dos bobinas de hilo conductor. Se denomina primario al conjunto formado por la bobina por donde entra la energía eléctrica y el núcleo correspondiente, y se denomina secundario al conjunto formado por la bobina por la que sale la energía eléctrica y el núcleo correspondiente. El funcionamiento de un transformador se basa en la inducción electromagnética: 1. La corriente alterna que pasa por la bobina del primario crea un campo magnético variable, que se ve reforzado por el núcleo de hierro. 2. La variación del campo magnético en el núcleo del transformador induce una fuerza electromotriz en la bobina del secundario. Núcleo

Campo magnético

I1

V1

I2 N1

N2

Primario

V2

Secundario

Figura 12. Esquema de un transformador La relación entre las tensiones de un transformador depende de la relación entre el número de espiras del primario y del secundario:

V1 N 1 = V2 N 2

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CENTRALES ELÉCTRICAS En un transformador ideal, en el que no se produzcan pérdidas de potencia, la potencia que sale por el secundario es la misma que la que entra por el primario:

P1 = P2

⇒

V1 ⋅ I 1 = V2 ⋅ I 2

⇒

V1 I 2 = V2 I 1

Sin embargo, en un transformador real sí se producen pérdidas de potencia, entre otras cosas por el calentamiento de las bobinas y del núcleo, por lo que la potencia que se obtiene en el secundario es inferior a la potencia que entra por el primario. En este caso, podemos establecer el concepto de rendimiento del transformador, como el cociente entre la potencia que tenemos en el secundario y la que tenemos en el primario:

r=

P2 P1

⇒

P2 = r ⋅ P1

⇒

V2 ⋅ I 2 = r ⋅ V1 ⋅ I 1

⇒

V1 1 I 2 = ⋅ V2 r I 1

La potencia perdida en el transformador (PPT) será la diferencia entre la potencia que tenemos en el primario (P1) y la que tenemos en el secundario (P2):

PPT = P1 − P2 Ejemplo Una central genera una potencia eléctrica de PG = 100 MW a una tensión de VG = 25 KV. El transformador de la central tiene un secundario de N2 = 80000 espiras y eleva la tensión hasta VT = 400 KV. Suponiendo que el rendimiento del transformador sea del 100% y que la red de transporte tenga una longitud de L = 200 kilómetros y una resistencia de R = 2 Ω/Km, calcular: a) la intensidad IG de la corriente generada; b) el número de espiras del primario del transformador de la central; c) la intensidad IT en la red de transporte; d) la potencia perdida PP en la red de transporte; e) la potencia PC que nos queda para el consumo después de la red de transporte.

Central

PG, VG, IG

a) PG = VG ⋅ I G ; b)

V1 N 1 ; = V2 N 2

PT, VT, IT

Transf. Eleva.

RT

100 × 10 6 = 25 × 10 3 ⋅ I G ; I G = N1 25 ; = 400 80000

N1 =

Transf. Reduc.

PC

100 × 10 6 = 4 × 10 3 = 4000 A 3 25 × 10

25 ⋅ 80000 = 5000 espiras 400

c) Como el rendimiento del transformador es del 100%:

VG I T ; = VT IG d) RT =

I 25 = T ; 400 4000

IT =

2 Ω/Km ⋅ 200 Km = 400 Ω;

25 ⋅ 4000 = 250 A 400

PP = I T ⋅ RT = 250 2 ⋅ 400 = 25000000 W = 25 MW 2

e) PC = P1 - PP = 100 MW - 25 MW = 75 MW;

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ENERGÍAS ALTERNATIVAS Las energías alternativas tratan de resolver los problemas derivados del uso de las energías convencionales. Para ello, las energías alternativas deben utilizar fuentes de energía renovables, deben ser poco contaminantes y estar disponibles en la mayoría de los lugares. Problemas de las energías convencionales

Soluciones a los problemas de las energías convencionales

•

Aumento de la contaminación: gases de combustión, vertido de productos petrolíferos, fugas de sustancias radioactivas.

•

Agotamiento de los recursos energéticos: sobre todo petróleo y gas natural.

•

Desequilibrio económico y social: los recursos energéticos o la tecnología capaz de explotarlos está en manos de pocos países.

•

Uso de energías alternativas: que sean renovables, poco contaminantes y disponibles en la mayoría de los lugares.

•

Aprovechar al máximo la energía: mediante medidas de ahorro y utilizando sistemas de bajo consumo.

ENERGÍA SOLAR Prácticamente toda la energía que utilizamos procede directa o indirectamente del sol. El viento, el oleaje y el agua son consecuencia de la energía solar. Técnicamente podemos transformar la radiación solar en calor o en electricidad.

EÓLICA

SOL

E. SOLAR INDIRECTA

OLAS

HIDRÁULICA

E. SOLAR DIRECTA CAPTACIÓN TÉRMICA

CAPTACIÓN FOTÓNICA

PASIVA

ACTIVA

CAPTACIÓN FOTOVOLTAICA

ARQUITECTURA SOLAR PASIVA

E. SOLAR TÉRMICA

E. SOLAR FOTOVOLTAICA

CAPTACIÓN FOTOQUÍMICA

BIOMASA

Figura 13. Esquema de las formas de aprovechamiento de la energía solar. La energía solar (Figura 13) puede aprovecharse de forma directa o indirecta.

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Son energías que proceden del sol indirectamente: •

La energía eólica: puesto que el viento es consecuencia de las variaciones de temperatura entre diferentes zonas de la Tierra.

•

La energía de las olas: puesto que las produce el viento.

•

La energía hidráulica: puesto que el ciclo del agua está provocado por el sol.

La energía solar puede aprovecharse directamente mediante: •

•

Captación térmica: consiste en transformar la energía solar en calor, ya sea: o

De forma pasiva: mediante la arquitectura solar pasiva.

o

De forma activa: mediante la energía solar térmica.

Captación fotónica: consiste en transformar la energía solar en energía química (captación fotoquímica) o en energía eléctrica (captación fotovoltaica), dando lugar a dos formas de energía: o

Biomasa: sustancia de origen orgánico (animal o vegetal) que, en último término, procede de la fotosíntesis que realizan las plantas.

o

Energía fotovoltaica: la que se obtiene mediante el efecto fotovoltaico, cualidad que tienen algunos materiales semiconductores para producir corriente eléctrica a partir de los fotones de luz.

A continuación veremos los sistemas de aprovechamiento de energía solar de tipo térmico y fotovoltaico. En cuanto a la energía solar térmica hay que distinguir entre los sistemas de baja temperatura, mediante colectores solares, y los de alta temperatura, mediante centrales solares térmicas.

COLECTORES SOLARES El colector solar (Figura 14) consiste en una caja metálica cerrada, con un cristal en la cara orientada hacia al sol. En el fondo tiene una superficie metálica pintada de negro que absorbe el calor del sol y se lo transmite a una tubería de cobre la recorre. El cristal permite el paso de la radiación solar, pero impide que salga el calor, produciendo un recalentamiento del aire que hay en el interior del colector (efecto invernadero). El aislamiento impide que se produzcan pérdidas de calor en el colector, aumentando su rendimiento.

Figura 14. Colector solar. 16

CENTRALES ELÉCTRICAS Una instalación de calentamiento de agua mediante colectores solares (Figura 15) está formada por los siguientes elementos: 1. El colector solar: es donde se produce el calentamiento del agua por efecto de la radiación solar. Se sitúa en el tejado o la azotea del edificio, con la inclinación y orientación adecuadas. 2. Un acumulador: es un depósito donde se va acumulando el agua caliente. Está conectado a la red de agua de la vivienda por dos tuberías: por la inferior entra el agua fría y por la superior sale el agua caliente. 3. Un intercambiador: es donde el agua que se ha calentado en el colector transfiere su calor al agua fría de la instalación de la vivienda. Consiste en un serpentín (tubería con muchas vueltas) por donde pasa el agua caliente procedente del colector. El serpentín caliente, al entrar en contacto con el agua del acumulador, le transfiere calor. 4. Un circuito hidráulico: formado por las tuberías a través de las cuales circula el agua (ya sea fría o caliente) y una serie de llaves de paso, para controlar el funcionamiento del sistema. 5. Bomba de agua: es la encargada de hacer circular el agua por el circuito del colector, en función de las temperaturas de los sensores SC (zona de agua caliente del colector) y SF (zona de agua fría del intercambiador). 6. Sistema auxiliar de calentamiento: se trata de un termo eléctrico o de gas que podemos utilizar cuando la radiación solar es insuficiente para calentar el agua del acumulador.

Figura 15. Sistema de calentamiento de agua por colector solar. El funcionamiento del sistema es el siguiente: 1. La radiación solar calienta el agua que pasa por el colector. La circulación del agua por el colector está controlada por una bomba. 2. Mediante un intercambiador de calor se calienta el agua de un tanque acumulador, aislado, para evitar pérdidas de calor. 3. El agua caliente del tanque acumulador pasa al circuito de agua caliente (AC) de la vivienda. 4. Cuando la radiación solar es insuficiente para producir la cantidad de agua caliente que se necesita, puede utilizarse un termo eléctrico o de gas como sistema auxiliar.

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CENTRAL TERMOSOLAR Una central termosolar (o solar térmica) es una instalación capaz de producir energía eléctrica a partir de la energía calorífica producida por la radiación del sol, la cual es utilizada para calentar agua, con objeto de producir vapor de agua a presión, que hace funcionar a una turbina de vapor, que a su vez mueve un alternador, que es donde se produce la energía eléctrica. Hay dos tipos de centrales solares térmicas: las de torre central y las de colector distribuido. La diferencia entre una y otra está en la forma de concentrar la radiación solar para calentar un fluido conductor, que posteriormente transmitirá su calor a un circuito de agua.

CENTRAL SOLAR TÉRMICA DE TORRE CENTRAL Este tipo de central termosolar se caracteriza por su torre, que se sitúa aproximadamente en el centro de la planta. La transformación de la energía solar en energía térmica se produce en la caldera, situada en la parte superior de la torre. La concentración de la radiación solar sobre la caldera se realiza mediante espejos planos, llamados helióstatos.

Figura 16. Central solar térmica de torre central

Funcionamiento 1. En la central solar de torre central los rayos de sol son reflejados por espejos planos, llamados helióstatos, y concentrados en la parte superior de la torre, en donde se encuentra la caldera, formada por unos conductos a través de los cuales circula un fluido conductor (generalmente aceite) que absorbe el calor de la radiación solar. Puesto que el sol va cambiando su posición a lo largo del día, los espejos deben reorientarse continuamente y de forma precisa, con objeto de que los rayos de sol se reflejen siempre en el lugar adecuado. 2. En el generador de vapor se produce el intercambio de calor entre el circuito del fluido conductor y el circuito de agua, produciéndose vapor de agua a presión. 18

CENTRALES ELÉCTRICAS 3. El vapor a presión incide sobre los álabes de una turbina de vapor, haciéndola girar. 4. Después de accionar la turbina el vapor de agua pasa de nuevo a la fase líquida en el condensador. En este caso. el condensador puede estar refrigerado por aire o por agua, pero sin necesidad de utilizar una torre de refrigeración. 5. El eje de la turbina está unido al del alternador y por tanto le transmite su movimiento. 6. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento. 7. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.

CENTRAL SOLAR TÉRMICA DE COLECTOR DISTRIBUÍDO Este tipo de central termosolar se caracteriza por usar un espejo curvo, de forma parabólica, como elemento para concentrar la radiación solar sobre una tubería, situada en paralelo con la superficie del espejo. Si orientamos el espejo hacia el sol, la curvatura parabólica del espejo hace que todos los rayos de sol se concentren en un mismo punto (en realidad es una línea paralela a la superficie del espejo) llamado foco. Es en esa posición donde se coloca la tubería con el líquido que queremos calentar (generalmente aceite). El término colector distribuido hace referencia a que los espejos curvos (colectores) están distribuidos en hileras, con objeto de sumar sus efectos y conseguir elevar la temperatura del aceite hasta los valores deseados.

Figura 17. Distribución de los colectores

Figura 18. Colector parabólico

Funcionamiento 1. En la central solar de colector distribuido los rayos de sol son reflejados por espejos cilíndricos de curvatura parabólica, llamados colectores, y concentrados sobre un conducto por el que circula un fluido conductor (generalmente aceite). En este caso los espejos también se orientan automáticamente (en sentido vertical) para captar siempre la máxima radiación posible para cada posición del sol a lo largo del día. La forma parabólica de los espejos hace que los rayos de sol reflejados se

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CENTRALES ELÉCTRICAS concentren en un mismo punto, llamado foco, que es donde se coloca la tubería con el fluido conductor. 2. En el generador de vapor se produce el intercambio de calor entre el circuito del fluido conductor y el circuito de agua, produciéndose vapor de agua a presión. 3. El vapor a presión incide sobre los álabes de una turbina de vapor, haciéndola girar. 4. Después de accionar la turbina el vapor de agua pasa de nuevo a la fase líquida en el condensador. En este caso. el condensador puede estar refrigerado por aire o por agua, pero sin necesidad de utilizar una torre de refrigeración. 5. El eje de la turbina está unido al del alternador y por tanto le transmite su movimiento. 6. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento. 7. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.

Ventajas e inconvenientes de las centrales solares térmicas Ventajas •

Utilizan una fuente de energía inagotable y no contaminante.

•

Mediante procesos de concentración, pueden alcanzarse temperaturas de hasta 3000ºC, lo que supone la puesta en marcha de ciclos termodinámicos de alto rendimiento.

Inconvenientes •

Baja eficiencia, pues sólo se aprovechan el 20% de la energía del sol.

•

Condicionante geográfico, pues deben ubicarse en lugares con suficiente radiación solar.

•

Para una mayor rentabilidad, debería incrementarse su aprovechamiento mediante sistemas de captación de grandes superficies, pero sus componentes son aún excesivamente caros.

CENTRAL FOTOVOLTAICA Una central fotovoltaica es una instalación en la que se produce electricidad a partir de la radiación solar, mediante paneles fotovoltaicos, los cuales son capaces de convertir directamente dicha radiación en electricidad. Por tanto, este tipo de central no hace uso de ninguna turbina, ni de alternador.

El efecto fotovoltaico El principio físico en el que se basan los paneles fotovoltaicos es el efecto fotovoltaico, que consiste en la conversión de energía luminosa en electricidad, fenómeno que se produce en algunos materiales semiconductores formados por dos capas, una de tipo N (con exceso de electrones libres) y otra de tipo P (con defecto de electrones libres, o exceso de huecos). Al incidir la luz solar sobre la capa N, los fotones (partículas energéticas asociadas a la luz) absorbidos por el material semiconductor hacen que los electrones libres 20

CENTRALES ELÉCTRICAS (negativos) adquieran suficiente energía y tiendan a escapar del material, mientras que los huecos (positivos) se muevan hacia el lado contrario, produciéndose entre las dos caras del semiconductor una tensión semejante a la que se produce entre los bornes de una pila. En una célula fotovoltaica los bornes contactos están formados por metálicos situados en ambas caras del material semiconductor.

Figura 19. Efecto fotovoltaico

Figura 20. Central solar fotovoltaica

Funcionamiento 1. La radiación solar incide sobre las células fotovoltaicas, que están fabricadas con un material semiconductor capaz de producir una corriente continua a partir de dicha radiación. 2. Las células fotovoltaicas se conectan en serie para obtener una mayor tensión, dando lugar a los paneles fotovoltaicos, que, a su vez, se conectan en paralelo para obtener una corriente mayor, dando lugar a las placas solares. 3. Las placas solares se orientan automáticamente a lo largo del día para obtener la máxima radiación posible, para cada posición del sol. 4. Mediante un sistema de acumuladores eléctricos (baterías) puede almacenarse el exceso de producción eléctrica durante el día, para ser utilizada por la noche. 5. La corriente continua se convierte en alterna mediante un grupo convertidor, el cual también actúa como transformador, elevando la tensión de la corriente, para poder ser trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.

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CENTRALES ELÉCTRICAS

Ventajas e inconvenientes Ventajas

Inconvenientes

•

Utiliza una fuente de energía inagotable y no contaminante.

•

La conversión de energía solar en electricidad se realiza directamente en los paneles fotovoltaicos.

•

Baja eficiencia, pues sólo se aprovecha el 20% de la energía del sol.

•

Condicionante geográfico, pues deben ubicarse en lugares con suficiente radiación solar.

•

Para una mayor rentabilidad, debería incrementarse su aprovechamiento mediante sistemas de captación de grandes superficies, pero sus componentes son aún excesivamente caros.

CENTRAL EÓLICA Una central eólica es una instalación capaz de producir energía eléctrica a partir de la energía del viento, mediante aerogeneradores. Un aerogenerador es en realidad una turbina (una hélice) accionada por el viento, cuyo movimiento de giro es transmitido a un alternador, que es el encargado de producir la electricidad.

Figura 21. Central eólica y detalle de un aerogenerador

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CENTRALES ELÉCTRICAS

Funcionamiento 1. El viento incide sobre las aspas de la hélice del aerogenerador, haciéndola girar. El aerogenerador dispone de un sistema automático para orientarse siempre en dirección al viento. Asimismo, las aspas pueden variar su inclinación para adaptarse a la velocidad del viento en cada momento. 2. El movimiento de la hélice se transmite, mediante un mecanismo multiplicador, al eje del alternador, de manera que la velocidad de giro de éste sea mucho mayor que la de la hélice. 3. El alternador es capaz de producir electricidad a partir de su movimiento. 4. La corriente eléctrica es elevada de tensión en un transformador, para poder ser trasportada a través del tendido eléctrico con las menores pérdidas posibles.

Ventajas e inconvenientes Ventajas •

Utiliza una fuente de energía renovable.

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No produce gases contaminantes, ni residuos peligrosos.

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La fuente de energía es aprovechada de forma directa y sencilla

Inconvenientes

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Debido a la intermitencia de los vientos, su funcionamiento se limita a un rango de velocidades concreto, lo que impide su pleno aprovechamiento.

•

Afectan al paisaje, emiten ruidos y pueden provocar la muerte de aves por impacto con las aspas.

•

Se trata de una tecnología que aún se está desarrollando.