Elemente de calcul cu privire la energia solara si utilizarea ei directa sau indirecta in propulsie

Elemente de calcul cu privire la energia solara si utilizarea ei directa sau indirecta in propulsie

Dezvoltarea aviatiei in ultimele trei decenii, caracterizata prin aparitia avioanelor supersonice si hipersonice, prin realizarea unor avioane de pasageri de mare capacitate, prin diversificarea si extinderea domeniilor de utilizare a aeronavelor, a putut fi posibila atat datorita unor progrese considerabile inregistrate in domeniul aerodinamicii, instalatiilor de bord cat si in domeniul sistemelor de propulsie. Ansamblul instalatiilor de bord joaca un rol foarte important in obtinerea unor performante superioare de zbor, in cresterea fiabilitatii aeronavei si a securitatii zborului, in asigurarea indeplinirii misiunii pentru care este proiectata si destinata aeronava.

Motoarele de constructie recenta sunt realizate pe baza unor tehnologii si conceptii constructive dintre cele mai moderne si se pot grupa in doua mari categorii: motoare turboreactoare (MTR) si motoare cu piston.

Categoria motoarelor turboreactoare este cea mai reprezentativa si apartine deopotriva schemelor cu simplu flux si dublu flux. La randul lor, motoarele turboreactoare dublu flux pot fi monojet si bijet.

Cele mai multe aeronave militare de lupta sunt echipate cu motoare turboreactoare dublu flux monojet, fapt pentru care voi prezenta in proiect acest tip de motor (MTR-DF-­MJ).

Lucrarea prezinta consideratii privind elemente de calcul cu privire la energia solara si utilizarea ei directa sau indirecta in propulsie.

Sisteme de propulsie bazate pe radiatii solare

Propulsia solara se bazeaza pe folosirea energiei Soarelui pentru a realize deplasarea unei nave spatiale in cosmos . Sistemele de propulsie se clasifica in:

-motoare solare termice;

-sisteme ce folosesc presiunea radiatiei solare, (vela solare);

-motoare magnetice.

Motorul solar termic

Motoarele solare termice folosesc energia solara pentru a incalzi un fluid de lucru care, apoi, este accelerat intr-un ajutaj, producandu-se, in final, o forta de propulsie.

Motoarele termice solare constituie o solutie pentru zborurile de transfer orbital al satelitilor, statiilor orbitale, etc.

Peste putin timp, unul dintre proiectele imaginate de multa vreme de  autorii de SF este pe cale de a fi realizat. In aceasta luna,  de pe un submarin rusesc de tip Volna se va lansa "Cosmos 1" - un sistem de propulsie  a navelor spatiale care functioneaza cu ajutorul velelor solare. Proiectata de "The Planetary Society" din California, al carei fondator a fost faimosul astronom Carl Sagan, realizata in Rusia, dar inzestrata cu instrumente de masura americane, daca testarea ei va fi o reusita, aceasta inovatie va deschide perspective nebanuite in cercetarea spatiala. Principiul pe baza caruia functioneaza velele solare cu suprafata reflectorizanta este folosirea drept combustibil a Soarelui in timpul zborurilor spatiale, concret- a energiei de miscare produse de  particulele de lumina, fotonii. Fotonii care se lovesc de suprafata velelor ar ceda o parte din  aceasta energie "oglinzii", respectiv velei solare care, in acest fel ar putea propulsa nava spatiala.  Aceste vele pot avea diferite forme, de la cele ce amintesc un smeu,  o parasuta sau paletele morilor de vant.
Proiectul este deosebit de atractiv din cauza marilor sale avantaje. Este adevarat ca energia de miscare produsa de fotoni este foarte mica si, in consecinta si capacitatea de propulsie, dar este un proces continuu si nu costa nimic. Nava spatiala inzestrata cu vele solare nu ar avea nevoie de nici un alt sistem de propulsie si nu ar trebui sa transporte nici combustibil.
Totusi, mai sunt numeroase probleme de rezolvat - in primul rand viteza foarte mica, apoi dificultatile de franare, dar realizatorii sistemului afirma ca ele pot fi solutionate. Unii critici ai ideii sustin ca insusi principiul ar fi eronat deoarece legile termodinamicii ar impiedica functionarea velei solare. Potrivit lor,  o mare parte a energiei fotonilor care se lovesc de suprafata velei nu ar produce miscare ci s-ar transforma in caldura si ar incalzi suprafata reflectorizanta.
Dar, indiferent de teorie, experimentele legate de posibilitatea de utilizare a sistemului velelor solare vor da toate raspunsurile la semnele de intrebare Practic, sistemele sunt finalizate. S-a reusit realizarea unui material reflectorizant asemanator cu o folie de aluminiu, foarte subtire (1/4 -1/100 din grosimea unei foi de hartie), dar suficient de rezistent si usor, care va fi fixat pe niste cadre mobile si testat intr-un zbor in jurul circumferintei Pamantului.
SUA, Japonia si Rusia si-au manifestat de acum interesul fata de aplicarea principiului velelor solare. Primul si singurul sistem testat in spatiu a fost efectuat de Japonia, in august 2004. Suprafata velei a fost numai de 10 m2, iar testul urmarea sa demonstreze capacitatea de functionare mecanica a sistemului si fezabilitatea materialului utilizat. In laboratoarele NASA sunt in curs de finalizare alte doua sisteme mult mai mari.
Experimentul care urmeaza sa fie realizat de "The Planetary Society" va plasa sistemul la o inaltime de 800 de km. In acest caz, nu va fi vorba numai de testarea sistemului si a materialelor utilizate, ci de experimentarea propulsarii cu fotoni a structurii velelor cu o suprafata de 600 m2, a efectuarii masuratorilor cu toate aparatele necesare si a schimbarii unghiului de zbor prin manevrarea velelor.
Dupa primul test, asteptat cu interes si emotie de oamenii de stiinta dar si de amatori, vor fi incercate, in viitorul apropiat mai multe astfel de sisteme, dar mult mai perfectionate. Lumea asteapta rezultate importante care vor putea contribui la cunoasterea Universului si la reducerea uriaselor cheltuieli necesare calatoriilor spatiale.

Energia solara - reprezinta una din potentialele viitoare surse de energie, folosita fie la inlocuirea definitiva a surselor conventionale de energie cum ar fi: carbune, petrol, gaze naturale etc, fie la folosirea ei ca alternativa la utilizarea surselor de energie conventionale mai ales pe timpul verii, cea de a doua utilizare fiind in momentul de fata cea mai raspandita utilizare din intreaga lume.
Poate cel mai evident avantaj, in vederea utilizarii acesteia, pe care il are, este acela de a nu produce poluarea mediului inconjurator, deci este o sursa de energie curata; un alt avantaj al energiei solare este faptul ca sursa de energie pe care se bazeaza intrega tehnologie este gratuita.
Utilizarea energiei solare apare din timpurile istoriei ca prezenta in viata oamenilor sub diferite forme: arma, curioziotate, utilizare efectiva; astfel in secolul al III-lea i.H., matematicianul grec Arhimede (287 - 212 i.H.) a aparat cetatea Siracuza (Sicilia) de atacuri, cu ajutorul unor oglinzi uriase care orientau fasciculele de lumina focalizata spre navele inamice, incendiindu-le.

in 1767, apare si termenul de energie termo-solara, cand omul de stiinta elevetian Horace de Saussure a inventat 'cutia fierbinte', in fapt cel dintai colector solar iar in 1830 astrologul Sir John Hershel utilizeaza 'cutia fierbinte' pentru a gati in timpul unei expeditii in sudul Africii ori in anul 1891 cand are loc patentarea primului sistem comercial de incalzire a apei de catre Clarence Kemp.
Dintre toate sursele de energie care intra in categoria surse ecologice si regenerabile cum ar fi: energia eoliana, energia geotermala, energia mareelor; energia solara se remarca prin instalatiile simple si cu costuri reduse ale acestora la nivelul unor temperaturi in jur de 100°C, temperatura folosita pentru incalzirea apei cu peste 40 grade peste temperatura mediului ambiant, instalatii folosite la incalzirea apei menajere sau a cladirilor. De aceea, este deosebit de atractiva ideea utilizarii energiei solare in scopul incalzirii locuintelor si se pare ca acesta va fi unul dintre cele mai largi domenii de aplicatie a energiei solare in urmatorul secol. Tehnologia echipamentului pentru instalatiile solare de incalzire a cladirilor este deja destul de bine pusa la punct intr-o serie de tari ca Japonia, S.U.A., Australia, Israel, Rusia, Franta, Canada si Germania.

Conversia si captarea energiei solare

Moduri de conversie a energiei solare
Formele de energie si formele de conversie a acestora
In functie de etapele de conversie si utilizare, energia are formele urmatoare:
. Energie primara (Aceasta energie este recuperata din natura)
o Finita (combustibili clasici)
o Regenerabila
. Energie secundara definita ca forma de energie obtinuta prin conversia energiei primare si care poate fi folosita intr-o gama larga de aplicatii (energie electrica, mangalul, carbunele sortat de calitate superioara, lemnul de foc taiat si spart etc.)
. Energie finala reprezinta energia obtinuta prin conversia energiei secundare intr-un motor ,cazan , calculator, bec .
. Energia utila se obtine prin conversia energiei finale si este energia efectiv inglobata intr-un produs sau exclusiv utilizata pentru un serviciu.
Formele primare pot fi grupate astfel:
. Surse conventionale (clasice): sursele care s-au impus prin folosire indelungata (combustibili fosili, deseurile combustibile)
. Surse neconventionale : surse care nu au o folosire indelungata (energie nucleara, energie primara regenerabila cu cele trei forme: energie solara, energie geotermala, energia data de miscarea planetelor).
Sursele regenerabile (reinnoibile) sunt sursele care se regenereaza pe masura ce sunt consumate. Sursele regenerabile de energie sunt radiatia solara, energia geotermala si energia data de miscarea planetelor din Sistemul Solar.
Cel mai mare aport de energie primara este adus de radiatia solara ce ajunge in straturile superioare ale atmosferei terestre. Aproximativ 30% din radiatia primita de pamant este reflectata in spatiul cosmic de catre nori si suprafata terestra iar restul de 70% este absorbita ea regasindu-se in caldura aerului, a apei, in caldura latenta de evaporare a apei din mari si oceane si de pe suprafata de uscat umeda; se regaseste in biomasa datorita proceselor de fotosinteza din plante.
Caldura absorbita de aer si apa este remisa in cele din urma sub forma de radiatii infrarosii (IR) spatiului inconjuratur.
Caldura latenta de evaporare a apei este deasemenea eliberata prin condensare.
Energia geotermala produce un flux de energie comparativ mic dinspre litosfera spre atmosfera si oceane prin conductia caldurii. Din aceasta energie numai 1% se regaseste in vulcani sau in campuri geotermale active.
Miscarea planetelor din sistemul solar se regaseste disipata in mareele din oceane. Fluxurile de energie generate de radiatia solara si celelalte doua surse in mediului inconjurator al omului sunt fluxurile naturale de energie secundara care sunt mult mai mici decat fluxurile rezultate prin transferul direct de enegie de la lumina solara. Aceste fluxuri de energie naturala sunt:
. Energia potentiala si cinetica a cursurilor de apa
. Vanturile, valurile si energia cinetica a curentilor oceanici
. Energia solara absorbita prin fotosinteza din biomasa
Cele mai importante fluxuri naturale de energie din mediul inconjurator direct al omului, ce pot fi exploatate sunt:
. Radiatia solara absorbita la nivelul scoartei terestre
. Vanturile care transporta aer fierbinte si umed spre poli si aer rece si uscat catre ecuator

Conversia energiei solare in alte forme de energie

Pentru utilizarea energiei solare este nevoie de conversia acesteia in alte forme de energie, conversii care sunt:

Conversia fototermica

care prezinta o mare importanta in aplicatiile industriale (incalzirea cladirilor, prepararea apei calde de consum, uscarea materialelor, distilarea apei etc.). in cazul conversiei fototermice, adica a termoconversiei directe a energiei solare, se obtine caldura inmagazinata in apa, abur, aer cald, alte medii (lichide, gazoase sau solide). Caldura astfel obtinuta poate fi folosita direct sau convertita in energie electrica, prin centrale termoelectrice sau prin efect termoionic; poate fi folosita prin transformari termochimice sau poate fi stocata in diverse medii solide sau lichide.

Conversia fotomecanica

care prezinta importanta deocamdata in energetica spatiala, unde conversia bazata pe presiunea luminii da nastere la motorul tip 'vela solara', necesar zborurilor navelor cosmice. Conversia fotomecanica se refera la echiparea navelor cosmice destinate calatoriilor lungi, interplanetare, cu asazisele 'panze solare', la care, datorita interactiei intre fotoni si mari suprafete reflectante, desfasurate dupa ce nava a ajuns in 'vidul cosmic', se produce propulsarea prin impulsul cedat de fotoni la interactie.

Conversia fotochimica

care poate prin doua moduri sa utilizeze Soarele intr-o reactie chimica, fie direct prin excitatii luminoase a moleculelor unui corp, fie indirect prin intermediul plantelor (fotosinteza) sau a transformarii produselor de dejectie a animalelor. Conversia fotochimica priveste obtinerea pilelor de combustie prin procesele de mai sus.

Conversia fotoelectrica

cu mari aplicatii atat in energetica solara terestra, cat si in energetica spatiala. Conversia fotoelectrica directa se poate realiza folosind proprietatile materialelor semiconductoare din care se confectioneaza pilele fotovoltaice. Problema a fost complet rezolvata la nivelul satelitilor si a navelor cosmice, dar preturile, pentru utilizarile curente, sunt inca prohibitive.