Ingeniería de centrales eléctricas

En términos sencillos, la primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye; sin embargo, la potencia se puede convertir de una forma de energía a otra. Esto es especialmente importante en la generación de energía, ya que la producción de energía en casi todos los tipos de centrales eléctricas depende del uso de un generador . ^{[ 4 ]} 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. El generador entonces 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 energía eléctrica utilizable. ^{[ 6 ]}

La segunda ley de la termodinámica conceptualiza que la entropía de un sistema cerrado nunca puede disminuir. En lo que respecta a las centrales eléctricas, esta ley establece que el calor debe fluir de un cuerpo a alta temperatura a un cuerpo a baja temperatura (el dispositivo en el que se genera la electricidad). ^{[ 4 ]} Esta ley es particularmente relevante para las centrales térmicas que obtienen su energía de la combustión de una fuente de combustible . ^{[ 1 ]}

Las centrales hidroeléctricas generan energía utilizando la fuerza del agua para hacer girar los generadores. Se pueden clasificar en tres tipos diferentes: de embalse, de derivación y de bombeo. ^{[ 7 ]} Las centrales hidroeléctricas de embalse y de derivación funcionan de manera similar, ya que ambas implican la creación de una barrera para evitar que el agua fluya a un ritmo incontrolable, y luego controlar el caudal de agua que pasa a través de las turbinas para generar electricidad a un nivel óptimo. Los ingenieros civiles hidráulicos se encargan de calcular los caudales y otros cálculos volumétricos necesarios para hacer girar los generadores según las especificaciones de los ingenieros eléctricos. ^{[ 8 ]} Las centrales hidroeléctricas de bombeo funcionan de manera similar, pero solo funcionan en las horas pico de demanda de energía. En las horas de calma, el agua se bombea cuesta arriba y luego se libera en las horas pico para que fluya desde una elevación alta a una baja para hacer girar las turbinas. ^{[ 9 ]} El conocimiento de ingeniería requerido para evaluar el rendimiento de las centrales hidroeléctricas de bombeo es muy similar al de las centrales de embalse y de derivación.

Las centrales térmicas se dividen en dos categorías diferentes: las que generan electricidad mediante la combustión de combustible y las que la generan mediante un motor primario. Un ejemplo común de una central térmica que produce electricidad mediante el consumo de combustible es la central nuclear. Las centrales nucleares utilizan el calor de un reactor nuclear para convertir el agua en vapor. ^{[ 1 ]} Este vapor se envía a través de una turbina que está conectada a un generador eléctrico para generar electricidad. Las centrales nucleares representan el 20% de la generación de electricidad de Estados Unidos . ^{[ 10 ]} Otro ejemplo de una central eléctrica que quema combustible es la central eléctrica de carbón . Las centrales eléctricas de carbón generan el 50% del suministro eléctrico de Estados Unidos. ^{[ 10 ]} Las centrales eléctricas de carbón funcionan de manera similar a las centrales nucleares, ya que el calor de la combustión del carbón impulsa una turbina de vapor y un generador eléctrico. ^{[ 1 ]} Existen varios tipos de ingenieros que trabajan en una central térmica. Los ingenieros mecánicos mantienen el rendimiento de las centrales térmicas mientras las mantienen en funcionamiento. ^{[ 11 ]} Los ingenieros nucleares generalmente se ocupan de la eficiencia del combustible y la eliminación de residuos nucleares; sin embargo, en las centrales nucleares trabajan directamente con equipos nucleares. ^{[ 12 ]} Los ingenieros eléctricos se ocupan de los equipos de generación de energía, así como de los cálculos. ^{[ 13 ]}

Las centrales solares obtienen su energía de la luz solar, que se hace accesible mediante paneles fotovoltaicos (PV). Los paneles fotovoltaicos, o paneles solares , se construyen utilizando células fotovoltaicas hechas de materiales de sílice que liberan electrones cuando se calientan por la energía térmica del sol. El nuevo flujo de electrones genera electricidad dentro de la célula. ^{[ 14 ]} Si bien los paneles fotovoltaicos son un método eficiente para producir electricidad, se desgastan después de una década y, por lo tanto, deben reemplazarse; sin embargo, su eficiencia, costo de operación y la ausencia de contaminación acústica y física los convierten en una de las formas de energía más limpias y económicas. ^{[ 1 ]} Las centrales solares requieren el trabajo de muchas áreas de la ingeniería; los ingenieros eléctricos son especialmente cruciales en la construcción de los paneles solares y su conexión a la red, los ingenieros informáticos programan las células para que la electricidad se pueda producir de manera efectiva y eficiente, y los ingenieros civiles desempeñan un papel muy importante al identificar las áreas donde las centrales solares pueden recolectar la mayor cantidad de energía. ^{[ 11 ]}

Las centrales eólicas , también conocidas como turbinas eólicas, obtienen su energía del viento conectando un generador a las palas del ventilador y utilizando el movimiento de rotación causado por el viento para alimentar el generador. ^{[ 15 ]} Luego, la energía generada se reincorpora a la red eléctrica. Las centrales eólicas pueden implementarse en grandes extensiones de tierra abiertas o en grandes masas de agua como los océanos; dependen de estar ubicadas en áreas que experimentan cantidades significativas de viento. ^{[ 1 ]} 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. ^{[ 15 ]} Las turbinas eólicas requieren conocimientos de ingenieros mecánicos, eléctricos y civiles. El conocimiento de la dinámica de fluidos, con la ayuda de los ingenieros mecánicos, es crucial para determinar la viabilidad de las ubicaciones para las turbinas eólicas. ^{[ 16 ]} Los ingenieros eléctricos garantizan que la generación y transmisión de energía sea posible. ^{[ 13 ]} Los ingenieros civiles son importantes en la construcción y utilización de turbinas eólicas. ^{[ 17 ]}

Los ingenieros mecánicos trabajan para mantener y controlar la maquinaria que se utiliza para alimentar la planta. ^{[ 12 ]} Para trabajar en este campo, los ingenieros mecánicos requieren una licenciatura en Ingeniería y una licencia que apruebe tanto el Examen de Ingeniería Profesional (PE) como el Examen de Ingeniería Fundamental (FE). Los ingenieros mecánicos tienen funciones adicionales que deben considerarse según su trayectoria profesional. Cuando trabajan en centrales termoeléctricas, los ingenieros mecánicos se aseguran de que la maquinaria pesada, como calderas y turbinas, funcione en óptimas condiciones y que se genere energía de forma continua. ^{[ 12 ]} Los ingenieros mecánicos también trabajan con las operaciones de la planta. En las centrales nucleares e hidráulicas, los ingenieros trabajan para asegurar que la maquinaria pesada se mantenga y se realice el mantenimiento preventivo.

Los ingenieros eléctricos trabajan con aparatos eléctricos, asegurándose de que los instrumentos y aparatos electrónicos funcionen de acuerdo con las normativas de la empresa y del estado. ^{[ 13 ]} Requieren licencias y deben aprobar tanto el Examen de Ingeniería Profesional (PE) como el Examen de Ingeniería Fundamental (FE). También se prefiere que posean una licenciatura acreditada por la Junta de Acreditación de Ingeniería y Tecnología (ABET) y experiencia laboral antes de acceder a un puesto de nivel inicial.

Los ingenieros nucleares desarrollan e investigan métodos, maquinaria y sistemas relacionados con la radiación y la energía a nivel subatómico. ^{[ 12 ]} Requieren experiencia práctica y una licenciatura en ingeniería. Estos ingenieros trabajan en centrales nucleares y necesitan licencias para ejercer mientras trabajan en ellas. Requieren experiencia laboral, aprobar el Examen de Ingeniería Profesional (PE), el Examen de Ingeniería Fundamental (FE) y un título de una escuela aprobada por la Junta de Acreditación de Ingeniería y Tecnología, Inc. (ABET). ^{[ 12 ]} Los ingenieros nucleares trabajan con el manejo de material nuclear y las operaciones de una central nuclear. Estas operaciones pueden abarcar desde el manejo de desechos nucleares, experimentos con material nuclear y el diseño de equipos nucleares. ^{[ 18 ]}

Los ingenieros civiles se centran en la construcción, los gastos y el edificio de la central eléctrica. ^{[ 19 ]} Los ingenieros civiles deben aprobar el Examen de Ingeniería Profesional (PE), el Examen de Ingeniería Fundamental (FE) y obtener un título de una escuela aprobada por la Junta de Acreditación de Ingeniería y Tecnología, Inc. (ABET). ^{[ 19 ]} Trabajan para garantizar la estructura de la central eléctrica, su ubicación, el diseño y la seguridad de la misma.

While there are many disparities between the aforementioned engineering disciplines, they all cover material related to heat or electricity transmission. Obtaining a degree from an ABET accredited school in any one of these disciplines is essential to becoming a power plant engineer.^[20] There are also many associations which qualified engineers can join, including the American Society of Mechanical Engineers (ASME), the Institute of Electric and Electronic Engineers (IEEE), and the American Society of Power Engineers (ASOPE).