SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA
La utilización de la energía eléctrica se ha vuelto primordial en la sociedad puesto que en
las actividades diarias de cualquier persona está involucrada la electricidad en aparatos,
lugares. Por tal motivo se debe tener en cuenta que los elementos que conforman el sistema
eléctrico nacional deben ser de la mejor calidad de tal manera que no se tenga ningún tipo
de percance. Cuando se utiliza cualquier aparato electrodoméstico o equipo industrial no se
tiene conciencia del proceso y labor que representa de generar hasta consumir esa energía.
Tal motivo la ingeniería eléctrica ha tenido objetivos definidos como crear fuentes de
generación alternas a las convencionales, sin restarle importancia a las existentes tomando
en cuenta los factores que ayudan a que la generación no impacte negativamente con el
medio ambiente y del mismo modo evite provocar daños sociales.
ENERGÍA ELÉCTRICA
Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una
diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica
entre ambos cuando se les coloca en contacto por medio de un conductor eléctrico para
obtener trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de
energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.
La posibilidad de explotar distintos tipos de fuentes de energía como corrientes de ríos,
combustóleo, gas, Uranio, carbón, la fuerza de los mares y vientos, géiser, etc. de sitios
alejados de los centros de consumo, hace posible que la energía eléctrica se transmita a
grandes distancias, lo que resulta relativamente económico, ya que es necesaria en la gran
mayoría de procesos de producción de la sociedad actual.
Su uso es una de las bases de la tecnología utilizada por el ser humano en la actualidad.
La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento
de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como
consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus
extremos.
Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se genera el
movimiento de electrones a través del cable conductor. Las cargas que se desplazan forman
parte de los átomos de que se desea utilizar, mediante las correspondientes
transformaciones; por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se
convierte en energía mecánica, calórica y en algunos casos luminosa, gracias al motor
eléctrico y a las distintas piezas mecánicas del aparato.
Tiene una utilidad biológica directa para el ser humano, salvo en aplicaciones muy
singulares, como pudiera ser el uso de corrientes en medicina, resultando un cambio
normalmente desagradable e incluso peligroso, según las circunstancias. Sin embargo es
una de las más utilizadas, una vez aplicada a procesos y aparatos de la más diversa
naturaleza, debido fundamentalmente a su limpieza y a la facilidad con la que se le genera,
transporta y convierte en otras formas de energía. Para contrarrestar todas estas virtudes hay
que reseñar la dificultad que presenta su almacenamiento directo en los aparatos llamados
acumuladores.
La generación de energía eléctrica se lleva a cabo mediante técnicas muy diferentes. Las
que suministran las mayores cantidades y potencias de electricidad aprovechan un
movimiento rotatorio para generar corriente continua en un dinamo o corriente alterna en
un alternador. El movimiento rotatorio resulta a su vez de una fuente de energía mecánica
directa, como puede ser la corriente de un salto de agua, la producida por el viento, o a
través de un ciclo termodinámico. En este último caso se calienta un fluido, al que se hace
recorrer un circuito en el que mueve un motor o una turbina. El calor de este proceso se
obtiene mediante la quema de combustibles fósiles, reacciones nucleares y otros procesos.
La generación de energía eléctrica es una actividad humana básica, ya que está
directamente relacionada con los requerimientos actuales del hombre. Todas la formas de
utilización de las fuentes de energía, tanto las habituales como las denominadas alternativas
o no convencionales, agreden en mayor o menor medida el ambiente, siendo de todos
modos la energía eléctrica una de las que causan menor impacto.
La energía eléctrica se crea por el movimiento de los electrones, para que este movimiento
sea continuo, tenemos que suministrar electrones por el extremo positivo para dejar que se
escapen o salgan por el negativo; para poder conseguir esto, necesitamos mantener un
campo eléctrico en el interior del conductor (metal, etc.).Estos aparatos construidos con el
fin de crear electricidad se llaman generadores eléctricos. Claro que hay diferentes formas
de crearla, eólicamente, hidráulicamente, de forma geotérmica y muchas más.
La energía eléctrica es la transportada por la corriente eléctrica.
Es la forma de energía más utilizada en las sociedades industrializas. Si miras a tu
alrededor, verás multitud de objetos que usan la energía eléctrica para su funcionamiento.
Esto se debe a estas características:
- Capacidad para transformarse con facilidad en otras formas de energía (lumínica:
bombillas; calorífica: estufas).
- Es posible transportarla a largas distancias con bajos costes y rendimiento
relativamente alto (no se pierde excesiva energía).
Se denominan centros o centrales de generación a las instalaciones donde se transforma la
energía primaria o secundaria en energía de consumo. Si esta energía de consumo es
eléctrica, la central recibe el nombre de central eléctrica.
Una vez generada, esta energía de consumo debe ser trasportada hasta los puntos donde se
necesite. Ya en ellos, será distribuida: viviendas, alumbrado de las calles, industrias, etc.
Las bases de la energía eléctrica fueron cimentadas a mediados del siglo XIX, cuando el
científico inglés, Michael Faraday, en el año de 1831, descubrió el fenómeno de la
inducción electromagnética. Las posteriores investigaciones de la interacción de los
conductores de corriente eléctrica con el campo electromagnético posibilitaron la creación
de generadores eléctricos, que transforman la energía mecánica del movimiento giratorio en
energía eléctrica, lo que formo la base de un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP).
SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA (SEP)
Un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), es el conjunto de centrales generadoras, de líneas
de transmisión interconectadas entre sí y de sistemas de distribución esenciales para el
consumo de energía eléctrica.
El Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) está formado por tres partes principales:
- Generación.
- Transmisión.
- Distribución.
En la siguiente figura se muestra el diseño detallado de un Sistema Eléctrico de Potencia
mostrando los elementos que lo conforman.
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Sistema Eléctrico de Potencia
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GENERACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
La generación de energía eléctrica de CFE requerida para cubrir la demanda poblacional, de
la industria, la agricultura, el comercio y los servicios, se realiza en diferentes tipos de
centrales, dependiendo del tipo de generación de la que se trate, tal como se muestra en la
siguiente tabla.
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Capacidad efectiva instalada por tipo de generación
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Capacidad Efectiva instalada por tipo de generación
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Generación por fuente
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CENTRALES, TURBINAS Y GENERADORES
La electricidad que nosotros consumimos, y que se transporta a través de una red de cables,
se produce básicamente al transformar la energía cinética en energía eléctrica. Para ello, se
utilizan turbinas y generadores. Las turbinas son enormes engranajes que rotan sobre sí
mismos una y otra vez, impulsados por una energía externa. Los generadores son aparatos
que transforman la energía cinética “de movimiento” de una turbina, en energía eléctrica.
Los consumidores esperan que la electricidad esté siempre a su disposición cuando
conectan un aparato electrodoméstico, encienden una luz, o abren un refrigerador. Para
satisfacer estas demandas instantáneas se necesita de un flujo interrumpido de electricidad.
Para cumplir con estas necesidades, los generadores de energía eléctrica para servicios
públicos y de otra clase operan varios tipos de unidades generadoras de electricidad, que se
alimentan de una amplia gama de fuentes de combustible. Entre estas se incluyen
combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo), uranio y combustibles renovables
(agua, energía geotérmica, aire y otras fuentes de energía renovables).
A la combinación de las fuentes de energía que se utilizan, se les conoce como mezcla de
combustible o generación.
TIPOS DE UNIDADES GENERADORAS
Las unidades termoeléctricas queman combustibles fósiles tales como el carbón, gas natural
petróleo. El vapor hace girar una turbina que genera electricidad a través de un generador
eléctrico. También se quema tanto el gas natural, como el petróleo en generadores de
turbinas de gas donde los gases calientes que produce la combustión se utilizan para hacer
girar la turbina, que a su vez gira el generador para producir la electricidad. Además, el petróleo se quema en unidades de producción con motores de combustión interna. La
combustión ocurre dentro de los cilindros del motor, el cual está conectado al eje del
generador. La energía mecánica que genera el motor impulsa al generador para producir
energía.
En las unidades que operan con energía nuclear, la caldera se sustituye con reactor en el
cual la fisión de uranio se utiliza para generar vapor e impulsar la turbina.
Las unidades de energía hidroeléctrica utilizan corrientes de agua para hacer girar una
turbina conectada a un generador. En un sistema de cascadas, el agua se acumula en
depósitos de agua creados por las presas, después se libera a través de conductos para
aplicar presión contra los impulsores de la turbina e impulsar al generador. En un sistema
de corrientes ribereñas, la fuerza de la corriente ribereña ejerce presión en los impulsores de
la turbina para generar electricidad.
La generación de electricidad de fuentes renovables sin agua contribuye en pequeñas
cantidades a la generación total de energía. En estas fuentes se incluyen la energía
geotérmica, desperdicios, merma de calor, merma de vapor, energía solar, viento y madera.
Entre los diversos tipos de centrales eléctricas que vienen determinados por la fuente de
energía que utilizan para mover el rotor. Estas fuentes pueden ser convencionales (centrales
hidráulicas o hidroeléctricas, térmicas y nucleares) y no convencionales (centrales eólicas,
solares, mare motrices y de biomasa).
Dentro de las energías no convencionales, las energías solares y eólicas son las que mayor
implantación tienen en la actualidad, pero se está experimentando el uso de otras energías
renovables, como la oceánica, además de la utilización de residuos orgánicos como fuente
de energía.
Enseguida se muestra con más detalle y de manera gráfica los aspectos y elementos que
integran las centrales generadoras.
FUENTES DE GENERACIÓN CONVENCIONALES
CENTRALES HIDRÁULICAS O HIDROELÉCTRICAS
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Central hidroeléctrica
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En este tipo de centrales se aprovecha la energía potencial debida a la altura del agua para,
haciéndola caer, convertirla en energía cinética. Esta energía moverá los álabes (paletas
curvas) de una turbina situada al pie de la presa, cuyo eje está conectado al rotor de un
generador, el cual se encarga de transformarla en energía eléctrica.
Si el agua desciende hasta un embalse situado a menor altura para, con posterioridad, ser
bombeada hasta que alcance el embalse superior, con objeto de utilizar de nuevo, nos
encontramos frente una central hidráulica de bombeo. Este tipo de central se construye en
zonas donde existe la posibilidad de que en ciertas épocas del año no llegue suficiente agua
al embalse superior y, por tanto se necesite un aporte del inferior.
CENTRALES TÉRMICAS O TERMOELÉCTRICAS
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Central termoeléctrica
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En estas centrales, la energía mecánica, necesaria para mover las turbinas que están
conectadas al rotor del generador, proviene de la energía térmica (debida al movimiento de moléculas) contenida en el vapor de agua a presión, resultado del calentamiento del agua en
una gran caldera.
El combustible que se utiliza para producir vapor de agua determina el tipo de central
térmica: de petróleo (fuel), de gas natural o de carbón.
El proceso, en términos generales, es el siguiente: se utiliza uno de los combustibles citados
para calentar el agua. A continuación, el vapor de agua producido se bombea a alta presión
para que alcance una temperatura de 600 º C. Acto seguido, entra en una turbina a través de
un sistema de tuberías, hace girar la turbina y produce energía mecánica, la cual se
transforma en energía eléctrica por medio de un generador que está acoplado a la turbina.
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| Central nuceleoelectrica |
Se trata de centrales térmicas en las que la caldera ha sido sustituida por un reactor nuclear.
Este, por reacciones de fisión (rotura) de los núcleos atómicos del combustible nuclear,
generalmente uranio enriquecido (isótopo de uranio, 235 y 238), libera el calor necesario
para calentar el agua y transformarla en el vapor que moverá las turbinas de un generador.
La ventaja principal de las centrales nucleares es su rentabilidad en la producción de
energía; sin embargo, sus inconvenientes primordiales son la gestión y almacenamiento de
los residuos radiactivos, así como el riesgo que para la población conlleva los posibles
accidentes nucleares.
CENTRALES EÓLICAS
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Central eolica
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En las centrales eólicas o parques eólicos se aprovecha la energía cinética del viento para
mover las palas de un rotor situado en lo alto de una torre (aerogenerador).
La potencia total y el rendimiento de la instalación depende de dos factores: la situación del
parque (velocidad y cantidad de horas de viento) y el número de aerogeneradores de que
dispone.
Los aerogeneradores actuales alcanzan el máximo rendimiento con vientos de unos 45Km/h
de velocidad mínima necesaria para comenzar a funcionar de unos 20 Km/h, y la máxima,
por razones de seguridad, de 100Km/h.
Existe un tipo de centrales eólicas denominadas aisladas. Se trata de instalaciones de
reducido tamaño que las pequeñas industrias, estaciones de bombeo en explotaciones
agrarias, viviendas, etc., utilizan para su autoconsumo.
CENTRALES SOLARES
Son instalaciones en las que se utiliza la energía procedente del sol. Existen dos clases
principales de instalaciones, según el proceso de transformación usado: centrales
fototérmicas y centrales fotovoltaicas.
CENTRALES FOTOTÉRMICAS
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Central fototérmica
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En las centrales fototérmicas, la radiación solar se aprovecha de dos formas: con colectores
solares, que absorben las radiaciones solares para producir calor, o con helióstatos, que
reflejan la luz solar y la concentran en un punto para su utilización calorífica; en concreto
para calentar el agua de una caldera. En ambos casos, el vapor de agua producido se emplea
para mover el rotor de un generador.
CENTRALES FOTOVOLTAICAS
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Central fotovoltaica
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En las centrales fotovoltaicas se transforman en energía eléctrica mediante paneles de
células fotovoltaicas, las radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol.
Al igual que ocurre con la energía eólica, también existen centrales aisladas.
Las aplicaciones de la energía solar son muy variadas: desde alimentación de pequeñas
calculadoras de bolsillo hasta el uso en automoción y astronáutica.
CENTRALES DE BIOMASA
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Central biomasa
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La biomasa está constituida por todos los compuestos orgánicos producidos por procesos
naturales.
La energía de la biomasa se puede obtener a partir de vegetación natural, residuos forestales
y agrícolas (restos de poda, pajas, rastrojos) o cultivos específicos, como el girasol y la
remolacha (cultivos energéticos).
La central de biomasa quema este tipo de combustible para producir vapor de agua, el cual
mueve una turbina que, conectada a un generador, produce electricidad.
