"SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NUCLEO CON EL REACTOR AISLADO" TESIS INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO PRESENTA: SANGABRIEL DURÁN ROGELIO ANTONIO - Que ...
←
→
Transcripción del contenido de la página
Si su navegador no muestra la página correctamente, lea el contenido de la página a continuación
“SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL
NUCLEO CON EL REACTOR
AISLADO”
TESIS
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO
PRESENTA:
SANGABRIEL DURÁN ROGELIO
ANTONIO
XALAPA, VER. JUNIO 2010
TEMA
“SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NUCLEO
CON EL REACTOR AISLADO”
Capitulo1 Centrales generadoras de energía eléctrica
Capitulo 2 Tecnología de reactores
Capitulo 3 Sistema de enfriamiento del núcleo con el reactor aislado
Capitulo 4 Comentarios
Capitulo 5 Bibliografía
DIRECTOR DE TESIS: Rodolfo Solórzano He rnánde z
JURADO 1: René Croche Belín
JURADO 2: Simón Leal Ortiz
ALUMNO: Sangabriel Durán Rogelio Antonio
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NÚCLEO CON EL REACTOR AISLADO
DEDICATORIA
MAMÁ: A parte de agradecerte por darme la vida, cuidarme estar presente
cuando mas te he necesitado, quiero que sepas que estoy muy agradecido con
díos de que me hayas tocado como mamá créeme que mis hermanos opinan lo
mismo estamos orgullosos de ser tus hijos. Hoy gracias a ti y al apoyo
incondicional de mí cuñado soy alguien en la vida. Me doy cuenta del objetivo
de todos tus regaños, consejos y llamadas de atención. Siempre lo has hecho
por mi bien, hoy te lo agradezco y me haces la persona más feliz del mundo.
Este paso que doy ahora no solo es mío también tuyo compartámoslo juntos.
Discúlpame por todas las veces que madrugamos. Y tantas preocupaciones,
con esto te demuestro que no fueron en vano. Hoy en día gracias a ti he
llegado hasta donde estoy.
TE QUIERO MUCHO MAMÁ no sabes lo feliz que me hace ser tu hijo.
ERNESTO ROMERO ZÁRATE (CUÑADO): en verdad que a ti te debo lo que
soy a hora, muchas gracias cuñado, me has ayudado cuando más lo he
necesitado; tus consejos, tus palabras y lo mas importante, el perfil que veo en
ti de padre, me han hecho ver lo difícil que es abrirse camino en la vida y lo
quebradiza que resulta cuando se le enfrenta a ella con una profesión. Trataré
de ser ejemplo de mis sobrinos y mis futuros hijos. Por fin el Dino salió (jaja).
Te respeto y admiro, no tienes idea cuanto cuñado una vez más muchas
gracias por regalarme la carrera mejor obsequio no puedo tener, tu suegra
también te lo agradece y mi familia aun más.
HERMANA JACIBES: A parte de ser mi segunda mamá y cuidarme como tu
hijo mayor, gracias. Todos los consejos, la educación, las innumerables horas
que has visto por mí hoy con esto te doy a demostrar que dieron frutos. Decirte
que te quiero mucho, no basta para agradecerte y demostrarte todo lo que
siento por ti, mi vida fuera otra a no ser por enseñarme a ser mejor cada día e
inculcarme la educación como herramienta de trabajo. Mi mama, mi cuñado y
tú, son tres pilares en los que sin miedo me he apoyado y me apoyaré siempre.
HERMANOS MARIO, ERIKA (CUÑADA) Y MARIA ELENA: muchas gracias
por apoyarme cuando mas lo necesito y darme ánimos, confiar en mí y
brindarme el cariño de hermanos los quiero.
PAPA: gracias por darme la vida te quiero.
AMIGOS: Pues hasta que salí (jaja) a los que me ganaron y pensaron que no
lo lograría pues, lastima ya lo logré, ahora a trabajar y a seguir triunfando en la
vida. Y a todos los que vienen detrás de mi, no se den por vencidos, ¿quién
dijo que ser ingeniero es fácil?. Gracias a todos ustedes que me alentaron al
verlos estudiando y evitar que anduviera perdiendo el tiempo por los pasillos:
Eliu, Juan Carlos, Carnal, Pablito, Chais, Víctor Edgar, y todos los que faltan
disculpen por no mencionarlos pero son todos con los que tomaba clases en
verdad los aprecio. Los de mi pueblo: Aris. Tavo, eliseo, naun y demás.
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NÚCLEO CON EL REACTOR AISLADO AMIGAS: Aunque en la facultad solo son menos de cinco, como mujeres no se intimiden por ser la minoría, la inteligencia no distingue. Gracias por los consejos y apoyos de todo tipo que en su momento necesite y me apoyaron. A mis demás amigas de mi pueblo y que saben que estudio por fin ya salí ya no hagan cuentas de cuanto he estado en la escuela (jaja). FAMILIA: Gracias por todo el apoyo que me han brindado tanto en lo escolar como en lo personal les estaré eternamente agradecido.
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NUCLEO CON EL REACTOR AISLADO
ÍNDICE
Capitulo 1 GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA
1.1 Introducción……………………………..……….………………………………3
1.2 Objetivos………………………………………………………………………4
1. 2 Panorama energético……………………..........................................................5
1.3 centrales generadoras de energía eléctrica…………………………………………7
1.3.1 Central hidroeléctrica………………………………………………………………....7
1.3.2 Central mareomotriz ………………………………………………………………..9
1.3.3 Central solar………………………………………………………………………10
1.3.4 Central eólica…………..……………………………………………………….….11
1.3.5 Central termoeléctrica……………..…………………………………………………13
1.3.6 Central geotermica ……………………………………………………………….....19
1.3.7 Central nucleoelectrica ……………………………………………………………....20
Capitulo 2 TECNOLOGIA DE REACTORES
2.1 Historia…………………………………………………………………………..23
2.1 Antecedentes del reactor………………………………………………………….....27
2.2 El reactor…………………………………………………………………………28
2.3 Reactor PHWR...……………………………………………………………………32
2.4 Reactor PWR………………………………………………………………………33
2.5 Reactores de enriquecimiento…………………………………………………………34
2.6 Reactores de investigación……………………………………………………………35
2.7 Reactor BWR…………………………………………………………………….....36
2.8 Elementos principales………………………………………………………………..36
2.9 Seguridad de contención en el reactor…………………………………………………....38
2.10 Ciclo del combustible (Uranio) ………………………………………………………….40
2.11 Ciclo térmico………………………………………………………………………..42
Capitulo 3 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NUCLEO CON
EL
REACTOR AISLADO (RCIC)
3.1 Objetivo………..…………………………………………………………………...43
3.2 Introducción…….…………………………………………………………………...43
3.3 Funciones…………………………………………………………………………...43
3.4 criterios de diseño…………………………………...……………………………...43
3.4.1 De seguridad………………………………………………………………...………43
3.4.2 Funcionales……………………………………………………..………………...…44
3.5 descripción general……………………………………………………………...…44
3.5.1 Relacion de componentes……………………………………..………………………...45
3.5.2 Características de sistema RCIC………………………………………………………......47
3.5.3 Descripción funcional del sistema RCIC………………………………………………..…...48
1
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NUCLEO CON EL REACTOR AISLADO
3.5.4 Relacion con otros sistemas……………………………….………………………….....53
3.6 descripción de componentes………………………………………………………...54
3.6.1 Tubería de succión………………………………………………….………………...54
3.6.2 Bomba principal ……………………………………………………………..…...54
3.6.3 Tubería de descarga e inyección………………………………………………………...54
3.6.4 Tubería de flujo mínimo………………………………………………………….…...55
3.6.5 Tubería de prueba…………………………………………………………………..55
3.6.6 Tubería de suministro de vapor a la turbina…………………………………………..…..55
3.6.7 Tubería de escape de la turbina.…………………………………………………….…56
3.6.8 Tuberías de llenado del sistema……………………………………………………..…57
3.6.9 Control de la turbina……………..………………………………………………..…57
3.6.10 Sistemas de sellos de la turbina……………………………………………………..…58
3.6.11 Características del equipo……………………………………………………………58
3.7 instrumentación y controles asociados…………………………………………...59
3.7.1 Instrumentación en cuarto de control principal (BB-9) ………………………………………59
3.7.2 Controles en cuarto de control principal (BB-9)………………………………………59
3.7.3 Instrumentación y controles en el panel de parada remota (VB-110) …………………………60
3.7.4 Instrumentación y controles en panel local (IR-90) …………………………………………61
3.7.5 Alarmas del sistema en el cuarto de control principal (BB-9)…………………………………62
3.7.6 Señales de iniciación del RCIC…………………………………………………………67
3.7.7 Señales de disparo de la turbina RCIC……………………………………………………67
3.7.8 Señales de aislamiento del sistema RCIC …………………………………………………67
3.7.9 Acciones automáticas del sistema RCIC……………………………………………………68
3.7.10 Enclavamientos del sistema RCIC………………………….……………………………68
3.8 modos de operación……………………………………………………………….69
3.8.1 operación en reserva …………………………………………………………………69
3.8.2 operación en prueba …………………………………………………………………70
3.8.3 operación por iniciación automática…………………………………………………70
3.8.4 operación por iniciación manual………………………………………………………71
3.8.5 operación en reserva en caliente del reactor ………………………………………………71
3.9 especificaciones técnicas…………………………………………………………71
3.10 referencias………………………………………………………………………71
3.11 Tablas y figuras…………………………………………………………………72
Capitulo 4 CONCLUSIONES ....................................................................81
Cap itu lo 5 B IBL IOG RAF IA …… … … …… … …… … … …… … …8 2
2SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NÚCLEO CON EL REACTOR AISLADO
INTRODUCCION
La evolución de la humanidad ha estado ligada a la utilización de la energía en
sus diferentes formas. Sin lugar a duda el descubrimiento del fuego, su
producción y control marcan el primer acontecimiento importante en la historia
de la sociedad, que al paso de los años, cada vez que el hombre ha
encontrado una nueva fuente de energía o creado un procedimiento distinto
para aprovecharla, ha experimentado grandes avances.
La invención de la maquina de vapor, originó una verdadera revolución social
que a finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX, propicio la transición del
trabajo artesanal a la producción en serie masiva. A pesar que el carbón fue el
primero que empleo el hombre, son el petróleo y el gas natural los que
actualmente se encuentran en vías de desaparecer debido a su explotación
exhaustiva. Las reservas detectadas apenas garantizan su disponibilidad para
el siglo XXI de acuerdo con las tasas actuales de incremento en su consumo.
Gracias a Albert Einstein a principios del siglo XX que postulò que todo el
universo es energía; que ésta y la materia son una misma cosa y que entre
ambas existe una relacion definida expresada en E=mc². El hombre dispone
hoy de una fuente importante de energía que puede sustituir y complementar
materia. Enormes avances ha logrado el hombre al paso de los años tanto en
la medicina, la industria, investigación y tecnología a partir de este postulado.
Las plantas eléctricas tienen por objeto producir energía eléctrica por
conversión de cualquier otro tipo de energía, esta conversión puede ser directa
como por ejemplo celdas combustibles, baterías, etc. o más generalmente a
través de una o más etapas intermedias para producir primero energía
mecánica, que por último es convertida a energía eléctrica por medio de un
generador o alternador.
Durante muchos años se ha invertido cantidades inmensurables de dinero en
investigaciones de nuevas fuentes de energía, entre las cuales podríamos
mencionar: La energía térmica, eolica, hidráulica, geotermica, mareomotriz,
solar y sin duda la de mayo visión, la energía nuclear.
El objetivo en esta investigación es obtener una noción de cómo funcionan
algunas plantas eléctricas conocidas actualmente, y poder evaluar las distintas
posibilidades que nos ofrecen para el futuro.
Damos a conocer así mismo como estan conformadas las centrales eléctricas,
antecedentes y la base de su funcionamiento, así también mediante varios
esquemas en donde podremos observar y analizar la distribución de la
corriente eléctrica a través de un sistema complicado desde que se genera
hasta que es consumida.
En la parte final de este trabajo nos enfocaremos hacia la generación de
energía eléctrica a partir de medios nucleares que está inclinando la vision e
3SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NÚCLEO CON EL REACTOR AISLADO
inversión de todos los países y sin duda en los próximos años será la principal
forma de producción de energía eléctrica debido al agotamiento de
hidrocarburos. La generación de energía eléctrica a partir de centrales
nucleoeléctricas es hoy en día la mejor opción.
Tomando como base que la generación de energía por medios nucleares es la
mejor opción de producción de energía eléctrica en la actualidad describo su
historia y forma de producirla, a su vez, y ligado a esta su sistema de seguridad.
En nuestro país contamos con una central generadora de energía eléctrica a
partir de medios nucleares llamada Central Nucleoelectrica Laguna Verde
(CNLV). Localizada en el estado de Veracruz.
El mantenimiento de una central nucleoelectrica es muy minuciosa cuyo fin es
tener el 100% de seguridad y estabilidad durante su operación. En el caso de
que esta central nucleoeléctrica llegase a tener algún tipo de alteración durante
su operación como por ejemplo; en quedarse sin suministro de alimentación de
agua en el núcleo del reactor provocando un bajo nivel de agua en el reactor,
existe un sistema de alimentación de agua (refrigerante), llamado sistema de
enfriamiento del núcleo con el reactor aislado (RCIC), dicho sistema de
alimentación suministra agua desmineralizada a presión. Para su actuación
este sistema se encuentra en los modos de: reserva, prueba e iniciación
manual o automática.
La temperatura generada dentro del núcleo del reactor de una central
nucleoelectrica es constantemente vigilada. Ante un corte de suministro de
agua en el reactor la temperatura en el núcleo aumenta en cuestión de
segundos a tal grado de fundir los materiales como en el caso de Chernobyl
provocando la fuga de emisiones radiactivas. Por ello es necesario contar con
un suministro de agua alterno y de alta fiabilidad de refrigeración como lo es el
Sistema de Enfriamiento del Núcleo con el Reactor Aislado (RCIC).
OBJETIVOS
Conocer los tipos de centrales generadoras de energía eléctrica
Conocer los diferentes tipos de reactores de las centrales nucleares
Conocer la función y criterios de diseño del funcionamiento del
sistema
de enfriamiento del núcleo con el reactor aislado (RCIC)
Conocer los principales componentes, así como las principales
Tuberías y vías que enlazan el (RCIC)
Conocer la operación en que el (RCIC) actúa ante una señal de
Iniciación y de aislamiento
4SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NUCLEO CON EL REACTOR AISLADO
PANORAMA ENERGETICO
La primer potencia mundial EE.UU. antes de 1960 lanzó el primer programa
nuclear destinado a la generación eléctrica. Con esto, otros países siguieron
sus propios programas y criterios de construcción y explotación
A principios de 1970 la crisis energética del petróleo proporcionó el impulso
energético definitivo a la generación eléctrica nuclear de muchos países como:
Alemania, Canadá, Italia y Japón. Por su parte países como Brasil, Taiwán,
corea y México iniciaron sus propios programas nucleares.
Entre los años 1980 y 1984 se obtuvo históricamente el mayor incremento de
las reservas de hidrocarburos en México que pasaron de 45 803 millones a 72
500 millones de barriles equivalente a un 58.2%. Dando para los años
posteriores una caída constante cada año
Hoy en día la alternativa de generación eléctrica nuclear comienza a
expandirse ampliamente en todo el mundo atribuyéndose todas las ventajas
que tiene sobre las otras plantas generadoras como: termoeléctricas,
geotérmicas, hidroeléctricas, solares, eólicas, etc. El único obstáculo hasta hoy
en día es el temor y desconfianza que ocasiona a la población, pues la
cataloga como la más frágil ante una pérdida de control y como una bomba
latente. Sin embargo es la forma de producción eléctrica más segura y limpia
pues a pesar que es una central térmica su diseño y combustible la hacen una
planta que no contamina el medio ambiente, no arroja desechos tóxicos a la
atmósfera y no genera efectos invernaderos.
Por lo anterior desde el momento en que se piensa construir una central
nucleoeléctria el diseño, control y los sistemas de seguridad son numerosos
cuyo único fin es descartar cualquier anomalía. Unos de los principales puntos
a considerar para la construcción de una central nucleoeléctrica, son ubicarla
cerca de un abastecimiento constante de agua como puede serlo un rió o el
mar, presión atmosférica del lugar, caudal del agua, nivel sobre el mar,
temperatura promedio durante el año, PH, conductividad, velocidad del viento,
humedad, zona geográfica y sísmica.
En México actualmente existe una compañía encargada del suministro de
energía eléctrica: Comisión Federal de Electricidad (CFE) encargada
actualmente del abasto de generación eléctrica en México cubriendo
aproximadamente el 80% del país. Proyecta su comercialización mediante:
Generación, Transmisión, Distribución y comercialización
Aproximadamente en la actualidad 25.3 millones de personas son abastecidas
cifra que cada año aumenta en 1.1 millones de solicitantes. Comisión federal
de electricidad (CFE) cuenta con aproximadamente 200 centrales generadoras
de las cuales se dividen en:
5SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL NUCLEO CON EL REACTOR AISLADO
Termoeléctrica 22 404.69MW
Hidroeléctrica 11 054.90MW
Termoeléctrica 14 056.90MW
Geotermoeléctrica 954.50MW
Eoloeléctrica 85.48MW
Nucleoléctrica 1 364.88MW
Products. Independientes 9.99MW
Dando un potencial total de 49,931.34MW repartido en: 0.62% destinado al
sector de servicios, 10.17% al sector comercial, 0.784% al sector industrial,
0.44% al sector agrícola, 87.99% para el sector doméstico y residencial.
Cada año aumenta la demanda de energía eléctrica en todo el mundo haciendo
que las empresas encargadas de abastecer dicha energía construyan más
centrales de generación eléctrica, hasta el momento todas tienen una
inclinación hacia la generación de energía eléctrica a partir de medios
nucleares, que es la fuente de energía con mayor rendimiento, mayor potencial
y menor combustible y lo mas importante limpia pues su producción no
desecha gases tóxicos al medio ambiente, ni altera el ecosistema.
Actualmente hay en funcionamiento 438 reactores nucleares en el mundo
produciendo el 17% de energía eléctrica mundial. El año pasado había 44
nuevas centrales en construcción en países como China, India, Bulgaria,
Japón, Rusia, Corea del sur y Francia. Todos ellos consideran a la energía
nuclear como la mejor alternativa de generación eléctrica.
6CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
CENTRALES GENERADORAS DE ENERGIA
ELÉCTRICA
CENTRAL HIDROELECTRICA
ANTECEDENTES
En un principio una rueda con aletas recibía la energía del cause de un rió,
estas aletas giraban por medio de unos dispositivos mecánicos, la energía que
se producía por el movimiento era captada para moler granos o semillas. La
primer central hidroeléctrica se construyó en Northumberland gran bretaña en
el año de 1880 durante los siguientes años conforme se fue perfeccionando el
diseño de las turbinas y los generadores fue ganando terreno hasta llegar a la
actualidad con un una generación importante de generación.
Comisión Federal de Electricidad (CFE) entre las mas importantes con las que
cuenta son las centrales de Chicoasén en Chiapas, Manuel moreno torres con
una generación de 2400MW, la de Malpaso en Tecpatán, el infiernillo en la
Unión de guerrero con una generación de 1000MW, Aguamilpa en Tepic
Nayarit con una generación de 960MW, Belisario Domínguez en Chiapas con
una generación de 900MW, Leonardo Rodríguez el Cajón con una generación
de 750MW, Choix en sonora con una generación de 422MW.
México cuenta con una potencia total instalada de 11 054.90MW que
suministran al sector electrico nacional el 22.14% de generación
aproximadamente.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Parte del principio de que el agua fluye de un punto superior a otro inferior
creándose una determinada energía cinética susceptible a ser creada en
trabajo, dependiendo así de dos factores: la altura de la caída y el volumen
(peso) del agua que cae por segundo, además el sistema o la técnica
empleada para utilizar la energía capaz de desarrollar el agua en movimiento.
También hay que agregar que rara vez se puede utilizar la energía de aguas
salvajes ya que disipan remolinos, erosión de las riveras y cauces, debido a lo
anterior los aprovechamientos hidroeléctricos se realizan en sitios específicos
que reúnen las características técnicas, económicas, ambientales, y sociales
para la operación y construcción de una central. Teniendo así, un cauce
artificial, por tal motivo son localizadas principalmente al pie de las montañas,
estas centrales estan bajo la superficie a fin de aprovechar al máximo la
energía potencial del agua.
Para su análisis una hidroeléctrica se divide en cuatro partes principales:
Presa:
Principalmente su funcion es atajar el rió y remansar las aguas, en el fondo del
embalse se encuentra una rejilla la cual impedirá el paso de peces, ramas,
piedras o cualquier tipo de basura grande que pudiera llegar a los rodetes de la
turbina y romperlos. Esta rejilla tendrá constante vigilancia pues de taparse
impedirá el paso del agua quitándole la fuerza y la consecuente potencia a la
central.
7CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Canal:
Es la tubería que conecta la salida del fondo del embalse con la entrada a la
turbina, dicha tubería es controlada con válvulas y dispuesta en desnivel. Es la
parte en donde el agua toma la fuerza cinética.
Casa de maquinas:
Principalmente se encuentran la turbina y el generador. La turbina recibe la
energía cinética del agua y al pasar por sus rodetes la convierte en energía
mecánica. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas
Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las
turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales. Acoplada a la turbina
se encuentra un generador dispuesto generalmente en forma vertical, éste
convierte la energía mecánica de la turbina en eléctrica. En las terminales del
generador se encuentran conectados los transformadores y estos a las líneas
de transmisión para su distribución.
Salida de agua o desfogue:
Inmediatamente después de pasar el agua por la turbina mediante una tubería
es enviada al cause normal del río.
8CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
CENTRAL MAREOMOTRIZ
ANTECEDENTES
La primera central mareomotriz fue la de Rance, en Francia, que estuvo
funcionando casi dos décadas desde 1967. Consistía en una presa de 720
metros de largo.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Este tipo de energía producida por el mar. Puede ser aprovechada de tres
formas distintas: Con las mareas, (utilizando turbinas, capaces de moverse en
ambos sentidos, que generan electricidad), las olas y por diferencias térmicas
de las distintas capas del mar (centrales mareomotrices sumergidas).
Se construye en la bahía, río o estuario, un dique seco con compuertas y
turbinas. El embalse se llena durante la pleamar y se vacía durante la bajamar
produciéndose la energía eléctrica al pasar el agua por las compuertas con las
turbinas. La energía eléctrica que se puede obtener en una central mareomotriz
depende de la superficie del embalse artificial y de la diferencia entre los
niveles de pleamar y bajamar.
Con la energía mareomotriz obtenemos energía eléctrica al aprovechar las
variaciones periódicas del nivel del mar. La amplitud de las mareas no es la
misma en todas las costas del mundo. Por ejemplo en el Mediterráneo la marea
es prácticamente inapreciable, de unos 20-40 cm. En cambio en el océano
Atlántico las mareas llegan a alcanzar los 13 metros. Esta es una de las
mayores desventajas de la energía mareomotriz, solo es viable en zonas muy
concretas del planeta. Otra desventaja de la energía mareomotriz es el impacto
visual que produce en el paisaje costero y el efecto negativo en la flora y fauna.
CENTRAL SOLAR
ANTECEDENTES
Desde un principio el hombre ha buscado la manera de producir energía
eléctrica a partir del calor del sol. Guiado siempre por, el carácter de ser
renovable e inagotable y con nula emisión de gases a la atmósfera pero el
mayor obstáculo hasta hoy en día es su intermitencia debido a que no
podemos captar la misma emisión de calor entre un día y otro. La ciencia y
9CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
tecnología solar se ha desarrollado en dos tipos: en fotovoltaica y termosolar
Siendo la primera la de mayor comercialización pero de menor capacidad.
FUNCIONAMIENTO
Se denomina energía solar fotovoltaica a la obtención de energía eléctrica a
través de paneles fotovoltaicos. Los paneles, módulos o colectores
fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que,
al recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos electrónicos, generando
una pequeña diferencia de potencial en sus extremos. El acoplamiento en serie
de varios de estos fotodiodos permite la obtención de voltajes mayores en
configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar ya sea alumbrado parcial,
arranque de pequeños aparatos electrónicos; como calefacción o evitar el
calentamiento del hogar.
A mayor escala, la corriente contínua que proporcionan los paneles
fotovoltaicos, se puede transformar en corriente alterna e inyectarla en la red
eléctrica. Japón es el primer productor mundial de energía fotovoltaica con,
cerca de 5 millones de metros cuadrados de colectores de sol
Los principales problemas de este tipo de energía son su elevado costo en
comparación con los otros métodos, la necesidad de grandes extensiones de
territorio que se sustraen de otros usos, la competencia del principal material
con el que se construyen con otros usos (el silicio es el principal componente
de los circuitos integrados) como el sulfuro de cadmio, fósforo de indio, etc. O
su dependencia con las condiciones climatológicas. Este último problema hace
que sean necesarios sistemas de almacenamiento de energía para que la
potencia generada en un momento determinado, pueda usarse cuando se
solicite su consumo.
Se denomina energía termosolar a la energía del sol para calentar fluidos
como agua ó aceites térmicos de acuerdo a tres formas de procesarla:
Torre central: conocida como sistema de receptor central está compuesta por
un sistema concentrador o campo de helióstatos, que capta y concentra la
componente directa de la radiación solar sobre un receptor donde se produce
la conversión de la energía radiante en energía térmica que suele instalarse en
la parte superior de una torre.
Plato parabólico: Constructivamente, es necesario concentrar la radiación
solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300ºC hasta
1000 ó 1500ºC, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo
termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La
captación y concentración de los rayos solares se hacen por medio de espejos
con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el
fluido. El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientación se
denomina helióstato.
Canal parabólico: se compone de varios grupos de espejos dispuestos de
forma estratégica el colector concentrador se conecta a una tubería la cual
lleva un fluido intercambiador de calor cuya temperatura alcanza entre 100 °C y
10CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
400 °C. Este tipo de centrales utiliza calderas auxiliares para satisfacer la
demanda en horas pico
En sólo un metro cuadrado de una azotea soleada de una casa, se recibe
como promedio, la cantidad de 150 Kwh. al mes en energía solar, lo que
equivale a la energía eléctrica que consume un hogar.
En el desierto de Mojave, California, hay 9 centrales SEGS (Solar Electric
Generating Station), que forman la mayor instalación solar del planeta. Las hay
entre 14 MWe y 80 MWe, y su capacidad total es de 354 MWe. Son centrales
híbridas, esto es, que producen electricidad a partir de las energía solar y de
combustible fósil. La producción a partir de combustible fósil no puede
sobrepasar un determinado porcentaje de la producción total para así tener
derecho a subvenciones.
CENTRAL EOLICA
ANTECEDENTES
Fue en 1887 en Cleveland cuando Charles F. Brush inventó y construyó el
primer aerogenerador, una gran turbina con un rotor de 17 metros y 144 palas,
muy parecido a los molinos de viento para bombeo de agua. Este generador
fue erigido en los terrenos de la casa de Brush y entregaba 12 kilowatts que
almacenaba en baterías (como los sistemas modernos).
La primera central del país, se dio en 1994, cuando se construyó y se puso en
servicio la central eólica piloto de La venta, en el estado de Oaxaca. Esta
central piloto inició su operación con siete aerogeneradores de 225 KW. Cada
uno, para una capacidad total de 1.5 MW. Cabe señalar que fue la primera en
América latina.
En el país el potencial eólico lo reflejan los estados de Oaxaca; Zacatecas
Veracruz; Pachuca; Hidalgo; Santa Maria Magdalena, Hidalgo; la Rumosora,
Baja California norte, Cabo Catoche Quintana Roo.
Actualmente la energía del viento, es una fuente competitiva de energía.
México cuenta con una capacidad instalada de 85.48 MW que suministran al
sector electrico nacional, el 0.11% de generación aproximadamente.
11CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
Este tipo de central convierte la energía del viento en energía eléctrica
mediante una aeroturbina que hace girar un generador. La energía eólica está
basada en aprovechar un flujo dinámico de duración cambiante y con
desplazamiento horizontal. La cantidad de energía obtenida es proporcional al
cubo de la velocidad del viento, lo que muestra la importancia de este factor.
Con velocidades de viento inferiores a 5 m/s el aerogenerador no genera
energía eléctrica; por encima de 25 m/s las aspas del rotor se alinean (girando
sobre su eje) con el viento automáticamente, deteniendo de esta manera su
giro para evitar daños a los equipos. Además, los aerogeneradores cuentan
con un sistema de control automático que permite variar la orientación del
aerogenerador, con la finalidad de aprovechar en forma óptima los vientos en la
velocidad y dirección en que se presenten.
Los aerogeneradores que consisten en una torre tubular cónica de 31.5 m de
altura, sobre la cual están montadas en su extremo superior tres aspas o
álabes con un diámetro de giro de 27 m. Las aspas o álabes, están conectadas
a un rotor que lleva acoplado el generador eléctrico, obteniéndose así la
transformación a energía eléctrica.
Las partes que componen una aeroturbina son:
Rotor o turbina: es el que transforma la energía del viento en energía
mecánica.
Sistema de orientación: tiene la función de colocar el rotor perpendicular a la
dirección del viento.
Sistema de regulación: tiene la función de disminuir la velocidad de
encendido, mantener la potencia y la velocidad del rotor y pararlo cuando el
viento sobrepase una velocidad determinada.
Conversor energético: transforma la energía obtenida en el eje rotor.
Coraza: soporta y protege el conversor energético y, normalmente, los
sistemas de regulación y orientación.
Soporte o torre: es el soporte de todo el equipo. Eleva el rotor para mejorar la
captación y absorber las vibraciones que se producen.
Aproximadamente entre el 1% y 2% de la radiación solar se convierte en
viento. El viento se produce por las diferencias de temperaturas que alcanzan
diferentes partes de la tierra.
En los mares el aire se torna pesado al entrar en contacto con tierra al mismo
tiempo que se expande se vuelve mas liviano y se eleva. Por lo anterior al
concentrar una central eolica se debe de conocer las variaciones de velocidad
del viento con la altura sobre el suelo con estudios anteriores de 20 años.
Importante conocer la velocidad promedio del viento durante este lapso la cual
debe oscilar entre 12 km/h y que no supere los 65 o 100 Km/h.
12CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
CENTRALES TERMOELÉCTRICAS
ANTECEDENTES
La primera central termoeléctrica nace en Nueva York en (1882) construida con
la primera estación generadora, inventada por Edison. Se basa en el
intercambio de energía calórica en energía mecánica y luego en energía
eléctrica.
Las primeras centrales que se construyeron eran máquinas de vapor a pistón,
similares en su funcionamiento a una locomotora y que movían al generador
(una de éstas se conserva, todavía, en la escuela Otto Krause y se pone en
funcionamiento una vez al año). Luego se reemplazó por una turbina de vapor,
con la que se calienta agua en una caldera que produce vapor a presión, el
cual se aplica sobre los álabes de la turbina que convierte energía potencial
(presión) en energía cinética que acciona al generador.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Una central termoeléctrica es una instalación empleada para la generación de
energía eléctrica a partir de calor producido en una caldera. Este calor puede
obtenerse tanto de combustibles fósiles como: petróleo, gas natural o carbón.
En el caso de este último, hay que triturarlo en molinos pulverizadores hasta
quedar en polvo así obtener una mejor combustión.
Para dar una idea a grandes rasgos de como va cambiando el conjunto
combustible-energía basta ver su transformación.
13CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
En su forma más clásica, las centrales termoeléctricas consisten en:
Caldera:
Constituida en su interior por miles de tubos. El combustible se introduce en la
caldera donde es quemado a fin de calentar los tubos a una alta temperatura
generando energía calorífica. El vapor obtenido, a alta presión y temperatura,
es conducido a continuación a un separador de vapor a fin de eliminar
pequeñas gotas de agua ya que serian peligrosas al pegar en los alabes de la
turbina.
Turbina de vapor:
Consta de tres partes importantes a su vez sobre un solo eje que son de alta,
donde tiene centenares de alabes o paletas a fin de aprovechar al máximo la
energía del vapor, de media donde tiene alabes un poco mas grandes y de baja
donde los alabes son aun de mayor tamaño. Todo esto a fin de aprovechar al
máximo la presión del vapor, pues a su paso por la turbina el vapor va
perdiendo presión.
Condensador:
Durante el paso del vapor por la turbina su temperatura y presión disminuyen
por tal motivo va adaptado a la salida de vapor de la turbina un condensador
que conduce el agua para volverla en su estado liquido, la cual volverá a ser
introducida en la caldera para repetir el ciclo.
Generador:
Una vez que se produce la energía mecánica en la turbina, acoplada a ésta, se
encuentra un generador que convierte a su vez la energía mecánica en
eléctrica. El generador en sus terminales se conecta a los transformadores y
estos a su vez van conectados a las líneas de transmisión.
Las centrales termoeléctricas de acuerdo al combustible primario utilizado para
la producción de vapor se dividen en:
Vapor (combustóleo, gas y diesel)
Carbo eléctrica (carbón)
Dual (combustóleo y carbón)
Geotermoelectrico (vapor extraído del subsuelo)
Nucleoeléctrica (uranio enriquecido)
En una central termoeléctrica dependiendo del tipo de tecnología empleada
para mover el generador se clasifica en:
Vapor: en la cual el vapor impulsa una turbina y a su vez el generador.
Turbogas: con los gases de combustión se genera el movimiento de la turbina y
el consecuente movimiento del generador electrico.
14CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Combustión interna: con un motor de combustión interna (diesel) se produce el
movimiento del generador eléctrico.
Ciclo combinado: este tipo de arreglo implica una turbina que es movida
mediante los gases de combustión y otra turbina movida por vapor.
En el país existe una capacidad instalada de 14 056.90 MW, que suministran al
sector eléctrico nacional el 79.16% de generación. Las centrales
termoeléctricas mas importantes de Comisión federal de electricidad (CFE)
son: La de Tuxpan, en Veracruz con 2200 MW y 180 MW respectivamente.
CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE VAPOR
Este tipo de centrales utilizan: combustoleo, diesel o gas natural para la
producción de vapor con temperaturas de aproximadamente 520 °C y
presiones que van de 120 hasta 170 kg/cm² para dar movimiento a las turbinas
que giran a 3600 r.p.m.
El vapor de agua a presión hace girar los alabes de la turbina durante sus tres
fases (alta, media y baja) generando energía mecánica haciendo girar al mismo
tiempo un generador y produciendo energía eléctrica. Una vez que pasa el
vapor por la turbina pierde presión y temperatura, este vapor es enviado a unos
condensadores donde es enfriado y enviado a la caldera para reiniciar el ciclo.
A fin de aminorar las emisiones de gases contaminantes al medio ambiente
esta central posee una chimenea de gran altura las cuales alcanzan los 300m
en la cuales dispersan los gases y precipitadores los cuales retienen estos
contaminantes en el interior de la propia central.
CENTRALES TERMOELÉCTRICAS TURBOGAS
15CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
La turbina de gas, es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un
gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las
turbinas a gas son turbomáquinas térmicas. Comúnmente se habla de las
turbinas a gas por separado de las turbinas de vapor ya que, aunque funcionan
con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son
diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un
posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapor sí.
Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton
y en algunos ciclos de refrigeración.
Este tipo de centrales emplea como combustible gas natural o diesel, y entre
los modelos más avanzados se puede quemar combustóleo o petróleo crudo.
Durante la operación, su arranque y versatilidad para las variaciones de
demanda la hacen muy importante pues proporciona capacidad de respaldo al
sistema electrico en horas pico.
La generación de energía eléctrica en una unidad turbogás se logra
aprovechando directamente, en los álabes de la turbina, la energía cinética que
resulta de la expansión de aire y gases de combustión, comprimidos. La turbina
está acoplada al rotor del generador, dando lugar a la producción de energía
eléctrica. Los gases de la combustión, después de trabajar en la turbina, se
descargan directamente a la atmósfera.
Esquema de un ciclo Brayton. C representa al compresor, B al quemador y T a
la turbina.
16CAPITULO 1 CENTRALES GENERADORAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
CENTRALES TERMOELECTRICAS COMBUSTIÓN INTERNA
Es comúnmente utilizado cuando hay déficit en la generación de energía de
algún lugar, o cuando hay corte en el suministro eléctrico y es necesario
mantener la actividad. Una de sus utilidades más comunes es en aquellos
lugares donde no hay suministro a través de la red eléctrica, generalmente son
zonas agrícolas con pocas infraestructuras o viviendas aisladas. Otro caso es
en lugares públicos de poca concurrencia, hospitales, fábricas, etc., que, a falta
de energía eléctrica de red, necesiten de otra fuente de energía alterna para
abastecerse en caso de emergencia.
CENTRALES TERMOELÉCTRICAS CICLO COMBINADO
En esta central operan dos unidades generadoras: turbogas y vapor. El primero
cuyo fluido para desarrollar energía eléctrica es un gas producto de una
combustión y el segundo cuyo fluido de trabajo es el vapor del agua
Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más baratas
(alcanzan el 50%) que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía
térmica generada (y por tanto, las ganancias) con la misma cantidad de
combustible, y rebajando las emisiones citadas más arriba en un 120%, 0,35 kg
de CO2, por kWh producido.
El principio en una central ciclo combinado se basa en utilizar los gases de
escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o
generador de vapor de recuperación, la que alimenta a su vez de vapor a la
turbina de vapor. La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta
eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al rendimiento de una
central de ciclo único y mucho mayores que los de una de turbina de gas.
17También puede leer
