Universitatea “Politehnica” din TimişoaraFacultatea de Electrotehnică şi ElectroenergeticăFacultatea de Electrotehnică şi Electroenergetică

CURS 1

Curs Anul 2 Electroenergetică - Sem. II 2010-2011

Titular disciplină: Ş.l.dr.ing. Ioan BORLEA

Cap. 1 Elemete introductiveCap. 1 Elemete introductive

Cap. 2 Principiile conversiei energiei

Cap 3 Bilanţul metodă de analiză a convertoarelor energeticeCap. 3 Bilanţul — metodă de analiză a convertoarelor energetice

Cap. 4 Conversia energiei solare

C 5 C i i i lCap. 5 Conversia energiei nucleare

Cap. 6 Conversia electrochimică a energiei

Cap. 7 Conversia termoelectrică a energiei

Cap. 8 Conversia termoionică a energiei

Cap. 9 Conversia magneto-hidro-dinamică (MHD) a energiei

Cap. 10 Tehnologii de valorificare a energiilor regenerabile

B L B l t ti l ti ii i i i i Edit “O i t i U i it ” 2011B. Luştrea, Bazele teoretice ale energeticii şi conversia energiei, Editura “Orizonturi Universitare”, 2011.A. Buta,Energetică generală şi conversia energiei, Litografia IPTV Timişoara, 1982.I. P. Bazarov, Thermodynamique (traduit de russe), Edition Mir, Moscou, 1989.I. Bergman, Conversia energiei şi surse, Litografia IP Iaşi, 1980.T. Berinde, colectiv, Întocmirea şi analiza bilanţurilor energetice în industrie, vol. I şi vol. II, Editura

tehnică, Bucureşti, 1976.I. G. Carabogdan, colectiv, Metode de analiză şi sistemelor termoenergetice, Editura tehnică, Bucureşti,

1989.I. Chiuţă, Conversia energiei. Baze teoretice şi probleme, Litografia IP Bucureşti, 1984.K. Guminski, Termodinamica proceselor ireversibile, (traducere din limba polonă), Editura Academiei,

Bucureşti, 1964.K. H. Messerle, Energy conversion statics, Academic Press, 1969.gyG. C. Moisil, Termodinamica, Editura Academiei, Bucureşti, 1988.S. Petrescu, V. Petrescu, Principiile termodinamicii, Editura tehnică, Bucureşti, 1983.V V Sîcev Sisteme termodinamice complexe (trad limba rusă) Editura Ştiinţifică şi enciclopedicăV. V. Sîcev, Sisteme termodinamice complexe, (trad. limba rusă), Editura Ştiinţifică şi enciclopedică,

Bucureşti, 1982.F. T. Tănăsescu, colectiv, Conversia energiei. Tehnici neconvenţionale, Editura Tehnică, Bucureşti, 1986.G Ţiţeica Termodinamica Editura Academiei Bucureşti 1982G. Ţiţeica, Termodinamica, Editura Academiei, Bucureşti, 1982.R. Vâlcu, A. Dobrescu, Termodinamica proceselor ireversibile, Editura tehnică, Bucureşti, 1982.

1.1. CONCEPTUL DE ENERGIE 1.1. CONCEPTUL DE ENERGIE -- 11

Energia este un concept fizic foarte general şi profund, având o mare utilitate practică.Din punct de vedere etimologic termenul de energie provine din cuvântul Din punct de vedere etimologic termenul de energie provine din cuvântul „energheia” (Aristotel, 384.-322 î.Hr.), care aveau înţelesul de „activitate” (en = la, ergon = lucru), respectiv din cel latin „energia” preluat de romani de la greci.E i ă ă ă i lă i ă ii di t ă i ă tit tiEnergia: o măsură comună şi generală a mişcării din natură – exprimă cantitativcapacitatea de a efectua lucru mecanic.„Sub numele de energia unui corp sau a unui sistem de corpuri se înţelege o mărime g p p ţ gcare depinde de starea fizică instantanee în care se găseşte sistemul. Pentru a putea exprima energia sistemului într-o stare dată printr-un număr determinat, trebuie fixată o anumită stare normală a sistemului (de exemplu 0°C, presiune normală), fixare de o anumită stare normală a sistemului (de exemplu 0 C, presiune normală), fixare de altfel absolut arbitrară. După aceasta, energia sistemului în starea dată, raportată la starea arbitrar fixată este egală cu suma echivalenţilor mecanici ai tuturor acţiunilor produse în afara sistemului când acesta trece într-un mod oarecare de la acţiunilor produse în afara sistemului, când acesta trece într-un mod oarecare de la starea dată la starea normală” (Max Planck „Lecţii de termodinamică”, 1897)

1.1. CONCEPTUL DE ENERGIE 1.1. CONCEPTUL DE ENERGIE -- 22

O contribuţie esenţială referitoare la conceptul de energie a adus-o Albert Einstein (1879-1955) care în 1905, prin celebra formulă E = m·c2, a enunţat legea inerţiei energiei (echivalenţa masă – energie) (E este energia, m – masa legea inerţiei energiei (echivalenţa masă energie) (E este energia, m masa de repaus şi c = 3⋅108 [m⋅s-1] – viteza luminii în vid). Astfel, legile conservării masei, a conservării şi transformării energiei nu mai sunt independente: masa unui corp este egală cu energia sa (în stare de repaus) împărţită la pătratul unui corp este egală cu energia sa (în stare de repaus), împărţită la pătratul vitezei luminii în vid.

În ultima perioadă de timp, s-a acordat o atenţie deosebită aspectelor p p, ţ pcalitative legate de energie, în special după ce Zoran Rant (1904-1972) a introdus noţiunile de exergie în 1953 şi anergie în 1962.

Mai recent, în anii 1960–70, odată cu creşterea interesului general şi a preocupărilor legate de conservarea mediului ambiant, ecologistul american Howard T. Odum (1924-2002) a introdus noţiunea de emergie, care se referă ( ) ţ gla exergia înglobată atât în mod direct, cât şi indirect, într-un sistem fizic Emergia, care se măsoară în emjouli, doreşte să exprime în echivalent de radiaţie solară – Soarele fiind considerat sursa primordială de energie pentru radiaţie solară Soarele fiind considerat sursa primordială de energie pentru Om – toată energia transformabilă în lucru mecanic, cheltuită în mod direct şi indirect pentru realizarea unui anumit produs sau serviciu.

Are o aplicabilitate universală şi un grad de generalitate extrem de ridicat caracterizând toate tipurile de sisteme şi de transformări fizice ridicat, caracterizând toate tipurile de sisteme şi de transformări fizice existente;

Are o importanţă teoretică deosebită, cunoaşterea energiei sub forma Are o importanţă teoretică deosebită, cunoaşterea energiei sub forma funcţiei de stare permiţând deducerea tuturor proprietăţilor esenţiale ale sistemului fizic la care se referă, ca şi comportarea dinamică a

iacestuia;

Are o importanţă practică deosebită, fiind direct legată de măsurarea f t l i d fă ă ii ti ităţi di d ii efortului necesar desfăşurării unor activităţi diverse, producerii unor

bunuri materiale şi servicii, ca şi de stabilirea costurilor; este o componentă esenţială a preţului oricărui produs;p ţ p ţ p ;

Energia este un indicator sintetic al dezvoltării tehnologice, economico-sociale şi al calităţii vieţii.ţ ţ

A. După natura fizică a sistemului la care se referă deosebim:

l

B. Formele de energie cele mai des întâlnite sunt:

• energia solară;• energia combustibililor (fosili, nucleari etc.);

• mecanică;• termică;• electrică;);

• energia eoliană;• energia geotermală;

• electrică;• magnetică;• chimică;

• energia mareelor, valurilor etc. • nucleară;• hidraulică;

l• gravitaţională etc.

C. Din punct de vedere a situaţiei faţă de mediul înconjurător:

energia internă reprezintă suma termenilor asociaţi tuturor mişcărilor şi interacţiunilor, de regulă la nivel microscopic, proprii sistemului în cauză;

energia externă reprezintă suma termenilor asociaţi mişcărilor şi energia externă reprezintă suma termenilor asociaţi mişcărilor şi interacţiunilor sistemului în raport cu mediul înconjurător: energia cinetică, energia potenţială a sistemului aflat într-un câmp de forţe etc.

energia de interacţiune – egală cu diferenţa dintre energia sistemului considerat şi suma energiilor componentelor sale, atunci când ele sunt complet separate. complet separate.

energia de legătură a sistemului – egală cu energia de interacţiune cu semn schimbat – este lucrul mecanic efectuat din exterior asupra sistemului,

d l l b l lnecesar descompunerii sale în elemente componente imobile şi separate la infinit.

D. Din perspectiva capacităţii de transformare a formelor de energie în lucru mecanic:

• forme de energie ordonate, integral transformabile în lucru mecanic: energia electrică, energia cinetică, energia potenţială etc.;

• forme de energie neordonate parţial transformabile în lucru mecanic forme de energie neordonate, parţial transformabile în lucru mecanic, reprezentând o combinaţie de exergie şi anergie; de exemplu: energia termică, energia internă, energia radiaţiei etc.

E. În funcţie de posibilităţile de punere în valoare a energiei:• energie primară ce poate fi utilizată în mod direct în urma unei simple energie primară ce poate fi utilizată în mod direct în urma unei simple

trans-formări; exemplu: energia termică obţinută prin arderea combustibilului;

i d ă l ă di h l i d i l • energia secundară ce rezultă din procese tehnologice destinate altor scopuri şi care nu se utilizează în acest cadru; exemplu: energia termică a apei de răcire a unui cuptor cu inducţie.

Noţiunile des folosite cu privire la energie

Energia specifică reprezintă energia asociată unităţii de masă (valoarea funcţiei energiei raportată la 1 kg).

Densitatea energetică (de volum, de suprafaţă, liniară) este energia cores-punzătoare unităţii de volum (de suprafaţă, de lungime). În general, dacă se utilizează termenul de densitate energetică (densitate de energie), atunci el se referă implicit la unitatea de volum.

Acumularea energiei este procesul fizic prin care valoarea energiei unui sistem – denumit acumulator (de energie) – creşte fără a fi însoţită de alte efecte vizibile. Acumularea de energie poate implica concentrarea energiei dacă densitatea de energie creşte; este însă posibilă p p g g ş ; pacumularea de energie numai prin creşterea volumului /masei, cu menţinerea constantă (sau chiar scădere) a densităţii energiei /energiei specifice.

Prin stocarea energiei se înţelege izolarea eficientă a sistemului fizic – denumit rezervor (dePrin stocarea energiei se înţelege izolarea eficientă a sistemului fizic denumit rezervor (de energie) – faţă de lumea înconjurătoare, în scopul păstrării constante, pe timp îndelungat, a stării sale (implicit a valorii parametrilor ce îi definesc complet starea). Stocarea energiei nu are nimic comun cu depozitarea, în sensul adoptat pentru materiale sau mărfuri.p , p p

Sistemul la care energia scade reprezintă generatorul (furnizorul) de energie, iar cel la care, în urma transformărilor ce se petrec energia creşte reprezintă consumatorul de energie. În limbajul tehnic obişnuit cotidian variaţia cu semn schimbat a energiei generatorului defineştelimbajul tehnic obişnuit, cotidian, variaţia cu semn schimbat a energiei generatorului defineşte ceea ce se înţelege prin energia produsă (cedată) de generator, iar variaţia energiei consumatorului reprezintă energia consumată (primită) de acesta.

Prin definiţie, fluxul de energie printr-o suprafaţă este dat de viteza de variaţie a energiei sistemului fizic delimitat în interiorul suprafeţei în cauză, care de fapt constituie f lfrontiera acelui sistem.

Purtătorii de energie sunt sistemele fizice (corpuri sau câmpuri) capabile ca prin anumite transformări să devină surse generatoare de energie, cu alte cuvinte să cedeze o anumită formă de lucru (termic, mecanic, electric etc.). Concret, purtătorii de energie se găsesc sub formă de combustibili, agenţi termici, recipiente cu gaz sub presiune, fluide în mişcare, câmp electromagnetic, ultrasunete etc.

Prin transportul energiei se înţelege fie deplasarea purtătorilor de energie, fie propagarea unor stări însoţite de un flux de energie. Transportul ţiţeiului prin conducte, propagarea energiei termice prin conducţie, convecţie sau radiaţie, propagarea câmpului electromagnetic de-a lungul conductoarelor liniilor electrice sunt exemple clasice în acest domeniu.

Conversia energiei reprezintă procesul fizic (transformarea) prin care ponderile formelor de energie, respectiv ale formelor schimbului de energie se modifică unele în raport cu altele. Sistemul fizic destinat special acestui scop se numeşte convertor (convertizor) de energie sau maşină energetică.

Dacă fenomenele care au loc influenţează numai parametrii cantitativi ai fluxului energetic, dar nu şi forma sa de energie, atunci în acest caz are loc o transformare de energie, iar sistemul fizic destinat acestui scop se numeşte transformator de energie. Transformatorul electric, schimbătorul de căldură, reductorul de turaţie, sunt exemple clasice de transformatoare de energie electrică, termică, respectiv mecanică.

a) fiecare formă de energie (sau schimb de energie) se caracterizează prin anumite proprietăţi specifice care o fac aptă pentru o anumită categorie de aplicaţii practice;

b) în general utilizatorul are acces la o sursă a cărei formă de energie nu corespundeb) în general utilizatorul are acces la o sursă a cărei formă de energie nu corespunde necesităţilor sale;

c) economicitatea funcţionării lanţurilor energetice presupune realizarea unor d t idi t t d id t t ibil î diţiil i d bl iirandamente ridicate; acest deziderat este posibil în condiţiile unei duble conversii a

formelor de energiei: o primă conversie are ca rezultat obţinerea unei forme de energie adecvată operaţiilor de transport şi distribuţie; cea de-a doua conversie se realizează la consumator în conformitate cu necesităţile sale;

d) din considerente de siguranţă în funcţionare, un consumator care foloseşte o singură formă de energie poate fi alimentat de la mai multe surse diferenţiate între ele prinformă de energie poate fi alimentat de la mai multe surse diferenţiate între ele prin formele de energie disponibile.

e) un consumator poate utiliza mai multe forme de energie;

Mecanică Termică Electromagnetică Chimică Nucleară• reductor de • pompă de

Mecanică

• reductor de turaţie

• pârghie• scripete etc.

• pompă de căldură

• maşină frigorifică

• generator electric

Termică

• motor cu ardere internă • schimbător de

• generator magneto-hidro-dinamic

• generator • reactor Termică • turbină cu abur sau gaz

căldură • generator termoelectric

• generator termoionic

chimic

Electromagnetică • motor electric• electro-magnet

• cuptor electric

• transformator electric

• redresor

• cuvă de electroliză

• acumula-tor electric

• accelerator de particule• electro magnet electric • ondulor

• laser

electric• biosferă

(plante)

particule

• cameră de d

• pilă de b i

• reactor hi i

Chimică • biosfera (animale)

ardere• cazan• arzător de

combustibil

combustie• baterie electrică • acumulator

electric

chimic• gazogen• generator

biogazcombustibil electric biogaz

Nucleară • reactor nuclear • baterie nucleară • reactor nuclear

reproducător

f ă d ă d i l i i l i î di ii este o formă ordonată de energie care se converteşte relativ simplu şi în condiţii economice avantajoase în toate celelalte forme de energie;în comparaţie cu alte forme de energie se transportă şi distribuie cu randamente ridicate şi cheltuieli reduse;se măsoară precis, relativ uşor îndeplinind toate condiţiile necesare unei bune gestionări;gse utilizează în domeniile de avangardă ale tehnicii: informatică, robotică, electro-tehnică, automatică, telecomunicaţii, tehnologii neconvenţionale etc.este nepoluantă; nu produce reziduuri; singurul pericol real pentru vieţuitoare este nepoluantă; nu produce reziduuri; singurul pericol real pentru vieţuitoare este electrocutarea

Un important dezavantaj, al energiei electromagnetice este faptul că ea nu poate fi stocată în mod direct, în cantităţi importante şi cu cheltuieli reduse.

cunoaşterea principiilor, legilor şi teoremelor care stau la baza proceselor cognitive ale specialistului dedicat proiectării, analizei şi exploatării convertoarelor energetice; se p p ş p gacordă atenţie doar proceselor cvasistatice reversibile, la început aspectelor statice şi ulterior celor dinamice; capacitatea de a aplica cunoştinţelor teoretice prezentate pentru explicarea funcţionării şi p p ş ţ p p p ţ şpentru rezolvarea unor probleme tehnice concrete legate de proiectarea şi exploatarea echipamentelor energetice: calculul lucrului furnizat de un echipament, al energiei necesare acestuia, al pierderilor de energie de orice natură ce apar pe durata funcţionării p g p p ţsale, al eficienţei energetice etc.; cunoaşterea metodelor de analiză energetică: metoda ciclurilor, metoda potenţialelor termodinamice, metoda bilanţurilor (analiza cantitativă şi calitativă a fluxurilor de , ţ ( şenergie), metoda caracteristicilor energetice, toate fiind orientate optimizării proiectării, construcţiei şi exploatării echipamentelor energetice;dezvoltarea abilităţii de a întocmi bilanţuri energetice şi exergetice pentru instalaţiile ţ ţ g ş g p ţindustriale – activitate esenţială pentru Ingineria energetică.

Cap. 2 Principiile conversiei energiei