GENERADORES DE ENERGÍA
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| Generador eléctrico de una fase que genera una corriente eléctrica alterna (cambia periódicamente de sentido), haciendo girar unimán permanente cerca de una bobina. |
Principio Básico
Principios electrónicos
Cómo y por qué ??
CÓMO FUNCIONA UN GENERADOR
QUÉ ES Y CÓMO FUNCIONA UN GENERADOR
Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencialeléctrica entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales obornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnéticosobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estátor). Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz(F.E.M.). Este sistema está basado en la ley de Faraday.
Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases.
El proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico, que transforma energía eléctrica en mecánica.
MÁS SISTEMAS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA (Wikipwdia.es)
No sólo es posible obtener una corriente eléctrica a partir de energía mecánicade rotación sino que es posible hacerlo con cualquier otro tipo de energía como punto de partida. Desde este punto de vista más amplio, los generadores se clasifican en dos tipos fundamentales:
- Primarios: Convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, como alternadores, dinamos, etc.
- Secundarios: Entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente, es decir, en primer lugar reciben energía de una corriente eléctrica y la almacenan en forma de alguna clase de energía. Posteriormente, transforman nuevamente la energía almacenada en energía eléctrica. Un ejemplo son las pilas o baterías recargables.
Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de fundamento.
[editar]Generadores primarios
Se indican de modo esquemático la energía de partida y el proceso físico de conversión. Se ha considerado en todos los casos conversiones directas de energía. Por ejemplo, el hidrógeno posee energía química y puede ser convertida directamente en una corriente eléctrica en una pila de combustible. También sería su combustión con oxígeno para liberar energía térmica, que podría expansionar un gas obteniendo así energía mecánica que haría girar unalternador para, por inducción magnética, obtener finalmente la corriente deseada.
| Energía de partida | Proceso físico que convierte dicha energía en energía eléctrica |
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| Energía magneto-mecánica | Son los más frecuentes y fueron tratados como generadores eléctricos genéricos. |
| Energía química (sin intervención de campos magnéticos) | Celdas electroquímicas y sus derivados: pilas eléctricas, baterías, pilas de combustible.
Ver sus diferencias en generadores electroquímicos.
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| Radiación electromagnética | Fotoelectricidad, como en el panel fotovoltaico |
| Energía mecánica (sin intervención de campos magnéticos) |
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| Energía térmica (sin intervención de campos magnéticos) | Termoelectricidad (efecto Seebeck) |
| Energía nuclear (sin intervención de campos magnéticos) | Generador termoeléctrico de radioisótopos |
En la mayoría de los casos, el rendimiento de la transformación es tan bajo que es preferible hacerlo en varias etapas. Por ejemplo, convertir la energía nuclear en energía térmica, posteriormente en energía mecánica de un gas a gran presión que hace girar una turbina a gran velocidad, para finalmente, porinducción electromagnéticaobtener una corriente alterna en unalternador, el generador eléctrico más importante desde un punto de vista práctico como fuente de electricidad para casi todos los usos actuales.
ENERGIA EÓLICA
¿Que es la energía eolica?
La energía eolica es la energía cuyo origen proviene del movimiento de masa de aire3 es decir del viento.
En la tierra el movimiento de las masas de aire se deben principalmente a la diferencia de presiones existentes en distintos lugares de esta, moviéndose de alta a baja presión, este tipo de viento se llama viento geoestrofico.
Para la generación de energía eléctrica apartir de la energía del viento a nosotros nos interesa mucho mas el origen de los vientos en zonas mas especificas del planeta, estos vientos son los llamados vientos locales, entre estos están las brisas marinas que son debida a la diferencia de temperatura entre el mar y la tierra , también están los llamados vientos de montaña que se producen por el calentamiento de las montañas y esto afecta en la densidad del aire y hace que el viento suba por la ladera de la montaña o baje por esta dependiendo si es de noche o de día.
Factores que influyen en la cantidad de potencia del viento
La energía eolica es aprovechada por nosotros básicamente por un sistema de un rotor que gira a medida que pasa viento por este.
La potencia del viento depende principalmente de 3 factores:
- Área por donde pasa el viento (rotor)
- Densidad del aire
- Velocidad del viento
Para calcular la formula de potencia del viento se debe considerar el flujo másico del viento que va dado por:
Densidad del viento
Área por donde pasa el viento
Velocidad del viento
Entonces el flujo masico viene dado por la siguiente expresión:
Entonces la potencia debido a la energía cinética esta dada por:
Algunas consideraciones con respecto al viento
Como la mayoría de las personas saben el viento no siempre se mantiene constante en dirección y valor de magnitud, es más bien una variable aleatoria, algunos modelos han determinado que el viento es una variable aleatoria con distribución weibull como la que muestra la siguiente figura
Dado que la energía del viento depende la velocidad del viento, ¿Cual seria la energía potencia que entrega el viento?
Para calcular la potencia promedio que es aprovechada por el rotor debemos usar la llamada ley de Betz que es demostrada de la siguiente manera:
Supongamos que la velocidad a la que entra el viento al tubo de corriente es de valor V1 y a la velocidad que sale es de V2, podemos suponer que la velocidad a la que el viento entra al aerogenerador es de (V1+V2)/2.
El flujo másico que entra al rotor entonces tiene valor de:
Dado que en tubo de corriente se debe conservar la potencia, la potencia que entra a velocidad V1 tiene que ser igual a la suma de la potencia que sale a velocidad V2 y la que se va por el rotor.
Entonces la potencia que se va por el rotor es:
Protor=
Y remplazando la masa nos queda:
P = (
/4) (v12 - v22) (v1+v2) A
/4) (v12 - v22) (v1+v2) A
La potencia que lleva el viento antes de llegar al rotor viene dado por:
P0 = (/2) v13 A
/2) v13 A
Ahora si la comparamos con la potencia que lleva el viento nos da la siguiente grafica:
Cuyo máximo viene dado por 0.59 aproximadamente, es decir la máxima potencia que se puede extraer del viento es de 0.59 veces esta potencia
Comparación entre las potencias
El grafico muestra las potencias del viento, la extraída por el rotor y la potencia transformada a electricidad.
La extraída por el rotor esta limitada por la ley de Betz y la transformada a electricidad esta limitada por la eficiencia del generador.
Como la potencia entregada dada por el generador eólico depende de la velocidad del viento la eficiencia va ha depender también de la velocidad del viento registrándose eficiencias máximas del orden de 44%
Hay que tener además bien en claro que para la lograr una eficiencia alta como la que sale aquí es necesario muchos gastos que aumentarían el costo de producir un Kw. mas, por lo tanto máxima eficiencia no implica menor costo de generación
Energía eléctrica disponible en un aerogenerador
Supongamos que se tiene un aerogenerador, un ejemplo, caso danés de 600 Kw. de potencia.
Los fabricantes por lo general entregan la Curva de energía eléctrica disponible versus las velocidades a diferentes parámetros de la distribución de weibull:
Los distintos colores representan las distintas distribuciones probabilísticas de los vientos en año a distintas velocidades, uno esperaría que a medida que aumentamos la velocidad la energía debería estar a una función cúbica de esta, sin embargo esto nos se produce ya que la eficiencia de los aerogeneradores no es constante, por lo tanto la tendencia es más bien lineal.
Funcionamiento de un aerogenerador
El aerogenerador consta de varias partes un esquema general de cómo funciona el aerogenerador esta dado por la siguiente figura:
Palas del rotor: Es donde se produce el movimiento rotatorio debido al viento.
Eje: Encargado de transmitir el movimiento rotatorio.
Caja de engranajes o Multiplicadores: Encargados de cambiar la frecuencia de giro del eje a otra menor o mayor según dependa el caso para entregarle al generador una frecuencia apropiada para que este funcione.
Generador: Es donde el movimiento mecánico del rotor se transforma en energía eléctrica.
Además de estos componentes básicos se requieren otros componentes para el funcionamiento eficiente y correcto del aerogenerador en base a la calidad de servicio de la emergía eléctrica, alguno de ellos son:
Controlador electrónico: que permite el control de la correcta orientación de las palas del rotor, también en caso de cualquier contingencia como sobrecalentamiento del aerogenerador lo para.
Unidad de refrigeración: Encargada de mantener al generador a una temperatura prudente.
Anemómetro y la Veleta: Cuya función están dedicadas a calcular la velocidad del viento y la dirección de este respectivamente.
Están conectadas al controlador electrónico quien procesa estas señales adecuadamente.
Control de potencia en los aerogeneradores
Pitch controlled
También llamados por regulación de ángulo de paso, el controlador electrónico lleva un registro de las potencias entregadas por el aerogenerador, si la potencia entregada pasase un valor nominal el controlador hace que el ángulo por donde se recibe el viento cambie de posición lo que hace que cambie el área efectiva por donde pasa el viento y por lo tanto disminuye su potencia absorbida, en el caso que la potencia recibida es muy chica se hace el procedimiento contrario
Stall controlled
Denominados también regulados por perdida de aerodinámica, las palas del rotor están fijas al eje, las palas del rotor han sido aerodinámicamente diseñadas de tal manera que a medida que aumenta la velocidad del viento se produce paridad de potencia por turbulencias y así se regula la potencia generada.
Por alerones
Esta técnica consiste en cambiar la geometría de las palas del rotor, sin embargo esto produce fuerzas que pueden dañar la estructura, por lo tanto es sola usada en generadores de baja potencia.
Relación tamaño potencia
Existe una estrecha relación al tamaño de las palas del rotor y la potencia entregada por este.
En la figura siguiente se muestra la relación:
Generación de la electricidad en los aerogeneradores
Descripción general de un sistema de generación eolico
Por lo general los generadores pueden ser de inducción o sincronos
Generadores de inducción:
Los generadores de inducción presentan un rotor llamado rotor de jaula de ardilla el cual consta de barras cortocircuitadas tal como muestra la figura
Si hacemos girar al generador de inducción el estator inducirá corrientes en el rotor y con esto se generara electricidad.
Una característica importante de los generadores de inducción es la variable llamada deslizamiento que la diferencia entre la velocidad de giro versus la velocidad de sincronismo.
Generadores sincronos:
Son llamados así por que la frecuencia que inducen es proporcional a la velocidad de giro del rotor, el rotor debe estar excitado con corriente continua o con un imán.
Para la generación eolica se tienen los siguientes esquemas de conexión:
Uno de los problemas mas grande de los generadores son entregar la frecuencia apropiada a la red y también los niveles de tensiones adecuados, esto se puede regularizar usando la potencia reactiva.
Operación económica de la generación eólica
Como sabemos la energía eólica posee un elemento aleatorio en su generación que es la fuerza del viento análogo a las hidrogeneradoras que su variable aleatoria es las hidrológica.
Como sabemos una operación eficiente de un sistema eléctrico consiste en resolver un problema de optimización el cual considera que:
- Equilibrio de la oferta y la demanda de energía
- Conversión de la energía de recursos primarios
- Capacidad de las plantas y potencias instaladas
- Capacidad almacenada
También este problema de operación económica considera:
- Variabilidad de la demanda a lo largo del año
- Abastecimiento de la demanda en periodos de alta y baja
- Proyección de la demanda en el futuro
Viendo distintos datos se puede apreciar un ejemplo de la operación económica en Turquía (Los datos están de acuerdo a sus características geográficas , así que si hay mucha diferencia con el caso chileno no extrañarse) en donde existen distintos tipos de tipo de generación encontrándose los siguientes valores:
- Hidroeléctrica: Costo 40 $/Kw/año
- Térmica: Costo 20 $/Kw/año (Bencina + operación)
- Solar: Costo 30 $/Kw/año
- Eólica: Costo 30 $/Kw/año
Para una eficiente despacho de las generadoras se despacha según el menor costo, en Turquía se ven dos tipos de periodos uno normal y otro de alta demanda registrándose los siguientes tipos de despachos:
Mes normal
Demanda total: 10800 MW
- Despacho térmico:7920 MW
- Despacho Hidroeléctrico:1536 MW
- Despacho eólico:1344 MW
- Despacho solar:0
Como se puede apreciar el despacho de potencia se realizo según la que tiene menor costo hasta la que tiene mayor costo, ya que la idea es minimizar los costos de operación.
El caso eólico es importante en Turquía ya que ocupa el 12% del total de la generación.
ENERGÍA CINÉTICA (PULSE EL TÍTULO PARA IR A LA PAGINA)
Ejemplos de energía cinética
Esta publicidad de Snapdragon, llamada The Bug Circus Generador, nos muestra de una manera graciosa un ejemplo de generación de energía cinética. Tiene como protagonistas a distintos insectos, formando en conjunto un divertido circo del lo más particular: una araña, un par de escarabajos, cucarachas y grillos entre otros pequeños acróbatas, van cargando un Smartphone con sus movimientos
EJEMPLO CARRITO CON ENERGIA SOLAR (PULSE EL LINK)
ENERGÍA MECÁNICA
La energía es una propiedad que se relaciona con los cambios o procesos de transformación en la naturaleza. Sin energía ningún proceso físico, químico o biológico sería posible.
La forma de energía asociada a las transformaciones de tipo mecánico se denomina energía mecánica y su transferencia de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo. Ambos conceptos permiten estudiar el movimiento de los cuerpos de forma más sencilla que usando términos de fuerza y constituyen, por ello, elementos clave en la descripción de los sistemas físicos.
El estudio del movimiento atendiendo a las causas que lo originan lo efectúa la dinámicacomo teoría física relacionando las fuerzas con las características del movimiento, tales comoposición y velocidad.
Energia Mecanica from Susana
Para comprobar el increíble poder del vapor, no hay más que mirar en las erupciones de gases que se producen cuando la lava de los volcanes llega al mar. Nuestros antepasados pudieron comprobar esto y ver el potencial que tenía el vapor, y no tardaron mucho en desarrollar tecnología para aprovecharlo, desde una tetera básica a las modernas plantas nucleares. Independientemente del nivel de tecnología en que se basa, la potencia de la energía de vapor se basa en un principio muy básico: Cuando el agua es calentada hasta el punto de vaporización el agua vaporizada ocupa más espacio que el agua líquida que lo ocupo. Esto es porque los sólidos, líquidos y gaseosos están unidos por diferentes fuerzas de niveles moleculares. En los sólidos, las moléculas son compactas. En los líquidos están más separadas. En los gases, como el vapor, están mucha más apartadas.
Si calientas una lata de sopa en un fuego, el líquido que contiene se vaporizará y finalmente se expandirá hasta el punto en que la lata podría explotar para poder liberar la presión en su interior. Cuando esta presión es usada para hacer una tarea en particular – como por ejemplo girar una turbina o causando una tetera empiece a pitar – la tecnología usada en el vapor está aprovechándose de la energía del vapor. Los métodos de contener, calentar, canalizar y usar el vapor ha cambiado, pero los principios básicos siguen siendo los mismos. Aprender a controlar la potencia del vapor ha sido un largo proceso. Ya se teorizaba sobre la tecnología del vapor en la primera mitad del siglo uno. Sin embargo, tuvieron que pasar muchos años para construir el primer motor de vapor para drenar agua de minas y jardines. La era del vapor que surgió en un momento, moldeó el curso de la historia al potenciar la revolución industrial, transformando todos los sectores y tecnologías.
Los registros más tempranos sobre la tecnología aplicada al vapor, se pueden encontrar en Alejandría, en el año 75. Esto surgió a raíz de que el matemático Hero escribiera tres libros sobre mecánica y las propiedades del aire y presentó planes para un simple motor de vapor. El diseño propuesto consistía en una esfera vacía con tubos doblados emergiendo de cada lado. Este mecanismo era llenado de agua y se montaba dentro de un fuego. Según el calor causaba el agua en el interior de la escena que se vaporizase, el vapor era obligado a salir por los tubos. La propulsión de vapor causaba que la esfera rotase – como una rueda con varios cohetes insertados. El método que tenía este matemático para transformar la energía de vapor en movimiento, fue la fundación de tecnologías de vapor que vinieron después. Sin embargo, un gran número de avances científicos fueron necesarios antes de que el concepto detrás de la turbina de vapor se le pudiera dar un uso práctico.
Años más tarde, Giovanni Battista dio al mundo algunas teorías sobre el papel del vapor al crear un vació. Teorizó que si agua convertido en vapor dentro de un contenedor cerrado resultaba en presión aumentada, el vapor condensado a agua dentro de una cámara cerrada resultaría en una presión disminuida. Este nuevo entendimiento sobre el vapor jugó un papel importante en futuros desarrollos. Pocos años más tarde, otro científico y matemático francés llamado Papin, consiguió hacer realidad una teoría por medio de un proyecto muy simple, que fue ni más ni menos con la primera olla a presión. Lo hizo añadiendo un pistón deslizante en la parte superior de un cilindro cerrado lleno de agua. Cuando se calentaba, el vapor expandido empujaba el pistón hacia arriba. Según el vapor se enfriaba y se hacía líquido de nuevo, el vacío resultante dejaba caer el pistón de nuevo.
Ya casi en el siglo 18, Inglaterra se enfrentó a una crisis con la construcción de barcos y la necesidad de madera, hacía desaparecer bosques enteros. Los barcos eran necesarios para comerciar y para defensa, aunque el carbón era un buen sustituto para la madera. Sin embargo, producir más carbón significaba cavar minas más profundas, lo cual incrementaba la probabilidad de que se inundaran de agua. De repente se necesitaba una manera urgente de vaciar de agua las minas. Esto dio paso a una patente de motor de vapor que sería el “amigo del minero”. El dispositivo consistía en una cámara de ebullición que orientaba el vapor a un segundo contenedor, el cual iba por un tubo con una válvula que descendía en el agua que tenía que ser movida. Se vertía agua fría sobre el contenedor mientra el vapor de agua dentro se enfriaba a un estado líquido. El resultado era que el vacío cogía agua de la parte inferior. El agua absorbida era incapaz de regresar pasando la válvula de no retorno, y era luego drenada por otro tubo.
Por desgracia, el motor de bomba no consiguió el éxito esperado en la industria de la minería. La mayoría de las ventas fueron hechas a otros sectores donde el exceso de agua era un problema, como las casas y jardines. Al tener que manejar este dispositivo de manera manual, el motor era de alguna manera por práctico. El motor también tenía la limitación de no poder retirar agua de ciertas profundidades – una mina requería que los motores fueran instalados a varios niveles.
Un años más tarde se construyó un sistema de bombeo mucho más efectivo, gracias a Tomas Newcomen. Se combinaba una separación de compartimento de ebullición, el cilindro de vapor y un pistón para dirigir el vapor. La idea que se tuvo con esto fue sustituir mucho del trabajo que hacían los caballos. Este invento incluía una cámara llena de vapor que era enfriada con una rápida inyección de agua fría para crear un vacío inducido en la presión atmosférica. Sin embargo, esta vez la fuerza del vacío empujaba abajo un pistón y tiraba de una cadena que activaba una bomba en el otro lado de un objeto suspendido. Cuando el agua en el cilindro volvía a echar vapor, empujaba el pistón de nuevo y el peso al otro lado reiniciaba la bomba.
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COMO CONSTRUIR UNA MÁQUINA A VAPOR (PULSA PARA VER)
ENERGIA HIDRÁULICA
La Energía hidráulica es la producida por el agua retenida en embalses o pantanos a gran altura (que posee energía potencial gravitatoria). Si en un momento dado se deja caer hasta un nivel inferior, esta energía se convierte en energía cinética y, posteriormente, en energía eléctrica en la central hidroeléctrica.
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Ventajas: Es una fuente de energía limpia, sin residuos y fácil de almacenar. Además, el agua almacenada en embalses situados en lugares altos permite regular el caudal del río.
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Inconvenientes: La construcción de centrales hidroeléctricas es costosa y se necesitan grandes tendidos eléctricos. Además, los embalses producen pérdidas de suelo productivo y fauna terrestre debido a la inundación del terreno destinado a ellos. También provocan la disminución del caudal de los ríos y arroyos bajo la presa y alteran la calidad de las aguas.
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