SURSĂ DE ENERGIE NECONVENȚIONALĂ PENTRU LOCURI IZOLATE [304621]

UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

DEPARTAMENTUL MAȘINI SI ECHIPAMENTE INDUSTRIALE

SURSĂ DE ENERGIE NECONVENȚIONALĂ PENTRU LOCURI IZOLATE

COORDONATOR ȘTINȚIFIC:

Prof. Univ. Dr. Ing. Laurean Bogdan

ABSOLVENT: [anonimizat]:

MEC

SIBIU, 2018

REZUMAT

Lucrarea de diplomă, ,,SURSĂ DE ENERGIE NECONVENȚIONALĂ PENTRU LOCURI IZOLATE’’ este o lucrare cu caracter tehnic având ca scop proiectarea unui sistem relativ simplu de conversie a energiei care poate sa asigure o sursă de energie electrică în cazul proiectului meu asigură o sursă de lumină.

ABSTRACT

License degree ,,Unconventional energy source for isolated places’’ is a technical project aiming at designing a relatively simple energy conversion system that can provide a [anonimizat] a source of light.

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

Aproximativ 6 [anonimizat],dezvoltare,aplicație,tipuri de energii

Energia o regăsim peste tot in jurul nostru și fără ea nu am putea trăi. Conform legi conservării a energiei, [anonimizat]-o formă de energie in altă formă de energie. O definiție simplă a energiei este capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic la trecerea dintr-o stare în altă stare. Cantitatea de energie a unui sistem reprezintă lucrul mecanic pe care acesta îl poate efectua.

[anonimizat] a unui sistem fizic la o [anonimizat]. [anonimizat] o valoare bine determinată. [anonimizat] o funcție de starea sistemului fizic pe care o caracterizează, adică este o funcție de potențial. [anonimizat], negativă sau nulă.

Se numește formă de energie fiecare termen aditiv din cea mai generală expresie a energiei totale a [anonimizat] o anumită clasă de mărimi de stare (de exemplu: [anonimizat], magnetice etc.).

Energia primară reprezintă toată energia conținută în sursă originală. În prezent surse principale de energie originală sunt combustibilii fosili (cărbunele, petrolul, și gazele naturale), biocombustibilii – [anonimizat], deșeuri agricole. [anonimizat], solară, eoliană precum si energia nucleară.

Cantitatea de energie primară este de 3 ori mai mare decât energia electrica utilă produsă. Lucrul mecanic nu este o [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat] a unui sistem fizic îi corespunde o masă inertă a sistemului, conform relației lui Einstein:E=mc2 unde m [anonimizat] c este viteza luminii în vid. De subliniat că masa nu este o energie, ci o mărime asociată acesteia.

Partea din energia totală a unui sistem fizic în a cărei expresie intervin dintre mărimile din cinematică doar cele care caracterizează configurația geometrică a corpurilor din sistem se numește energie potențială. Energia potențială depinde numai de poziția relativă a corpurilor din sistem și față de sistemele din exterior. Energia potențială poate fi sub diferite forme: de deformare, elastică, gravitațională, electrică.

În funcție de diferite criterii, se vorbește despre diverse forme de transfer energetic.

Din punct de vedere al sistemului fizic căruia îi aparține, există (exemple):

1. energie hidraulică, care, la rândul ei, poate proveni din energia potențială a căderilor de apă și mareelor, sau din energia cinetică a valurilor;

2. energie nucleară, care provine din energia nucleelor și din care o parte poate fi eliberată prin fisiunea sau fuziunea lor;

3. energie de zăcământ, care este energia internă a gazelor sub presiune acumulate deasupra zăcămintelor de țiței;

4. energie chimică, care este dat de potențialul electric al legăturii dintre atomii moleculelor,

energie de deformație elastică, care este energia potențială datorită atracției dintre atomi;

energie gravitațională, energia potențială în câmp gravitațional.

După faptul că urmează sau nu un ciclu se clasifică în:

energie neregenerabilă, energia obținută din resurse epuizabile, cum sunt considerați combustibilii fosili și cei nucleari;

energie regenerabilă (inepuizabilă), prin care se înțelege ca energie obținută de la Soare, sub formă de energie electrică (conversie directă), termică (încălzire directă), hidraulică, eoliană, sau cea provenită din biomasă.

Combustibilii fosili

Provin din resturile organice ale plantelor și animalelor. Cei mai des întâlniți combustibili fosili sunt cărbunele, gazele și petrolul. Ei acoperă aproape 80 % din consumul de energie al planetei. Ca să producă energie, combustibilii fosili trebuie să ardă, aceștia sunt clasificați ca epuizabili, pentru că consumul de combustibili este mult mai mare decât se produc in timp.

Cărbunele produce 27% din energia luminii. Este des folosit în alimentarea centrale electrice și în industrie.

Petrolul și gazele naturale au luat naștere odată cu acumularea de sedimente în oceanele pline de viață marină. Îngropate din ce în ce mai adânc, timp de milioane de ani, ființele marine microscopice s-au descompus și au format zăcăminte de țiței și gaze. Pana acuma nu s-a întâlnit sursă de petrol sau gaze mai tânără de 1-2 milioane ani. Marile câmpuri petrolifere se află în Orientul Mijlociu, în Arabia Saudită și Iran, în SUA, în Texas, în Rusia, Asia Centrală, Azerbaidjan, Kazahstan, și în Marea Nordului.

Energia nucleară

Energie nucleară, denumită și energia atomică este definită ca energia eliberată în procesele care afectează nucleul atomic. Energia nucleară este eliberată prin reacții nucleare de fisiune și de fuziune sau prin dezintegrarea radioactivă. Provine din uraniu, un metal ce se găsește în scoarța planetei. Uraniul, este un element rar în scoarța Pământului, este folosit pentru a produce căldură prin fisiune nucleară (spargerea atomilor din uraniu). Căldura produce aburi care învârt turbinele pentru a produce electricitate. Deșeurile sunt foarte radioactive și trebuie izolate în condiții speciale timp de mii de ani. Producătorii importanți sunt SUA,Franța Europa de Vest și Japonia.

Energii alternative

Folosesc puterea inerentă a unor surse naturale ca vântul, mareele, soarele. Unele sunt epuizabile, altele regenerabile. Energia solară este energia radiantă produsă în interiorul Soarelui în urma reacțiilor de fuziune nucleară. Ea este transmisă pe Pământ intr-o cuanta de energie numită foton, care interacționează cu atmosfera si suprafața Pământului. Puterea energiei solare intr-un punct al planetei depinde de ziua anului, momentul zilei si de latitudinea acelui punct. Căldura solară poate fi folosită pentru a produce energie. Cea mai simplă formă este un geam îndreptat spre Sud.

Panourile solare montate pe acoperiș sunt folosite pentru a încălzi apa menajeră. În Israel, panourile solare asigură apa caldă în peste 80% din case.

La o scară mai mare, un șir de oglinzi care urmăresc soarele îi reflectă lumina spre un turn în care încălzește apa. Altă metodă folosește celule fotovoltaice montate pe acoperiș care absorb lumina solară și o transformă direct în electricitate. Țări în curs de dezvoltare precum Republica Dominicană, Sri Lanka și Zimbabwe sunt printre primele care folosesc această tehnică de producere a energiei.

Energia hidroelectrică

Forța apei în cădere pune în mișcare palele turbinelor care produc electricitate. Apa este adunată într-un lac de acumulare și canalizează printr-un baraj. Condițiile pentru producerea energiei hidroelectrică este un curent puternic și rapid de apă și o înălțime semnificativă de la care să cadă apa. E o sursă inepuizabilă, dar barajele au o viață limitată.

Resursa hidroenergetică poate fi evaluată prin puterea (energia în unitatea de timp) care se poate obține. Puterea depinde de căderea apei și de debitul de apă.

• Căderea determină presiunea apei, care este dată de diferența de nivel dintre suprafața liberă a apei și a turbinei, exprimată în metri.

• Debitul este cantitatea de apă care curge în unitatea de timp care curge prin conducta de aducțiune într-o anumită perioadă de timp, exprimată în metri cubi/secundă.

Energia mareelor

Pentru o exploatarea eficientă a energiei mareelor sunt necesare și anumite condiții naturale; în primul rând, amplitudinea mareelor să fie de cel puțin 8 m, să existe un bazin natural (de regulă un estuar), care să comunice cu oceanul printr-o deschidere foarte îngustă.

Curentul puternic al mareelor pune în mișcare turbinele montane într-un baraj ridicat de-a curmezișul golfului sau estuarului. Puterea mareelor e inepuizabilă, dar dezechilibrează habitatul estuarului și pe puține coaste se pot oferi condițiile ideale.

Cantitatea de energie disponibilă la această sursă, dacă s-ar putea valorifica integral în centrele electrice mareomotrice, ar produce de circa 100.000 de ori mai multă energie electrică decât toate hidrocentralele aflate în funcțiune în prezent pe glob. Alte calcule apreciază că energia furnizată anual de maree ar putea echivala cu cea obținută prin arderea a peste 70 mii tone de cărbune.

Astfel, s-a calculat că un curent oceanic cu o lățime de circa 100 m, 10 m adâncime și o viteză de l m/s, pe timp de un an ar putea oferi o energie cinetică de circa 2 mii. kwh.

Sunt în studiu și unele proiecte ce urmăresc valorificarea energiei mării prin utilizarea diferenței de temperatură dintre diferitele straturi ale apei Oceanului Planetar, în mod frecvent, în apele mărilor calde, sunt diferențe mari de temperatură între straturile de la suprafață si cele de adâncime, diferențe care ar permite funcționarea unor instalații energetice pe baza folosirii a două surse de căldură cu temperaturi diferite.

Energia geotermală

Este nevoie de o sursă naturală de căldură, o cameră magmatică, izvoare subterane și roca poroasă prin care să circule aburii și apa. Aburii și apa fierbinte este utilizată direct pentru încălzire. Aburii sunt folosiți pentru a genera electricitate.

Utilizatorii principali: Islanda, unde peste 45% din energia țării provine din resurse geometrale.

Există trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite la această dată pe glob pentru transformarea puterii apei geotermale în electricitate: uscat, flash și binar, depinzând după starea fluidului: vapori sau lichid, sau după temperatura acestuia.

centralele uscate au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din izvorul geotermal.

centralele flash sunt cele mai răspândite centrale de azi. Ele folosesc apa la temperaturi de 182 °C (364 °F) , injectând-o la presiuni mari în echipamentul de la suprafață. Centralele cu ciclu binar diferă față de primele două, prin faptul că apa sau aburul din izvorul geotermal nu vine în contact cu turbina, respectiv generatorul electric. Apa folosită atinge temperaturi de până la 200 °C (400 °F).

Energia eoliană

Puterea vântului acționează asupra morilor de vânt și a palelor turbinelor care generează energie.

O fermă eoliană are nevoie de un loc cu vânt constant dintr-o direcție stabilă, cum ar fi trecătorile din munți, coastele și insulele.

Vânturile se formează deoarece soarele nu încălzește Pământul uniform, fapt care creează mișcări de aer. Energia cinetică din vânt este folosită pentru a roti niște turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, deși aceasta necesită o viteză a vântului de aproximativ 5.5 m/s, sau 20 de kilometri pe oră. Puține zone pe pământ au aceste viteze ale vântului, dar vânturi mai puternice se pot găsi la altitudini mai mari și în zone oceanice. Energia eoliană este folosită extensiv în ziua de astăzi, și turbine de vânt se construiesc în toată lumea, energia eoliană fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creștere în ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din timp, acest procent crescând semnificativ iarna, când vânturile sunt mai puternice. Se crede că potențialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât se consumată acum. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7% din suprafață Pământul (excluzând oceanele) să fie acoperite de parcuri de turbine, presupunând că terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vânt pe kilometru pătrat. Aceste cifre nu iau în considerare îmbunătățirea randamentului turbinelor și a soluțiilor tehnice utilizate.

Hidrogenul: este cheia obținerii în viitor a unei energii având cel mai înalt conținut energetic pe unitatea de greutate dintre toți combustibilii cunoscuți. El trebuie să fie convertit în energie electrică. Se poate stoca și transporta ușor și este nepoluant.

Biomasa: Din punct de vedere energetic, termenul “biomasă” se referă la materia organică ce poate fi convertită în energie. Principalele categorii de biomasă care pot fi utilizate în acest scop sunt materia lemnoasă, reziduurile vegetale din agricultură și reziduurile animale din zootehnie, precum și culturile și plantațiile dedicate valorificării energetice. Pe lângă acestea, se au în vedere și reziduurile municipale (resturi provenite de la toaletarea copacilor, întreținerea parcurilor etc.), gunoiul menajer sau unele reziduuri provenite din industria alimentară.

Fotosinteza este procesul prin care plantele transformă energia solară în energie chimică. Aceasta din urmă poate fi convertită ulterior în energie termică și/sau electrică pentru uz industrial sau rezidențial, precum și în combustibili pentru transport. Cele mai simple tehnologii de conversie presupun arderea biomasei lemnoase pentru a produce căldură ce poate fi utilizată direct. De asemenea, căldura generată poate vaporiza apa, vaporii antrenând o turbină cuplată la un generator electric. Conversia în biocombustibili pentru transport se poate face termic, chimic sau biologic, sau se pot aplica tehnologii care fac uz de toate cele trei metode.

Biomasa lemnoasă (denumită și biomasă lignocelulozică) este formată în principal din lignină (20-25%) și carbohidrați (60-80%). Cea mai mare parte a carbohidraților prezenți în biomasă sunt compuse ale poli/oligozaharidelor precum celuloza, hemiceluloza, amidonul și insulina. În plus, pot fi întâlnite cantități mici de monozaharide precum glucoza și fructoza.

Lignina reprezintă un polimer natural și are rolul de a-i conferi plantei rezistență structurală, ea acționând și ca liant al fibrelor de celuloză. Aceasta din urmă este componenta de bază a pereților celulelor plantei și se găsește în lemn în proporție de 35-50% raportat la masa uscată. Are o structură cristalină întreruptă de alocuri de zone amorfe. Lanțurile polimerice de celuloză sunt grupate împreună sub formă de microfibre, fiind insolubilă în apă.

Termogeneratorul TEG funcționează pe baza efectului Peltier in care trecerea directă a unui curent printr-o joncțiune dintre 2 semiconductori diferiți (de tip n si p) are ca rezultat răcirea acestei joncțiuni. Un semiconductor de tip p cu unul de tip n formează un cuplaj.

Un modul TE poate conține de la unul la mai multe cuplaje, care sunt conectate in serie electric și termic in paralel.

Un generator termoelectric TEG, constă din semiconductori de tip n și p conectate electric in serie și termic in paralel. Căldura este alimentata la un capăt al TEG, in timp ce celalalt capăt este menținut la o temperatura mai redusa cu ajutorul unui radiator termic. Drept rezultat al acestei diferențe de temperatură, un curent se închide printr-o sarcină rezistivă externă. Un TEG prezintă avantajul că acesta poate funcționa de la o sursă de căldură cu temperatura redusă, precum reziduri de energie termică.

DEZVOLTAREA IN DOMENIUL ENERGIEI

Se crede că potențialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât este consumată in momentul respectiv. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7% din suprafață Pământul (excluzând oceanele) să fie acoperite de parcuri de turbine, presupunând că terenul ar fi acoperit cu 6 turbine de vânt pe kilometru pătrat. Aceste cifre nu iau în considerare îmbunătățirea randamentului turbinelor și a soluțiilor tehnice utilizate. Conform studiului PHARE, potențialul eolian al României este de circa 14.000 MW putere instalată, respectiv 23.000 GWh, producție de energie electrică pe an.

Energie electrică produsă in centrale eoliene ar duce la crearea unui număr de peste 7.500 locuri de muncă permanente si cel puțin tot atâtea locuri de muncă temporare. In Germania, făcând comparație intre numărul de locuri de muncă din domeniul energiei eoliene si cel al energiei nucleare raportul este de 10 la 1 in favoarea energiei eoliene. Aceeași resursă energetică creează de 10 ori mai multe locuri de muncă.

Utilizarea instalațiilor solare pentru susținerea încălzirii are un efect pozitiv asupra mediului înconjurător. In cazul unei exploatări corespunzătoare, instalațiile solare combinate acoperă pană la 30% din consumul anual de energie, necesar preparării apei calde de consum si încălzirii. Un metru pătrat de suprafață colectoare economisește pana la 750 mc de gaz metan pe an. De asemenea, perspectivele pe termen lung pentru utilizatorii instalațiilor termice solare sunt foarte avantajoase: instalațiile solare vor fi achiziționate printr-o singură plată, iar costurile energiei pot fi calculate in avans cu o durata medie de viață pe o perioada de peste 25 de ani. In afară de aceasta, utilizatorul instalației solare nu depinde căderea sistemelor de aprovizionare cu energie convențională. Un ultim amânunt, dar cu siguranță nu si cel din urmă, este ca in viitor valoarea unei clădiri va fi estimată si in funcție de costurile energiei. Folosind aceste instalații se pot realiza economii considerabile, iar amortizarea costurilor se face, in funcție de consum, într-o perioadă de 2 – 5 ani. În cazul consumului foarte mare de apă caldă (cămine, hoteluri, moteluri etc.), amortizarea instalației se face într-un decurs de un an.

Energia hidroelectrică este cu siguranță cea mai răspândită si cea mai matură aplicație a energiei regenerabile. 22% din producția mondială de energie provine de la hidro centrale, multe dintre ele sunt hidrocentrale de putere mica (SHP) care produc mai Putin de 10 MW; sunt un număr mai mare de 17400 de astfel de hidrocentrale in Europa.

Energia hidroelectrică se bazează pe o tehnologie matură care s-a dezvoltat foarte mult în ultimii 100 de ani. Tehnologia a fost adaptată pentru toate domeniile de aplicații:

Hidrocentrale pico-electrice                                <5kW

Hidrocentrale MICRO si mini-electrice               5kW – 100kW

Hidrocentrale mici                                                100kW-10M

Hidrocentrale mari                                                 >10MW

– La scară globală există o piață foarte mare în țările în curs de dezvoltare, pentru sistemele hidro pico (pana la 5kW).

– Echipamentele pico hidro sunt mici și compacte. Aceste echipamente pot fi transportate cu ușurință în zone izolate și inaccesibile.

– Este posibilă producerea locală a componentelor. Principiile de design si procesele de fabricație pot fi învățate cu ușurință.

– Numărul de case conectate la fiecare schemă este mic, sub 100 de case. Astfel este ușor să se strângă capitalul necesar și să se execute întreținerea si colectarea de taxe.

– Concepute cu multă atenție schemele pico hidro au un cost ceva mai mic pe kW decât cele solare sau eoliene. Generatorul diesel, deși inițial mai ieftin, are un cost pe kW mai mare în timpul vieții, deoarece acesta este asociat costului de combustibil.

În țările dezvoltate sunt utilizate tehnologii moderne de valorificare a potențialului energetic al biomasei prin arderea lor directă sau prin obținerea de combustibili lichizi si gazoși. Sursele de biomasă sunt reprezentate de deșeurile forestiere, deșeurile rezultate din prelucrarea lemnului, resturile vegetale din agricultură și din industria alimentară, reziduuri animale , iar în ultima perioadă de culturile cu un ritm intens de creștere. Argumentele în favoarea utilizării energetice a biomasei sunt atât de natură a protecției mediului cât si de natură socio-economică, prin ocupare a și stabilizare a forței de muncă a fermierilor în zonele de cultivare a plantelor cu valorificare energetică, materie primă cu caracter regenerativ. În același timp pot fi valorificate și terenurile necultivate datorită supraproducției agricole, terenurile degradate sau pădurile defrișate.

Prin prezenta lucrare mi-am propus:

1. Realizarea unui studiu asupra posibilităților de obținere a energiilor in locurile izolate prin utilizarea unui element Peltier.

2. Implementarea unei aplicații pe baza unui element peltier de putere mica.

CAPITOLUL 2

SURSE DE ENERGIE

2.1. Surse convenționale de energie

2.1.1. Combustibilii fosili ca sursa de energie.

Combustibili fosili sunt încadrați ca sursă neregenerabila de energie.

O sursă neregenerabilă este o resursă naturală care nu mai poate fi produsă, care să poată susține rata ei de consum actual. Sursele de energie neregenerabilă sunt resursele naturale care au nevoie de o durată de milioane de ani ca să se producă în mod natural și nu pot fi înlocuite cu altă sursă de energie la fel de rapid pe cât sunt consumate.

În prezent, principalele resurse de energie folosite de oameni sunt cele neregenerabile. Pentru toate resursele neregenerabile s-a demonstrat că ele pot fi epuizate într-un timp relativ scurt (100-200 de ani).

Să examinăm cele mai importante resurse neregenerabile de energie. Nu cred că ne putem imagina societatea industrială contemporană fără utilizarea resurselor neregenerabile de energie – gaze, petrol, cărbune, lemn. Țările cu un nivel înalt de dezvoltare si industrializare își produc circa 80% din energie prin conversia în baza diferitelor tehnologii a acestui tip de resurse energetice primare.

Pe lângă faptul că resursele neregenerabile de energie sunt epuizabile, intervine și un mare factor decisiv care este poluarea mediului la arderea lor. Principalele resurse neregenerabile de energie sunt combustibilii fosili: cărbunele, petrolul și gazele naturale.

Combustibilii fosili sunt formați în urma descompunerii anaerobe a organismelor moarte îngropate, care au trăit cu 300 de milioane de ani în urmă. Acești combustibili conțin un procent ridicat de carbon cea ce duce prin arderea lor la un grad ridicat de poluare.

Cărbunele a fost prima resursă neregenerabilă de energie folosită. Tot cărbunele a fost factorul decisiv în dezvoltarea civilizației si industrializării europene și a dezvoltării tehnologiei transporturilor a zilelor noastre.

În anii 1774-1784 James Watt a elaborat și a construit motorul universal cu aburi, care transformă energia termică în energie mecanică la arderea cărbunelui. Astfel, cărbunele devenise o resursă principală de energie. Navele și locomotivele cu aburi au facilitat circulația, cărbunele putând fi transportat dintr-o regiune a țării în alta și chiar în diferite colțuri ale lumii. În urma utilizării cărbunelui pentru producerea energiei in diferite domenii de activitate a crescut exponențial și poluarea mediului, în schimb s-a redus procesul de defrișare a pădurilor. Cărbunele, în calitate de sursă primară de energie, este periculos pentru mediu și pentru sănătatea oamenilor. La arderea lui se formează gaze toxice, cum sunt oxidul de carbon, gazul sulfuros (dioxidul de sulf), precum și gaze care influențează clima, cum ar fi dioxidul de carbon. Volumul acestor degajări de gaze toxice a crescut semnificativ în comparație cu perioada revoluției industriale. Niciunul din celelalte tipuri de surse neregenerabile de energie nu degajă așa o cantitate de dioxid de carbon cât degajă cărbunele prin arderea sa. Alți poluanți periculoși de același tip sunt praful și funinginea foarte dăunătoare sistemului respirator.

Figura 1:Emisii anuale de gaze de seră (CO2, metan, N2O) ca urmare a exploatării resurselor convenționale de energie

O presiune suplimentară asupra dezvoltării sectorului de energii regenerabile este adăugată și de creșterea continuă, prefigurată, a necesarului de energie datorită expansiunii economiei mondiale precum și ca urmare a creșterii continue a populației. Figura 3 arată tendința de dezvoltare a energiei electrice din surse regenerabile, prognozată până în anul 2030

Figura 2:Repartizarea consumului global de energie, pe tipuri de surse

Figura 3:Istoricul și tendința de dezvoltare a energiei electrice din surse regenerabile până în anul 2030

Cu ajutorul tehnologiilor moderne, poate fi redus, într-o anumită proporție, impactul folosirii cărbunelui pentru obținerea energiei. Principalele metode tehnologice sunt următoarele:

folosirea instalaților perfecționate de cazane care reduc emisiile de funingine și gradul de formare a oxizilor de sulf și azot;

aplicarea instalațiilor de epurare și de filtrare în scopul curățirii gazelor de eșapament de sulf, azot și funingine;

substituirea folosirii cărbunelui prin suspensie de apă și cărbune;

utilizarea deșeurilor în interesele economiei naționale;

implementarea tehnologiilor denumite „ cărbune curat” la producerea energiei prin stocarea dioxidului de carbon în stocuri subterane.

Cărbunele este cea mai folosită sursă primară de energie pentru generarea electricității și căldurii în întreaga lume; în același timp, este una dintre cele mai răspândite surse de emisie a dioxidului de carbon. În 2010 extragerea cărbunelui în lume, echivalentul petrolului la nivel de cca. 3,7 miliarde de tone.

Petrolul este un lichid ce constă dintr-un complex de hidrocarburi de diferite mase moleculare cu o multitudine de compuși organici. S-a format în mod natural printr-o descompunere lentă a materiei organice în scoarța Pământului. Ele se găsesc în formațiunile rocilor, prin distilarea petrolului se obțin combustibilii. Cei mai uzuali combustibili sunt:

etanul și alți alcani cu lanț scurt;

combustibilul Diesel (motorina);

păcura;

benzina;

combustibilul pentru avioane, benzina de aviație;

petrolul lampant (parafina);

gazul petrolier lichefiat (GPL).

Petrolul a fost descoperit cu mii de ani în urmă, datorită apariției la suprafața apei datorită densității ei mai mică decât a apei. Prin oxidare petrolul se transformă în asfalt, care era folosit pentru etanșarea corăbiilor. Se crede că petrolul era o componentă a focului grecesc, o temută armă a flotei bizantine.

Petrolul este folosit în prezent în principal pentru obținerea kerosenului, benzinei și a motorinei, precum și în industria chimică,la obținerea maselor plastice, a polimerilor și a negrului de fum.

Petrolul nu este doar o simplă resursă primară de energie, și se folosește și ca materie primă pentru industria chimico-petrolieră, pentru producerea maselor plastice și a medicamentelor. Aproximativ 90% din cantitatea petrolul extras este folosit în calitate de combustibil.

Figura 4:Zăcăminte importante de petrol se găsesc în Golful Persic, Golful Mexic, Irak, Emiratele Arabe Unite, Arabia Saudită etc. Arabia Saudită este la nivel mondial, cel mai mare exportator de petrol.

Mari cantități de petrol și produse petroliere sunt consumate pentru producerea energiei mijloacelor de transport. În prezent a crescut interesul pentru mașinile electrice, pentru folosirea metanului și propanului în motoarele camioanelor, autobuzelor etc. În viitor, acestea mijloace vor permite să fie înlocuit petrolul. Este dificil a prognoza durata de timp pană rezervele cunoscute de petrol vor fi suficiente pentru acoperirea necesarului de combustibili produși din petrol. În diferite prognoze, durata perioadei de epuizare a acestui tip de resursă primară de energie se estimează între 50-100 de ani. Au apărut și prognoze mai optimiste referitor la tipurile de resurse energetice, pe care le considerăm tradiționale. În orice caz, trebuie să găsim urgent un înlocuitor pentru resursele energetice convenționale, în același timp să găsim și alte surse de energie, inofensive pentru mediu și sănătatea omului, care ar putea fi folosite o perioadă lungă de timp. Atât extracția, cât și transportarea și prelucrarea petrolului sunt însoțite de un impact negativ asupra mediului. Deseori sunt semnalate scurgeri de petrol din sonde sau la transportarea acestora. Uneori suntem martori a poluări cauzate naturii de către tancurile petroliere. Scurgerile de petrol aproape de mal sunt deosebit de dăunătoare pentru păsările de mare, pentru icrele și larvele de pești, care trăiesc lângă țărm în apele de suprafață. Petrolul formează la suprafața apei o peliculă subțire uleioasă. La animalele sau păsările de mare, pe corpul cărora a nimerit această peliculă, este tulburată reglarea termică. Dacă această peliculă nimerește în ochi, ele au șanse mari pieri. Pentru dispariția consecințelor de scurgere a petrolului în apele de țărm e nevoie de o perioadă de 4–5 până la 10-15 ani. La arderea produselor petroliere în atmosferă se elimină o cantitate enormă de dioxid de carbon. La prelucrarea petrolului, în mediu se elimină oxid de carbon, compuși ai plumbului, oxizi de azot și sulf, aceștia provocând diferite maladii la plante, animale, om.

Gazele naturale sunt gaze care se găsesc în zăcăminte aflate la adâncimi mari în scoarța terestră. Principalul constituent al gazelor naturale este metanul, însoțit de alte gaze cu o structură asemănătoare.
Gazele iau naștere prin procese asemănătoare cu cele prin care ia naștere petrolul, pe care îl însoțesc frecvent. Se formează prin descompunerea anorganică a diferitelor resturi vegetale și animale.

Aceste gaze sunt uscate pentru a nu permite formarea de cristalohidrați, cristale care ar bloca conductele și sunt transportate prin conducte. Sub formă lichidă, sunt folosite ca înlocuitori ai benzinei. Rezerve bogate de gaze naturale se găsesc în Rusia, Canada, S.U.A, Algeria, Mexic etc.

Figura 5

Gazele naturale sunt cea mai pură formă de resurse energetice primare neregenerabile:conținutul de substanțe toxice este foarte mic, ele ard repede și sunt ușor de manevrat în utilizare. Cu toate acestea, problema degajării dioxidului de carbon la folosirea gazelor naturale continuă să persiste.

Gazele naturale sunt un fel de mixturi de gaze inflamabile ca sursă fosilă în scoarța terestră, fiind și un derivat al petrolului. Gazul are importanță secundară după petrolul brut. De cele mai multe ori el include 70-90% metan cu alte hidrocarburi, cum ar fi: etan, propan, butan și poate conține dioxid de carbon, azot, heliu și hidrogen sulfurat. Gazele naturale ard mai curat decât petrolul și cărbunii, deoarece produc mai puțin dioxid de carbon la unitatea de energie degajată. Pentru o cantitate echivalentă de căldură, arderea de gaz natural produce cu aproximativ 30% mai puțin dioxid de carbon decât arderea petrolului și cu 45% mai puțin decât arderea cărbunilor.

2.1.2. Energia apei

Ciclul apei în natură se datorează activității Soarelui. Ca rezultat, apa se evaporă din oceane, mări, organisme, se formează nori, cade sub formă de ploaie sau zăpadă și ajunge înapoi în ocean. Energia acestui ciclu este ce mai benefică și mai eficientă în hidroenergetică. Utilizarea apei pentru a produce energie mecanică constituie o practică veche. Apă, căzând de la înălțime, rotește paletele generatorului și produce electricitate, cantitatea de energie produsă de apa în cădere depinde de diferența de înălțime.

Căderea de apă este determinată de diferența de nivel dintre oglinda apei din lacul de acumulare și oglinda apei de jos după ce apa a trecut prin turbină. După acest criteriu se întâlnesc mai multe tipuri de hidrocentrale:

•cu o cădere mică de apă – < 15 m, debit mare, cu turbine Kaplan

•cu o cădere mijlocie – 15–50 m, cu debit mijlociu, cu turbine Francis sau Kaplan

•cu o cădere mare 50–2.000 m, cu un debit mic de apă, turbinele utilizate fiind turbinele Pelton sau Francis

Hidrocentralele mai pot fi clasificate după capacitate, sau după felul construcției, ca de exemplu întâlnim hidrocentrale:

•așezate pe firul râului producând curent în funcție de debitul râului respectiv

•cu lac de acumulare

•CHEAP – centrale hidroelectrice cu acumulare prin pompare

•cu caverne pentru acumularea apei

Energia valurilor, a mareelor și curenților oceanici reprezintă alte surse de energie a apei. Rezervele de energie, conservate în ciclul planetar al apei și în valurile oceanice, sunt enorme, însă utilizarea lor este foarte dificilă și complexă. Cea mai răspândită metodă de utilizare este hidroenergetica, adică obținerea energiei electrice pe contul apei în cădere. Ca avantaje ale hidroenergeticii pot fi menționate capacitatea de reciclare, prețul de cost redus al energiei, lipsa emisiilor poluante în atmosferă, și asigurarea unor locuri de muncă de calificare înaltă. Ca dezavantaje ale hidroenergeticii pot fi evidențiate investițiile enorme în construcția de centrale hidroelectrice și daunele aduse mediului în timpul construcției și funcționării centralelor hidroelectrice și risc crescut de pericol de inundații în zona barajelor.

Puterea hidroelectrică este derivată din forța sau energia apei curgătoare. Cea mai mare putere hidroelectrică vine de la energia potențială a apei căzătoare acumulate în lacuri de acumulare și care pune în mișcare o turbină și un generator. În acest caz, energia extrasă din apă depinde proporțional de volumul apei și de diferența de înălțime între sursa și gura de scurgere a apei.

Morile de apă au reprezentat primele exemple de utilizare a energiei regenerabile, acestea utilizând energia apelor curgătoare pentru a acționa o unealta de lucru.

Figura 6:Moară de apă

Cele mai simple mori de apă erau folosite încă în antichitate, cu aproximativ 4000 de ani î.Hr., pentru a ușura munca manuală grea. Grecii foloseau roata de apă pentru măcinarea grâului. O utilizare mai largă a avut energia apei în sec. al XIX-lea, când a început să fie adaptată pentru efectuarea diverselor acțiuni mecanice: măcinarea boabelor, producerea de curent electric etc. În multe regiuni ale Europei și Americii de Nord au fost construite instalații industriale, puse în funcțiune de turbina de apă.

În prezent, în lume capacitatea totală instalată la hidrocentrale este de 630 000 MW. Producția mondială anuală de energie electrică – 2200 miliarde kW • h, ceea ce înseamnă că hidrocentralele produc 40% din capacitatea lor.

Figura 7:Principalele state cu potențial hidroenergetic, mld. kWt

Energia Valurilor

Potențialul energetic al mărilor și oceanelor constă în energia termică pe care o înmagazinează straturile de apă de suprafață sub influența radiației solare, precum și în energia mecanică furnizată de valuri, de curenții marini și de maree.

Cercetările la nivel mondial se concentrează pe transformarea și valorificarea energiei valurilor de vânt. Puterea medie pe care valurile o dezvoltă pe coasta de vest a Europei este de 50 kW pe fiecare metru de lungime a țărmului, însă aceste valori sunt mult mai mari în condiții de furtună, putând atinge și până la 1000 kW/m. S-a determinat că puterea medie specifică pe care o dezvoltă valurile oceanice este de 10…100 kW/m, în funcție de zonă și a condițiile meteo.

Figura 8:Corelația dintre viteza vântului și caracteristicile valurilor

Caracteristicile dimensionale ale valurilor, presupunând că sunt valuri monocromatice, deci uniforme din punct de vedere dimensional și periodic. Adâncimea apei se măsoară față de înălțimea medie a valului. Lungimea valului, sau lungimea frontului de val, reprezintă distanța dintre două valuri consecutive, perioada este dată de timpul în care un val parcurge o distanță egală cu lungimea acestuia. Amplitudinea este dată ca distanța dintre suprafața apei în stare neperturbată și creasta valului, deci jumătate din înălțimea acestuia.

Figura 9:Caracteristicile dimensionale ale valurilor

Echipamente de conversie a energiei valurilor.

Scopul acestor echipamente constă în captarea energiei valurilor și conversia ei cât mai eficientă în energie electrică. Versiunile constructive existente se împart în două categorii: cu captarea energiei la suprafața apei și cu captarea energiei pe baza fluctuațiilor de presiune la mică adâncime. Convertoarele de energie a valurilor pot fi flotante sau submersate în întregime imediat de suprafața apei. De asemenea, pot fi amplasate pe țărm sau pe fundul mării în ape de adâncime mică. În rândurile următoare vor fi trecute în revistă principalele tipuri de echipamente care au potențial din punct de vedere al fezabilității tehnico-economice.

Captatoarele oscilante flotante, denumite și atenuatoare, sunt formate din mai multe segmente flotante articulate, așezate perpendicular pe direcția de deplasare a valului. Șirul de segmente se “mulează” pe suprafața apei, luând forma valurilor. În zona articulațiilor se află elementele care preiau energia mecanică a valurilor. Unul dintre cele mai cunoscute sisteme de acest tip este Pelamis. Pistoanele din zona articulațiilor pompează ulei către motoarele hidraulice amplasate în interiorul fiecărui segment care, la rândul lor, antrenează generatoare electrice. Energia electrică este transportată de la sistem la țărm prin cabluri submersate. Lungimea mare a fiecărui segment este calculată astfel încât să minimizeze forțele hidrodinamice care, în cazul unor valuri înalte, pot da naștere unor solicitări mecanice semnificative în articulații. Prin urmare echipamentul va răspunde curburii valurilor și nu înălțimii acestora, generând în același timp deplasări suficient de mari în articulații chiar atunci când valurile au înălțime mică. Firma germană E.ON în colaborare cu firma scoțiană Scotish Power au în plan dezvoltarea unui parc de 66 instalații Pelamis în largul coastelor scoțiene, cu o capacitate totală de 50 MW.

Figura 10:Sistem Pelamis în funcțiune, cu 3 segmente articulate

Figura 11:Articulația dintre două segmente ale sistemului Pelamis

Din aceeași categorie face parte și sistemul Salter Duck, care valorifică mișcarea de ruliu a elementelor flotante ancorate de fundul mării. La trecerea valurilor, fiecare element are o mișcare oscilatorie de rotație în jurul unei axe longitudinale, care poate fi utilizată pentru antrenarea unui generator electric. S-a calculat că sistemul acesta poate capta în jur de 90% din energia valurilor.

Figura 12:Sistemul “Salter Duck” de conversie a energiei valurilor

Echipamentele din această categorie au totuși limitări din punct de vedere al energiei pe care o pot produce, întrucât aceasta nu poate depăși energia potențială a valurilor. Energia disponibilă este maximă la suprafață și scade cu adâncimea apei. De aceea, cu cât un element flotant este scufundat mai mult, cu atât energia pe care o poate extrage este mai mică.

Punctele de absorbție axial-simetrice sunt elemente flotante ancorate de fundul mării, cu dimensiuni mici în raport cu lungimea valului, acest lucru le permite să absoarbă energia valurilor indiferent de direcția lor de deplasare. Mișcarea relativă dintre elementul fixat pe fundul mării și cel flotant este folosită pentru a antrena un generator electric, transmiterea mișcării făcându-se în cele mai multe cazuri hidraulic.

Figura 13:Punct de absorbție axial-simetric proiectat de Ocean Power Technology

Instalațiile cu plan înclinat sunt structuri ce utilizează ascensiunea apei pe o pantă artificială pentru a umple un bazin până la un nivel aflat deasupra nivelului mediu al mării. Apa din bazin se elimină în mare printr-un spațiu sau mai multe spații în care sunt amplasate turbine cuplate la generatoare electrice. Aceste instalații pot fi construite pe țărm, unde valurile pot escalada un plan înclinat pentru a umple rezervorul, sau pot fi de multe ori flotante.

Figura 14:Principiul de funcționare al unei structuri flotante cu plan înclinat și rezervor

Energia valurilor

În iulie 1998 Centrul de Știință și Tehnologie Marină din Japonia a început lucrările asupra unui proiect al celei mai mari instalații cu lungimea de 50 metri și lățimea de 30 metri, care utilizează energia valurilor pentru a pune în funcțiune trei turbine aeriene, instalate la bord. Instalația poate rezista la valuri de 8 metri, convertind energia valurilor în energie electrică prin utilizarea coloanei de apă oscilante pentru rotirea paletelor turbinei de aer. Instalația poate fi dirijată de pe țărm, poate fi utilizată ca stație meteo, loc pentru ancorare a vaselor mici, platformă pentru pescuit.

Figura 15.

Energia geotermala

Energia geotermală este energia termică acumulată în interiorul Pământului. Aceasta provine din două surse: energia primordială, datând din perioada formării planetei (aproximativ 20%) și energia generată prin descompunerea lentă a unor minerale radioactive (80%) precum uraniul, radiul, toriul și potasiul. Intensitatea energiei termice crește cu adâncimea, temperatură medie în scoarța terestră fiind de aproximativ 17-30°C/km, iar miezul depășind temperatura de 5000°C. Deși această resursă nu este regenerabilă, este considerată sustenabilă datorită faptului că este nepoluantă iar energia se extrage în cantități foarte mici în raport cu toată energia disponibilă.

Structura Pământului constă într-un nucleu solid de fier și nichel, un nucleu fluid extern acestuia cu temperaturi de aproximativ 2900°C și un miez exterior acestuia din rocă topită denumită magmă. Stratul următor poartă denumirea de manta, are o grosime de aproximativ 2900 km și este formată din magmă și rocă în mare parte în stare solidă. Litosfera, sau scoarța terestră, reprezintă stratul exterior al Pământului și are o grosime care variază între 5 și 70 km, grosimile cele mai mici aflându-se în zonele oceanice (5 – 10 km).

Scoarța este divizată în plăci continentale care “plutesc” pe un strat vâscos de rocă semi topită, cu temperaturi cuprinse între 650°C și 1250°C. În zonele marginale ale acestor plăci, magma se poate apropia de suprafața Pământului chiar și până la un km iar temperatura poate atinge 100°C/km. Roca și apa care pătrunde la aceste adâncimi prin fisurile din rocă, absorb căldura transmisă de magmă. În aceste condiții temperatura apei poate atinge 370°C, ulterior ea ajungând la suprafață sub formă de izvoare termale sau gheizere.

Deși energia geotermală este mai mult decât suficientă pentru nevoile omenirii, doar o foarte mică parte este exploatabilă în condiții fezabile economic, datorită faptului că zonele accesibile în care magma se apropie de suprafața terestră sunt destul de reduse. În aceste locații procedura de obținere a energiei termice constă de cele mai multe ori în efectuarea de foraje care ajung până la rezervoarele de apă fierbinte sau la vaporii din subteran.

Pentru ca un sistem hidrotermal să fie exploatabil, este necesar ca temperatura pe care o livrează să fie ridicată, să conțină un volum suficient de apă fierbinte sau aburi și să poată să asigure o productivitate din punctul de vedere a factorului economic. În cazul majorității sistemelor, agentul termic este apa fierbinte. În condiții favorabile de presiune și temperatură apa poate fi depozitată la un loc cu aburul. Sistemele denumite “cu dominanță de vapori” reprezintă varianta cea mai favorabilă pentru exploatare datorită presiunii ridicate nu necesită energie pentru pomparea la suprafață a apei și/sau vaporilor (în cazuri rare câmpurile geotermale produc doar vapori). Rezervoarele aflate la peste 2 km adâncime produc apă cu temperaturi de 120-350°C, temperaturile acestea făcându-le adecvate pentru producția de energie electrică.

În ultimii ani s-a avansat ideea de sisteme geotermale îmbunătățite – zone aflate la limita inferioară a scoarței terestre, unde exploatarea se face prin forarea de puțuri până în stratul de rocă și injectarea de apă rece la o presiune ridicată pentru “deschide” fisurile existente în mod natural în roca fierbinte. Apa este recuperată de unul sau mai multe puțuri de foraj și trimisă la suprafață unde emite căldura pentru a genera energie electrică, după care este injectată din nou în stratul de adâncime.

Figura 16

Sistem geotermal îmbunătățit: 1– rezervor; 2 – incinta pompelor; 3 – schimbător de căldură; 4 – incintă turbine; 5 – puțuri recuperare apă fierbinte; 6 – puț injectare apă; 7 – apă caldă livrată comunității locale; 8 – strat de sedimente poroase; 9 – puț de supraveghere; 10 – roca de bază

State precum Japonia, Marea Britanie, Franța, Germania și Statele Unite au efectuat testări si experimente în vederea dezvoltării unei tehnologii comerciale bazate pe această metodă. În cadrul proiectului de cercetare European Hot Dry Rock (Franța) puțurile de acces au adâncimi de 5 km, obținânduse temperaturi de 201°C. În prezent centrala pilot are o capacitate de 1,5 MWe. Cele mai recente studii arată că la nivel mondial există 587 de centrale electrice funcționând pe bază de resurse geotermale, cu o capacitate instalată de 15,5 GWe.

Întrucât nu toate resursele geotermale furnizează temperaturi necesare pentru producția de energie electrică, există și numeroase aplicații destinate valorificării și eficientizări energiei termice. Figura 18 arată distribuirea utilizării energiei termice a acestor sisteme geotermale pe tipuri de aplicații, în baza datelor colectate la nivelul a 77 țări. S-a calculat o capacitate totală instalată de 50 583 MWt și un factor de capacitate mediu de 27%.

Figura 17:Ponderea utilizării energiei termice a surselor geotermale pe tipuri de aplicații, la nivel mondial

În prezent există trei tipuri de centrale electrice geotermale în exploatare: centrale “uscate”, centrale “flash” și centrale cu ciclu binar, depinzând de temperatura fluidului și de starea acestuia. Factorii de capacitate ai centralelor geotermale sunt comparabili cu cei ai centralelor convenționale, putând avea valori de randament cuprinse între intervalul 75-80%.

Centralele uscate au fost printre primele tipuri utilizate pentru valorificarea energiei geotermale. Aburul la temperaturi în general de peste 235°C este extras din rezervorul geotermal prin mai multe puțuri, fiind dirijat de obicei către o singură turbină de capacitate mai mare (20-120 MW) pentru a beneficia de un randament superior comparativ cu utilizarea mai multor turbine de capacități mai mici. Țevile de abur sunt prevăzute, înainte de turbină, cu filtre care rețin fragmentele de rocă și eventualul condens format pe parcursul exploatării. Pentru a proteja rezerva naturală de abur, o anumită parte este reinjectată după utilizare în rezervorul geotermal sub formă de condens.

Această tehnologie este simplă, eficientă și economică, însă dezavantajul major constă în faptul că rezervoarele cu dominanță de vapori descoperite până în prezent sunt intr-un număr foarte mic . De asemenea, comparativ cu celelalte tehnologii, doar (15-20)% din fluidul extras este reinjectat în rezervorul geotermal. Eficiența centralelor uscate este de aproximativ 30%, în principal datorită temperaturii scăzute a aburului și a utilizării turbinelor cu capacități de producție mici comparativ cu centralele clasice.

Figura 18:Principiul de funcționare al centralelor uscate

Majoritatea câmpurilor geotermale produc un amestec de gaze, apă și diverse minerale dizolvate, cu o corozivitate destul de ridicată, la presiuni de până la 10 atmosfere. De aceea este recomandată evitarea contactului dintre echipamentele active ale centralei și apa provenită direct din subteran. Centralele “flash” aduc o soluție la această provocare. Procentul masic de vapori de apă din acest amestec este de (10-50)%. Pe măsură ce apa geotermală (cu temperaturi mai mari de 180°C) începe să urce spre suprafață, suferă o cădere de presiune până când este atinsă presiunea de saturație.

O alternativă constructivă a tehnologiei “flash” constă în adăugarea unui al doilea vas de expansiune, unde ajunge lichidul din primul vas, la o presiune mai scăzută. Se va obține o cantitate suplimentară de vapori care poate alimenta o turbină de presiune scăzută. Această tehnologie poate aduce un spor de capacitate de până la 25% însă, se impune o analiză a fezabilității ca urmare a costurilor mai ridicate cu investiția inițială.

O altă variantă constructivă este destinată zonelor în care nu există surse suplimentare de apă pentru turnul de răcire. În acest caz aburul evacuat de turbină pătrunde într-un condensator,

condensul este răcit cu aer într-un turn de răcire iar o parte din apa caldă rezultată (15%-20%) este refolosită în procesul de condensare a aburului, restul fiind injectată în puțul de foraj. Un dezavantaj mare al acestor sisteme constă în depozitarea mineralelor dizolvate în lichidul geotermal pe pereții rezervorului de expansiune și ai porțiunilor de conducte aflate în contact cu lichidul în stare de fierbere. Uzual centralele “flash” se construiesc cu puteri instalate de (10-55) MW.

Figura 19

Figura 20:Principiul de funcționare al centralelor “flash”; schema de principiu a segmentului tehnologic de recirculare a condensului

În industria geotermală, potențialul termic este considerat scăzut atunci temperatura furnizată este de multe ori sub 150°C. Căldura provenită din resursele geotermale cu temperaturi scăzute sau de la fluidul rezidual din centralele electrice geotermale (co-generare), poate fi utilizată în mod direct, pentru aplicații de încălzire rezidențială, comercială sau industrială la scară mai redusă (locuințe individuale, birouri, iazuri piscicole, sere) dar poate fi folosită și pe scară largă (încălzirea cartierelor de locuințe sau localităților de mici dimensiuni, în industrie – pentru uscarea produselor alimentare, uscarea cherestelei, recuperarea mineralelor etc. Principalele avantaje constau în:

frecvența ridicată a resurselor cu temperaturi scăzute; până în prezent au fost identificate în 80 de țări.

posibilitatea utilizării echipamentelor de foraj pentru puțuri convenționale de apă.

durata mică a implementării proiectelor de încălzire: majoritatea pot fi finalizate în decurs de un an.

lipsa pierderilor de randament prin conversie.

costuri pentru încălzire reduse cu până la 80% față de costurile de încălzire utilizând soluții pe bază de combustibili fosili.

lipsa emisiilor sau a emisiilor foarte reduse de gaze poluante.

posibilitatea utilizării echipamentelor de încălzire sau răcire consacrate pe piață, în măsura în care sunt compatibile cu temperaturile și compoziția fluidului geotermal.

posibilitatea utilizării directe a apei izvoarelor geotermale de suprafață (acolo unde acestea există), fără necesitatea forării puțurilor.

adâncimea de exploatare mult mai mică decât în cazul surselor geotermale de înaltă temperatură.

Ca și în cazul centralelor electrice geotermale, atunci când lichidul geotermal are efecte corozive și poate genera depuneri de minerale pe pereții instalațiilor, este obligatoriu să se ia măsuri pentru a preveni contactul cu utilizatorii. Măsuri suplimentare în acest sens se iau atunci când fluidul conține bor, arsenic și/sau hidrogen sulfurat, aceste substanțe urmând a fi separate și înlăturate datorită pericolului pe care-l prezintă pentru plante, animale și oameni.

Componentele principale ale echipamentelor de valorificare directă a căldurii geotermale sunt puțul de foraj, pompe, schimbătoare de căldură, conducte de distribuție izolate termic, echipament de extragere a căldurii, sursă alternativă convențională de căldură pentru situații de urgență sau pentru a funcționa în paralel cu echipamentul geotermal reducând astfel numărul de puțuri de foraj.. Puțurile geotermale pot acoperi 80 – 90% din necesarul anual de energie termică, fiind de cele mai multe ori dimensionate pentru 50% din sarcina maximă necesară.

Figura 21:Exemplu de utilizare în cascadă a energiei provenite din resursa geotermală

Pompele de căldură nu necesită surse de căldură cu temperaturi ridicate, funcționarea lor bazânduse pe o temperatură relativ constantă a solului la adâncimi pornind de la mai puțin de doi metri și ajungând până la 100 m și, acolo unde legislația permite,ele ajungând și până la 160 m. Spre suprafață, temperatura solului este de 10 – 16°C, fiind mai scăzută decât cea a aerului în timpul verii și mai ridicată în perioada de iarnă. Variațiile sezoniere ale temperaturii dispar la adâncimi cuprinse între 7 și 12 m datorită inerției termice. Utilizând același principiu de funcționare, pompele de căldură pot fi utilizate și pentru prepararea apei calde.

Figura 22

Figura 23

Funcționarea pompelor de căldură pentru producerea de apă caldă menajeră și încălzirea spațiilor de locuit în perioadele de iarnă și răcirea acestora pe timp de vară

2.1.3. Energia Eoliană

Datorită încălzirii diferențiate de către soare a atmosferei terestre precum și ca urmare a forței Coriolis asociate cu mișcarea de rotație a Pământului, apar mișcări ample ale maselor de aer, ceea ce conduce la clasificarea energiei eoliene ca fiind o formă indirectă de energie solară. Se subînțelege deci că distribuția energiei eoliene este neuniformă de la o regiune la alta. Analizând deplasarea curenților de aer pe verticală, viteza curenților de aer crește gradual cu înălțimea, până când se stabilizează la o altitudine ce poate ajunge până la aproximativ 2000 m.

Datorită forțelor de frecare și a neuniformității geometrice a terenului și diverselor construcții, în apropierea suprafeței Pământului viteza scade semnificativ. Se ia în calcul factorul z0 de rugozitate a terenului, care reprezintă înălțimea teoretică până la care viteza vântului este zero.

Chiar și în situația în care nu ar exista pierderi prin frecare, randamentul maxim al unei turbine nu ar putea depăși valoarea 59,3%, deci un coeficientul Cp de maxim 0,593. Această limită a fost calculată de Albert Betz în baza principiilor de conservare a energiei și publicată în 1920. Turbinele moderne de mare capacitate ating randamente de 40 – 45%.

Figura 24:Variația coeficientului Cp cu raportul dintre viteza periferică a paletei și viteza vântului, pentru diferite tipuri de turbine eoliene

În majoritatea cazurilor generatorul antrenat de turbina eoliană începe să producă energie electrică atunci când puterea vântului depășește puterea necesară învingerii forțelor de frecare din transmisie și pierderile prin frecarea dintre curenții de aer și paletele turbinei. Viteza vântului la care turbina atinge puterea nominală este numită viteză nominală. La viteze ale vântului care pun în pericol integritatea structurală a turbinei datorită forțelor centrifuge, rotorul este amplasat pe o direcție care diferă de direcția vântului iar generatorul este oprit. În cazul turbinelor cu generatoare sincrone, pentru a extrage maximum de putere și pentru viteze ale vântului mai mari decât viteza nominală, se controlează valoarea coeficientului de putere Cp prin rotirea paletelor sau a vârfurilor lor în jurul axei longitudinale, modificând astfel unghiul de atac al paletei. Cantitatea de energie pe care rotorul o poate extrage din energia vântului depinde de turație. Daca aceasta este prea mică, o parte din masa de aer în mișcare va trece printre palete fără a le influența, iar dacă turația este prea mare turbulențele create de o paletă vor interacționa cu paleta următoare influențându-i negativ funcționarea. Turația optimă este definită în general de raportul dintre viteza periferică a paletei și viteza vântului.

Figura 25:Variația coeficientului Cp cu raportul dintre viteza periferică a paletei si viteza vântului pentru diferite unghiuri de atac

Indiferent de categoria din care fac parte, în construcția sistemelor de conversie a energiei eoliene în energie electrică intră rotorul cu palete, multiplicatorul de turație (acesta nu este necesar la unele modele de turbine de putere mica), frâna și generatorul. La turbinele cu ax orizontal este de asemenea necesar un sistem de orientare a rotorului pe direcția vântului.

În funcție de orientarea axei rotorului, turbinele pot fi cu ax orizontal și cu ax vertical. Modelele cu ax orizontal sunt cele mai răspândite, la rândul lor clasificându-se după amplasarea sistemului în raport cu vântul.

Figura 26

amplasare în amonte, cu sistem activ de orientare; (b) amplasare în amonte, cu sistem pasiv de orientare; (c) amplasare în aval

– Sisteme cu amplasare în amonte, când primul contact cu vântul îl iau paletele rotorului. Este necesar ca rigiditatea paletelor să fie mai mare pentru a evita contactul cu turnul prin încovoiere sub acțiunea curenților de aer. De asemenea, se impune existența unui sistem de orientare după direcția vântului.

– Sisteme cu amplasare în aval, când turnul și nacela au primul contact cu vântul, după care rotorul cu palete. Spre deosebire de modelele cu amplasare în amonte, flexibilitatea paletelor poate fi mai mare și nu este necesar sistemul de orientare întrucât ansamblul nacelă-rotor se auto-orientează. Aceste avantaje se traduc printr-o valoare mai mică a investiției inițiale. Pe de altă parte însă, datorită turbulențelor și pierderilor de viteză a vântului la interacțiunea cu nacela și turnul, aceste sisteme au un randament mai scăzut. De asemenea, atât turbulențele cât și pierderile de presiune din spatele turnului conduc la variații bruște și periodice ale solicitărilor în palete, acestea necesitând o rezistență sporită la oboseală.

Paletele turbinei pot fi confecționate din fibră de sticla, lemn, oțel, aluminiu sau titan și sunt în număr de maxim patru, existând și un model cu o singura paletă și o contragreutate în locul paletei pereche.

Figura 27:Elementele componente ale unui sistem de conversie a energiei eoliene

2.1.4. Energia Solara

Umanitatea a fost mereu preocupată de posibilitatea valorificării energiei soarelui, dar

utilizarea concretă a acestei energii a fost împiedecată de latura economică. Creșterea prețului petrolului, și proporțional cu acesta a prețului tuturor surselor convenționale de energie, face ca atenția tuturor să crească din ce în ce mai mult față de valorificarea acestei surse practic inepuizabile de energie.

Radiația solară care ajunge pe Pământ, din punct de vedere energetic, este alcătuită din două componente:

a. radiație directă

b. radiație difuză

Valoarea insolației totale este dată de suma celor două componente. Componenta principală, pe care ne putem baza este radiația directă, într-o zi cu cerul senin. Valoarea acesteia poate fi calculată funcție de poziția geometrică a Soarelui. Radiația difuză depinde de condițiile atmosferice, de ex. de umiditatea aerului, de gradul de puritate etc. În interiorul caselor, valoarea radiației difuze este destul de ridicate, ajungând chiar la 50 %.

Majoritatea formelor de energie regenerabilă au ca sursă primară energia solară. Încălzirea diferențiată a atmosferei și a oceanului în diferite zone geografice contribuie la formarea curenților de aer și astfel, la generarea de energie eoliană. Ciclul apei în natură și prin urmare, existența apelor curgătoare, începe cu evaporarea care se produce în principal la nivelul oceanului planetar tot ca urmare a radiației solare, făcând astfel posibilă valorificarea hidroenergiei. Dezvoltarea plantelor se produce în urma unor procese biochimice al căror motor principal îl constituie radiația solară care induce fotosinteza. Biomasa obținută este utilă pentru producerea de căldura sau biocombustibili.

În Europa, energia razelor solare incidente este de 200…1000 W/m2, în funcție de latitudine, perioada anului calendaristic și condițiile climatice. Colectoarele solare se folosesc pentru captarea acestei energii radiante a soarelui în vederea încălzirii unor spații închise, pentru producerea de apă caldă, sau pentru utilizarea ca sursa de energie într-un sistem de refrigerare.

De asemenea, căldura obținută poate fi folosită pentru a genera indirect energie electrică prin producerea de abur și utilizarea unor sisteme de tipul turbină-generator, sau prin alimentarea cu aer cald a unor sisteme de tipul motor Stirling-generator.

Proiectarea unui sistem de conversie a energiei solare în energie termică sau electrică se bazează pe evaluarea corectă a radiației solare în amplasamentul dat și pe cunoștințe privind proprietățile radiației solare. Soarele este cea mai apropiată stea față de Pământ și se află la o distanța medie de 1,5x10la puterea 11m. Energia soarelui este rezultatul mai multor reacții de fuziune nucleară, principala fiind procesul în care hidrogenul (4 protoni) fuzionează și se formează heliu. Masa nucleului de heliu este mai mică decât masa a 4 protoni, diferența de masă se transformă în energie în conformitate cu formula lui Einstein: E=mc2.

Figura 28:Structura simplificată a soarelui

2.2. Surse neconvenționale de energie

2.2.1. Energia Eoliană

Tipuri de turbine eoliene

În rândurile anterioare au fost prezentate deja principalele caracteristici constructive în funcție de care sunt clasificate turbinele eoliene: orientarea axei de rotație, amplasarea rotorului în raport cu turnul de susținere și direcția vântului, posibilitatea reglării unghiului de atac, tipul de generator electric utilizat. Paragraful curent va trece în revista aspecte legate de conceptul principal care stă la baza clasificării turbinelor, respectiv orientarea axei rotorului. Din acest punct de vedere, prezintă cele mai răspândite concepte existente la ora actuală.

Figura 29:Tipuri de turbine eoliene, după orientarea axei rotorului: rândul superior – cu ax orizontal; rândul inferior – cu ax vertical

Turbine cu ax vertical

Construcția turbinelor din această categorie este mai simplă, având în vedere faptul că atât transmisia cât și generatorul pot fi amplasate la nivelul solului. De asemenea majoritatea variantelor constructive presupun amplasarea unui rulment de susținere a rotorului la nivelul solului. Aceste caracteristici se reflecta într-o întreținere mai ușoară în comparație cu turbinele cu ax orizontal. Un alt avantaj constă în faptul că nu este necesar un sistem de orientare în vânt, întrucât funcționează indiferent de direcția acestuia, ceea ce le recomandă utilizării în zone cu variații frecvente ale direcției vântului.

Turbina Darrieus, inventată de inginerul francez Georges Darrieus în 1931, este caracterizată de paletele de forma literei C, care au capetele prinse de ax la partea superioara și inferioară a acestuia. Ca variante ale acestui concept pot fi întâlnite turbine cu rotor în H cu paletele dispuse vertical (turbinele Gyromill), drepte sau elicoidale (cicloturbine – figura alăturată). Versiunile constructive includ două, trei sau patru palete, uniformitatea în funcționare crescând cu numărul acestora. Un avantaj propriu acestor turbine constă în faptul că viteza periferică a paletelor este mai mare decât viteza vântului, chiar comparativ cu turbinele cu ax orizontal, ceea ce le face adecvate aplicațiilor de generare a energiei electrice.

Figura 30

Turbina eoliană TEV 100, produsa de ICPITMUA Brașov: putere nominală – 100 kW; viteză nominală a vântului – 11… 13 m/s; (b)Turbină eoliană TEV 20, produsă de ICPITMUA Brașov: putere nominală – 20 kW

Turbinele Darrieus prezintă însă și unele dezavantaje care le-au limitat aplicabilitatea practică: – Fluctuații semnificative ale cuplului motor la fiecare rotație, datorită faptului că paletele din aval (opuse direcției din care bate vântul) vor fi influențate de turbulențele create de paletele aflate în amonte și de turnul de susținere. Prin urmare, asupra lor se exercită forțe de torsiune cu un caracter asimetric și eratic, care sunt transmise și către turnul de susținere. Mai mult decât atât, partea inferioară a paletelor funcționează într-o zonă mai turbulenta, specifică proximității terenului, ceea ce are ca efect o distribuție inegală a încărcării paletelor pe lungimea lor. Însumate, toate aceste solicitări conduc la un fenomen accentuat de oboseală a întregii structuri. – Coeficient de putere ceva mai mic decât cel al unei turbine similare cu ax orizontal; – Capacitate limitată de reglare a turației la viteze mari ale vântului, majoritatea modelelor fiind prevăzute cu sisteme de frânare prin fricțiune. Unele modele sunt prevăzute însă cu frâne aerodinamice (voleți amplasați pe palete) cu declanșare automată atunci când turația depășește o anumită limită. – Capacitate redusă de auto-pornire. De obicei este necesară utilizarea unei surse externe, cel mai adesea cu generatorul funcționând pe post de motor, până când rotorul turbinei atinge turația la care forțele aerodinamice care acționează asupra paletelor pot asigura funcționarea independentă a turbinei. O alternativă constructivă presupune montarea pe același ax atât a paletelor Darrieus cât și a unei turbine Savonius (v. mai jos), cunoscută pentru capacitatea de a intra în funcțiune la viteze scăzute ale vântului. Există însă și situații în care aceste turbine pornesc singure, fapt care a condus în unele cazuri la autodistrugerea sistemelor respective.

Turbina Savonius a fost inventată de inginerul finlandez Sigurd Johannes Savonius în 1922. Versiunea clasică are o construcție foarte simplă care constă în două jumătăți de cilindru dispuse în forma literei S, cu un spațiu de trecere a aerului între ele. În figura a se observă principiul constructiv al acestor turbine și principalele dimensiuni, între care suprapunerea S dintre cei doi semicilindri și diametrul d al acestora, precum și unghiul de atac α. Spre deosebire de celelalte tipuri, funcționarea turbinelor Savonius nu se bazează pe forța portantă care se manifestă asupra unui profil aerodinamic, ci pe forța rezistentă generată la deplasarea unui corp într-un curent de aer. Diferența de tracțiune dintre cei doi semicilindri orientați diferit față de direcția de deplasarea a aerului dă naștere unui cuplu motor, care însă variază semnificativ cu unghiul de atac, existând o poziție în care sistemul se află în echilibru (cuplu motor zero). De aceea, pentru a menține mișcarea de rotație, este necesară dispunerea a minim două etaje sau “spiralarea” semicilindrilor. Varianta din urmă are și avantajul unui cuplu motor uniform pe parcursul unei rotații. Au o eficiență scăzută, de doar 12-15%, surclasată însă de simplitatea constructivă, de valoarea ridicată a cuplului la pornire (pornesc singure), de caracterul omnidirecțional al funcționării și de faptul că se comportă bine în condiții de vânt turbulent. De asemenea, silențiozitatea, reziliența și rezistența la viteze mari ale vântului constituie avantaje suplimentare.

Figura 31:(a) Principiul constructiv al turbinelor Savonius; (b) simularea comportării fluxului de aer în jurul turbinei pentru α = 90°

Datorită curbei de putere similare cu cea a pompelor de apă, turbinele Savonius sunt adecvate aplicațiilor de pompare a apei, dar pot fi utilizate și pentru producerea de energie electrică. Figura 3.13 prezintă o schemă de utilizare a turbinei TS1 cu puterea nominală de 1 kW la viteza nominală de 10 m/s și cu plaja de funcționare între 3 și 25 m/s, produsa de ICSITMUA Brașov.

Figura 32:Utilizarea turbinei Savonius pentru pomparea apei

2.2.2. Energia Solară

Ca exemplu, ne putem referi la soluția de ultima oră în acest domeniu realizată la centrala solară Solana (Arizona, Pheonix) cu capacitatea de 280 MW. Centrala este dotată cu sistem de stocare „bateria de sare”. Pe perioada de strălucire a Soarelui în baterie se înmagazinează o parte de energie în formă de energie termică, iar „bateria de sare” este un acumulator de căldură, în care energia termică se stochează prin topirea sării cu o compoziție chimică specială. În context energetic, aceasta este o premieră pentru Statele Unite. Centrala Solana este cea mai mare fermă solară din lume care utilizează oglinzi parabolice pentru a concentra energia solară.

Figura 33

Există mai multe modalități de utilizare pasivă a energiei solare în domeniul arhitecturii. În construcția clădirilor solare pasive prioritare sunt: localizarea convenabilă a casei, un număr mare de ferestre orientate spre sud, izolarea bună a construcției. Alegerea corectă a locului pentru construcție asigură reducerea consumului casnic de energie cu aproape 25%.

Clădirile solare pasive sunt proiectate în corespundere maximă cu condițiile climatice locale, precum și prin aplicarea tehnologiilor și materialelor pentru încălzire, răcire și iluminare a clădirii, bazate pe utilizarea energiei solare. Acestea includ utilizarea tehnologiilor și materialelor tradiționale de construcție, cum ar fi izolarea termică, podele masive, ferestre orientate spre sud, etc. Asemenea locuințe pot fi construite, în unele cazuri, fără niciun cost suplimentar. În alte cazuri, costurile suplimentare la construcție pot fi compensate de facturile mai mici la energie. Clădirile solare pasive sunt ecologice, asigură independența energetică și un viitor echilibrat referitor la consumul de energie.

Într-un sistem solar pasiv, însuși clădirea servește ca un colector al radiației solare. Aceasta se obține prin menținerea căldurii în interiorul clădirii, datorită proprietăților deosebite ale pereților, plafoanelor și pardoselii. Clădirile solare pasive sunt un loc perfect pentru trai. Aici se simte din plin conexiunea cu natura; casele sunt inundate de lumină naturală, în ele se economisește energia electrică.

Un sistem de conversie a energiei solare în energie termică trebuie sa fie optim din punct de vedere al performanței, costurilor de achiziție și funcționare și durabilității. Structura clasică a unui sistem de încălzire a apei folosind energia radianta solară constă în următoarele componente:

1. Unul sau mai multe colectoare solare, care pot fi plane, cu tuburi vidate, sau cu tuburi cu încălzire directă a apei;

2. Sistemul de transfer de căldura și sistemul de (re)circulare; schimbătorul de căldură (daca este cazul, în funcție de tipul instalației);

3. Sistemul de stocare a apei calde;

4. Sistemul de comandă și control;

5. Sistemul auxiliar de încălzire, care furnizează căldură suplimentară în situațiile în care radiația solară nu este suficientă. De obicei acesta constă într-o rezistență electrică sau un echipament de încălzire cu gaze naturale.

Sistemele solare de furnizare de căldura se pot încadra în două mari categorii: active și pasive. Cele active utilizează sisteme de comandă și control și pompe pentru a circulă apa sau agentul termic prin colectorul solar și se împart în două subcategorii:

– Sisteme solare active directe, care pompează apa dedicată utilizării ulterioare către colectorul solar. Sunt recomandate pentru utilizare în zonele geografice în care nu există pericolul de îngheț. În caz contrar se impune golirea sistemului înainte de a începe perioada rece.

– Sisteme solare active indirecte, care dispun de un circuit închis prin care circulă un agent termic (apa, de obicei în amestec cu un antigel), din care face parte și colectorul solar.

Figura de mai jos prezintă un sistem activ indirect. Agentul termic preia energia termică în zona panoului solar. Transferul de căldura de la agentul termic către apa din rezervor se face prin schimbătorul de căldură aflat la partea inferioară a rezervorului. În cazul în care agentul termic este un lichid antigel, acest sistem este funcțional inclusiv în perioadele de iarnă, în condiții de vreme însorită.

Figura 34

Sistemele pasive nu dispun de pompe și pot fi de tip integrat sau cu circularea apei prin efectul de termosifon. În cazul sistemelor integrate apa circulă către colectorul solar datorită presiunii din rețeaua de alimentare. Principiul termosifonului permite circulația naturală a apei, datorită diferențelor de temperatură dintre zonele calde și cele reci ale circuitului, fără a necesita pompe. În figura de mai jos circulația apei între colector și rezervor se face pe principiul termosifonului.

Figura 35

Suprafețele selective sunt de o importanță deosebita în ceea ce privește randamentul colectoarelor solare. Selectivitatea permite absorbția maximă a radiației solare cu lungimi de undă scurte și împiedică pierderile de căldura prin radiație termică proprie și prin convecție.

Radiația cu lungimi de undă cuprinse între 0.3 și 2 μm reprezintă 95% din spectrul radiației solare. Radiația termică cu lungimi de undă cuprinse între 3 și 30 μm reprezintă 99% din radiația termică totală la temperatura de 325 K (52°C). Pentru a obține o suprafață selectivă cu absorptivitate mare și emitivitate redusă, materialul utilizat trebuie să aibă reflectivitate redusă în domeniul lungimilor de undă din spectrul radiației solare și reflectivitate mare în domeniul infraroșu (termic).

Figura 36:Exemplu de funcționare a stratului selectiv

Cuprul, aluminiul și nichelul prezintă reflectivitate mare în domeniul infraroșu (peste 0.95 pentru suprafețele polișate) și absorptivitate solară redusă. Aceste neajunsuri pot fi însă depășite prin acoperirea cu un strat subțire de material (0.4 – 1.5 μm) cu absorptivitate solară mare și factor de transmisie mare în domeniul radiației infraroșii.

Nichelul negru reprezintă un complex de sulfură de nichel și zinc care îndeplinește cerințele menționate mai sus, putându-se obține o absorptivitate de 0.96. Substratul lustruit de nichel poate furniza o emisivitate scăzută (aproximativ 0.08). În cazul peliculei de oxid de cupru pe o suprafață de cupru se poate obține o absorptivitate de 0.9 și emisivitate de 0.15. Suprafețele selective denumite “crom negru” reprezintă de fapt un strat subțire de crom într-o matrice amorfă de oxid de crom, care se depune pe o suprafață metalică lucioasă.

Colectoarele plane sunt destinate încălzirii unui agent termic fluid (apă, aer sau o soluție cu lichid antigel) la temperaturi de până la 80 °C. De obicei se utilizează pentru producerea de apă caldă pentru aplicații rezidențiale sau comerciale, pentru încălzirea piscinelor, a spațiilor închise, dar și pentru furnizarea de căldura pentru unele procese industriale.

Alte caracteristici importante ale materialelor de acoperire constau în absorptivitatea scăzută a căldurii, stabilitate ridicată la temperaturile de lucru ale panoului, rezistență la solicitări mecanice și durabilitate la condiții vitrege de mediu, precum și un cost redus. Variația transmitanței prin radiație a materialelor transparente depinde de procesul de fabricare, compoziția chimică și de structura moleculară. De exemplu, majoritatea materialelor plastice au transmitanța radiației din domeniul vizibil mai mare de 0.85 însă în cazul radiației infraroșii, transmitanța variază într-un domeniu larg, de la 0,01 pentru polimetilmetacrilat la 0,77 în cazul polietilenei.

Placa absorbantă poate fi metalică (aluminiu, oțel, sau cupru) sau dintr-un polimer stabil din punct de vedere termic. Deși este mai scump, cuprul are un coeficient de schimb de căldură superior și este mai puțin predispus la coroziune decât aluminiul. Sistemul de transfer de căldură poate avea următoarele configurații:

– Conducte dispuse în sistem harpă. Acestea sunt cuplate la o conductă de colectare aflată la partea superioară a panoului. Sistemul este folosit în general pentru instalațiile care lucrează la presiuni scăzute, agentul termic putând fi antrenat prin pompare sau circulând pe principiul termosifonului.

Figura 37

Structura unui colector solar plan: 1- sticlă montata etanș; 2- cadru pentru montare pe acoperiș; 3- conducte apă sau lichid antigel; 4- suprafață de absorbție a radiației solare; 5- izolație termică; 6-intrare apă rece; 7- carcasă etanșă.

Figura 38: Clădire solară pasivă

2.2.3. Elementul Peltier

În natură întâlnim o mulțime de efecte și fenomene fizice: mișcarea și deformarea corpurilor, dilatarea termică, evaporarea și fierberea lichidelor, răspândirea câmpurilor electrice și magnetice, emisia și absorbția luminii, descompunerea nucleelor atomilor și multe altele. Toate aceste fenomene sunt studiate de fizică, aceasta având ca scop de a stabili și a explica legile naturii care guvernează aceste fenomene. Cu câteva sute de ani în urmă studiile despre efectele și fenomenele naturii erau atât de reduse încât un singur om era în stare sa le cunoască în mod detaliat. Nu în zădar savantul de pe vremurile acelea era numit “naturfilosof”, avându-ce în vedere că el studiază toate fenomenele naturii. Însă dezvoltarea de mai departe a științei despre natură, creșterea enormă a cantității de informații a dus la aceea că știința despre natură s-a divizat in mai multe științe: fizică, chimie, biologie, geologie, meteorologie, biofizică etc., toate studiind fenomene ale naturii.

Efectele termoelectrice sunt fenomenele care se referă la transformarea directă a diferenței de temperatură (a căldurii) în tensiune electrică și, invers, la crearea directă a unei diferențe de temperatură cu ajutorul energiei electrice. Aceasta înseamnă că dacă capetele unui conductor au temperaturi diferite (se spune că este aplicată o diferență de temperatură), atunci la capetele lui va apărea și o tensiune electrică. Și invers, dacă la capetele conductorului este aplicată o tensiune electrică, atunci va apărea o diferență de temperatură. Desigur, imediat apare ideea că aceste efecte ar putea servi pentru a produce energie electrică direct din căldură (fără utilizarea generatorului electric obișnuit), pentru a măsura temperatura corpurilor și chiar pentru a crea diferențe de temperatură, cu alte cuvinte, pentru a răci obiecte. Într-adevăr, după cum vom vedea mai departe, efectele termoelectrice sunt utilizate pe larg în tehnică și au multe perspective foarte promițătoare de aplicare. Prin “efecte termoelectrice”, de obicei, se subînțeleg trei efecte separate: efectul Seebeck, efectul Peltier și efectul Thomson. Uneori se pot întâlni în cărți referințe la efectul Seebeck-Peltier sau Peltier-Seebeck, însă acestea sunt totuși două efecte diferite. Efectul Thomson este mai specific, el constând în faptul că dacă un conductor este parcurs de curent electric, iar capetele lui au temperaturi diferite, atunci în conductor, pe lângă căldura Joule care întotdeauna încălzește conductorul, se degajă sau se absoarbe (în dependență de material) o căldură suplimentară. Efectul a fost descoperit pe cale teoretică în anul 1851 de către fizicianul englez Thomson (cunoscut și ca Lord Kelvin). Efectul Thomson are puține aplicări practice și aici nu va fi examinat.

Efectul Peltier constă în încălzirea sau răcirea contactelor între doi conductori (semiconductori), atunci când prin circuit trece curent electric. Efectul a fost descoperit de către fizicianul francez Jean-Charles Peltier în 1834 și este invers efectului Seebeck. Cantitatea de căldură Q care se absoarbe sau se degaja în joncțiunea a doi conductori (semiconductori), I și II, este proporțională cu intensitatea curentului în circuit I: Q = Π12I,

unde Π12 este coeficientul Peltier al joncțiunii. Dacă se inversează sensul curentului, rezultă și o inversare a efectului: joncțiunea care era fierbinte se răcește și invers, de aceea Π12 = – Π21. Efectul Peltier se explică prin faptul că electronii transportă nu numai sarcină electrică, dar și energie, inclusiv energie cinetică și energie potențială. În prezența curentului electric, în conductor apare un anumit flux de energie. Intensitatea curentului în întreg circuitul este aceeași, însă fluxul de energie este diferit. Dacă la traversarea joncțiunii electronii trec de la energii mai mici într-un conductor la energii mai mari în cel de al doilea conductor, atunci diferența de energie este preluată de la joncțiune și aceasta se răcește. Dacă însă electronii trec de la energii mai mari la energii mai mici, atunci surplusul de energie se degajă în joncțiune și aceasta se încălzește. Din această cauză căldura este fie absorbită, fie degajată. Se poate prezenta Π12 = Π1- Π2, unde Π1 și Π2 sunt coeficienții Seebeck ai materialelor I și respectiv II. În metale, coeficientul Peltier este relativ mic, iar în semiconductori este cu mult mai mare. Dacă în circuitul din fig. 8 vom alege ca material II un metal, iar ca material I un semiconductor, atunci Q ≈ Π1I

Figura 39

Efectul Seebeck constă în apariția unei tensiuni electrice într-un circuit din doi conductori (semiconductori) diferiți, atunci când contactele dintre aceștia au temperaturi diferite. A fost descoperit de către fizicianul german de origine estoniană Thomas Seebeck în 1821. Schema circuitului lui Seebeck este prezentată în fig.1. A și B reprezintă metale diferite. Seebeck a observat o deviere a acului busolei apropiată de circuit atunci când temperaturile T1 și T2 ale contactelor dintre metale sunt diferite. Seebeck nu a înțeles fenomenul și l-a numit efect termomagnetic. Doi ani mai târziu, fizicianul danez Hans Oersted a explicat corect experimentul. Metalele reacționează diferit la diferența de temperatură și în circuit apare un curent electric care creează un câmp magnetic. Acesta din urmă interacționează cu câmpul magnetic al acului busolei și duce la devierea lui. Oersted a introdus și termenul de termoelectricitate.

Figura 40

Fizica contemporană explică în mod exhaustiv efectul Seebeck. Electronii de la capătul fierbinte cu temperatura T1 au energie cinetică mai mare și de aceea apare un proces de difuzie a lor spre capătul rece, având temperatura T2, al conductorului, T1 > T2 (fig. 2). Concentrația electronilor la capătul rece crește, iar la cel fierbinte descrește. Respectiv, capătul rece se încarcă negativ, iar capătul fierbinte pozitiv.

În conductor apare un câmp electric E interior care creează un flux invers de drift al electronilor. În starea staționară aceste două fluxuri se echilibrează (dinamic). În circuitul deschis apare o diferență de potențial V sau o forță electromotoare care poate fi măsurată cu un voltmetru. La diferențe mici de temperatură, ΔT=T1–T2, în raport cu T1 și T2 vom avea V = a12 (T1 – T2),

unde a12 este coeficientul Seebeck al circuitului. Se poate prezenta a12 = a1- a2, unde a1 și a2 sunt coeficienții Seebeck ai materialelor I și respectiv II. Circuitul din fig. 2 nu ne dă posibilitatea de a măsura direct a1 și a2. În metale coeficientul Seebeck a este mic ~ 1 π 10 mV/K (1 mV = 10-6 V), in semiconductori a este cu mult mai mare ~ 100 π 1000 mV/K. Dacă în fig. 1 vom alege ca material II un metal, iar ca material I un semiconductor, atunci V ≈ a1 (T1 – T2).

În continuare, vom omite indicele 1 la a1 .α este tensiunea care apare la capetele conductorului atunci când diferența de temperatură este de un Kelvin. Se exprimă a, de obicei, în mV/K. În cazul difuziei sarcinilor pozitive (semiconductori de tip p) ap > 0, iar la difuzia sarcinilor negative (semiconductori de tip n) an < 0. Semnul tensiunii V și deci a coeficientului a servește pentru a determina pe cale experimentală semnul purtătorilor de sarcină. La capătul rece al unui semiconductor de tip n apare polul negativ (surplus de electroni), iar al unui semiconductor de tip p apare polul pozitiv (surplus de goluri). Astfel, un conductor sau un semiconductor, ale cărui capete se mențin la temperaturi diferite, devine o sursă de energie electrică. Ce-i drept, forța electromotoare a acestei surse este mică. Dacă vom considera un semiconductor cu a = 200 mV/K și ΔT = 100 K, atunci vom obține că tensiunea electromotoare a acestei surse V = 20 mV. Dacă însă rezistența circuitului este mică, în el pot apărea curenți de intensitate relativ mare, de ordinul a câțiva amperi. În fig. 3 este prezentată o astfel sursă de curent electric continuu, formată dintr-un singur semiconductor. Sunt indicate direcția fluxului de purtători de sarcină (a golurilor) și direcția fluxului de căldură în semiconductor. La capătul mai rece unde se elimină căldură, avem polul pozitiv.

Figura 41

Pentru a mări tensiunea în circuit pot fi formate baterii prin legarea în serie (polul minus cu polul plus) a câtorva surse elementare, după cum este ilustrat în prima figura 43. Astfel de baterii însă nu sunt eficiente fiindcă, datorită conductivității termice, prin conductorii de contact dintre sursele elementare are loc o pierdere suplimentară, pierdere parazit, a unei părți de căldură față de pierderea prin materialul p. Este mult mai eficient de format cupluri din surse de tip n și de tip p. După cum se vede din figura 44, la capătul rece, de sus, în sursa n va apărea polul negativ (-), iar la sursa p – polul pozitiv (+) și deci aceste surse sunt deja conectate în serie.

Figura 42 Figura 43

Peltier (1834) a găsit că aplicând un curent mic prin cele 2 conductoare înseriate, are ca efect o absorbție de căldură sau o generare a ei la joncțiunile acestuia. Peltier a definit relația intre fluxul schimbului termic Q si curentul aplicat I, care introduce o constantă de proporționalitate a,b cunoscut ca coeficientul Peltier.

Fluxul termic + Q, reprezintă căldura absorbită in sistem, iar I este + când curentul curge de la joncțiunea mai rece la cea mai caldă. Amplitudinea si semnul coeficientului Peltier depinde de temperatura joncțiunii si de proprietățile de material ale fiecărui conductor.

Prin stabilirea relației între coeficienții Seebeck și Peltier, Thomson (1854) a descoperit un al 3-lea efect termoelectric. El a stabilit că pentru același circuit care ilustrează efectele Seebeck și Peltier, atât un curent cât și o diferență de temperatură prin conductori conduce la un schimb termic suplimentar prin fiecare conductor individual. Pentru fiecare conductor, Thomson a definit un flux termic pe unitatea geometrică data definind-o constanța de proporționalitate , sau coeficientul Thomson

Semnul convențional pentru schimbul termic și curent este identic ca în cazul Peltier. Coeficienții Peltier și Thomson pot fi ambii obținuți din coeficientul Seebeck, care este ușor de cuantificate în cele mai multe cazuri.

Efectul Peltier a fost deja utilizat în aplicații de răcire și refrigerare. În scopul generării de energie, termoelectricitatea poate fi utilizată la returnarea surselor naturale de căldură în energie electrică utilă. . Eficientă conversiei energiei, totuși poate limită aplicarea acestuia

Figura 44: Stand electric al unui generator termoelectric

Eficiența conversiei unui stand de conversie termoelectrică a energiei este dependența de mai multe variabile, care include temperatură în fiecare joncțiune, coeficientul Seebeck la fiecare joncțiune și conductivitatea electrică și rezistivitatea termică al fiecărui conductor. Ultimele 3 variabile sunt unite într-un factor, Z, cunoscut cu numele de factor de merit.

Valoarea lui Z pentru fiecare stand de generare putere,determină eficiența de conversie a energiei,eficiența maximă pentru conversia termoelectrică a energiei este dată de relația

Primul termen reprezintă eficiența Carnot, care limitează eficiența conversiei termoelectrice. Ecuația eficienței arată că pentru maximizarea eficienței valoarea lui Z trebuie să aibă o valoare ridicată pe cât de mare posibil a domeniului de temperatură. Valoarea lui Z pentru materiale individuale poate fi determinată cu:

Pentru ușurință proprietatea electrică este exprimată în funcție de conductivitatea electrică mai degrabă decât rezistivitatea. Deoarece coeficientul Seebeck și conductivitatea electrică poate fi determinată experimental cu relativa ușurință, materialul ideal pentru eficientă conversiei termoelectrice a energiei poate fi ales prin optimizarea valorilor lui S și prin obținerea unei valori maximizate a lui Z. Factorul de merit este utilizat în mod obișnuit în formă adimensională ZT, în care T este temperatura. Materialele care au valorile cele mai mari pentru ZT, în plus față de alte proprietăți, precum cele văzând funcționalitatea pe un domeniul mare a temperaturii, precum și accesul practic și ușurință în utilizare, reprezintă cele mai mult urmărite în cazul conversiei termoelectrice a energiei. Graficul următor prezintă optimizarea ambelor variabile:

Figura 45: Coeficientul Seebeck optimizat și conductivitatea materialelor cu potențial termoelectric.

Modulele de generare TEG pot consta din rețele de mai multe sute de termocuple de tip p/n conectate electric împreună in serie și termic in paralel. Acestea sunt standardizate pentru ieșiri A/V specifice. Elementele TE (sau cuplaje) pot fi ambalate in materiale electroizolante pentru menținerea spațierii intre ele și acoperite cu alte materiale de protecție in funcționare fața de mediul înconjurător. Coeficientul de dilatare termică a diferitelor materiale din interior se impune considerat din faza de concepție a modulului deoarece tensiunile mecanice din interiorul modulului rezultate pe timpul asamblării sau prin ciclurile termice in timpul utilizării pot conduce la distrugerea modulului. Barierele de difuzie efectivă și acoperirile sunt deci necesare pentru minimizarea sau eliminarea acestor efecte și impactului acestora asupra ratelor de defect.

Una dintre principalele avantaje ale TEG și a sistemelor de încălzire/răcire este fiabilitatea lor ridicată datorită parților statice. Caracteristicile (I – V) comută diferitele condiții pe partea caldă .Aceste caracteristici sunt funcție de numărul de cuplaje de materialul TE, de natura circuitelor serie-paralel si cantitatea de căldură furnizată modulului TEG. Graficul de mai jos ilustrează curbele I – V pentru un ansamblu de module TEG cu creșterea energiei termice pe partea caldă.

Modulele TEG sunt interfațate in mod obișnuit cu schimbătoare termice pe partea caldă și pe partea rece in sistemul final . Natura interfeței este crucială deoarece trebuie să asigure eficiența transferului termic in interiorul și in exteriorul modulului. O soluție improprie la aceasta interfața critică poate reduce transferul termic prin interfață, cu limitare puternică de performanțe a sistemului TEG și crearea unei discrepanțe mari intre performanța proiectată si cea reală.

2.3. Evaluarea parametrilor energiei electrice

2.3.1. Puterea Activă, Reactivă, Aparentă

Puterea Activă

Este puterea reală consumată de un circuit. Într-un circuit în care avem rezistențe, bobine și condensatori, puterea electrică activă este consumată doar de rezistențele electrice deoarece acestea nu pot stoca energie electrică (toată energia electrică pe care o primesc trebuie neapărat să se consume cumva, adică să se transforme în altă formă de energie – în cazul acesta în căldură).

Formula de calcul a puterii active este cea de mai sus. O rescriu în continuare împreună cu celelalte variante perfect echivalente:

unde:

P – puterea electrică activă. Se exprimă în W (wați);

U – tensiunea electrică. Se exprimă în V (volți);

I – intensitatea curentului electric. Se exprimă în A (amperi);

R este rezistența electrică a circuitului. Se exprimă în Ω (ohmi).

Puterea electrică reactivă

Pe scurt, este puterea electrică plimbată de colo până colo de către bobinele și condensatorii dintr-un circuit. Mai pe larg, putem privi bobinele și condensatorii ca pe niște oglinzi: primesc energie electrică însă mai devreme sau mai târziu o reflectă înapoi în circuit. Din acest motiv condensatoarelor și bobinelor li se mai spun componente reactive – pentru că reacționează la trecerea curentului electric folosind energia electrică acumulată anterior.

Într-un circuit în care avem rezistențe, bobine și condensatori, puterea electrică reactivă apare doar datorită prezenței în circuit a bobinelor și condensatorilor deoarece acestea sunt singurele componente care înmagazinează energia electrică primită, putând ulterior să o reintroducă în circuit. Ca să fim mai la obiect, uite cum se întâmplă:

energia electrică primită de o bobină se transformă în energie magnetică. Când tensiunea de la bornele bobinei tinde să devină constantă sau chiar să scadă, energia magnetică stocată în bobină se transformă din nou în energie electrică producând un curent electric de sens contrar celui care există inițial prin bobină;

energia electrică primită de un condensator este folosită pentru a muta sarcini electrice de la o bornă la alta a condensatorului. Când tensiunea de la bornele condensatorului tinde să scadă, energia (s-o numim electrostatică) din condensator se transformă înapoi în energie electrică sub forma unui curent care are același sens cu cel inițial. Altfel spus, când tensiunea de a borne scade, condensatorul se descarcă și bagă înapoi în circuit energia electrică pe care a primit-o mai devreme.

Formula de calcul a puterii electrice reactive este:

unde:

Q – putere electrică reactivă. Se exprimă în VAR (volt-amperi reactivi);

I – intensitatea curentului electric. Se exprimă în A (amperi);

U – tensiunea electrică. Se exprimă în V (volți);

X – reactanța electrică. Se exprimă în Ω (ohmi).

Reactanța arată cât de mult se opune un condensator sau o bobină la trecerea unui curent electric. Reactanța poate fi inductivă (a bobinelor) sau capacitivă (a condensatoarelor) și se măsoară la fel ca și rezistența electrică, în ohmi [Ω]. Reactanța este un fenomen care apare doar când tensiunea electrică din circuit este variabilă (de exemplu în curent alternativ).

Ecuația de calcul a reactanței inductive este:

Ecuația de calcul a reactanței capacitive este:

unde:

XL – reactanța inductivă. Se exprimă în Ω (ohmi);

XC – reactanța capacitivă. Se exprimă în Ω (ohmi);

f – frecvența curentului alternativ care circulă prin respectiva componentă. Se exprimă în Hz (herți);

L – inductanța bobinei sau inductanța echivalentă (în cazul în care circuitul conține mai multe bobine). Se exprimă în H (henry);

C – capacitatea condensatorului sau capacitatea echivalentă (în cazul în care circuitul conține mai multe bobine). Se exprimă în F (farazi).

Acestea fiind zise, X din ecuația puterii reactive:

se înlocuiește cu XL dacă în circuit avem doar bobine;

se înlocuiește cu XC dacă în circuit avem doar condensatori.

Cunoașterea și înțelegerea puterii reactive este importantă deoarece prezența ei în circuit solicita suplimentar atât generatorul cât și cablurile de alimentare ale circuitului. Prezența unei componente reactive într-un circuit electric este o sursă de șocuri: în loc ca energia electrică să circule lin prin circuit, ea este ba înfulecată cu lăcomie ba scuipată cu furie de componentele reactive. Prin urmare, elementele circuitului trebuie construite mai solid, fapt ce implică prețuri de cost mai mari pentru componentele circuitului.

Puterea electrică aparentă

Este puterea care include atât puterea electrică activă cât și cea reactivă. Relația de calcul este următoarea:

unde:

S – puterea electrică aparentă. Se exprimă în VA (volt-amperi);

U – tensiunea electrică. Se exprimă în V (volți);

I – intensitatea curentului electric. Se exprimă în A (amperi);

Z – impedanța electrică a circuitului. Pe scurt,  impedanța electrică este suma dintre rezistența electrică echivalentă a circuitului, reactanța capacitivă și reactanța inductivă. La fel ca și componentele sale impedanța electrică se exprimă în Ω (ohmi).

Dacă facem acest calcul pentru un circuit de curent alternativ care conține componente reactive (bobine și condensatori) vom obține doar o putere aparentă deoarece valoarea ei poate fi foarte departe valoarea puterii active (reale) consumate de respectivul circuit.

Factorul de putere

Matematic vorbind, factorul de putere este raportul dintre puterea electrică activă și cea aparentă. Fiind un raport între două mărimi de aceeași natură, rezultă că factorul de putere este o mărime adimensională. Poate lua valori între 0 și 1:

valoarea 0 înseamnă că în circuit nu avem decât componente reactive, care nu consumă energie ci doar o plimbă de ici colo pe cea existentă în circuit, așa cum am explicat mai sus;

valoarea 1 înseamnă că în circuit nu circulă decât putere activă.

2.3.2. Convertoare DC – AC

REDRESOARE DE TENSIUNE

O importantă parte a aparaturii electronice este alimentată cu energie de curent continuu. Această energie se obține în majoritatea cazurilor de la rețeaua de curent alternativ.

Schema bloc a unui circuit de alimentare este prezentată în figura 45.

Transformatorul are rolul de a modifica tensiunea rețelei conform tensiunii continue necesare consumatorului, separând totodată rețeaua de circuitul electronic alimentat.

Redresorul este un circuit care transformă tensiunea alternativă într-o tensiune pulsatorie. Tensiunea de la ieșirea redresorului conține în afara componentei continue și componente alternative.

Filtrul micșorează influența componentelor alternative ale tensiunii de la ieșirea redresorului asupra consumatorului. Funcționarea se bazează pe acumularea de energie în intervalul de timp în care tensiunea crește și cedarea de energie consumatorului în intervalul de timp în care tensiunea scade.

Stabilizatorul are rolul de a furniza consumatorului o tensiune și un curent de o anumită valoare ce trebuie menținută între anumite limite, determinate de funcționarea corectă a consumatorului.

RS este consumatorul (rezistența de sarcină).

Figura 46

Exista doua tipuri generale de invertoare ce se deosebesc prin curentul furnizat: curentul generat cu unda sinusoidala pura sau cu unda sinusoidala modificata. Invertoarele cu sinusoida pura produc curent care este fie identic sau puțin mai bun, uneori, cu curentul din rețeaua publică. Invertoarele cu sinusoida modificata sunt cele mai comune tipuri de invertoare de pe piața si cele mai ieftine. Ele produc un curent care este suficient pentru cele mai multe dispozitive. Curentul are o forma a undei modificata: pătrată, trapezoidală sau in trepte. Exista dispozitive la care sarcina depinde de forma curentului – cum ar fi motoarele de inducție sau transformatoarele, concentratoare de oxigen, faxuri, imprimante laser, motoare cu viteza variabilă. Aceste sarcini nu este de dorit sa se alimenteze de la invertoare cu sinusoidă modificată. Faptul ca are loc schimbarea bruscă de polaritate la curentul cu sinusoida modificată, apar de multe ori efecte neplăcute in aparatele conectate, care reduc durata lor de viață si pot duce la defecte premature. Prin urmare, în acest caz, economisirea pe invertor este nejustificată, deoarece va trebui sa se cumpere un nou aparat sau sa fie reparat înainte de termen. Mai mult decât atât, cu curent de sinusoidă pură este mai bine sa fie alimentata sarcina, care-i folosită in diferite procese electromagnetice – adică motoare sincrone si asincrone, transformatoare de joasa frecventa. Asemenea sarcini presupun frigiderele, diverse pompe, mașini de spălat, etc. Dacă aceste aparate sunt alimentate cu curent sinusoidal modificat, atunci este nevoie de un invertor cu o rezervă de putere triplă. Există o serie de aparate – unități audio-video, televizoare cu plasmă, anumite echipamente de testare, etc. – pentru care forma curentului nu este obligatorie. Chiar si așa, aceste aplicații pot beneficia, de obicei, de calitate îmbunătățită a semnalului electric produs de un invertor de sinusoidă pură. De asemenea, este important sa înțelegem că nu există nici o modalitate de a face upgrade sau a curăța un semnal de undă modificată.[1]

Cerințe ale invertoarelor

Invertoarele utilizate trebuie sa îndeplinească următoarele cerințe:

– eficiență ridicată;

– control de operare dotat cu microprocesor pentru optimizarea automată a punctului de funcționare ale generatorului solar;

– protecția personalului în timpul instalării si operării;

– instalare simplă;

– modularitate pentru extinderi ulterioare;

– informarea utilizatorului privind etapa de operare;

– diagnosticare si indicare a defectelor;

– transmiterea valorilor măsurate si a stărilor de operare la un calculator.

Invertoarele trebuie sa fie prevăzute cu filtre și circuite de protecție la supratensiuni, atât la intrare cât și la ieșire. Pentru a evita funcționarea incorectă a invertoarelor, acestea sunt prevăzute cu blocuri de comandă, care urmăresc: variațiile tensiunii rețelei de curent alternativ, frecvenței, impedanței rețelei și intensității curentului electric. Printre facilitățile pe care le pot avea invertoarele se numără:

• protecție la scurtcircuit pe intrare și ieșire, protecție la suprasarcină și supraîncălzire

• protecție la supravoltare și subvoltare, afișarea puterii consumate și a tensiunii bateriei. Invertoarele au ca și caracteristică principală puterea nominală, care reprezintă consumul maxim admis la ieșirea de 230 V • forma undei de ieșire. Există invertoare cu undă sinusoidală pură sau cu undă sinusoidală modificată. Invertoarele cu undă sinusoidală modificată sunt mai accesibile ca preț, dar nu se pretează la echipamente electrice sau electronice care folosesc motoare alimentate direct la 230 V, pentru care se utilizează invertoare cu unda sinusoidală pură.

Invertoarele solare trebuie sa garanteze ca modulul fotovoltaic este operat la punctul MPP, pentru a capta energia maximă de la acesta. Acest lucru este realizat de bucla de control MPP cunoscut sub numele de Maximum Power Tracker (MPPT). Aceasta implică de asemenea ca riplurile tensiunii de ieșire ale modulului fotovoltaic să fie suficient de mici, astfel încât să poată funcționa in jurul MPP fără variații foarte mari ale curentului celulei fotovoltaice.

Invertoare de rețea

Conversia energiei electrice de curent continuu nestabilizata generata de panourile fotovoltaice in energie electrica de curent alternativ, se realizează cu echipamente electronice speciale numite invertoare de rețea. Energie obținuta la ieșirea lor este injectata integral in sistemul energetic național sau in magistrala de curent alternativ a sistemelor fotovoltaice independente. In funcție de puterea de intrare si ieșire, plaja tensiunii si curentului de intrare, numărul de faze ale rețelei electrice, existenta separări galvanice intre intrarea de curent continuu si ieșirea de curent alternativ, etc., sunt disponibile o mare varietate de invertoare de rețea. Cele mai performante invertoare de rețea au eficienta de până la 98%, sunt construite fără transformatoare si sunt prevăzute cu algoritm de determinare si urmărire a punctului de putere maxima (MPPT). Invertoarele de rețea se sincronizează la frecventa rețelei si nu funcționează decât daca sunt conectate la un sistem de tip SEN (sistem energetic național). In cazul întreruperii legăturii la SEN, invertoarele de rețea se opresc automat pentru a preveni defazajele care pot apărea intre frecventa lor si a rețelei la refacerea legăturii cu aceasta.

Pentru obținerea unor randamente de peste 95 % se recomanda consultarea unui specialist care va optimiza performantele sistemului prin alegerea unui invertor de rețea care sa se încadreze in intervalul de variație al parametrilor de ieșire ai generatorului fotovoltaic si sa aibă puterea de ieșire cit mai apropiata de valoarea nominala a generatorului. Alegerea incorecta a invertoarelor de rețea poate conduce la deteriorarea acestora ca urmare a depășirii tensiunii maxime de intrare sau la funcționarea cu eficienta scăzuta din cauza supradimensionării puterii de intrare.

Invertoare de baterii

Invertoarele de baterii sunt de regula unidirecționale si asigura conversia energiei de curent continuu de la bornele acumulatorilor in energie de curent alternativ pentru alimentarea consumatorilor. Invertoarele de baterii bidirecționale sunt utilizate in sistemele fotovoltaice de tip magistrala de curent alternativ si asigura, pe lângă conversia energiei de curent continuu stocata in acumulatori in energie de curent alternativ, si controlul tensiunii si al curentului de încărcare al bateriilor. Ele sunt recomandate pentru sistemele monofazate si trifazate cu puteri mai mari de 2 kilowați. Alegerea corecta a invertoarelor de baterii se face in funcție de tensiunea bateriei de acumulatori, tensiunea si puterea maxima a consumatorilor, tipul acestora, regimul de lucru.

2.4. Concluzii

CAPITOLUL 3

PROIECTAREA UNUI SISTEM CU ELEMENT PELTIER

3.1. Structura mecanică a unui convertor de energie pe bază de element Peltier

Proiectarea sistemului de conversie a energiei cu ajutorul unui element peltier are ca scop în această lucrare asigurarea unei surse de energie în locuri izolate.

Funcționarea acestui sistem de conversie se datorează Efectului Seebeck.

Efectul Seebeck descrie apariția unei tensiuni electrice care este indusă de un gradient de temperatură atunci când două materiale sunt sudate. Elementul peltier mai este folosit si in instalații de dezumidificat aerul, dozatoare de apă cu răcitoare de apa și pentru lăzile de răcire auto. Aceste tipuri de sisteme de conversie a energiei pot la fel de bine funcționa si prin Efectul Peltier . Efectul Peltier constă în degajarea sau absorbția de căldură la joncțiunea dintre doi conductori diferiți (metal sau semiconductor), când prin aceasta circulă un curent electric.

Figura 47: Imagine de ansamblu a sistemului de conversie a energiei cu element peltier.

În poza de mai jos este imaginea de ansamblu a standului care v-a fi prezentat ca probă practică.

Figura 48:Model 3d a probei practice

Tabel 1: Părțile componente ale sistemului de conversie a energiei.

3.1.1. Sursă caldă

În această instalație de conversie, elementul ce produce căldură este o mica soba ce încălzește un element metalic găurit prin intermediul convecției termice. Transmiterea căldurii prin convecție reprezintă procesul de schimb termic dintre un fluid și un corp solid, de temperaturi diferite, când acestea sunt puse în contact. În cadrul instalației de conversie putem întâlni si transfer termic prin convecției termică si prin conducție termica.

Figura 49:Sobă de încălzire

Figura 50:Bloc metalic de încălzire

Cele patru elementele peltier sunt dispuse pe cele 4 laturi laterale ale elementului metalic de încălzire, conducția termică este asigurată de o pastă termoconductoare aflată între peretele elementului peltier și cel al blocului de metal. Conducția termică reprezintă transportul direct al căldurii în interiorul aceluiași corp material (lipsit de mișcări aparente), în masa căruia există diferențe de temperatură, sau între corpuri diferite atunci când între acestea există un contact intim și diferențe de temperatură.

În următoarea etapă voi calcula conducția termică printr-un perete plan, paralel, infinit.

Dacă două din dimensiunile unui perete plan paralel sunt mari în raport cu a treia, efectele marginale ale acestuia devin neglijabile în procesul de conducție termică, iar peretele poate fi considerat infinit. Pe suprafețele laterale ale unui perete plan paralel, infinit și omogen de grosime δ, având conductivitatea termică λ constantă, temperaturile cunoscute t1 > t2 se mențin constante.

Figura 51: Transmisia căldurii prin conducție la un perete omogen

Legea lui Fourier pentru un strat de grosime dx, are expresia:

Inversul conductivității termice a unui corp se numește rezistivitate termică. Prin analogie cu rezistența electrică, rezistența termică este câtul prin fluxul termic Φ al diferenței de temperatură, care întreține acest flux, în regim staționar:

sau, pentru peretele plan paralel:

λ: exprimă proprietatea intrinsecă a corpurilor referitoare la conducția termică

q: densitate de flux termic, W/m

Q: flux termic, W

Un element peltier(TEG) produce o tensiune atunci când există o diferență de temperatură între partea caldă și partea rece a Teg-ului prin efect termoelectric, care înseamnă că energia termică este convertită direct în energie electrică prin efect termoelectric. Efectul termoelectric include efectul Seebeck, efectul Peltier și efectul Thomson, însoțite totodată de efecte, precum efectul Joule și efectul Fourier. Pentru a investiga viabilitatea și a stabili performanța TEG-ului pentru reconversia căldurii reziduale în domeniul industrial a fost conceput un stand de generare termoelectrica din căldură reziduală la temperatură scăzută. Cum puterea la ieșirea TEG compusă dintr-un modul TE este foarte mică, pentru obținerea puterii la ieșire mai mari este fezabil de a realiză un TEG din mai multe module TE conectate în serie sau paralel (pe scurt, numit în lucrare înseriere TEG sau în TEG în paralel).

Figura 52: Schema unui TEG care folosește efectul Peltier

Diagrama conductanței termice și a rezistenței termice a fiecărei parți dintr-un modul TE este reprezentată schematic mai jos. In schemă Kih (W/K) și Kic (W/K) sunt conductanțele termice totale a parții calde și reci a celulelor modulelor TE;K1 (W/K) reprezintă suma conductanței termice a părții calde sau punțile conductive a părții reci;K2 (W/K) este conductanța termică a parții calde sau substratul ceramic al parții reci;R1 (K/W) este suma rezistenței termice intre termocuple și punțile conductive pe fiecare parte; R2 (K/W) este suma rezistenței termice intre punțile conductive și substratul ceramic de pe fiecare parte; Rih (K/W) este rezistența termică de contact intre substraturile ceramice de pe partea caldă și cea rece, ce reflectă condiția de contact intre sursa caldă si modulul TERic (K/W) este rezistența termică de contact intre radiatorul termic și substratul ceramic de pe partea rece, care reflectă condiția de contact intre radiatorul termic și modulul TE; Ri3 (K/W) este rezistența termică a parții calde a unui modul TE.

Figura 53: Diagrama conducției termice a unui TEG

Coeficienții K1, K2, R1 si R2 sunt parametrii inerenți a modulului TE, ei având aceiași valoare la fiecare modul TE. Totuși, Rih si Ric nu sunt parametrii inerenți ai modulului TE, ele reflectând condițiile de contact intre modulul TE și sursa de căldură sau radiatorul termic, dar nu se poate garanta că toate suprafețele de contact au aceleași condiții de contact pentru diferite module TE. Deci este posibil să existe Rih și Ric diferite in diverse module TE. In afară de asta, cum Ri3 se referă la mediul înconjurător, este posibil de asemenea să existe Ri3 diferite in diverse module TE. Din figură se vede ca Kih si Kic constă din mai multe parți a conductanței termice și a rezistenței termice așa încât Kih si Kic se poate exprima prin:

Pentru modulele TE din comerț, valorile K1, R1 si R2 sunt in general foarte mici, factorii care influențează rezistența termică a parții calde si reci sunt in principal K2, Ri3, Rih si Ric. Se presupune că fiecare modul TE intr-un TEG in paralel care lucrează in diferite condiții, precum și la diferite temperaturi ale sursei calde sau a radiatorului termic. Fie Qih (W) căldura absorbită de la sursa caldă a modulului TE in unitatea de timp , iar Qic (W) căldura eliminată radiatorului termic in unitatea de timp. Conform legii lui Fourier, Qih si Qic se pot exprima astfel:

In plus, Qih constă din 3 părți a căldurii, căldura Peltier pe partea caldă a termocuplelor, căldură generată prin efect Joule in rezistența interna a modulului TE când prin circuitul TEG circula un curent și conducția termică de la partea caldă la partea rece a termocuplelor. Astfel Qih si Qic se poate exprima in funcție de curentul care circula Ii prin modulul TE, se exprimă astfel:

Fie curentul care trece prin sarcina I, corespunzător legii lui Kirchhoff, intr-un circuit paralel curentul total este egal cu suma curenților prin fiecare ramura individuale, curentul se poate exprima astfel:

Fie rezistența de sarcină a TEG paralel ca fiind rL (), puterea la ieșirea TEG in paralel ca fiind P (W) si P se poate astfel exprima prin:

In plus, corespunzător legii conservării energiei, P se poate exprima de asemenea prin:

Deoarece fiecare modul TE are aceiași rezistența internă r, pentru a obține o soluție aproximativă a TEG in paralel, se poate da o derivare aproximativă,TEG in paralel care conține n module TE poate fi văzut ca n Teg-uri mici independente . Prin urmare in cel de-al i-lea TEG diferența de temperatură intre partea caldă și cea rece a termocuplelor ΔTi și curentul Ii este:

iar curentul total și puterea la ieșirea TEG in paralel este:

Atunci când modelul și parametrii modulelor TE sunt alese, temperatura sursei calde și temperatura radiatorului termic al fiecărui TE sunt cunoscute, iar rezistențele termice de contact sunt măsurate, , se poate lua puterea maximă la ieșire. In practică atunci când sunt determinate valorile tuturor parametrilor, se poate calcula puterea maximă la ieșire și sarcina . Rezistența termică de contact are două tipuri de parametrii, unii sunt parametrii inerenți ai modulului TE, K1, K2, R1, si R2. ceilalți sunt parametrii structurali ai TEG-ului in paralel care reflecta condițiile de contact intre modulul TE și sursa de căldură sau radiatorul termic, Rih si Ric. Existența rezistenței de contact re se comporta la fel ca in cazul creșterii rezistenței interne a modulului TE, care poate conduce la scăderea curentului I și a puterii la ieșire P. Prin urmare, efectul lui re asupra puterii nu poate fi de neglijat, deși valoarea este foarte mică pentru modulele TE din comerț. Creșterea rezistenței termice de contact înseamnă scăderea lui Kih si Kic, Ai si Bi va crește cu creșterea rezistenței termice de contact. Creșterea lui Ai si Bi va conduce la scăderea lui ΔTi, asta însemnând scăderea diferenței de temperatură intre cele două parți a termocuplelor. In consecință, curentul I și puterea la ieșire P vor scădea. Cu alte cuvinte, rezistența termică de contact reduce puterea la ieșire, prin scăderea diferenței de temperatură intre cele două parți a termocuplelor.

Circuitul TEG in paralel se poate vedea aproximativ ca un simplu circuit paral. In circuitul simplu paralel, exista n surse de alimentare in paralel, fiecare dintre ele avand aceiași rezistența internă r. In concordanță cu legile lui Kirchhoff și a legii lui Ohm se obțin următoarele ecuații:

unde I este curentul care circula prin sarcina rL, Ii curentul prin ramura, Ui forța electromotoare a sursei I de alimentare. Se obține:

Respectiv, curentul I este egal cu suma curenților prin ramuri Ii, cu alte cuvinte, pentru obținerea lui I, valoarea fiecărui Ii nu contează atâta vreme cat suma totală a Ii este neschimbată.

Figura 54:Structura elementului peltier(TEG)

Figura 55: Elementul Peltier 3d Catia

3.1.2 Sursa Rece

Pe partea exterioară ale elementelor peltier este montat câte un radiator pentru a facilita răcirea. Cele patru radiatoare sunt prinse strâns cu ajutorul unor bare metalice dispuse sus si jos în primul canal si ultimul canal al radiatorului.. În canalele radiatoarelor s-a înfășurat o țeavă de cupru prin care o sa circule apa pentru a asigura o diferență cât mai mare de temperatură între părțile opuse ala elementului peltier.

Figura 56:Poza 3D a subansamblului de racire a instalației

Țeava de cupru este alimentată cu apă prin intermediul unui furtun care vine de la un recipient care este prins de un profil metalic în forma alfa. După ce apa răcește radiatoarele prin intermediul țevi de cupru se scurge în recipientul de jos.

Figura 57:Subansamblu de depozitare și distribuția a apei.

Un rol de răcire îl are si ventilatorul montat pe o carcasa de tablă care ajuta la răcirea radiatorului si a apei ce trece prin țeava de cupru.

Figura 58:Răcirea suplimentară cu ajutorul unui ventilator.

Alimentarea ventilatorului se face cu ajutorul unei bateri de 12v si 7Ah.

te3 te1 te2

Figura 59:Locul unde se întâlnesc variații de temperatură

Răcirea elementului peltier se realizează si prin conducție termică si prin convecție termică.

Conducția termica este realizată de transferul de temperatură prin contactul dintre țevile de cupru si radiatoare. Convecția termică este realizată de transferul temperaturi țevi de cupru cu aerul.

În următoarea etapă voi calcula conducția termică printr-un contact cilindric pe o generatoare.

Transmisia căldurii pentru un perete cilindric de lungime l folosim relația:

q: densitate de flux termic, W/m

Q: flux termic, W

În următoarea etapă voi calcula convecția termică dintre temperatura exterioară degajată de țeava de cupru si temperatura aerului.

Fluxul termic unitar de suprafață qs se exprimă prin legea de răcire a lui Newton sub forma produsului între o proprietate a sistemului (α) și forța care generează procesul (diferență de temperatură↔ diferență de potențial termic):

q: densitate de flux termic, W/m

Q: flux termic, W

3.2. Circuitele electrice ale elementului Peltier.

În cadrul sistemului de conversie a energiei rolul circuitului electric este de a transmite energia produsă de elementele peltier(TEG) la sursa de lumină formată dintr-un bec led de 12v.Pornirea acestui bec se face prin acționarea unui întrerupător.

Figura 60:Panou de verificare a parametrilor

Circuitul electric asigură și verificarea parametrilor de intensitate a curentului electric si voltajul lui.

Figura 61:Multimetru

Specificații ale multimetrului:

Max AC Current:10A
Max DC Voltage range:1000V
Max AC Voltage range:750V
Resistance Measurement:200 Ohm-2000K Ohm range
Max display: 1999, Auto polarity display
Small and compact design
Overload protection on all ranges
Diode assembly test / Transistor P-N junction test/Transistor hFE test.
Low battery voltage indication.
Powered by 9V battery
Color: black
Item Size:131 x 68 x 29mm
Packing content:
1 x Digital Multimeter
2 x Test Leads line

În ansamblul circuitului electric mai fac parte si doua termometre care dispun fiecare de o sondă.

Figura 62: Termometru digital model:EDT-3

Specificații ale termometrului:

1) Temperatura: -50oC~110oC 2) Acuratețea:
a) ±0,1oC (10oC~50oC)
b) ±0,2oC (<10oC and >50oC)
3) Precizie de măsurare: 0,1oC
4) Display: LCD
5) Display afișare: oC sau oF
6) Baterie: 1,5V AG13

CAPITOLUL 4

APLICATII SI EXPERIMENTE

CAPITOLUL 5

CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII

BIBLIOGRAFIA

https://ro.wikipedia.org/wiki/Energie

https://ro.wikipedia.org/wiki/Surs%C4%83_de_energie

http://ltnbenergie.webgarden.ro/

http://apollo.eed.usv.ro/~elev6/surse_primare.html

http://ames.ro/energii-regenerabile/

https://www.google.ro/search?q=mori+de+apa&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjK2pLrkofaAhXFWSwKHUtoAb8Q_AUICigB&biw=1920&bih=966#imgrc=vAiNUqb_jaEbBM:

https://www.google.ro/search?q=parc+eolian&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjTmafqpYfaAhWSiKYKHS8xDQsQ_AUICigB&biw=1920&bih=966#imgrc=zo3Xh0RVdpcqyM:

Suport didactic pentru studierea disciplinelor opționale în instituțiile de învățământ preuniversitar : Educația ecologică, Omul și mediul ambiant, Protecția mediului înconjurător,

Educația pentru dezvoltarea comunităților / Simion Caisîn, Aurelia Șveț, Natalia Halaim ; red.-coord.: Simion Caisîn; SPARE (Proiect Școlar privind Utilizarea Resurselor și Energiei), CRCT "Gutta-Club", Inst. de Formare Continuă. – Chișinău : S. n., 2014 (Tipogr. "Bons Offices"). – 172 p. Bibliografie .: p. 166-171. – Apare cu sprijinul financiar al Proiectului Energie și Biomasă în Moldova, finanțat de Uniunea Europeană, co-finanțat de Program. Națiunilor Unite pentru Dezvoltare.

https://vdocuments.mx/eficienta-energetica-in-industrie.html

https://dexonline.ro/definitie/energie

https://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_nuclear%C4%83

http://ligia20.blogspot.com/

http://www.scientia.ro/univers/terra/2619-combustibili-fosili-scurta-prezentare.html

EFECTELE TERMOELECTRICE – FENOMENE FIZICE ȘI APLICAȚII PRACTIC: Prof. univ. Anatolie CASIAN Universitatea Tehnică a Moldovei

TEZĂ DE ABILITARE MODELAREA CIRCUITELOR ELECTRONICE DE MICĂ ȘI MARE PUTERE FACULTATEA DE ELECTRONICĂ, TELECOMUNICAȚII ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI Conf.dr.ing. Ovidiu Aurel POP

https://hobbytronica.ro/ce-este-puterea-electrica/

http://www.wroromania.ro/blog/wp-content/uploads/2016/03/Barajele-si-Hidrocentralele.pdf

https://ro.wikipedia.org/wiki/Efectul_Peltier

http://www.phys.ubbcluj.ro/~lucian.baia/courses/Efectul%20Seebeck2003.pdf

SIMETRIZAREA ECUAȚIILOR TEORIEI CÂMPULUI ELECTROMAGNETIC. PROPAGAREA UNDELOR ELECTROMAGNETICE ÎN MEDIILE ANIZOTROPE Prof. univ. dr habil. Mihai VLADIMIR Universitatea Tehnică a Moldovei, Chișinău

Edmond MAICAN SISTEME DE ENERGII REGENERABILE Editura PRINTECH BUCUREȘTI, 2015

ANEXE

LISTA FORMELOR GRAFICE

LISTA CUVINTELOR CHEIE

OPIS