Auditoria de Sistemas Electromecanicos

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Reynaldo Villanueva Ure

Centrales convencionales Dentro de las centrales convencionales podemos citar a: - Centrales hidráulicas. - Centrales térmicas. - Centrales nucleares. A) Centrales hidráulicas Las centrales hidráulicas utilizan la energía potencial del agua para convertirla en energía mecánica y luego en eléctrica. La captación del agua provoca un desnivel que origina energía potencial acumulada, el agua al impactar en las paletas de la turbina hace que ésta obtenga un movimiento giratorio que acciona al generador produciendo energía eléctrica.

1

1



Figura 17. Centrales hidroeléctricas Situación actual del uso de la energía hidráulica Se aprovecha solamente 5% del potencial hidráulico del Perú, mayormente en centrales hidroeléctricas grandes conectados a la red nacional, y suministrando 23% de toda la energía consumida en el Perú y 71% de la energía eléctrica. Es la energía potencial de recursos hídricos naturales (ríos, riachuelos, quebra- das) y artificiales (canales). •

Molinos de agua

•

Turbinas hidráulicas

Dispositivos de aprovechamiento

Parámetros principales del recurso Potencia teórica (KW)

2

•

-

Pelton

-

Francis

-

De hélice

-

Kaplan

-

Bulbo

- Etc. Caudal - Q (m3/s)

• Caída - H (m) P=10 *Q*H

2


Determinación de parámetros principales del recurso

3


•

Caudal - hidrología y meteorología

•

Caída - topografía

3



Componentes de una Central Hidroeléctrica •

Presa. Se ubica en el rio para detener el agua y formar un embalse, el cual tiene un nivel determinado, el desnivel entre el nivel del embalse y el de la turbina se aprovecha para generar energía eléctrica.

•

Toma. Capta el agua para elevarla a través de un canal o túnel a presión a la turbina del grupo generador ubicado en la casa de máquinas. Siempre, al ingreso de la toma se instala una reja para detener el material flotante, troncos, ramas, plásticos, etc., evitando que puedan llegar a la turbina y causar desperfectos.

•

Desarenador. Para decantar los sólidos que transporta el agua, se instala en el canal un desarenador, en el cual la velocidad de agua disminuye y por gravedad se depositan en el fondo los salidos en suspensión (limo). De esta manera se previene el desgaste innecesario en los rodetes de la turbina.

•

Túnel a presión. Conduce el agua a presión hasta la chimenea de equilibrio que absorbe la sobrepresión llamada comúnmente «golpe de ariete».

•

Casa de máquinas. En la casa de máquinas se ubican los grupos generadores, con sus Elementos de control, mando, señalización y protección así como los servicios auxiliares.

•

Turbinas hidráulicas. Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas: -

Pelton: para grandes alturas

-

Francis: para alturas medianas

-

Kaplan o hélice; para pequeñas alturas.

B) Centrales térmicas Son aquellas centrales que producen energía eléctrica a partir de la combustión del carbón, petróleo o gas. El esquema de funcionamiento de las centrales termoeléctricas es prácticamente el mismo entre sí. La principal diferencia consiste en el tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y en el diseño de sus quemadores, que varían según el tipo de combustible empleado. Una central termoeléctrica clásica posee, dentro del propio recinto de la planta, un sistema de almacenamiento del combustible que utiliza, para asegurar así su disponibilidad permanente.

4

4



Figura 18. Central de gas de ciclo combinado

Figura 19. Motor Diesel 5

5



Figura 20. Motor Diesel

6

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Figura 21. Motor Diesel

7

7



Figura 22. Turbina a Vapor

¿Cómo funcionar’a esta central termoeléctrica a gas? Turbinas a gas natural El gas natural ingresa a las instalaciones y activa un motor, el cual genera energía.

El aire caliente que se genera por la activación de los motores es recuperado en unas torres para calentar agua fría y así generar una gran cantidad de vapor.

Planta termoeléctrica Turbina a vapor El vapor de alta presión proveniente de las torres activa un nuevo motor que genera más energía eléctrica Luego el vapor pasa a tener una baja presión llega al condensador.

Patio de llaves Elevan la tensión de la electricidad obtenida para que esté lista para el transporte.

es la cantidad de agua que se utilizara

se generará por el uso de gas natural

se generarían mediante el procesamiento del vapor

¿Cómo funciona una planta de ciclo combinado? Emplea el agua caliente y el vapor en dos ciclos distintos. Toma de agua: está a 75 m de la playa y a 12m de profundidad Diámetro de la tubería 15 m

Según la empresa, el agua 0 regresaría a menos del 19 C

Océano Pacífico

es la cantidad total de energía que producirá la planta termoeléctrica

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8



Figura 23. Funcionamiento de central termoeléctrica

9

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C) Centrales nucleares Una central eléctrica nuclear, es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover al rotor del generador y por lo tanto para obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al calentar el agua en un reactor nuclear. Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena de los combustibles radioactivos, con los medios adecuados para extraer el calor generado. La fisión nuclear es una reacción que se produce mediante el bombardeo con neutrones de determinados núcleos, denominados núcleos fisionables. En la fisión acontece que al romperse el núcleo se liberan varios neutrones con una energía igual o superior a los de los neutrones incidentes, lo que permite que los neutrones producidos den lugar a nuevas fisiones, generándose así una reacción en cadena. GENERADOR DE VAPOR

TORRE DE REFRIGERACIÓN

DISPOSITIVO DE CONTENCIÓN TURBINA DE VAPOR

RED ELECTRICA

ALTERNADOR

BOMBA

COMBUSTIBLE

CONDENSADOR

REACTOR NUCLEAR

Figura 24. Central nuclear

TRANSFORMADOR

Barras de control Capturan los neutrones que se producen en la fisión para controlar la reacción en cadena

Núcleo del reactor Es la zona en la que se encuentran los elementos combustibles y las

Energía atómica

Las centrales nucleares son aquellas instalaciones en las que se producen reacciones nucleares forma controlada, para aprovechar los neutrones, radiaciones y la energía térmica que se genera. Hay dos tipos de centrales: las de investigación y docencia; y las de potencia, cuyos objetivos son producir energía eléctrica, desalinizar agua de mar, calefaccionar y generar combustible nuclear. Aquí vemos como la energía términa o. Torres de suministro Generador Produce Turbina electricidad a 25.000 voltios Es accionada por la presion del vapor.

Generador de vapor Convierte el agua en vapor.

barras de control.

Combustible Generalmente se usa óxido de uranio enriquecido con uranio235. En forma de pastillas se introducen en una varilla o tubo metálico de uno cuatro metros de longitud.

Refrigerante Suele ser agua, aunque hay reactores que emplean gas. Circula alrededor de los elementos combustibles para enfriar el núcleo.

Agua fría Refrigera el condensador.

Condesador El vapor de condensa en aguay regresa al generador de vapor

Transformador Incrementa el voltaje a 300.000 voltios

Figura 25. Energía atómica 23

1 Edificio de contención

1

2 Recubrimiento de acero

2

3 Tuberías de vapor principal 4 Edificio de turbinas

4

24

5 Turbina de alta presión 6 Turbina de baja presión 8 Transformadores

21

9 Lineas de transporte de

energía eléctrica

12 Sala de control 13 Grua de manejo del combustible

gastado 14 Almacenamiento de combustible gastado 15 Reactor 16 Almacén de combustible nuevo 17 Foso de carga de contenedores

de combustible gastado

20 Grúa manipuladora

de combustible

21 Presionador

22 Generador de vapor

9

8

15

de combustible

del reactor

7

13

18 Grúa del edificio

19 Bomba de refrigerante

6

20

22

10 Condensador

11 Agua de refrigeración

5

3

7 Generador eléctrico

18

19

12 17

16

14

23 Torre de refrigeración 24 Grúa polar del edificio

Figura 26. Partes de una central nuclear

11 10

Centrales no convencionales A) Centrales eólicas Los generadores eólicos (aerogeneradores), transforman la energía cinética del viento en energía mecánica primero y en energía eléctrica posteriormente. El aerogenerador es el dispositivo donde se ubican los diferentes elementos necesarios para producir la energía eléctrica. Tabla 1.10. Central eólica Item

Componentes

1

Turbina

2

Cables conductores

3

Carga de frenado

4

Toma de tierra

5

Caja de control de batería

6

Fuente auxiliar

7

Acumuladores

8

Líneas de transporte de energía

Figura 27. Central eólica

Figura 28. Turbina-Generador B) Centrales solares Una central solar es aquella en la que se aprovecha la radiación solar para producir energía eléctrica. En la actualidad, la energía solar está siendo aprovechada para fines energéticos a través de dos vías basadas en principios físicos diferentes. • La vía térmica, que absorbe la energía solar y la transforma en calor. • La vía fotovoltaica, que la transforma directamente la energía solar en energía eléctrica mediante células solares o células fotovoltaicas.

Item 1 2 3 4 5 6 7 8

Figura 29. Centrales solares

Componentes Caldera Campo de heliostatos Torre Almacenamiento térmico Generador de Vapor Turbo-Alternador Aero-condensador Líneas de transmisión

Recurso solar

Salida de calor

Sol

Buhardilla

Persianas borradas

Buhardilla

Muro de hormigón grueso

Ventilador Respiradero

Aislamiento

Sol

Percianas abiertas

Orina

Depósitos de agua

Espacio solar

Espacio solar

Refrigeración solar pasiva (Verano)

Depósitos de agua para almacenamiento de calor

Calentamiento solar pasivo (invierno)

Figura 30. Utilización Pasiva-Arquitectura Solar

Junta de estanquidad

921 m/m Placa captadora

Cubierta transparente

Canales verticales de circulación

Canales de distribución del fluido en la placa absorvente Tubos para conexión entrada - salida del fluido al colector Soporte placa

Caja colector

Figura 31. Colectores Planos-Calefacción (Baja temperatura - hasta 90 °C)

ESQUEMA COLECTOR SOLAR PARABOLICO

AGUA FRIA

AGUA CALIENTE

Figura 32. Esquema de funcionamiento del colector concéntrico

COLECTOR

TANQUES DE ACEITE

COLECTOR

CALDERA

COLECTOR

TURBINA

TRANSFORMADOR

ALTERNADOR

Figura 33. Colectores concéntricos - Generación de energía (Media temperatura - hasta 300 °C)

Figura 34. Helióstato

Figura 35. Central eléctrica solar con helióstatos-altas temperaturas

Figura 36. Cesa-1 en Almería (España) 1.2 MW; helióstatos N° 300; 11,900 m2

DC Power Solar Cells

AC Loads

DC Loads

Charge Controller Ba eries

AC Power

Inverter

Figura 37. Sistema fotovoltaico domiciliario aislado

Solar Panels

Inverter

Home Power/ Appliances

Utility Service Meter Residential Grid-Connected PV System

Figura 38. Sistema fotovoltaico domiciliario conectado a la red Energía solar 1.

La constante solar Isc es la cantidad de energía solar por unidad de tiempo que incide perpendicularmente sobre una superficie de área unitaria colocada fuera de la atmósfera terrestre a una distancia promedio Sol-Tierra (1367 W/m² ).

2.

La superficie en la Tierra recibe mucha menor energía debido a absorción, refracción y reflexión. La energía solar total anual que incide sobre el territorio del Perú varía según la región entre 4 y más de 7.5 KWh/m².

3. El impacto ambiental de los sistemas solares es mínimo; sin embargo: a) Para sistemas de conversión térmica: • Peligro para pájaros e insectos (colisión e incineración); • Escape de líquidos tóxicos de sistemas de transferencia de calor; • Riesgo para tráfico aéreo y terrestre (destellos); • Cambios climáticos (evapotranspiración). b) Sistemas fotovoltaicos: • Componentes obsoletos (baterías). Situación actual del uso de la energía solar • Fotovoltaica alrededor de 10 000 SFV instalados.

• Con una potencia total de 1,5 MW y en foto térmica de 25 000-30 000 termas solares instalados en Arequipa y con todas las demás aplicaciones de energía solar no se llega ni al 1% de la energía consumida en el Perú. C) Centrales geotérmicas Es la energía interna y cinética asociada al vapor de agua que sale directamente a la superficie en zonas volcánicas y al aumento de temperatura que se produce conforme profundizamos en la superficie terrestre. D) Centrales a biomasa Es la energía asociada a los residuos orgánicos generados en la transformación de productos agrícolas, forestales y a los residuos sólidos urbanos, produciendo gases combustibles que se utilizan para generar energía eléctrica. E) Centrales mareomotrices Es la energía asociada a las mareas provocadas por la atracción gravitatoria del sol y principalmente de la Luna, aprovechada por las turbinas hidráulicas para producir energía eléctrica. F) Mini centrales hidráulicas Las mini centrales hidráulicas son construidas especialmente para abastecer de energía eléctrica a poblados aislados que no se encuentran conectados al sistema interconectado nacional. El caudal necesario de agua para la generación es pequeño; a veces se hace uso de los canales de regadío, con lo cual se disminuyen los costos de construcción. Estas centrales trabajan en sistema aislados y básicamente cubren las necesidades de alumbrado público y servicio doméstico. Energía geotérmica La energía geotérmica es la energía calórica contenida en el interior de la Tierra, que se transmite por conducción térmica hacia la superficie. El conjunto de técnicas utilizadas para la exploración, evaluación y explotación de la energía interna de la Tierra se conoce como Geotermia. Tiene sus inconvenientes ecológicos, como por ejemplo: • Emisión de ácido sulfhídrico que se detecta por su olor a huevo podrido, pero que en grandes cantidades no se percibe y es letal.

• Emisión de CO2, con aumento de efecto invernadero. • Contaminación de aguas próximas con sustancias como arsénico, amoniaco, etc. • Contaminación térmica.

Silenciador

Separador Vaporducto Turbogenerador

Laguna de evaporación Arcillas, arena y grava

Torre de enfriamiento

Turbina

Zona productora Lulitas

Subestación Generador

Gases incondensables

A la

atmosfera

y areniscas

Basamento granítico Magma

Condensador barométrico

Bomba de circulación Bomba de succión

Pozo caliente

Figura 39. Esquema de energía geotérmica Biomasa La biomasa es el nombre dado a cualquier tipo de materia orgánica que procede de las plantas como resultado de la fotosíntesis, de los seres vivos o residenciales y de sus derivados; además, de los procesos fisiológicos y biológicos de animales que están contenidos en un ecosistema o comunidad. La energía de biomasa se puede obtener a partir de: 1.

Biocombustibles sólidos, líquidos y gaseosos primarios y secundarios derivados de los bosques, árboles y otros terrenos boscosos; es la energía producida tras la combustión de leña, carbón vegetal, pellets, briquetas, etc. (conocida como dendroenergía), a través de técnicas de:

 • Combustión directa • Gasificación

2.

Cultivos energéticos, que son las plantaciones o cultivos cuyo principal objetivo es la producción de biomasa con fines energéticos mediante combustibles derivados de ellos.

3. Biogás, que es la mezcla de gas producido por bacterias metanogénicas que transforman material biodegradable en condiciones anaerobias. preparación

dosificador

a la red eléctrica

almacenamiento de combustible transformador

generador

filtro

caldera

cenizas

condensador

tanque de agua

Figura 40. Esquema de central de biomásica El impacto ambiental en el uso de biomasa es mayor que de otras fuentes de energía renovable: • Su combustión produce GEI y contamina el medio ambiente (CO CO, No 2 x, cenizas) .

•

Plantaciones de cultivos energéticos requieren tierras y agua, lo que podrá causar deforestación y conflicto con el uso de los mismos recursos para fines alimenticios.

•

El uso de biocombustibles reduce CO y VOC (Volatile Organic Compounds “partículas orgánicas”) en los gases de escape de vehículos, pero la cantidad de Nox no será aminorada significativamente.

Energía mareomotriz La energía mareomotriz es la energía de las mareas, que son el cambio periódico del nivel del mar, producido principalmente por las fuerzas gravitacionales que ejercen la Luna y el Sol.

La energía estimada de mareas es de 24,000 TWh. La central de Rance (Francia), construida entre 1960 y 1966 tiene 240 MW y funciona con 13.2 m de diferencia entre pleamar y bajamar. El impacto ambiental de una central de mareas es considerable: a) Requiere largas presas y embalses. b) Causa la salinización de amplias zonas interiores (embalse). c) Afecta al ecosistema marino, zonas costeras y zona de inter-marea (zona que periódicamente se inunda y seca por efecto de marea). EMBALSE

EMBALSE

MAR En pleamar el agua fluye del mar embalse

MAR En bajamar el agua fluye del embalse al mar

Figura 41. Esquema de energía mareomotriz

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