Centrales Eléctricas
Tipos de Centrales Eléctricas
- Central de Biomasa: Utiliza biomasa como combustible. Similar a las centrales térmicas convencionales, pero con diferentes combustibles.
- Centrales Térmicas de Ciclo Combinado: Emplean tecnología que permite aprovechar más la energía primaria, ya que utilizan celdas termodinámicas.
- 1er Ciclo Brayton: Combustión de gas natural en una turbina de gas.
- 2do Ciclo de Vapor: Aprovecha el calor de los gases para hacer vapor y mover una turbina de vapor.
- Centrales Nucleares: Fisión de átomos de uranio; por impacto de un neutrón, liberan energía. Esta calienta el fluido, convirtiéndolo en vapor, que acciona turbinas de vapor para generar energía.
- Centrales Eólicas: La energía cinética del viento se transforma en energía mecánica mediante un aerogenerador.
- Centrales Termoeléctricas Solares: La energía del sol calienta un fluido que luego se convierte en vapor y sigue un ciclo similar al de las centrales térmicas convencionales.
- Centrales Hidroeléctricas: El agua en corriente, por efecto de un desnivel, actúa sobre un grupo de turbinas (hidráulica-alternador) dando lugar a la producción de energía.
- Centrales Térmicas Convencionales: Combustibles fósiles son quemados en una caldera generando energía calorífica que evapora agua. Este vapor, a alta presión, hace accionar una turbina, convirtiendo la energía calorífica en mecánica y generando electricidad.
Generación de Corriente Alterna
Funcionamiento de las Centrales Eléctricas
La generación de electricidad es el proceso de conversión de energía primaria a electricidad. (Las tecnologías se basan en el generador eléctrico o alternador).
Fuentes de energía primaria: (Producen la energía mecánica de rotación necesaria para generar electricidad)
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Centrales eléctricas
Inducción Electromagnética
En 1830, los físicos Michael Faraday en Inglaterra y Joseph Henry en Estados Unidos, descubrieron, en forma individual e independiente, que la variación de un campo magnético puede producir una corriente eléctrica. Este descubrimiento cambió al mundo, suministrando cada día energía eléctrica a las industrias y alumbrando ciudades por la noche, como nuevas fuentes de electricidad, además de la pila de Volta.
Fuerza Electromotriz Inducida
La experiencia de Faraday consistió en mover un imán por el centro de una espira. Él observó que cuando ingresaba y salía el imán se generaba corriente eléctrica, pero cambiando de polaridad. En cambio, si el imán permanecía en reposo con respecto a la espira, no se generaba corriente.
Otras Experiencias
- Si se mantienen fijos tanto la espira como el solenoide, se observa en ellos la producción de una corriente inducida en el momento de abrir o cerrar el interruptor que controla el paso de la corriente del solenoide.
- Si manteniendo fijos la espira y el solenoide, además, se deforma la espira, también se detecta en ella la existencia de una corriente eléctrica inducida mientras se deforma.
Por otra parte, Henry descubrió que si un conductor de longitud L se mueve perpendicularmente a un campo magnético, se origina una diferencia de potencial en los extremos del conductor. Esta diferencia de potencial originará una corriente si los extremos del conductor se unen formando un circuito cerrado. Si se invierte el sentido del movimiento del conductor, se observa un cambio de sentido de corriente.
Interpretación de las Experiencias de Faraday y de Henry
Para explicar la aparición de las corrientes inducidas podemos considerar el fenómeno de la inducción como una consecuencia de la fuerza de Lorentz. Esta fuerza magnética actúa sobre las cargas libres que existen en un conductor, moviéndolas en el mismo sentido y originando la corriente inducida. Esta hipótesis explica la experiencia de Henry. Sin embargo, podemos interpretar la aparición de las corrientes inducidas de una forma más sencilla e intuitiva: podemos suponer que la causa de las corrientes inducidas es la variación del flujo magnético que atraviesa el área encerrada por el plano del conductor inducido. El flujo se puede definir como el número de líneas de campo que pasa a través de una superficie.
ϕ = B · A
La unidad del flujo en el sistema internacional es el weber (Wb). Ahora, si B no es perpendicular al área A, sino que forma un ángulo α con el campo, el vector B se puede separar en dos componentes: una en dirección del campo magnético paralela al área (no produce flujo) y la otra componente B⊥ = B · cos θ perpendicular al área A.
De este modo, el flujo se puede escribir:
ϕ = B⊥ · A = B · A · cosθ
Entonces, el flujo depende del módulo del campo magnético B, del módulo del área de la superficie (A) y de la orientación de esta en el campo magnético. Como el flujo magnético depende de tres factores, basta que cambie el valor de uno de ellos para que haya variación de flujo.
Principios Fundamentales de la Inducción Electromagnética
- Toda variación de flujo que atraviesa un circuito cerrado produce en este una corriente inducida.
- La corriente inducida es una corriente instantánea, pues solo dura mientras dura la variación de flujo.
Leyes de la Inducción Electromagnética
- Ley de Lenz (cualitativa): El flujo producido por la corriente inducida se opone a la variación del flujo inductor. Es decir, el sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que la origina. Es el principio de acción y reacción en electromagnetismo.
- Ley de Faraday (cuantitativa): La corriente inducida es producida por una fem inducida, directamente proporcional a la rapidez con que varía el flujo y al número de espiras del conductor inducido. ε = – N · ∆ϕ/∆t Donde ε tiene unidades de Volt, ϕ en Weber y t en segundos, el signo negativo está dado por la ley de Lenz.
Generadores Eléctricos
Un generador eléctrico es un aparato que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Básicamente, el funcionamiento de un generador es lo contrario del funcionamiento de un motor, ya que este último transforma la energía eléctrica en energía mecánica.
La mayoría de los generadores producen corriente alterna (ca), que se llama así porque la polaridad del voltaje y el sentido de la corriente cambian en forma periódica. Así, la energía eléctrica que usas en tu hogar y en la industria se entrega en forma de voltaje y corriente alternos.
Otro nombre que recibe un generador de ca es el de alternador. Los elementos de un generador sencillo de ca son:
- Una espira de alambre, llamada armadura, se hace girar mecánicamente dentro de un campo magnético, con propulsión externa como, por ejemplo, una corriente de agua o con vapor que pase por los álabes de una turbina. La rotación de la espira hace que cambie el flujo magnético que la atraviesa y se induzca en ella una corriente. Los extremos de la espira se conectan a un circuito externo mediante anillos rozantes y escobillas. En la práctica, los generadores tienen muchas espiras o devanados en sus armaduras.
Cuando la espira se hace girar a una velocidad angular ω constante, el ángulo θ que forman los vectores campo magnético (perpendicular al plano de la espira) y área de la espira cambia con el tiempo. Así, la relación entre el ángulo θ y el módulo de la velocidad angular ω es θ = ω · t (suponiendo que θ = 0° cuando t = 0 segundos). La cantidad de líneas de campo magnético que pasan por la espira cambia con el tiempo, causando una fem inducida.
De acuerdo con la ecuación ϕ = B · A · cosθ, el flujo para una espira es:
ϕ = B · A · cosθ ϕ = B · A · cos(ω · t)
La dirección de la corriente producida por esta fem alterna inducida también cambia en forma periódica. En las aplicaciones cotidianas se acostumbra manejar la frecuencia f de la armadura, en hertz o rotaciones por segundo, y no la frecuencia angular ω. Como se relacionan por la ecuación ω = 2 · π · f, se puede refórmular como sigue la ecuación:
ε = ε0 · sen(2 · π · f · t)
En otras palabras, la frecuencia de la ca determina el voltaje que se suministra a una casa o industria.