Tehnologii traditionale bazate pe utilizarea energiei primare

Tehnologii traditionale

TEHNOLOGII TRADIŢIONALE  BAZATE  PE  FOLOSIREA
ENERGIEI MECANICE  PRODUSE  DE  OAMENI  ŞI  ANIMALE

Din cele mai vechi timpuri, omul a creat o serie de dispozitive simple, menite să-i uşureze traiul. Multe dintre aceste dispozitive se folosesc şi astăzi, chiar în forme arhaice, altele au fost mult perfecţionate, devenind instalaţii complexe.
Din multitudinea acestor instalaţii amintim: prese, pive, teascuri, foale, râşniţe etc. Acestea au fost construite într-o mare varietate, în funcţie de specificul tehnicii populare din fiecare zonă geografică.
Presele sunt instalaţii folosite la zdrobirea seminţelor şi a fructelor prin presare. Zdrobirea se face într-un vas (de diferite forme) cu ajutorul unei roţi care poate fi acţionată de om sau de animale, al unui sul sau a doi cilindri.
Pivele sunt dispozitive care se utilizau pentru îndesarea şi spălarea ţesăturilor groase, folosind un mai de lemn pentru baterea materialului. De asemenea, pivele s-au folosit şi pentru zdrobirea seminţelor prin batere (folosind un pisălog). Pisălogul poate fi acţionat cu mâna, cu piciorul, prin intermediul unei pârghii sau al unui scripete.
Teascurile sunt instalaţii (construite din lemn) folosite pentru stoarcerea seminţelor şi a fructelor. Orice teasc este format dintr-un vas de lemn cu forme diverse – circulară, dreptunghiulară, trapezoidală – în care se pun fructele sau seminţele şi o masă de presare cu forma profilată după cea a vasului. Acţionarea mesei de presare se poate face în diverse moduri, după cum arată şi numele teascurilor.
Foalele sunt instalaţii pentru suflat aer (în potcovării). Au ca piesă de bază un burduf (de regulă din piele) care se umflă şi se strânge, pompând astfel aerul. Ele pot fi acţionate direct de om sau prin intermediul unui sistem de pârghii.
Râşniţele manuale s-au folosit din cele mai vechi timpuri pentru râşnitul cerealelor. Sunt alcătuite din două pietre circulare, una fixă şi alta mobilă, rotită cu ajutorul unei manivele. Seminţele se pun printr-o scobitură practicată în roata mobilă.
Podurile plutitoare pe cablu mai sunt utilizate şi astăzi – în ţinuturile mai puţin avansate economic – pentru traversarea râurilor cu maluri joase şi nu prea repezi (mai ales în zonele de şes). Podul se deplasează în lungul unui cablu care uneşte cele două maluri. Deplasarea se face fie prin împingere cu o prăjină, fie prin tragerea de pe mal, fie cu ajutorul unui scripete.
TEHNOLOGII TRADIŢIONALE  BAZATE  PE UTILIZAREA
ALTOR  SURSE DE ENERGIE  PRIMARĂ
1. Tehnologii tradiţionale care folosesc energia mecanică a apelor curgătoare
Una dintre primele surse de energie folosite de om a fost apa. Prima roată de apă s-a folosit în Persia pentru irigat, apoi în China şi în India. Pe teritoriul ţării noastre s-au folosit mori hidraulice încă din secolul al XI-lea. Ele utilizau energia cinetică a râurilor cu debite mari sau a căderilor de apă. Instalaţiile hidraulice au fost construite în două variante: cu roata hidraulică verticală şi cu roată hidraulică orizontală (făcaie, ciutură sau titirez, în limbaj popular).
Toate instalaţiile se construiau din lemn de esenţă tare (stejar, de exemplu). Roata hidraulică verticală este formată dintr-un ax orizontal, cu o circumferinţă (obadă) pe care se montează paletele. Apa poate interacţiona cu paletele din partea superioară a roţii – atunci când curge pe un jgheab înclinat – sau cu cele din partea inferioară a roţii, în cazul râurilor suficient de repezi şi de adânci. Paletele roţii verticale pot fi drepte sau scobite. Atunci când paletele drepte se montează direct pe un ax gros ele se numesc zbaturi.
Principiul de funcţionare a roţii hidraulice constă în transformarea mişcării de translaţie a apei în mişcare de rotaţie a roţii şi axului ei; o parte din energia mecanică a apei se transformă astfel în energie mecanică de rotaţie, care, la rândul ei, este folosită pentru punerea în mişcare a unei instalaţii de irigat sau pentru a acţiona alte dispozitive – mori de măcinat, pive, şteampuri.
Roţile hidraulice folosite la irigat. Acestea erau roţi verticale care aveau pe circumferinţa lor, pe lângă paletele plate, nişte cuve sau găleţi, care se umpleau în partea inferioară  a traiectoriei lor circulare (la contactul cu râul) şi se goleau într-un jgheab la trecerea prin partea superioară a cursei lor.
Morile de măcinat cu roată verticală. De la axul roţii hidraulice, prin intermediul unor roţi dinţate din lemn mişcarea se transmite la axul pietrei mobile a râşniţe. Desigur că – faţă de râşniţa manuală – omul a mai îmbunătăţit instalaţia punând un coş pentru turnat cereale etc.
Pe râurile mari (Siret, Dunăre) s-au folosit mult timp mori de măcinat plutitoare, care reuneau pe o platformă două mori, pentru creşterea productivităţii. Există documente care atestă exportul de mori plutitoare din Ţara Românească în Imperiul Otoman.
Morile de măcinat cu roată orizontală. Roata cu făcaie este de dimensiuni mici; ea lucrează orizontal, jetul de apă venind pe un jgheab înclinat. Axul roţii antrenează roata mobilă de măcinat. Aceste mori sunt cunoscute încă de pe vremea dacilor, fiind răspândite în zona Tismana-Jiu-Hunedoara. Având un randament mic, o moară avea mai multe astfel de instalaţii puse în rând. Roata cu făcaie stă la baza construcţiei turbinei Pelton.
Pivele hidraulice funcţionează asemănător celor manuale, numai că forţa necesară este obţinută de la roata hidraulică. Se observă că pe axul roţii hidraulice sunt încastrate nişte opritoare (numite măsele), care în cursul mişcării de rotaţie ridică pisălogul (ciocanul) şi apoi îi dau drumul în piuă. Pivele hidraulice erau utilizate foarte mult la baterea postavului în curent de apă (caldă sau rece).
Şteampurile aurifere erau instalaţii folosite la măcinarea minereului aurifer într-un jgheab prin care curgea un şuvoi de apă. Măcinarea se făcea cu nişte ciocane care erau ridicate cu ajutorul măselelor montate pe axul roţii (la fel ca la pive) şi apoi cădeau liber şi striveau minereul.
Dârstele hidraulice au fost întrebuinţate în sudul Transilvaniei, sudul Moldovei, nordul Munteniei şi în arealul Munţilor Apuseni pentru întins şi scămoşat ţesăturile din lână (postav). Materialul se învârtea pe un ax şi era udat cu apă caldă. Când ajungea la jumătate din grosime, se trecea prin faţa unei scânduri cu cuie care agăţa ţesătura şi o scămoşa, astfel că aceasta – în secţiune – devenea mai poroasă şi mai aspectuoasă.
Vâltorile se mai întâlnesc şi astăzi în gospodăriile ţărăneşti de la munte. Sunt instalaţii foarte simple, folosite pentru spălatul ţesăturilor groase (lână). În ceea ce priveşte structura, ele au un coş din scânduri de lemn sau împletit din nuiele, de formă tronconică, cu baza mare în sus. În coş se pune materialul de spălat. Pe un jgheab, în partea superioară, se aduce apa. Funcţionarea se bazează pe formarea vârtejului într-un curs de apă atunci când şuvoiul întâlneşte un obstacol (materialul).
2. Tehnologii tradiţionale care folosesc energia mecanică a vântului
Energia eoliană este energia mecanică a maselor de aer aflate în mişcare în atmosferă. Vântul este, de fapt, o consecinţă a iluminării atmosferei de către Soare. Se ştie că lumina Soarelui nu cade uniform asupra diferitelor regiuni ale Pământului, făcând ca unele părţi ale atmosferei să fie încălzite mai mult decât altele. Deoarece aerul cald este mai uşor decât aerul rece şi are tendinţa să se ridice, masele de aer se deplasează în funcţie de aceste grade diferite de încălzire. Aproximativ 2% din energia luminii solare, care cade pe suprafaţa Pământului, se regăseşte în energia cinetică a vânturilor. La rândul său, această energie se pierde atât prin frecare cu suprafaţa Pământului, cât şi prin însăşi deplasarea maselor de aer.
Corăbiile cu pânze. Ideea folosirii energiei vântului se pierde în preistoriei, când au fost construite primele nave cu vele. Egiptenii au construit şi folosit nave cu pânze cu cel puţin 4000 de ani în urmă. Spre sfârşitul secolului al XV-lea, Spania şi Portugalia au fost cele mai mari puteri ale lumii în ceea ce priveşte flota maritimă comercială şi militară. Navele erau prevăzute cu cârmă pentru schimbarea direcţiei de deplasare, iar pânzele se orientau după direcţia vântului.
Morile de vânt. Pe uscat, folosirea vântului a fost mult mai limitată decât pe apă. Morile de vânt îşi au originea în Persia, unde serveau la irigat şi la măcinatul cerealelor, răspândindu-se apoi în Egipt şi China. În Europa, se întâlnesc în jurul anului 1150, fiind folosite la măcinat, la baterea postavului, la acţionarea foalelor de suflat din potcovării şi din puţurile de mine, la tăierea lemnului. Olandezii le-au întrebuinţat pe scară largă la drenări şi la secări de mlaştini. Aceste mori se întâlnesc în zone cu vânturi permanente.
Principiul de funcţionare a unei astfel de mori constă în transformarea mişcării orizontale a maselor de aer în mişcare de rotaţie cu ajutorul unei elice mari cu palete (aripi) din lemn şi pânză, montate pe un ax. Captatoarele energiei eoliene sunt cele 4, 6 sau 12 aripi, care se rotesc după principiul moriştii. Reglarea lor după viteza vântului se face întinzând mai mult sau mai puţin pânza pe suprafaţa aripilor. Strângând pânza complet, vântul trece printre barele scheletului de lemn fără să determine învârtirea elicei.
După modul în care este construită, moara de vânt există în două variante: moara olandeză şi moara cu casa mobilă. Moara olandeză are casa fixă şi doar partea superioară a morii (“căciula”) cu ansamblul paletelor se orientează după vânt; moara cu casa mobilă este amplasată pe o sanie mobilă, care este rotită – pentru orientarea paletelor pe direcţia vântului – cu ajutorul animalelor.
Este interesant de remarcat că, pentru o lungă perioadă de timp, morile au suferit prea puţine transformări din punctul de vedere al construcţiei. Mai târziu, popoarele nordice (norvegienii) au construit mori de vânt cu axul vertical şi palete captatoare de o formă specială. Astăzi – urmare a crizei energetice mondiale – energia vântului este transformată în energie electrică cu ajutorul generatoarelor eoliene.

PRODUCEREA  ENERGIEI  ELECTRICE  FOLOSIND
DIVERSE  SURSE  DE  ENERGIE  PRIMARĂ
Producerea energiei electrice folosind surse de energie primară
Electricitatea este o formă de energie universală (poate fi transformată în orice formă de energie şi invers), care a fost descoperită la sfârşitul secolului al XVIII-lea. Energia electrică:

• poate fi obţinută din surse convenţionale şi neconvenţionale, furnizoare de energie mecanică, energie chimică, energie termică;
• este utilizată de consumatori diverşi: pentru iluminat, pentru instalaţii industriale (care funcţionează pe bază de motoare electrice), în transporturi, în industria metalurgică, în chimie etc.;
• nu poate fi înmagazinată (se consumă simultan cu producerea sa).

Obţinerea energiei electrice, atât din sursele convenţionale, cât şi din cele neconvenţionale, se face în instalaţii complexe numite centrale electrice.
După sursa de energie primară folosită pentru obţinerea electricităţii, aceste centrale sunt clasificate aşa cum este reprezentat în schema de mai jos.
În zilele noastre se caută permanent noi surse de energie, deci clasificarea făcută este perfectibilă. Centralele electrice cele mai răspândite în lume sunt centralele termoelectrice cu combustibili fosili, centralele hidroelectrice şi centralele nucleare, acestea având şi cea mai mare pondere în producerea energiei electrice.

• Centralele hidroelectrice (CHE). Principiul de funcţionare

Resursele energetice ale cursurilor de apă au fost utilizate încă  din Antichitate în scopul producerii de energie mecanică pentru mori, irigaţii, etc. La începutul secolului al-XX-lea a fost iniţiată amenajarea în ritm susţinut a potenţialului hidrografic pentru producerea de energie electrică.
Centralele hidroelectrice exploatează debitele râurilor mari sau căderile foarte mari de apă pe râurile repezi. Principiul lor de funcţionare constă în transformarea energiei potenţiale a apei captate în lacuri de acumulare în energie mecanică.
Din  lacul de acumulare, prin conducta forţată, apa cade pe paletele unei turbine hidraulice, rotindu-i axul. Acesta antrenează generatorul electric, care transformă energia mecanică în energie electrică. Transformatorul are rolul de a ridica tensiunea la valori de sute şi mii de KV, deoarece , pentru a transporta energia la consumatori, la distanţe mari, pe liniile de înaltă tensiune, diametrul conductorilor liniei trebuie să fie cât mai mic (diametrul conductorului este invers proporţional cu valoarea tensiunii).

• Centrale termoelectrice (CTE). Principiul de funcţionare

Spre sfârşitul secolului al XIX-lea, ideile lui Carnot şi termodinamica elaborată pe baza acestora au dus la crearea turbinelor cu abur, de importanţă majoră pentru  producerea energiei electrice.
Cazanul în care se produce aburul este format dintr-o reţea de ţevi prin care circulă apă specială, preparată chimic. In focarul cazanului se arde un amestec combustibil format din praf de cărbune (păcură sau gaz metan) şi aer încălzit.
În procesul arderii se dezvoltă gaze arse cu temperaturi foarte ridicate care circulând printre ţevile cazanului, vaporizează apa. Aburul obţinut are o temperatură de 300 – 400 °C şi o presiune de 100 – 120 atmosfere. Intrând în turbină, se destinde până la o presiune mică, producând lucrul mecanic şi punând în mişcare rotorul turbinei. Pe axul turbinei este montat un generator electric, care transformă energia mecanică în energie electrică, o trimite la transformator, apoi în reţeaua de distribuţie. Aburul rezultat de al turbină este direcţionat către o instalaţie numită condensator, unde este răcit şi condensează . Condensatorul, provenit din abur, se reintroduce în instalaţia de alimentare a cazanului.
În procesul arderii combustibilului se obţine o cenuşă care se depozitează în locuri speciale. Gazele arse care au cedat căldura se vor elimina prin coş.
Centralele pe combustibili fosili au pondere mare în ţările bogate în astfel de resurse (SUA, Anglia, Germania, Rusia, China).
De regulă, centralele pe cărbune se amplasează lângă sursa de combustibil. În România, ponderea cea mai mare în producerea energiei electrice o au centralele pe cărbune, păcură şi gaz metan (combustibili fosili).

• Centralele nucleare (CNE). Principiul de funcţionare

Centrala nuclearoelectrică este un ansamblu de instalaţii şi construcţii reunite în scopul producerii energiei electrice pe baza folosirii energiei nucleare.
Obţinerea energiei nucleare se bazează pe  reacţia de fisiune  (descompunere)  nucleară în lanţ. Instalaţia care asigură condiţiile de obţinere şi menţinere a reacţiei în lanţ, este  reactorul nuclear. În principiu, reactorul se compune dintr-o parte centrală  numită zonă activă, în care are loc reacţia de fisiune şi se dezvoltă căldura de reacţie.
Zona activă conţine:

• combustibilul nuclear  alcătuit din izotopi fisionabili (U235, Pu 239) şi materiale fertile (U238, U232);
• moderatorul (apa grea), care are rolul de a încetini viteza neutronilor rapizi, astfel ca reacţia să fie controlabilă;
• barele de control  captează neutronii realizaţi din reacţia de fisiune;
• agentul de răcire,  care preia căldura dezvoltată în zona activă şi o cedează apei în  schimbătorul de căldură;

În schimbătorul de căldură,  apa se vaporizează şi devine agentul producător de lucru mecanic în turbină. Lucrul mecanic este transformat de generator în energie electrică.
Combustibilul, moderatorul şi agentul de răcire formează aşa numita  filieră a reactorului termic care determină caracteristicile specifice CNE.
În România, a intrat în funcţiune pe 2 decembrie 1996, centrala nucleară de la Cernavodă , care funcţionează cu apă grea ca moderator (fabricată la Uzina de apă grea de la Turnu Severin ) şi foloseşte uraniu îmbogăţit. Centrala de la Cernavodă se bazează pe sistemul canadian CANDU şi are o putere instalată de 706 MW (megawaţi) în prezent.
Avantajele  şi dezavantajele   centralelor  nuclearoelectrice
Energia electrică produsă în CNE este mai ieftină decât cea produsă în centralele termoelectric, poluarea atmosferei este mai redusă (în cazul asigurării securităţii), dar construcţia unei centrale nucleare presupune investiţii mari şi tehnologii pretenţioase.
Securitatea centralelor nuclearoelectrice
În regim de funcţionare normală, cantităţile de substanţe radioactive eliberate de centrala nucleară sunt nesemnificative. Pericolul specific, pentru populaţie şi mediul ambiant, constă în eliberarea necontrolată de substanţe radioactive. Sistemele tehnice de securitate sunt destinate să limiteze distrugerile zonei active a reactorului.

• Centrale eoliene

Centralele  eoliene folosesc energia maselor de aer în mişcare; această formă de energie este cunoscută şi folosită încă din antichitate.
Centralele eoliene au puteri mici (zeci sau sute de KW) şi sunt construite în ţări cu condiţii de circulaţie permanentă a curenţilor de aer, în zonele izolate de sistemul energetic. Astfel de centrale se întâlnesc în: Italia, Franţa, Germania, Danemarca, SUA, etc.

• Centralele solare

Din punct de vedere tehnic sunt experimentate în prezent două sisteme de conversie a energiei solare:

• sistemul termodinamic transformă energia solară în căldură, utilizând-o într-o centrală electrică clasică. Centrala solară se amplasează în zone geografice cu insoleere (radiaţie solară puternică pe durata mare a zilei) importantă. O centrală solară se compune din:  captatori solari, câmpuri de oglinzi, instalaţii de încălzire şi supraîncălzire.
• sistemul fotovoltaic  transformă energia solară în curent continuu.

Conversia fotovoltaică cu ajutorul fotocelulelor  pe bază de siliciu  a fost pusă la punct în jurul anilor 1960 – 1970. Procedeul este utilizat la producerea energiei electrice  necesare funcţionării motoarelor rachetelor spaţiale şi a aparatelor cu care sunt dotaţi sateliţii ce se rotesc în jurul Pământului. Randamentul acestor centrale este slab (10 – 15 %).                             
Instalaţiile electrice şi mediul înconjurător
Creşterea  consumului de energie primară are drept consecinţă creşterea poluării mediului ambiant (aer, apă, sol). Sursele de producere a energiei electrice  sunt prevăzute cu mijloace de limitare a poluării  mediului înconjurător.
În România , funcţionează Programul de monitorizare a factorilor de mediu,  care cuprinde aproximativ 600 de analize (aer, apă, sol, depuneri, probe alimentare), ţara noastră fiind parte la Convenţia internaţională privind protecţia mediului  împotriva oricărui fel de poluare.