Energia Eolica, Nuclear, Hidraulica y Solar

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UNIVERSIDAD PRIVADA ALAS PERUANAS INGENIERIA INDUSTRIAL VI CICLO Energía Hidráulica, Energía Solar, Energía Eólica, Energía Nuclear

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Información detallada de la carrera de Ingeniería Industial

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ENERGÍA HIDRÁULICA

Expositor: Munarriz Chauca Jurgen

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ENERGÍA HIDRÁULICA

Se denomina energía hidráulica, energía hídrica o hidroenergia a aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Es un tipo energía verde cuando su impacto ambiental es mínimo y usa la fuerza hídrica sin represarla, en caso contrario, es considerada solo una forma de energía renovable.

Se puede transformar a muy diferentes escalas. Existen, desde hace siglos, pequeñas explotaciones en las que la corriente de un rio, con una pequeña presa, mueve una rueda de palas y genera un movimiento aplicado, la utilización más significativa la constituye las centrales hidroeléctricas de presas, aunque estas no son consideradas formas de energía verde, por el alto impacto ambiental que producen.

El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un alternador el cual la convierte en energía eléctrica.

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VENTAJAS

Se trata de una energía renovable de alto rendimiento energético.Es una energía totalmente limpia.Permite el almacenamiento de agua para abastecer fácilmente actividades recreativas o sistemas de riego.

Pueden regular el caudal del rio evitando posibles riesgos de inundación en caso de crecida anormal.

La gran ventaja de la energía hidráulica o hidroeléctrica es la eliminación de combustible. El coste de operar una planta hidráulica es casi inmune a la volatilidad de los precios de los combustibles fósiles como petróleo, el carbón o el gas natural. Además, no hay necesidad de importar combustibles de otros países.

Las plantas hidroeléctricas también tienden a tener vidas económicas más largas que las plantas eléctricas que utilizan combustibles.

Los costos de operaciones son bajos porque las plantas están automatizadas y necesitan pocas personas para su operación normal.

Como las plantas hidráulicas no quemas combustibles, no producen directamente dióxido de carbono. Muy poco dióxido de carbono es producido durante el periodo de construcción de las plantas, pero es poco, especialmente en comparación a las emisiones de un planta equivalente que quema combustibles.

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Desventajas

La construcción de grandes embalses puede inundar importantes extensiones de terreno, obviamente en función de la topografía del terreno aguas arriba de la presa, lo que podría significar perdida de tierras fértiles, dependiendo del lugar donde se construyan.

Destrucción de la naturaleza.

Cambia los ecosistemas en el río aguas abajo. El agua que sale de las turbinas no tienen prácticamente sedimento. Esto puede dar como resultado la erosión de los márgenes de los ríos.

Cuando las turbinas se abren y cierran repetidas veces, el caudal del rio se puede modificar drásticamente causando una dramática alteración en los ecosistemas.

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CENTRALES HIDROELECTRICAS

La primera central hidroeléctrica moderna se construyo en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.

A principios de la década de los noventa las primeras potencias productoras de energía hidroeléctrica eran Canadá y Estados unidos. Canadá obtiene un 60 % de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, este tipo de energía representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de electricidad mas importante son Noruega (99%), Zaire (97%), y Brasil (96%).

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LAS MAYORES CENTRALES DEL MUNDO

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RECURSOS HIDROELÉCTRICOS MUNDIALES

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GENERACIÓN DE ENERGÍA HIDROELÉCTRICA MUNDIAL

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En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un Kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados. En Euskadi, debido a que los ríos son de cursos corto y no conducen caudales importantes, existen bastantes mini centrales hidráulicas. En el resto de España hay problemas de escases de agua y se han construido presas para riego. Posteriormente han sido aprovechadas para generar energía, y actualmente tenemos una fracción importante de energía hidroeléctrica instalada.

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Se pueden distinguir dos tipos de centrales:

Centrales de baja presión: Son centrales hidroeléctricas situadas en corrientes de agua con desniveles de caída de 10 metros o superación y se construyen intercalándolas en los cursos de los ríos o de los canales. Por razones de índole económica y ecológica el agua se utiliza en su curso natural, siendo embalsada mediante presas.

Centrales de mediana o alta presión: Son centrales hidroeléctricas de acumulación o de bombeo (desniveles hasta 100m ). Estas centrales disponen de zonas de embalse en forma de embalses de gran tamaño o zonas enteras de ríos en las que el agua se acumulaba durante periodos cortos (acumulación diaria} o mas prolongados (acumulación anual). Las centrales hidroeléctricas de acumulación se construye casi siempre en presas de valles, y aprovechan el agua de cursos naturales renovables. Por esta razón, las centrales hidroeléctricas de bombeo no pueden clasificarse en la categoría de plantas que aprovechan energía renovables.

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¿COMO FUNCIONA UNA CENTRAL HIDROELECTRICA?

PARTES DE LAS CENTRALES

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Las centrales depende de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías, controlados con válvulas y turbina para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de elctricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados cona arboles verticales.

El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Frances y Kaplan se utilizan para caudales grandes y saltos medios y ajos, y las turbinas. Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.

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Turbina francis

Turbina pelton

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Turbina kaplan

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Para la formación de un salto de agua es preciso elevar el nivel superficial de esta sobre el nivel normal de la corriente, atajando el agua con una presa para producir el salto total utilizando en la misma presa o contribuir a este salto, derivando a la vez las aguas por un canal de derivación de menor pendiente que el cauce del rio.

Las aguas del canal de derivación hay que conducirlas a las turbinas y, para ello, en los saltos menores de unos 12 m, el agua desemboca directamente en la cámara de turbina y, en los saltos superiores a 12m, termina en un ensanchamiento llamado cámara de presión desde donde parte la tubería a presión que en conducción forzada, lleva el agua a las turbinas. El agua sale a gran presión por la tobera e impulsa los álabes que hacen girar un eje y el generador. A la salida de las turbinas, el agua pasa a un canal de desague por el que desemboca nuevamente en el rio.

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Centrales hidroeléctricas en el Perú

La electricidad se genera de distintas fuentes como la hidráulica, geotérmica, eólica, atómica. Solar y térmica, donde se utiliza el carbón, el petróleo y el gas natural, que son recursos no renovables.

En nuestro país se utiliza el gran potencial hídrico de los ríos, lagos y lagunas para generar la electricidad que utilizamos. Esta generación hidroeléctrica representa el 60% del total de nuestra electricidad. El otro 40% lo generan las centrales térmicas, que trabajan con la fuerza del vapor y cuyo combustible principal es todavía el petróleo.

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El Sistema Interconectado Centro Norte

Es de mayor capacidad, ya que genera casi 3 mil megawatts. Abastece a las principales ciudades del país como: Piura, Chiclayo, Trujillo, Chimbote, Huaraz, Huánuco, Tingo María, Cajamarca, Huancayo y Lima. Las principales centrales hidroeléctricas que componen este sistema son:

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Carhuaquero Ubicada en Cajamarca, aprovecha las aguas del río

Chancay y cuenta con una caída neta de 475m para generar 75 Megavatios (Mw). Fue puesta en servicio en 1988 y pertenece a la empresa EGENOR S.A.

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Cañón del Pato Ubicada en Ancash, a 120 km. de Chimbote en la provincia

de Huaylas, utiliza las aguas del río Santa aprovechando una caída de 395 m y generando 154 Megavatios (Mw). Fue puesta en servicio en dos etapas: 1958 y 1981 respectivamente. Pertenece también a EGENOR S.A.

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Gallito Ciego Ubicada en la provincia de Contumazá, en Cajamarca.

Genera 34 Megavatios. Ha sido entregada en concesión definitiva a la empresa Cementos Norte Pacasmayo.

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Central Hidroeléctrica Santiago Antúnez de Mayolo

Ubicada ene el departamento de Huancavelica, provincia de Tayacaja. Produce 798Mw, con una caída neta de 748m también con turbinas Pelton. Fue puesta en servicio en dos etapas 1973 y 1979 respectivamente.

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Restitución Esta central recibe las aguas ya utilizadas en la Central

Antúnez de Mayolo a través de una caída de 258 m generando 216 Mw. Fue puesta en operación en 1984. Ambas componen del complejo hidroenergético más grande del país y pertenecen a Electroperú S.A

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Cahua Ubicado en Pativilca, al norte de Lima, aprovecha las aguas del

río Pativilca a través de una caída de 215 m produciendo 41 Mw. Fue puesta en servicio en 1967 y abastece de electricidad a Huacho, Supe, Paramonga, Pativilca y Barranca. 

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Huinco Es la principal central

hidroeléctrica de Lima. Su producción es de 262 Mw a través de 4 generadores. La cuenca hídrica que abastece a Huinco es recogida de las lagunas de Marcapomacocha y Antacoto a 5 mil m.s.n.m.

Las aguas son derivadas a través de una caída neta de 1.245 m para ser absorbidas por 8 turbinas Pelton. Fue puesta en operación en 1965. Además de Huinco, otras centrales hidroeléctricas abastecen a la ciudad de Lima. Todas ellas

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Pertenecen a la empresa EDEGEL S.A.: 

Central Matucana: Construida en 1971 genera 120 Mw. con una caída de 980 m.

Central Moyopampa: Inaugurada en 1951 genera 63 Mw. con una caída de 460 m. 

Central Callahuanca: Puesta en servicio en dos etapas 1938 y 1958 respectivamente y genera 71 Mw. con una caída de 426 m. 

Central Huampaní: Puesta en servicio 1962, genera 31 Mw con una caída de 185 m.

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El Sistema Interconectado Sur

Suministra energía a una población de más de millones de habitantes. Entre las principales ciudades que abastece están Arequipa, Cusco, Tacna, Moquegua, Juliaca, Ilo y Puno. En este Sistema Interconectado con 711 kilómetros de líneas de transmisión se hallan las siguientes centrales hidroeléctricas: 

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CharcaniUbicada en Arequipa,

esta central es una de las más modernas del país. Fue inaugurada en 1988. Genera 136.8 Mw con una caída de agua de 690 m y pertenece a la Empresa EGASA.

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Machu Picchu Ubicada en la provincia de Urubamba cerca a las ruinas de

Machu Picchu en el Cusco. Genera 110 Mw y su caída neta es de 345 m. Esta Central trabaja con turbinas tipo Francis y fue puesta en servicio en 3 etapas: 1964, 1972 y 1984 respectivamente.

En la actualidad esta central se encuentra inoperativa por los graves daños ocasionados por el aluvión sufrido durante la temporada del fenómeno de El Niño de febrero de 1998. 

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Aricota 1 y 2

Se localizan en la provincia de Candarave, en el departamento de Tacna. Aricota I fue construida en 1967 y en la actualidad produce 23.80 Mw con una caída de agua de 617 m a través de un sistema de turbinas Pelton. Aricota 2 genera 11.9 Mw. Estas centrales pertenecen a la empresa EGESUR S.A. 

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San Gabán Ubicada en la provincia de Carabaya, en el departamento de

Puno. Es una moderna central que genera 110 Mw de potencia.

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ENERGIA SOLARExpositor: García Vargas klinsman

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Básicamente, la radiación solar se puede aprovechar de dos maneras, ya sea por medio de calor mediante captadores o colectores térmicos o electricidad a través de los llamados módulos fotovoltaicos

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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

La energía solar térmica consiste en el aprovechamiento de la energía procedente del sol para transferirla un medio portador de calor, generalmente agua o aire.Para la transformación de la energía solar en calor se emplean tres tipos de sistemas de baja, de media y de alta temperatura.

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• Sistemas de baja temperatura (menor a 90º)

Abarca principalmente todos aquellos procesos en los que el agua no llega a estado de ebullición. Su campo de aplicación es amplio y variado: producción de Agua Caliente Sanitaria (A.C.S.), para uso doméstico, calentamiento y calefacción de piscinas, ciertos procesos industriales, etc.

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- Agua caliente sanitaria (ACS)

Se emplea para el sector domestico y de servicios, el agua caliente sanitaria se usa a una temperatura de 45°c, temperatura que se puede llegar fácilmente con captadores solares planos que pueden alcanzar como temperatura media 80°c.

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Termotanque

Colector solar

Válvula de retención

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- Calentamiento de agua de piscina

Los paneles solares  están diseñados para calentar grandes volúmenes de agua, recolectando para esto el calor de los rayos del sol. En este proceso participa una bomba recirculadora, que mueve el agua de la piscina hacia los paneles solares.El agua fría de la piscina entra a por la parte inferior de los paneles solares y se va calentando en la medida que sube por los tubos del calentador.El agua caliente se devuelve a la piscina, permitiendo aumentar la temperatura del agua.

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• Sistema a media temperatura (90-200º)

Destinadas a aquellas aplicaciones que exigen temperaturas de agua por encima de los 80º C y hasta los 250º C. Se destinan generalmente a procesos industriales, generación de fluidos térmicos, desalinización de agua de mar y refrigeración mediante energía solar.

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•Sistema a altas temperaturas (+200ºC)

Otras aplicaciones de los sistemas solares térmicos, sin uso de fluido, serían el secado solar, hornos solares y cocinas solares, estas últimas muy útiles en países en vía de desarrollo.Se utilizan más espejos y de mayor tamaño para concentrar aún más la radiación. Estos enormes espejos, llamados helióstatos, son orientables para seguir la luz del Sol. Su mayor aprovechamiento, se produce mediante una alta torre con una caldera, hacia donde confluyen los rayos solares.

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ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

La célula fotovoltaica: como funciona La palabra fotovoltaico procede de photo = luz y voltaico = electricidad y significa electricidad producida a través de la luz , el efecto fotovoltaico se basa sobre la capacidad de algunos semiconductores, como el silicio, de generar directamente energía eléctrica cuando se exponen a la radiación solar.

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Como esta echa la célula fotovoltaica

la célula fotovoltaica es un dispositivo formado por una delgada lamina de un material semi-conductor, muy a menudo de silicio, el material mas utilizado es el silicio mono-cristalino que presenta prestaciones y duración en el tiempo superior a cualquier otro silicio

- Silicio mono-cristalino: rendimiento energético hasta 15-17%- Silicio poli-cristalino : rendimiento energético hasta 12-14%- Silicio amorfo : rendimiento energético menos de 10%

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• Célula fotovoltaica echa de silicio• Forma cuadra • 10 cm de lado y un grosor que varia entre 0,25 y los 0,35 mm

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Los sistemas fotovoltaicos

Sistema conectado a la red

Estos sistemas están compuestos por un generador fotovoltaico que se encuentra conectado a la red eléctrica convencional a través de un inversor, produciéndose un intercambio energético entre ésta y el sistema fotovoltaico, característico de este tipo de instalaciones. Así, el sistema inyecta energía en la red cuando su producción supera al consumo local, y extrae energía de ella en caso contrario. Uno de los factores favorables de los sistemas conectados a la red, es la posibilidad de mejorar la calidad del servicio de la energía suministrada por la red.

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Algunas de las aplicaciones de estos sistemas son las siguientes: – Instalaciones en tejados, terrazas, etc. de viviendas que dispongan de conexión a la red de distribución eléctrica.

– Plantas de producción: Son aplicaciones de carácter industrial que pueden instalarse en zonas rurales no aprovechadas para otros usos (“huertas solares”, “cooperativas energéticas”) o sobrepuestas en grandes cubiertas de zonas urbanas (Aparcamientos, zonas comerciales, etc.)

– Integración en edificios: Consiste en la sustitución de elementos arquitectónicos convencionales por nuevos elementos arquitectónicos que incluyen el elemento fotovoltaico (recubrimientos de fachadas, muros cortina, parasoles, pérgolas, etc.)

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Sistema aislado

Este sistema se utiliza normalmente para proporcionar electricidad a los usuarios con consumos de energía muy bajas para los cuales no compensa pagar el costo de la conexión de red. La energía es almacenada en baterías y se utiliza para abastecer las cargas durante la noche o en días de baja insolación o cuando el arreglo fotovoltaico es incapaz de satisfacer la demanda por si solo.

Si las cargas a alimentar son de corriente directa, estas pueden hacerse a través del arreglo fotovoltaico o desde la batería.

Cuando las cargas son de corriente alterna, la energía proveniente del arreglo y de las baterías, limitadas por el controlador, es enviada a un inversor de corriente, en donde es convertida a corriente alterna.

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Las principales aplicaciones de los sistemas aislados son: – Electrificación de viviendas y edificios, principalmente para iluminación y electrodomésticos de baja potencia

– Alumbrado público

– Aplicaciones agropecuarias y ganaderas

– Bombeo y tratamiento de agua

– Antenas de telefonía aisladas de la red

– Señalización y comunicaciones

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¿Qué es la Energía Eólica? La energía eólica es la que produce el aire atmosférico en

movimiento que se conoce comúnmente como viento, aunque este tipo de energía ya se ha utilizado de manera limitada desde hace varios siglos en diversas partes del mundo como en la navegación marítima con los buques de vela, molinos de viento para moler gramíneas como el trigo y el maíz, o para extraer agua del subsuelo entre otros usos, su aplicación y desarrollo se ha acelerado fuertemente en las ultimas tres décadas como resultado combinado de la cada vez mas preocupante situación ecológica, el aumento constate de los costo de los combustibles fósiles, además la progresiva reducción del las reservas de estos combustibles.

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Definición de Energía Eólica La energía Eólica es una forma “convertida” de la Energía Solar

(alrededor del 2% de la recibida en la Tierra se transforma en esta), originada en la circulación del aire atmosférico, consecuencia del mayor calentamiento relativo de la superficie terrestre y de la atmosfera en el Ecuador, que en los Polos (la radiación solar incidente es 2.4 veces mayor en el Ecuador que en los Polos).

Ello, induce una diferencia de presiones en la atmosfera que da origen al viento, es decir, aire atmosférico en movimiento con masa y con energía Cinética. Parte de ésta, puede ser convertida en energía mecánica o eléctrica y, así, utilizarse para realizar trabajos.

Al presente, se cuenta con una tecnología madura en evolución permanente, que permite obtener potencia buscando el máximo aprovechamiento del viento, compitiendo con otras fuentes de energía disponibles.

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Hitos en la Historia de la Energía Eólica

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Evolución tecnológica del aerogenerador

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Evolución y Proyección

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Naturaleza y Clasificación del Viento

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Naturaleza y causas del viento

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Causas del viento a escala global

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Variación del viento a escala global

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¿Qué es un Aerogenerador?

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Potencia de una turbina: Coeficiente de Potencia Cp

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Teorema de Betz

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Teoremas de Betz y de Schmitz

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Software para evaluación de potencial eólico

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Evaluación del Potencial Eólico

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Aerogeneradores

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Penetración de la Energía Eólica en la red eléctrica

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Ventajas de la Energía Eólica

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Ventajas de la Energía Eólica El impacto ambiental de las instalaciones eólicas muy es

pequeño:

- El ruido es pequeño: puede mantenerse una conversación sin esfuerzo en la base de un ruido. El ruido es mayor cuando el viento es fuerte pero entonces, el ruido ambiente también es mayor. El nivel de ruido es como el de un frigorífico a 50 metros. - Las granjas o parques eólicos solo ocupan un 2% de la tierra. El 98% restante puede utilizarse para pastos, carreteras, industrias, etc. - La muerte de aves es menor que la producida por líneas de corriente, casas o coches. Los nuevos diseños tubulares de las torres minimizan el problema. El impacto en la fauna es positivo si uno tiene en cuenta la reducción de emisiones que involucra.

Proporciona diversificación rural y empleo local, es fácil de integrar en redes de potencia eléctrica ya existentes.

El diseño de aerogeneradores es flexible y con aplicaciones diversas.

El coste de producción ha bajado más de un 80% en dos décadas.

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Energía NuclearExpositor: Monroy Ochoa Ángel

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Energía Nuclear

¿Qué es energía nuclear?

La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por el proceso de Fisión Nuclear o bien por Fusión Nuclear . En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso, se transforma directamente en energía.

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Fisión Nuclear

En energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo. La fisión nuclear es una reacción en la cual un núcleo pesado, al ser bombardeado con neutrones, se convierte en inestable y se descompone en dos núcleos, cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, con gran desprendimiento de energía y la emisión de dos o tres neutrones.

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Fusión Nuclear

• La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos muy livianos se unen, formando un núcleo atómico más pesado con mayor estabilidad. Estas reacciones liberan energías tan elevadas que en la actualidad se estudian formas adecuadas para mantener la estabilidad y confinamiento de las reacciones.

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Funcionamiento de una central de energía nuclear

• El principal uso que se le da actualmente a la energía nuclear es el de la generación de energía eléctrica. Las centrales nucleares son las instalaciones encargadas de este proceso. Prácticamente todas las centrales nucleares en producción utilizan la fisión nuclear ya que la fusión nuclear actualmente es inviable a pesar de estar en proceso de desarrollo.

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Tipos de reactores nucleares

Reactor de agua a presión

El refrigerante es agua a gran presión. El moderador puede ser agua o bien grafito. Su combustible enriquecido con Uranio.

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Reactor de agua en ebullición

Como en el caso de los reactores PWR, también utilizan el agua como refrigerante y moderador y el dióxido de uranio como combustible.Se diferencian de los anteriores en que el generador de vapor se encuentra incorporado al reactor de forma que el agua refrigerante se convierte en el vapor que mueve la turbina. Por tanto sólo dispone de un circuito de refrigeración.

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Reactor refrigerado por gas

Se caracteriza por que el moderador es grafito y el refrigerante bióxido de carbono gaseoso contenido en un recipiente a presión de hormigón, que también actúa como escudo. La turbina generadora es impulsada por vapor producido en una caldera. Durante el proceso no se deben acumular grandes cantidades de calor.

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• El reactor cría

Los reactores de crias lo más sobresaliente es que se produce más material para fisionar. Se sabe que los neutrones bombardean el uranio, pero una parte de este no se fisiona. Entonces, el uranio no es fisionado se convierte en plutonio. Ambos reaccionan y forman uranio, que vuelve a convertirse en plutonio. Esto quiere decir que el combustible radiactivo se regenera, lo que redunda en un ahorro con igual producción de energía electrica.En la actualidad, existen muy pocos reactores de cria.

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El reactor de agua pesada (CANDU)

Fue diseñado en Canadá, y opera con los principios fundamentales de los reactores convencionales más utilizados en el mundo, con la diferencia de utilizar uranio natural como combustible y agua a presión dentro del reactor.

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Ventajas de la energía nuclear

• No produce CO2.• Reduce la dependencia de los productores de petróleo.• Genera gran parte de la energía eléctrica que consumimos día

a día.• Su uso garantiza un daño menor al medio ambiente, evitando

el uso de combustibles fósiles.

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Desventajas de la energía nuclear

• Produce desechos radioactivos de muy difícil eliminación.• Los accidentes, aunque raros, son muy, muy peligrosos.• Dificulta el control de las armas nucleares.• Aumenta la dependencia de los productores de Uranio y de los

fabricantes de Uranio enriquecido.• Las centrales nucleares demandan un alto costo de

construcción y mantenimiento.