Logo referatelecarte



referat, proiect, rezumat, caracterizare, lucrare de nota 10 despre Anatomia aparatului cardiovascular AstronomieBiologieChimieContabilitateDesenDiverse
 DreptEconomieEnglezaFilozofieFinanteFizica
 FrancezaGeografieGermanaInformaticaIstorieJurnalism
 MarketingMatematicaMedicinaMuzicaPsihologieRomana
 Literatura RomanaTehnica

Energia solara, forme de energie, conversia energiei - referat



referat, proiect, rezumat, caracterizare, lucrare de nota 10 despre: Energia solara, forme de energie, conversia energiei Energia solara

Introducere

Energia solarã reprezintã una din potentialele viitoare surse de energie, folositã fie la înlocuirea definitivã a surselor conventionale de energie cum ar fi: cãrbune, petrol, gaze naturale etc, fie la folosirea ei ca alternativã la utilizarea surselor de energie conventionale mai ales pe timpul verii, cea de a doua utilizare fiind în momentul de fatã cea mai raspânditã utilizare din întreaga lume.
Poate cel mai evident avantaj, în vederea utilizãrii acesteia, pe care îl are, este acela de a nu produce poluarea mediului înconjurãtor, deci este o sursã de energie curatã; un alt avantaj al energiei solare este faptul cã sursa de energie pe care se bazeazã întrega tehnologie este gratuitã.
Utilizarea energiei solare apare din timpurile istoriei ca prezentã în viata oamenilor sub diferite forme: armã, curioziotate, utilizare efectivã; astfel în secolul al III-lea î.H., matematicianul grec Arhimede (287 - 212 î.H.) a apãrat cetatea Siracuza (Sicilia) de atacuri, cu ajutorul unor oglinzi uriase care orientau fasciculele de luminã focalizatã spre navele inamice, incendiindu-le.

In 1767, apare si termenul de energie termo-solarã, când omul de stiintã elevetian Horace de Saussure a inventat "cutia fierbinte", în fapt cel dintâi colector solar iar în 1830 astrologul Sir John Hershel utilizeazã "cutia fierbinte" pentru a gãti în timpul unei expeditii în sudul Africii ori în anul 1891 când are loc patentarea primului sistem comercial de încãlzire a



apei de cãtre Clarence Kemp.

Dintre toate sursele de energie care intrã în categoria surse ecologice si regenerabile cum ar fi: energia eolianã, energia geotermalã, energia mareelor; energia solarã se remarcã prin instalatiile simple si cu costuri reduse ale acestora la nivelul unor temperaturi în jur de 100°C, temperaturã folositã pentru încãlzirea apei cu peste 40 grade peste temperatura mediului ambiant, instalatii folosite la încãlzirea apei menajere sau a clãdirilor. De aceea, este deosebit de atractivã ideea utilizãrii energiei solare în scopul încãlzirii locuintelor si se pare cã acesta va fi unul dintre cele mai largi domenii de aplicatie a energiei solare în urmãtorul secol. Tehnologia echipamentului pentru instalatiile solare de încãlzire a clãdirilor este deja destul de bine pusã la punct într-o serie de tãri ca Japonia, S.U.A., Australia, Israel, Rusia, Franta, Canada si Germania.

Formele de energie si formele de conversie a acestora

În functie de etapele de conversie si utilizare, energia are formele urmãtoare:
· Energie primarã (Aceastã energie este recuperatã din naturã)
o Finitã (combustibili clasici)
o Regenerabilã
· Energie secundarã definitã ca formã de energie obtinutã prin conversia energiei primare si care poate fi folositã într-o gama largã de aplicatii (energie electricã, mangalul, cãrbunele sortat de calitate superioarã, lemnul de foc tãiat si spart etc.)
· Energie finalã reprezintã energia obtinutã prin conversia energiei secundare într-un motor ,cazan , calculator, bec…
· Energia utilã se obtine prin conversia energiei finale si este energia efectiv înglobatã într-un produs sau exclusiv utilizatã pentru un serviciu.
Formele primare pot fi grupate astfel:
· Surse conventionale (clasice): sursele care s-au impus prin folosire îndelungatã (combustibili fosili, deseurile combustibile)
· Surse neconventionale : surse care nu au o folosire îndelungatã (energie nuclearã, energie primarã regenerabilã cu cele trei forme: energie solarã, energie geotermalã, energia datã de miscarea planetelor).
Sursele regenerabile (reînnoibile) sunt sursele care se regenereazã pe mãsurã ce sunt consumate. Sursele regenerabile de energie sunt radiatia solarã, energia geotermalã si energia datã de miscarea planetelor din Sistemul Solar.
Cel mai mare aport de energie primarã este adus de radiatia solarã ce ajunge în straturile superioare ale atmosferei terestre. Aproximativ 30% din radiatia primitã de pamânt este reflectatã în spatiul cosmic de cãtre nori si suprafata terestrã iar restul de 70% este absorbitã ea regãsindu-se în cãldura aerului, a apei, în cãldura latentã de evaporare a apei din mãri si oceane si de pe suprafata de uscat umeda; se regãseste în biomasã datoritã proceselor de fotosintezã din plante.
Cãldura absorbitã de aer si apã este remisã în cele din urmã sub formã de radiatii infrarosii (IR) spatiului înconjurãtur.
Cãldura latentã de evaporare a apei este deasemenea eliberatã prin condensare.
Energia geotermalã produce un flux de energie comparativ mic dinspre litosferã spre atmosferã si oceane prin conductia cãldurii. Din aceastã energie numai 1% se regãseste în vulcani sau în câmpuri geotermale active.
Miscarea planetelor din sistemul solar se regãseste disipatã în mareele din oceane. Fluxurile de energie generate de radiatia solarã si celelalte douã surse în mediului înconjurãtor al omului sunt fluxurile naturale de energie secundarã care sunt mult mai mici decât fluxurile rezultate prin transferul direct de enegie de la lumina solarã. Aceste fluxuri de energie naturalã sunt:
· Energia potentialã si cineticã a cursurilor de apã
· Vânturile, valurile si energia cineticã a curentilor oceanici
· Energia solarã absorbitã prin fotosintezã din biomasã
Cele mai importante fluxuri naturale de energie din mediul înconjurãtor direct al omului, ce pot fi exploatate sunt:
· Radiatia solarã absorbitã la nivelul scoartei terestre
· Vânturile care transportã aer fierbinte si umed spre poli si aer rece si uscat cãtre ecuator

Conversia energiei solare în alte forme de energie

Pentru utilizarea energiei solare este nevoie de conversia acesteia în alte forme de energie, conversii care sunt:
conversia fototermicã
care prezintã o mare importantã în aplicatiile industriale (încãlzirea clãdirilor, prepararea apei calde de consum, uscarea materialelor, distilarea apei etc.). în cazul conversiei fototermice, adicã a termoconversiei directe a energiei solare, se obtine cãldura înmagazinatã în apa, abur, aer cald, alte medii (lichide, gazoase sau solide). Cãldura astfel obtinutã poate fi folositã direct sau convertitã în energie electricã, prin centrale termoelectrice sau prin efect termoionic; poate fi folositã prin transformãri termochimice sau poate fi stocatã în diverse medii solide sau lichide.

conversia fotomecanicã
care prezintã importantã deocamdatã în energetica spatialã, unde conversia bazatã pe presiunea luminii dã nastere la motorul tip "velã solarã", necesar zborurilor navelor cosmice. Conversia fotomecanicã se referã la echiparea navelor cosmice destinate cãlãtoriilor lungi, interplanetare, cu asazisele "pânze solare", la care, datoritã interactiei între fotoni si mari suprafete reflectante, desfãsurate dupã ce nava a ajuns în "vidul cosmic", se produce propulsarea prin impulsul cedat de fotoni la interactie.

conversia fotochimicã
care poate prin douã moduri sã utilizeze Soarele într-o reactie chimicã, fie direct prin excitatii luminoase a moleculelor unui corp, fie indirect prin intermediul plantelor (fotosintezã) sau a transformãrii produselor de dejectie a animalelor. Conversia fotochimicã priveste obtinerea pilelor de combustie prin procesele de mai sus.

conversia fotoelectricã
cu mari aplicatii atât în energetica solarã terestrã, cât si în energetica spatialã. Conversia fotoelectricã directã se poate realiza folosind proprietãtile materialelor semiconductoare din care se confectioneazã pilele fotovoltaice. Problema a fost complet rezolvatã la nivelul satelitilor si a navelor cosmice, dar preturile, pentru utilizãrile curente, sunt încã prohibitive.

Energia solarã cu ajutorul diverselor instalatii se utilizeazã în toate domeniile de activitate si pentru diferite procese cum ar fi: cel mai raspândit pentru încãlzirea apei menajere, pentru producerea de curent electric, pentru uscarea lemnului, pentru desalinizarea apei etc. Energia solarã se foloseste în diverse activitãti cum ar fi:

Utilizãri directe în industrie si agriculturã ? cuptoare solare ? uscãtorii solare ? încãlzitoare solare ? distilerii solare ? desalinizarea apei de mare
Utilizãri indirecte în industrie si agriculturã ? transformarea în energie mecanicã ? transformarea în energie electricã
Utilizãri casnice ? climatizare de iarnã si varã ? apã caldã menajerã ? frigidere solare ? sobe de gãtit solare ? pile solare
Utilizãri cosmice

Consideratii generale asupra captatoarelor cu concentratia radiatiei
Captatoarele cu concentrator (sau cu focalizarea radiatiilor) utilizeazã sisteme optice bazate pe reflexie sau refractie pentru a mãri densitatea fluxului de radiatie care cade pe suprafata de captare a receptorului. În consecintã, un captator cu focalizare poate fi considerat ca un caz special de captator plan, modificat prin interpunerea între receptor si Soare a unui concentrator de radiatii. Odatã cu cresterea densitãtii fluxului de radiatie solarã care ajunge la receptor scade suprafata necesarã de receptie pentru o aceeasi cantitate totalã de energie captatã ceea ce determinã în mod corespunzãtor scãderea pierderilor termice ale receptorului si conduce în final la obtinerea unor temperaturi mai mari în fluidul de lucru. Pe de altã parte însã, sistemele cu concentrator functioneazã numai pe baza componentei directe a radiatiei solare. În consecintã radiatia difuzã este pierdutã pentru captare si în plus apar si alte pierderi optice suplimentare, fatã de captatoarele plane. Pe lângã acestea pierderile prin radiatie la temperaturi mai mari decât cele din captatoarele plane devin din ce in ce mai importante.
În functie de principiul de functionare si constructia concentratorului se pot obtine valori foarte diverse pentru densitatea fluxului de radiatie pe suprafetele absorbante ale receptorului: de la valori relativ mici de 1,5 - 2 kW/m2 pânã la valori foarte mari de ordinul a 10000 kW/m2. Odatã cu cresterea densitãtii fluxului de radiatie creste si temperatura la care este preluatã cantitatea de cãldurã utilã. Deoarece cresterea densitãtii fluxului de radiatie atrage dupã sine necesitatea îndeplinirii unor exigente sporite în ceea ce priveste precizia sistemelor optice folosite pentru concentrare, se ajunge pânã la urmã la cresterea costului captatorului în ansamblu (concentrator - receptor). Astfel, costul energiei furnizate de un sistem de captare cu focalizare este functie directã de temperaturã la care se livreazã aceastã energie. De altfel se stie din termodinamicã, cã energia termicã este cu atât mai valoroasã cu cât nivelul de temperatura la care este livratã este mai ridicat deoarece, conform cu principiul 2 al termodinamicii (randamentul Carnot), convertirea cãldurii în lucru mecanic se face cu un randament ce depinde direct de temperatura sursei calde si a celei reci.
Din punctul de vedere al realizãrii practice (proiectare, tehnologie, exploatare) captatoarele cu concentrator prezintã câteva probleme suplimentare fatã de captatoarele plane. Astfel, cu exceptia unor sisteme cu raport mic de concentrare, toate captatoarele cu focalizare necesitã un sistem de orientare pentru urmãrirea miscãrii aparente diurne, lunare sau anotimpuale a Soarelui, în asa fel încât cu ajutorul sistemului optic de concentrare radiatia directã sã fie dirijatã permanent cãtre suprafata absorbantã a receptorului. Pe de altã parte apar si unele cerinte specifice pentru înt

retinerea sistemelor optice, în special pentru pãstrarea calitãtii suprafetelor de reflexie sau refractie împotriva murdãririi, oxidãrii, deteriorãrii sau deformãrii.
Tipuri de captatoare solare cu concentrator
Existã o mare diversitate de tipuri de captatoare solare termice, începând cu cele mai simple de genul captatoarelor plane si sfârsind cu cele mai complicate de genul celor cu concentrator parabolic care necesitã o urmãrire continuã si precisã a Soarelui. Trebuie notat cã nu se poate vorbi de un anumit tip de captator solar ca fiind cel mai bun pentru toate aplicatiile posibile. Depinzând de temperatura de regim a fluidului de lucru care preia cãldura în captator si de multi alti factori (cum ar fi pozitia geograficã, dimensiunile si timpul de viatã al instalatiei); diferite captatoare solare pot prezenta cel mai promitãtor raport al energiei totale livrate cãtre costul total al instalatiei (pe întreaga duratã de viatã a acesteia).
Orice captator solar termic are în general randamentul de captare în functie de temperatura de lucru si de temperatura mediului ambiant. De obicei puterea termicã captatã este proportionalã cu urmãtorii factori:


densitatea de putere a radiatiei solare
cea directa plus o fractiune din cea difuzã, depinzând de raportul de concentrare;

geometria captatorului
include: orientarea acestuia, respectiv urmãrirea Soarelui; proiectia ariei vãzute de Soare într-un plan perpendicular pe razele Soarelui; eventuale umbriri si ecranãri ale radiatiei solare;

eficienta opticã
legatã de fractiunea din radiatia solarã interceptatã de captator care ajunge la suprafetele absorbante ale receptorului;

eficienta absorbtiei si a transformãrii
din energie radiantã - opticã în energie termicã de cãtre suprafetele absorbante ale receptorului.
Puterea termicã utilã va fi puterea termicã absorbitã minus pierderile termice în receptor (prin conductie, convectie, si radiatie). Se poate observa cã odatã cu cresterea factorului geometric de concentrare a radiatiei se reduce raportul între puterea termicã pierdutã si puterea termicã absorbitã; în schimb eficienta absorbtiei scade iar complexitatea sistemului creste (din cauza geometricii pretentioase a concentratorilor si din cauza sistemelor de miscare si urmãrire a Soarelui). Odatã cu cresterea complexitãtii sistemului, evident creste si costul instalatiei de captare. Totusi alegerea unui sistem de captare nu se poate face numai dupã cost, deoarcece factorul cel mai important într-o instalatie termicã este temperatura agentului de lucru; ori aceastã temperaturã nu poate fi atinsã întotdeauna cu orice sistem de captare.

Aspecte constructive
Captatorul cu concentrare (focalizare) nu este decât un caz particular al captatorului plan, cãruia prin introducerea concentratorului de radiatii i s-a micsorat suprafata de receptie si odatã cu aceasta i s-au redus pierderile de cãldurã, obtinând în final temperaturi mai ridicate ale fluidului de lucru. Captatorul cu concentrator piramidal face parte din categoria captatoarelor cu concentratorul fix. Poate fi considerat cel mai simplu captator cu concentrare, fiind alcãtuit din mai multe suprafete plane reflectante, astfel dispuse în raport cu captatorul, încât sã se obtinã un coeficient de concentrare C cât mai ridicat (de ex. C cuprins între 2 si 6). Coeficientul (raportul) de concentrare este definit ca raportul dintre valoarea medie a densitãtii fluxului de radiatii colectate de cãtre receptor si densitatea fluxului de radiatie care cade pe concentrator). Solutia cu concentrator piramidal folosit la încãlzirea solarã a încãperilor constã din montarea pe pereti , plafonul (2) si pardoseala din interiorul unei încãperi, precum si pe peretele basculant (4) din exterior, de panouri plane cu suprafata executatã din plastic aluminizat Mylar.

Elemente componente:
1. Captator plan alcãtuit din tevi prin care circulã fluidul caloportor
2. Pardosela cu suprafata reflectantã
3. Perete cu suprafata reflectantã
4. Panou cu partea interioarã acoperitã cu suprafata reflectantã
5. Perete basculant cu suprafata interioarã reflectantã.
Toate suprafetele reflectante, atât cele fixe, cât si cea mobilã, sunt astfel orientate, încât radiatiile solare care cad pe ele, sã poatã ajunge dupã câteva reflexii la captatorul plan 5 montat în pardosealã de exemplu: punct mobil-plafon-captator: plafon-perete-captator, pardosealã-plafon-perete-captator etc).
Captatorul plan este prevãzut cu canale prin care circulã fluidul purtãtor de cãldurã (aer, apã etc.). Cunoscând cã raportul de concentrare variazã între 2 si 6, iar factorul energetic de reflexie ia valori în jur de 0,8 se poate conta pe o reducere a suprafetei captatorului de 1,6 - 4,8 ori.
Tipul de concentrator piramidal, în raport cu celelalte captatoare cu concentrare, prezintã avantajul cã poate colecta pe lângã radiatiile directe si o bunã parte din radiatiile difuze, mãrind astfel durata de utilizare a lui în timpul unei zile (în special în zilele cu nebulozitate).
Captatorul cu concentrator cilindro-parabolic din figura urmãtoare se compune din douã elemente principale:
· suprafata de receptie 1 executatã dintr-o oglindã cilindro-parabolicã si
· receptorul 2 de radiatie concentratã, montat în focar.

Elemente componente:
1. oglinda cilindro-parabolicã
2. receptor
3. intrare fluid purtãtor de cãldurã
4. iesire fluid purtãor de cãldurã
5. suport.
Miscãrile captatorului sau ale elementelor lui componente se pot realiza automat sau manual, continuu sau discontinuu, toate acestea depinzând de scopul si locul unde este utilizat. Astfel, la instalatiile solare unde parametrii fluidului de lucru trebuie sã fie cuprinsi în limite strânse, se impune asigurarea automatã a miscãrilor captatorului dupã Soare, iar în celelalte cazuri, ajustãrile pozitiei acestuia se pot face manual sau cu ajutorul unui motor, la intervale mai mari care pot merge la o rotatie pe lunã, anotimp sau chiar an.
La noi în tarã, cu proiectarea, executarea si testarea primelor captatoare cilindro-parabolice s-a ocupat un colectiv de cadre didactice de la catedra de Termotehnica si Masini Termice a Institutului Politehnic Bucuresti. Au fost studiate mai multe variante, diferentiate dupã suprafata concentratoare. Oglinda cilindro-parabolica este executatã din plãci de aluminiu, iar receptorii dintr-un registru de tevi de cupru prin care circulã ca fluid termic apa. Din mãsurãtorile efectuate pe stand s-au obtinut temperaturi ale apei de 200oC. Alte douã tipuri de captatoare cilindro-parabolice au fost studiate, proiectate si executate de Institutul de Cercetare stiintificã si Inginerie Tehnologicã pentru Industria Electrotehnicã.

Bateriile solare

Radiatia solara mai are numeroase utilitati. Astfel, pe langa rolul foarte important pe care l-am amintit mai sus, acela de a încalzi apa sau de a topi metalele, energia solara mai poate fi folosita si pentru producerea de energie. Aparatele care convertesc energia solara în energie electrica se numesc panouri solare. Pe aceste panouri solare se afla niste baterii solare sau fotocelule. Bateriile solare sunt niste instrumente electronice care utilizeaza fenomenul fotoelectric pentru producerea energiei electrice. Într-o fotocelula se genereaza o tensiune mica, de aceea trebuie legate mai multe astfel de celule în serie, pentru ca bateria solara sa se poata folosi ca sursa de energie. Fotocelulele sunt niste placi subtiri din materiale semiconductoare, de obicei siliciu. Unele sunt facute din galiu, arseniu, care sunt tot semiconductoare. Astfel de celule au randamentul mai scazut, dar sunt functionale si la temperaturi ridicate si au avantajul ca sunt mai ieftine. De aceea se folosesc pentru alimentarea cu energie a satelitiilor, mai expusi radiatiei solare deoarece în spatiul cosmic nu exista strat de ozon care sa reduca cantitatea de radiatie solara, asa cum se întampla pe Pamânt. Cei mai multi sateliti artificiali functioneaza cu ajutorul panourilor solare, asemenea calculatoarelor si a majoritatii ceasurilor cu quartz.
Energia solara poate fi folosita de masini, ca o alternativa la combustibilii fosili, deoarece energia solara este o sursa de energie relativ ieftina, în comparatie cu combustibilii fosili, si pe deasupra are avantajul ca este si mai putin poluanta, astfel se evita distrugerea stratului de ozon.
Drept urmare, englezii au facut si ei un experiment. Avionul Solar Challenger a zburat peste Canalul Mânecii având o singura sursa de energie si anume radiatia solara. Panourile solare care îi acopereau aripile generau suficient curent electric pentru a roti elicea cu turatie corespunzatoare.
Avantajele energiei solare sunt nenumarate, spre deosebire de dezavantaje, care sunt costurile panourilor solare si mai precis a pilelor fotoelectrice.
Astfel, în locurile mai greu accesibile, se utilizeaza pilele fotoelectrice pentru furnizarea curentului electric în gospodarii. O parte din energia solara captata în timpul zilei este încarcata în niste acumulatori, astfel ca energia electrica nu se întrerupe odata cu lasarea serii, când razele solare nu mai ajung pe pamânt datorita alternantei zi-noapte.
Bateriile soalare mai au avantajul ca ofera o siguranta mare. Odata ce sunt montate, ele nu prea necesita revizie tehnica deoarece nu exista nimic mecanic în componenta lor, si astfel nu exista nici forte de frecare care sa uzeze metalele. În Marea Britanie si în alte parti ale lumii se utilizeaza bateriile solare pentru farurile fara personal. Aceste faruri folosesc acelasi principiu si sunt de încredere.
Înca din anii 60’ satelitii artificiali care graviteaza în jurul pamantului sunt alimentati de panouri solare.
Încalzirea cu ajutorul radiatiei solare este primul pas în utilizarea energiei solare pe scara larga. Urmatorul pas este proiectul inginerului american Peter Glaser. Acesta consta în utilizarea unor panouri
solare în spatiu pentru captarea energei solare iar curentul electric sa fie trimis pe Pamânt cu ajutorul microundelor. Avantajul acestui sistem este ca aceste panouri ar folosi toata radiatia solara furnizata de soare iar dezavantajul ar fi ca microundele care transporta energia eletrica pe Pamânt ar ucide orice fiinta vie care s-ar intersecta cu raza de microunde.
Atât timp cât mai exista combustibilii fosili, folosirea energiei solare este limitata deoarece panourile solare necesare captarii energiei solare ocupa un spatiu destul de întins în comparatie cu echipamentele care folosesc energie electrica furnizata de combustibilii fosili.