Ingeniería de centrales eléctricas - Enciclopedia

Ingeniería de centrales eléctricas, abreviada como TPTL, es una rama del campo de la ingeniería energética y se define como la ingeniería y tecnología necesaria para la producción de una central eléctrica. La técnica se centra en la generación de energía para la industria y la comunidad, no solo para la producción de electricidad doméstica. Este campo es una disciplina que utiliza la base teórica de la ingeniería mecánica y eléctrica. Los aspectos de ingeniería de la generación de energía han evolucionado con la tecnología y se están volviendo cada vez más complejos. La introducción de tecnologías nucleares y otras mejoras tecnológicas existentes ha hecho posible la creación de energía de más formas y a una escala mayor de lo que era posible anteriormente. La asignación de diferentes tipos de ingenieros para el diseño, construcción y operación de nuevas centrales eléctricas dependiendo del tipo de sistema que se esté construyendo, como si se alimenta de combustibles fósiles, nuclear, hidroeléctrica o energía solar.


Historia

La ingeniería de centrales eléctricas comenzó en el siglo XIX cuando pequeños sistemas eran utilizados por fábricas individuales para proporcionar electricidad. Originalmente, la única fuente de energía provenía de sistemas de corriente continua (CC), o corriente directa. Aunque esto era adecuado para los negocios, la electricidad no estaba accesible para la mayoría del público. Durante estos tiempos, el motor de vapor a carbón era costoso de operar y no había manera de transmitir la energía a distancias. La hidroelectricidad fue una de las formas más utilizadas de generación de energía, ya que los molinos de agua podían utilizarse para crear energía para transmitir a pequeños pueblos.
No fue hasta la introducción de sistemas de corriente alterna (CA), o corriente alterna, que se permitió la creación de centrales eléctricas como las que conocemos hoy en día. Los sistemas de CA permitían transmitir energía a distancias mayores que los sistemas de CC y, por lo tanto, se pudieron crear grandes estaciones eléctricas. Uno de los precursores de la transmisión de energía a larga distancia fue la central eléctrica Lauffen a Frankfurt, que abarcaba 109 millas. La Lauffen-Frankfurt demostró cómo la corriente trifásica podía aplicarse de manera efectiva para transmitir energía a largas distancias. La corriente trifásica había sido el resultado de años de investigación en distribución de energía y la Lauffen-Frankfurt fue la primera exposición que mostró su potencial futuro.
El conocimiento de ingeniería necesario para realizar estas tareas implica la ayuda de varios campos de ingeniería, incluyendo mecánica, eléctrica, nuclear y civil. Cuando las centrales eléctricas estaban en aumento, las tareas de ingeniería necesarias para crear estas instalaciones consistían principalmente en ingenieros mecánicos, civiles y eléctricos. Estas disciplinas permitieron la planificación y construcción de centrales eléctricas. Pero cuando se crearon centrales nucleares, se introdujo a ingenieros nucleares para realizar los cálculos necesarios para mantener los estándares de seguridad.


Principios directores


= Primera ley de la termodinámica =
En términos simples, la primera ley de la termodinámica establece que la energía no puede ser creada ni destruida; sin embargo, la energía puede ser convertida de una forma de energía a otra. Esto es especialmente importante en la generación de energía porque la producción de energía en casi todos los tipos de centrales eléctricas depende del uso de un generador. Los generadores se utilizan para convertir energía mecánica en energía eléctrica; por ejemplo, las turbinas eólicas utilizan una gran pala conectada a un eje que hace girar el generador cuando se rota. El generador luego crea electricidad debido a la interacción de un conductor dentro de un campo magnético. En este caso, la energía mecánica generada por el viento se convierte, a través del generador, en energía eléctrica. La mayoría de las centrales eléctricas dependen de estas conversiones para crear electricidad utilizable.


= Segunda ley de la termodinámica =
La segunda ley de la termodinámica conceptualiza que la entropía de un sistema cerrado nunca puede disminuir. En relación con las centrales eléctricas, esta ley dicta que el calor debe fluir de un cuerpo a alta temperatura a un cuerpo a baja temperatura (el dispositivo en el que se está generando electricidad). Esta ley es particularmente relevante para las centrales térmicas que derivan su energía de la combustión de una fuente de combustible.


Tipos de centrales eléctricas

Todas las centrales eléctricas se crean con el mismo objetivo: producir electricidad de la manera más eficiente posible. Sin embargo, a medida que la tecnología ha evolucionado, las fuentes de energía utilizadas en las centrales eléctricas también han evolucionado. La introducción de más formas de energía renovable y sostenible ha provocado un aumento en la mejora y creación de ciertas centrales eléctricas.


= Centrales hidroeléctricas =

Las centrales hidroeléctricas generan energía utilizando la fuerza del agua para hacer girar generadores. Pueden clasificarse en tres tipos diferentes: embalse, derivación y almacenamiento hidráulico. Las centrales hidroeléctricas de embalse y derivación operan de manera similar, ya que ambas involucran la creación de una barrera para evitar que el agua fluya a un ritmo no controlado, y luego controlar el flujo del agua para pasar a través de turbinas y generar electricidad a un nivel ideal. Los ingenieros civiles hidráulicos son los encargados de calcular las tasas de flujo y otras cálculos volumétricos necesarios para hacer girar los generadores según las especificaciones de los ingenieros eléctricos. Las centrales hidroeléctricas de almacenamiento hidráulico operan de manera similar, pero solo funcionan durante las horas pico de demanda de energía. Durante las horas tranquilas, el agua se bombea a lo alto, y luego se libera durante las horas pico para fluir de una elevación alta a baja y hacer girar las turbinas. El conocimiento de ingeniería requerido para evaluar el rendimiento de las centrales hidroeléctricas de almacenamiento es muy similar al de las centrales hidroeléctricas de embalse y derivación.


= Centrales térmicas =

Las centrales térmicas se dividen en dos categorías diferentes: aquellas que crean electricidad quemando combustible y aquellas que crean electricidad mediante un motor primario. Un ejemplo común de central térmica que produce electricidad mediante el consumo de combustible es la central nuclear. Las centrales nucleares utilizan el calor del reactor nuclear para hacer vapor. Este vapor se envía a través de una turbina conectada a un generador eléctrico para generar electricidad. Las centrales nucleares representan el 20% de la generación de electricidad en América. Otro ejemplo de una central de combustible es la central eléctrica a carbón. Las centrales eléctricas a carbón generan el 50% del suministro de electricidad de los Estados Unidos. Las centrales eléctricas a carbón operan de manera similar a las centrales nucleares, ya que el calor del carbón quemado hace girar una turbina y un generador eléctrico. Hay varios tipos de ingenieros que trabajan en una central térmica. Los ingenieros mecánicos mantienen el rendimiento de las centrales térmicas mientras se mantienen en funcionamiento. Los ingenieros nucleares generalmente manejan la eficiencia del combustible y el disposal de residuos nucleares; sin embargo, en las centrales nucleares trabajan directamente con el equipo nuclear. Los ingenieros eléctricos se ocupan del equipo de generación de energía y de los cálculos.


= Centrales solares =

Las centrales solares obtienen su energía del sol, que se hace accesible mediante fotovoltaicos (PV). Los paneles fotovoltaicos, o paneles solares, están construidos utilizando celdas fotovoltaicas que están hechas de materiales de sílice que liberan electrones cuando son calentados por la energía térmica del sol. El nuevo flujo de electrones genera electricidad dentro de la celda. Aunque los PV son un método eficiente de producción de electricidad, se agotan después de una década y, por lo tanto, deben ser reemplazados; sin embargo, su eficiencia, costo de operación y falta de ruido/contaminantes físicos los hacen una de las formas de energía más limpias y menos costosas. Las centrales solares requieren el trabajo de muchos aspectos de la ingeniería; los ingenieros eléctricos son especialmente cruciales en la construcción de los paneles solares y en conectarlos a una red, y los ingenieros informáticos codifican las celdas en sí para que la electricidad se pueda producir de manera efectiva y eficiente, y los ingenieros civiles juegan un papel muy importante al identificar áreas donde las plantas solares pueden recopilar la mayor cantidad de energía.


= Centrales eólicas =

Las centrales eólicas, también conocidas como turbinas eólicas, obtienen su energía del viento mediante la conexión de un generador a las palas y utilizando el movimiento rotatorio causado por el viento para hacer girar el generador. Luego, la energía generada se inyecta en la red eléctrica. Las centrales eólicas pueden implementarse en grandes extensiones de tierra abierta o en grandes masas de agua como los océanos; dependen de estar en áreas que experimentan cantidades significativas de viento. Técnicamente, las turbinas eólicas son una forma de energía solar, ya que dependen de las diferencias de presión causadas por el calentamiento desigual de la atmósfera terrestre. Las turbinas eólicas requieren conocimientos de ingeniería mecánica, eléctrica y civil. El conocimiento de la dinámica de fluidos proporcionado por los ingenieros mecánicos es crucial para determinar la viabilidad de ubicaciones para turbinas eólicas. Los ingenieros eléctricos aseguran que la generación y transmisión de energía sean posibles. Los ingenieros civiles son importantes en la construcción y utilización de turbinas eólicas.


Educación

La ingeniería de centrales eléctricas abarca un amplio espectro de disciplinas de ingeniería. El campo puede solicitar información de ingenieros mecánicos, químicos, eléctricos, nucleares y civiles.


= Mecánica =

Los ingenieros mecánicos trabajan para mantener y controlar la maquinaria utilizada para alimentar la planta. Para trabajar en este campo, los ingenieros mecánicos requieren una licenciatura en Ingeniería y la aprobación de los exámenes de Ingeniero Profesional (PE) y Examen Fundamental de Ingeniería (FE). Los ingenieros mecánicos tienen roles adicionales que deben considerarse basados en sus carreras. Cuando trabajan en centrales térmicas, los ingenieros mecánicos aseguran que la maquinaria pesada como los calderos y las turbinas funcionen en las mejores condiciones y que se genere energía continuamente. Los ingenieros mecánicos también trabajan con las operaciones de la planta. En las centrales nucleares y hidráulicas, los ingenieros trabajan para asegurar que la maquinaria pesada se mantenga y se realice el mantenimiento preventivo.


= Eléctrica =

Los ingenieros eléctricos trabajan con aparatos eléctricos mientras aseguran que los instrumentos y aparatos electrónicos funcionen de manera satisfactoria a nivel de empresa y estado. Requieren licencias que aprueben los exámenes de Ingeniero Profesional (PE) y Examen Fundamental de Ingeniería (FE). También se prefiere que tengan una licenciatura aprobada por el Consejo de Acreditación de Ingeniería y Tecnología, Inc. (ABET) y experiencia en el campo antes de obtener un puesto de nivel de entrada.


= Nuclear =

Los ingenieros nucleares desarrollan y investigan métodos, maquinaria y sistemas relacionados con la radiación y la energía a niveles subatómicos. Requieren experiencia en el sitio y una licenciatura en ingeniería. Estos ingenieros trabajan en centrales nucleares y requieren licencias para ejercer mientras trabajan en la planta. Requieren experiencia laboral, aprobar el examen de Ingeniero Profesional (PE), el examen Fundamental de Ingeniería (FE) y una licenciatura de una escuela aprobada por el Consejo de Acreditación de Ingeniería y Tecnología, Inc. (ABET). Los ingenieros nucleares trabajan con el manejo de materiales nucleares y las operaciones de una central nuclear. Estas operaciones pueden variar desde el manejo de residuos nucleares, experimentos de materiales nucleares y el diseño de equipo nuclear.


= Civil =

Los ingenieros civiles se enfocan en la construcción, costos y edificación de la planta eléctrica. Los ingenieros civiles requieren aprobar el examen de Ingeniero Profesional (PE), el examen Fundamental de Ingeniería (FE) y una licenciatura de una escuela aprobada por el Consejo de Acreditación de Ingeniería y Tecnología, Inc. (ABET). Trabajan para asegurar que la estructura de la planta eléctrica, la ubicación y el diseño y seguridad de la planta sean adecuados.


= Asociaciones =

Aunque hay muchas diferencias entre las disciplinas de ingeniería mencionadas anteriormente, todas cubren materiales relacionados con la transmisión de calor o electricidad. Obtener una licenciatura de una escuela acreditada por el ABET en cualquier una de estas disciplinas es esencial para convertirse en ingeniero de centrales eléctricas. También hay muchas asociaciones a las que pueden unirse ingenieros calificados, incluyendo la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME), el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y la Sociedad Americana de Ingenieros de Potencia (ASOPE).


Campos

La operación y mantenimiento de las centrales eléctricas consisten en optimizar la eficiencia y la salida de energía de las centrales eléctricas y asegurar un funcionamiento a largo plazo. Estas centrales eléctricas son de gran escala y se utilizan para suministrar energía a comunidades e industrias. Los generadores eléctricos domésticos individuales no se incluyen.


Ver también

Ingeniería eléctrica
Ingeniería mecánica
Ingeniería eléctrica
Ingeniería civil
Fotovoltaica
Centrales térmicas
Hidroelectricidad
Primera ley de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámica
Energía eólica


Referencias

Brighthub Engineering. Recuperado el 18 de abril de 2018.


Enlaces externos

Sociedad Americana de Ingenieros de Potencia
Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos
Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos