A. DATE GENERALE

- Disciplina : Elemente de tehnologie generală

- Clasa : a IX-a

- Unitatea de învățare : Resurse materiale și energetice

- Titlul lecției : Surse de energie regenerabilă

- Scopul lecției : însușirea cunoștințelor referitoare la sursele de energie regenerabilă

- Tipul lecției : mixtă

- Locul desfășurării : laborator

- Durata lecției : 50 minute

B. DESFĂȘURAREA LECȚIEI

- Conținutul general :

- Obiectivele operaționale :

- Conținutul activității de instruire :

1. Energia apelor ( hidroenergia)

C 1. Definiție

Hidroenergia sau energia hidraulică reprezintă capacitatea sistemului fizic reprezentat de apă de a efectua lucru mecanic prin curgere; datorită circuitului apei în natură este considerată o formă de energie regenerabilă.

C 2. Clasificare

· Hidrocentralele

Hidrocentralele utilizează amenajări ale râurilor sub formă de baraje pentru a produce energie electrică.

· Microcentrale și picocentrale hidraulice

O microcentrală hidraulică este o hidrocentrală a cărei putere instalată nu depășește 100 kW(5 - 100kW).

· Centrale mareomotrice

O centrală mareomotrică recuperează energia mareelor. Există două moduri de exploatare a energiei mareelor:

o Centrale fără baraj, care utilizează numai energia cinetică a apei, similar cum morile de vânt utilizează energia eoliană.

o Centrale cu baraj, care exploatează energia potențială a apei, obținută prin ridicarea nivelului ca urmare a mareei.

C 3. Energia hidraulică este o energie mecanică formată din energia potențială a apei dată de diferența de nivel între lacul de acumulare și centrală, respectiv din energia cinetică a apei în mișcare.

C 4. Relații de calcul, unități de măsură

În continuare, se face referire la energia hidraulică sub formă mecanică, iar din

aceasta doar la energia cursurilor de apă.

Energia mecanică se poate exprima prin produsul a doi factori:

- un factor extensiv (de volum) care exprimă mărimea purtătorilor de energie;

acest factor are proprietatea de aditivitate, putând rezulta din însumarea unor unități

componente;

- un factor de intensitate care exprimă diferența de nivel (potențial) al

purtătorului de energie.

Energia hidraulică are expresia generală de calcul a energiei mecanice:

E = GH , în [J] (1 J = 1 Nm), (2.1)

unde: este greutatea apei, G = ρVg[N];

H - energia specifică, [m];

ρ - densitatea apei, ρ = 1000 kg/m3 ;

g - accelerația gravitațională, g = 9,81 m/s2 ;

V - volumul, [m3] .

Înlocuind expresia greutății relația (2.1) devine:

E = ρgVH , în [J]

2. Energia eoliană

C 5. Energia eoliană este o sursă regenerabilă generată de puterea vântului.

Vanturile sunt mișcări ale maselor de aer care se formează din cauza încălzirii neuniforme a Pământului, iar deplasarea lor este dinspre zonele calde înspre zonele reci.

C 6. Energia cinetică a maselor de aer în mișcare poate fi captată cu ajutorul unor turbine care convertesc energia cinetică în energie mecanică.

3. Energia solară

C 7. Tipuri de centrale care folosesc energia solară:

1. Panouri solare fotovoltaice

Transforma energia luminoasă din razele solare direct în energie electrică. Componentele principale ale panoului solar fotovoltaic sunt celulele solare care convertesc lumina soarelui direct în energie electrică.

2. Centrale solare termice cu concentrarea radiației solare directe (CSP).

Aceste centrale utilizează oglinzi concave pentru a concentra razele solare pe suprafața absorbantă. Oglinda sau suprafața absorbantă își vor modifica orientarea în funcție de poziția soarelui.

C 8. O centrală solară este o centrală electrică funcționând pe baza energiei termice rezultată din absorbția energiei radiației solare.

4. Energie geotermică

C 9. Energia geotermică este o formă de energie regenerabilă obținută din căldura aflată în interiorul Pământului. Apa fierbinte și aburii, captați în zonele cu activitate vulcanică și tectonică, sunt utilizați pentru încălzirea locuințelor și pentru producerea electricității.

C 10. Tipuri de Centrale Geotermale

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.

C 11. 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 sunt utilizați direct pentru încălzire. Aburii sunt folosiți pentru a genera electricitate.

5. Biomasa și biocombustibili

C 12. Energia acumulată în biomasă se poate elibera prin metode diferite cum ar fi procesul chimic de ardere (transformare chimica în prezența oxigenului molecular, proces prin excelență exergonic).

C 13. Exemple de biomasă și biocombustibili: bioetanolul, biodiesel, biogaz, biometanol , biodimetileter, bio-ETBE ( etil-terto-butil-ester ), biocombustibili sintetici, biohidrogen.

- Metode de predare :

M 1: Pentru introducerea conceptului de "energie hidraulică", cea mai recomandată metodă de predare este dezbaterea; se poate organiza o dezbatere pe tema "surse de energie regenerabilă", în urma căreia profesorul va folosi ideile abordate de elevi în formularea conceptului de "energie hidraulică".

M 2: Aici este preferabilă utilizarea descoperirii ca metodă de predare, deoarece planșele de laborator pot fi folosite ca materiale interactive în scopul stimulării interactivității elevilor cu materialul didactic (identificarea hidrocentralelor, microhidrocentralelor, centralelor mareomotrice).

M 3: Deoarece dispunem de materiale audio-video, ceea ce implică un volum consistent de informație, o metodă potrivită este expunerea, pentru parcurgerea rapidă a informației și identificarea obiectivelor propuse (determinarea conversiei de energie prin intermediul mecanismului de funcționare al hidrocentralelor și centralelor mareomotrice).

M 4: În cadrul aspectelor practice, cu precădere aplicații, se poate utiliza problematizarea ca metodă de solidificare și evaluare a cunoștințelor; avem ca exemplu calculul energiei hidraulice produsă cu ajutorul unui simulator virtual pentru exploatarea unei hidrocentrale.

M 5: Pentru definirea conceptului de energie eoliană, ne întoarcem la dezbatere; ca abordare, se poate iniția o discuție pe tema "surse de energie regenerabilă", în cadrul căreia profesorul va folosi ideile formulate de elevi pentru a aborda o definiție informală a energiei eoliene, după care acesta va introduce și definiția formală (standard).

M 6: La fel ca în cazul determinării conversiei de energie prin intermediul mecanismului de funcționare a hidrocentralelor, se va utiliza ca metodă de predare expunerea, ce va consta în vizualizarea și analiza materialelor audio-vizuale ce prezintă principiul de funcționare a centralelor eoliene. Prin observarea evoluției energiei eoliene (de la morile de vânt la turbinele eoliene moderne), elevii pot identifica cu ușurință sensul de conversie al energiei în cadrul procesului de transformare.

M 7: Având la dispoziție planșe ca materiale didactice de instruire, putem utiliza ca metode de predare instruirea programată și modelarea. Astfel, elevii își vor dezvolta abilitatea de a recunoaște modele utilizate în cadrul lecțiilor anterioare, și vor putea utiliza cunoștințe deja sedimentate în identificarea unor noi tipuri de centrale electrice bazate pe conversia energiei solare, precum centralele fotovoltaice și heliocentralele (centrale termice solare).

M 8: Datorită utilizării de materiale auxiliare audio-video, putem folosi și aici expunerea ca metodă de predare în scopul înțelegerii conversiei energiei în cadrul centralelor fotovoltaice și a heliocentralelor; de asemenea, se poate utiliza și observarea, ce permite o analiză detaliată a procesului de conversie a energiei, în limita timpului de care dispune cadrul didactic pentru expunerea acestui concept.

M 9: În cadrul introducerii unui nou concept (energia geotermală) cea mai potrivită metodă este dezbaterea; se poate utiliza un brainstorming, în urma căruia profesorul utilizează cuvintele propuse de elevi în scopul formării unei definiții sau descrieri a energiei geotermale; de altfel se poate utiliza și conversația ca mijloc auxiliar, iar ideile principale ale dialogului profesor-elev vor converge către o definiție informală a conceptului de energie geotermală.

M 10: Pentru a identifica și enumera tipurile de centrale prezentate în planșele de laborator (sau în alte materiale pe care cadrul didactic le are la dispoziție) vom folosi ca metode de predare descoperirea și instruirea; cadrul didactic va putea utiliza materialele disponibile ca mijloace de instruire, dar va ajuta la stimularea capacității de analiză a elevilor printr-o aplicație didactică de tipul descoperire-identificare de tipuri de centrale ce folosesc energia geotermală; elevii vor putea identifica centrale geotermale uscate, centrale geotermale Flash, centrale geotermale cu ciclu binar etc..

M 11-M 12: În scopul identificării conversiei de energie ce stă la baza diferitelor tipuri de centrale electrice, se poate utiliza un studiu de caz bazat pe o expunere de materiale audio-video, în urma căreia elevii vor dobândi capacitatea de a identifica procese de conversie a energiei regenerabile din formă naturală în formă electrică; de exemplu, în urma efectuării unui studiu de caz cu scopul înțelegerii procesului de funcționare a centralelor geotermale, și a celor pe bază de biomasă și biocombustibili, elevii vor fi capabili să identifice sensul de conversie al energiei utilizat în cadrul modelului acestor tipuri de centrale electrice.

M 13: Pentru a crea un mediu adecvat formulării de exemple și aplicații pe tema biomasă și biocombustibili, două metode de predare potrivite sunt conversația și descoperirea; profesorul poate iniția o conversație alături de elevi, cu scopul de a sedimenta informația deja acumulată, dar și pentru a descoperi noi modele și exemple de biocombustibili prin intermediul inter-schimbării de informație în cadrul cuplurilor de comunicare profesor-elev și elev-elev.

- Mijloace de predare :

1. Pentru primul obiectiv ”energie hidraulică”, cea mai recomandată metodă de predare este dezbaterea; pentru dezbatere se poate utiliza tabla pentru a nota ideile elevilor, după care profesorul va folosi ideile elevilor în formularea conceptului de ”energie hidraulică”.

2. În obiectivul doi pentru identificarea unor hidrocentrale, microhidrocentrale, centrale mareometrice, sunt necesare ca materiale planșele de laborator care au ca scop stimularea interactivității elevului cu materialul didactic.

3. Pentru materiale audio-video se folosește: videoproiector, laptop/calculator, boxe și un ecran de proiecție.

4. În cadrul aspectelor practice se vor utiliza aplicațiile ca metodă de solidificare și evaluare a informațiilor.

5. În cazul definirii unei teme, în cazul obiectivului cinci pentru definirea conceptului de ”energie eoliană” se utilizează dezbaterea; se poate utiliza tabla pentru notarea ideilor elevilor sau o discuție liberă în care fiecare dintre indivizi își vor prezenta punctul lor de vedere.

6. Pentru obiectivul șase se va utiliza ca metodă de predare expunerea, ce constă în: videoproiector, laptop/calculator, boxe și un ecran de proiecție.

7. În identificarea unor noi tipuri de centrale electrice bazate pe conversia energiei solare se vor folosii materialele didactice specifice de laborator.

8. Materialele auxiliare audio-video specificate in obiectivul opt se va folosi expunerea ca metoda de predare iar mijloacele necesare pentru expunere sunt: videoproiector, laptop/calculator, boxe și un ecran de proiecție.

9. Pentru obiectivul nouă, în cadrul introducerii unui nou concept ”energia geotermală”, se mai poate utiliza și un brainstorming unde profesorul utilizează cuvintele propuse de elevi în scopul formării unei definiții.

10. Într-o aplicație didactică de tipul descoperire-identificare de tipuri de centrale ce folosesc energia geotermală, se vor utiliza planșele de laborator.

11. Pentru obiectivul unsprezece, se poate utiliza un studiu de caz legat de centralele electrice bazat pe o expunere audio-video ce constă în: videoproiector, laptop/calculator, boxe și un ecran de proiecție.

12. În obiectivul doisprezece, se va utiliza un studiu de caz cu scopul înțelegerii procesului de funcționare a centralelor geotermale bazat pe o expunere audio-video: videoproiector, laptop/calculator, boxe și un ecran de proiecție.

13. Pentru a crea un mediu adecvat de formulări de exemple și aplicații pe o anumită tema, de exemplu biomasă și biocombustibili, se vor utiliza doua metode de predare: conversația și descoperirea.

Didactica specialității

PROIECT DE LECȚIE