Asigurarea nevoilor umanității cu suficientă energie este una dintre sarcinile cheie cu care se confruntă știința modernă. În legătură cu creșterea consumului de energie al proceselor care vizează menținerea condițiilor de bază pentru existența societății, apar probleme acute nu numai în generarea unor cantități mari de energie, ci și în organizarea echilibrată a sistemelor sale de distribuție. Iar subiectul conversiei energiei este de o importanță cheie în acest context. Acest proces determină coeficientul de generare a potențialului energetic util, precum și nivelul costurilor pentru deservirea operațiunilor tehnologice în cadrul infrastructurii utilizate.
Prezentare generală a tehnologiei de conversie
Nevoia de a utiliza diferite tipuri de energie este asociată cu diferențe în procese care necesită o resursă de aprovizionare. Este necesară căldură pentruîncălzire, energie mecanică - pentru susținerea puterii de mișcare a mecanismelor și lumină - pentru iluminare. Electricitatea poate fi numită sursă universală de energie atât în ceea ce privește transformarea sa, cât și în ceea ce privește posibilitățile de aplicare în diverse domenii. Ca energie inițială se folosesc de obicei fenomene naturale, precum și procese organizate artificial care contribuie la generarea aceleiași călduri sau forțe mecanice. În fiecare caz, este necesar un anumit tip de echipament sau o structură tehnologică complexă, care, în principiu, permite conversia energiei în forma necesară consumului final sau intermediar. Mai mult, printre sarcinile convertorului, nu numai transformarea iese în evidență ca transfer de energie de la o formă la alta. Adesea, acest proces servește și la modificarea unor parametri de energie fără transformarea acesteia.
Transformarea ca atare poate fi într-o singură etapă sau în mai multe etape. În plus, de exemplu, funcționarea generatoarelor solare pe celule fotocristaline este de obicei considerată ca transformarea energiei luminoase în energie electrică. Dar, în același timp, este și posibilă convertirea energiei termice pe care Soarele o dă solului ca urmare a încălzirii. Modulele geotermale sunt amplasate la o anumită adâncime în pământ și, prin conductori speciali, umplu bateriile cu rezerve de energie. Într-o schemă simplă de conversie, sistemul geotermal asigură stocarea energiei termice, care este dată echipamentului de încălzire în forma sa pură cu pregătire de bază. Într-o structură complexă, o pompă de căldură este utilizată într-un singur grupcu condensatoare de căldură și compresoare care asigură conversia căldurii și energiei electrice.
Tipuri de conversie a energiei electrice
Există diferite metode tehnologice pentru extragerea energiei primare din fenomenele naturale. Dar și mai multe oportunități de modificare a proprietăților și formelor de energie sunt oferite de resursele energetice acumulate, deoarece acestea sunt stocate într-o formă convenabilă pentru transformare. Cele mai comune forme de conversie a energiei includ operațiile de radiație, încălzire, efecte mecanice și chimice. Cele mai complexe sisteme folosesc procese de dezintegrare moleculară și reacții chimice pe mai multe niveluri care combină mai multe etape de transformare.
Alegerea unei metode specifice de transformare va depinde de condițiile de organizare a procesului, de tipul de energie inițială și finală. Energia radiantă, mecanică, termică, electrică și chimică poate fi distinsă printre cele mai comune tipuri de energie care, în principiu, participă la procesele de transformare. Cel puțin, aceste resurse sunt exploatate cu succes în industrie și gospodării. O atenție separată merită procese indirecte de conversie a energiei, care sunt derivate ale unei anumite operațiuni tehnologice. De exemplu, în cadrul producției metalurgice, sunt necesare operațiuni de încălzire și răcire, în urma cărora se generează abur și căldură ca derivate, dar nu resurse țintă. În esență, acestea sunt deșeuri de prelucrare,care sunt, de asemenea, utilizate, transformate sau utilizate în cadrul aceleiași întreprinderi.
Conversie energie termică
Una dintre cele mai vechi din punct de vedere al dezvoltării și cele mai importante surse de energie pentru menținerea vieții umane, fără de care este imposibil să ne imaginăm viața societății moderne. În cele mai multe cazuri, căldura este convertită în energie electrică, iar o schemă simplă pentru o astfel de transformare nu necesită conectarea treptelor intermediare. Totuși, în centralele termice și nucleare, în funcție de condițiile de funcționare ale acestora, se poate folosi o etapă de pregătire cu transfer de energie termică în energie mecanică, ceea ce presupune costuri suplimentare. Astăzi, generatoarele termoelectrice cu acțiune directă sunt din ce în ce mai folosite pentru a transforma energia termică în electricitate.
Procesul de transformare în sine are loc într-o substanță specială care este arsă, eliberează căldură și, ulterior, acționează ca sursă de generare curentă. Adică, instalațiile termoelectrice pot fi considerate surse de energie electrică cu ciclu zero, deoarece funcționarea lor este începută chiar înainte de apariția energiei termice de bază. Pilele de combustie, de obicei amestecuri de gaze, acționează ca resursă principală. Sunt arse, drept urmare placa metalică care distribuie căldura este încălzită. În procesul de îndepărtare a căldurii printr-un modul generator special cu materiale semiconductoare, energia este convertită. Curentul electric este generat de un radiator conectat la un transformator sau baterie. În prima versiune, energiaajunge imediat la consumator în formă finită, iar în a doua - se acumulează și este dat după cum este necesar.
Generarea energiei termice din energie mecanică
De asemenea, una dintre cele mai comune moduri de a obține energie ca urmare a transformării. Esența sa constă în capacitatea corpurilor de a emite energie termică în procesul de a lucra. În cea mai simplă formă, această schemă de transformare a energiei este demonstrată de exemplul frecării a două obiecte din lemn, rezultând incendiu. Cu toate acestea, pentru a utiliza acest principiu cu beneficii practice tangibile, sunt necesare dispozitive speciale.
În gospodării, transformarea energiei mecanice are loc în sistemele de încălzire și alimentare cu apă. Acestea sunt structuri tehnice complexe cu un circuit magnetic și un miez laminat conectat la circuite electrice conductoare închise. De asemenea, în interiorul camerei de lucru a acestui design se află țevi de încălzire, care sunt încălzite sub acțiunea muncii efectuate de la unitate. Dezavantajul acestei soluții este necesitatea de a conecta sistemul la rețea.
Industria folosește convertoare mai puternice, răcite cu lichid. Sursa de lucru mecanic este conectată la rezervoare de apă închise. În procesul de mișcare a organelor executive (turbine, pale sau alte elemente structurale), în interiorul circuitului se creează condiții pentru formarea vârtejului. Acest lucru se întâmplă în momentele de frânare bruscă a lamelor. Pe lângă încălzire, în acest caz, crește și presiunea, ceea ce facilitează proceselecirculația apei.
Conversia energiei electromecanice
Majoritatea unităților tehnice moderne lucrează pe principiile electromecanicii. Mașinile și generatoarele electrice sincrone și asincrone sunt utilizate în transporturi, mașini-unelte, unități de inginerie industrială și alte centrale electrice în diverse scopuri. Adică, tipurile electromecanice de conversie a energiei sunt aplicabile atât modurilor de funcționare a generatorului, cât și a motorului, în funcție de cerințele actuale ale sistemului de acționare.
Într-o formă generalizată, orice mașină electrică poate fi considerată ca un sistem de circuite electrice cuplate magnetic care se mișcă reciproc. Astfel de fenomene includ, de asemenea, histerezis, saturație, armonici superioare și pierderi magnetice. Dar în viziunea clasică, ele pot fi atribuite analogilor mașinilor electrice doar dacă vorbim de moduri dinamice atunci când sistemul funcționează în cadrul infrastructurii energetice.
Sistemul de conversie a energiei electromecanice se bazează pe principiul a două reacții cu componente bifazate și trifazate, precum și pe metoda de rotație a câmpurilor magnetice. Rotorul și statorul motoarelor efectuează lucrări mecanice sub influența unui câmp magnetic. În funcție de direcția de mișcare a particulelor încărcate, modul de funcționare este setat - ca motor sau generator.
Generarea de energie electrică din energie chimică
Sursa totală de energie chimică este tradițională, dar metodele de transformare a acesteia nu sunt atât de comunedin cauza restricţiilor de mediu. În sine, energia chimică în forma sa pură nu este practic utilizată - cel puțin sub formă de reacții concentrate. În același timp, procesele chimice naturale înconjoară o persoană peste tot sub formă de legături cu energie în altă sau scăzută, care se manifestă, de exemplu, în timpul arderii cu eliberarea de căldură. Cu toate acestea, conversia energiei chimice este organizată intenționat în unele industrii. De obicei, se creează condiții pentru arderea high-tech în generatoare de plasmă sau turbine cu gaz. Un reactant tipic al acestor procese este o pilă de combustibil, care contribuie la producerea de energie electrică. Din punct de vedere al eficienței, astfel de conversii nu sunt la fel de profitabile în comparație cu metodele alternative de generare a energiei electrice, deoarece o parte din căldura utilă este disipată chiar și în instalațiile moderne cu plasmă.
Conversia energiei radiațiilor solare
Ca o modalitate de a converti energia, procesul de procesare a luminii solare în viitorul apropiat poate deveni cel mai solicitat în sectorul energetic. Acest lucru se datorează faptului că și astăzi fiecare proprietar de locuințe poate achiziționa teoretic echipamente pentru transformarea energiei solare în energie electrică. Caracteristica cheie a acestui proces este că lumina solară acumulată este gratuită. Un alt lucru este că acest lucru nu face procesul complet gratuit. În primul rând, costurile vor fi necesare pentru întreținerea bateriilor solare. În al doilea rând, generatoarele de acest tip în sine nu sunt ieftine, deci investiția inițială înPuțini oameni își permit să își organizeze propria mini-stație energetică.
Ce este un generator de energie solară? Acesta este un set de panouri fotovoltaice care transformă energia luminii solare în electricitate. Însuși principiul acestui proces este în multe privințe similar cu funcționarea unui tranzistor. Siliciul este folosit ca material principal pentru fabricarea celulelor solare în diferite versiuni. De exemplu, un dispozitiv pentru conversia energiei solare poate fi policristal sau monocristal. A doua varianta este de preferat ca performanta, dar este mai scumpa. În ambele cazuri, fotocelula este iluminată, timp în care electrozii sunt activați și se generează o forță electrodinamică în procesul de mișcare a acestora.
Conversie energie cu abur
Turbinele cu abur pot fi folosite în industrie atât ca modalitate de transformare a energiei într-o formă acceptabilă, cât și ca generator independent de energie electrică sau căldură din fluxuri de gaz convenționale special direcționate. Departe de a fi folosite doar mașinile cu turbine ca dispozitive de conversie a energiei electrice în combinație cu generatoarele de abur, dar designul lor este potrivit optim pentru organizarea acestui proces cu eficiență ridicată. Cea mai simplă soluție tehnică este o turbină cu pale, la care sunt conectate duze cu abur furnizat. Pe măsură ce lamele se mișcă, instalația electromagnetică din interiorul aparatului se rotește, se efectuează lucrări mecanice și se generează curent.
Unele modele de turbine auprelungiri speciale sub formă de trepte, unde energia mecanică a aburului este transformată în energie cinetică. Această caracteristică a dispozitivului este determinată nu atât de interesul creșterii eficienței conversiei energiei generatorului sau de necesitatea dezvoltării precise a potențialului cinetic, cât de asigurarea posibilității de reglare flexibilă a funcționării turbinei. Expansiunea în turbină asigură o funcție de control care permite reglarea eficientă și sigură a cantității de energie generată. Apropo, zona de lucru a expansiunii, care este inclusă în procesul de conversie, se numește stadiul de presiune activă.
Metode de transfer de energie
Metodele de transformare a energiei nu pot fi luate în considerare fără conceptul de transfer al acesteia. Până în prezent, există patru moduri de interacțiune a corpurilor în care se transferă energia - electrică, gravitațională, nucleară și slabă. Transferul în acest context poate fi considerat și ca o metodă de schimb, prin urmare, în principiu, performanța muncii în transferul de energie și funcția de transfer de căldură sunt separate. Ce transformări ale energiei implică munca? Un exemplu tipic este o forță mecanică, în care corpurile macroscopice sau particulele individuale ale corpurilor se mișcă în spațiu. Pe lângă forța mecanică, se disting și lucrul magnetic și cel electric. O caracteristică cheie unificatoare pentru aproape toate tipurile de muncă este capacitatea de a cuantifica complet transformarea dintre ele. Adică electricitatea se transformă înenergie mecanică, lucru mecanic în potențial magnetic etc. Transferul de căldură este, de asemenea, o modalitate obișnuită de a transfera energie. Poate fi nedirecțională sau haotică, dar în orice caz, există o mișcare a particulelor microscopice. Numărul de particule activate va determina cantitatea de căldură - căldură utilă.
Concluzie
Tranziția energiei de la o formă la alta este normală, iar în unele industrii este o condiție prealabilă pentru procesul de producție a energiei. În diferite cazuri, necesitatea includerii acestei etape poate fi explicată prin factori economici, tehnologici, de mediu și alți factori de generare a resurselor. În același timp, în ciuda varietății modalităților naturale și organizate artificial de transformare a energiei, marea majoritate a instalațiilor care asigură procese de transformare sunt utilizate doar pentru energie electrică, termică și lucrări mecanice. Mijloacele de conversie a energiei electrice sunt cele mai comune. Mașinile electrice care asigură transformarea lucrărilor mecanice în electricitate conform principiului inducției, de exemplu, sunt utilizate în aproape toate domeniile în care sunt implicate dispozitive, ansambluri și dispozitive tehnice complexe. Și această tendință nu este în scădere, deoarece umanitatea are nevoie de o creștere constantă a producției de energie, ceea ce ne obligă să căutăm noi surse de energie primară. În prezent, cele mai promițătoare zone din sectorul energetic sunt considerate a fi sistemele de generare ale acestoraelectricitate din energia mecanică produsă de Soare, vânt și apa curge în natură.
