Zapewnienie potrzebom ludzkości wystarczającej ilości energii jest jednym z kluczowych zadań stojących przed współczesną nauką. W związku ze wzrostem energochłonności procesów mających na celu utrzymanie podstawowych warunków egzystencji społeczeństwa pojawiają się dotkliwe problemy nie tylko z wytwarzaniem dużych ilości energii, ale także ze zrównoważoną organizacją jej systemów dystrybucji. A temat konwersji energii jest w tym kontekście kluczowy. Proces ten określa współczynnik generowania potencjału energii użytecznej, a także poziom kosztów obsługi operacji technologicznych w ramach wykorzystywanej infrastruktury.
Przegląd technologii konwersji
Konieczność używania różnych rodzajów energii wiąże się z różnicami w procesach, które wymagają zasobów zasilających. Ciepło jest potrzebne doogrzewanie, energia mechaniczna - do wspomagania ruchu mechanizmów i światło - do oświetlenia. Elektryczność można nazwać uniwersalnym źródłem energii zarówno pod względem jej przetwarzania, jak i możliwości zastosowania w różnych dziedzinach. Jako energię początkową zwykle wykorzystuje się zjawiska naturalne, a także sztucznie zorganizowane procesy, które przyczyniają się do wytworzenia tego samego ciepła lub siły mechanicznej. W każdym przypadku wymagany jest określony rodzaj urządzenia lub złożona struktura technologiczna, która w zasadzie pozwala na konwersję energii do postaci wymaganej do zużycia końcowego lub pośredniego. Co więcej, wśród zadań konwertera nie tylko transformacja wyróżnia się jako transfer energii z jednej formy do drugiej. Często proces ten służy również do zmiany niektórych parametrów energii bez jej transformacji.
Transformacja jako taka może być jednoetapowa lub wieloetapowa. Ponadto np. działanie generatorów słonecznych na ogniwach fotokrystalicznych zwykle uważa się za przekształcenie energii świetlnej w energię elektryczną. Ale jednocześnie możliwe jest również przekształcenie energii cieplnej, którą Słońce oddaje glebie w wyniku ogrzewania. Moduły geotermalne są umieszczane na określonej głębokości w ziemi i za pomocą specjalnych przewodów napełniają akumulatory zapasami energii. W prostym schemacie konwersji system geotermalny zapewnia magazynowanie energii cieplnej, która jest przekazywana do urządzeń grzewczych w czystej postaci z podstawowym przygotowaniem. W złożonej strukturze pompa ciepła jest używana w jednej grupieze skraplaczami ciepła i sprężarkami, które zapewniają konwersję ciepła i energii elektrycznej.
Rodzaje przetwarzania energii elektrycznej
Istnieją różne metody technologiczne pozyskiwania energii pierwotnej ze zjawisk naturalnych. Ale jeszcze więcej możliwości zmiany właściwości i form energii dają skumulowane zasoby energii, ponieważ są one przechowywane w formie dogodnej do przekształcenia. Do najczęstszych form konwersji energii należą operacje promieniowania, ogrzewania, oddziaływania mechaniczne i chemiczne. Najbardziej złożone systemy wykorzystują procesy rozpadu molekularnego i wielopoziomowe reakcje chemiczne, które łączą wiele etapów transformacji.
Wybór konkretnej metody przekształcenia będzie zależał od warunków organizacji procesu, rodzaju energii początkowej i końcowej. Wśród najpowszechniejszych rodzajów energii, które w zasadzie uczestniczą w procesach przemian, można wyróżnić energię promienistą, mechaniczną, cieplną, elektryczną i chemiczną. Zasoby te są co najmniej z powodzeniem wykorzystywane w przemyśle i gospodarstwach domowych. Na oddzielną uwagę zasługują pośrednie procesy konwersji energii, które są pochodnymi określonej operacji technologicznej. Na przykład w ramach produkcji metalurgicznej wymagane są operacje ogrzewania i chłodzenia, w wyniku których para i ciepło powstają jako pochodne, a nie zasoby docelowe. W istocie są to produkty odpadowe przetwarzania,które są również używane, przekształcane lub używane w ramach tego samego przedsiębiorstwa.
Konwersja energii cieplnej
Jedno z najstarszych pod względem rozwoju i najważniejszych źródeł energii dla utrzymania ludzkiego życia, bez którego nie sposób wyobrazić sobie życia współczesnego społeczeństwa. W większości przypadków ciepło zamieniane jest na energię elektryczną, a prosty schemat takiej przemiany nie wymaga podłączenia etapów pośrednich. Natomiast w elektrowniach cieplnych i jądrowych, w zależności od warunków ich pracy, można zastosować etap przygotowawczy z zamianą energii cieplnej na mechaniczną, co wiąże się z dodatkowymi kosztami. Obecnie do przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną coraz częściej stosuje się generatory termoelektryczne bezpośredniego działania.
Sam proces przemiany odbywa się w specjalnej substancji, która jest spalana, uwalnia ciepło, a następnie działa jako źródło prądu. Oznacza to, że instalacje termoelektryczne można uznać za źródła energii elektrycznej o cyklu zerowym, ponieważ ich działanie rozpoczyna się jeszcze przed pojawieniem się podstawowej energii cieplnej. Głównym zasobem są ogniwa paliwowe, zwykle mieszanki gazowe. Są spalane, w wyniku czego nagrzewa się metalowa płyta rozprowadzająca ciepło. W procesie odprowadzania ciepła przez specjalny moduł generatora z materiałami półprzewodnikowymi następuje konwersja energii. Prąd elektryczny jest generowany przez grzejnik podłączony do transformatora lub akumulatora. W pierwszej wersji energianatychmiast trafia do konsumenta w formie gotowej, a w drugiej - gromadzi się i jest rozdawany w miarę potrzeb.
Generowanie energii cieplnej z energii mechanicznej
Również jeden z najczęstszych sposobów pozyskiwania energii w wyniku transformacji. Jego istotą jest zdolność ciał do oddawania energii cieplnej w procesie wykonywania pracy. W najprostszej postaci ten schemat transformacji energii jest pokazany na przykładzie tarcia dwóch drewnianych przedmiotów, co skutkuje pożarem. Jednak, aby zastosować tę zasadę z wymiernymi praktycznymi korzyściami, potrzebne są specjalne urządzenia.
W gospodarstwach domowych przetwarzanie energii mechanicznej odbywa się w systemach grzewczych i wodociągowych. Są to złożone konstrukcje techniczne z obwodem magnetycznym i rdzeniem laminowanym połączone z zamkniętymi obwodami przewodzącymi prąd elektryczny. Również wewnątrz komory roboczej tego projektu znajdują się rury grzewcze, które są ogrzewane pod wpływem pracy wykonanej z napędu. Wadą tego rozwiązania jest konieczność podłączenia systemu do sieci.
Przemysł wykorzystuje mocniejsze konwertery chłodzone cieczą. Źródłem pracy mechanicznej są zamknięte zbiorniki na wodę. W trakcie ruchu organów wykonawczych (turbin, łopatek lub innych elementów konstrukcyjnych) wewnątrz obwodu tworzą się warunki do powstawania wirów. Dzieje się tak w momentach ostrego hamowania ostrzy. Oprócz ogrzewania w tym przypadku wzrasta również ciśnienie, co ułatwia procesyobieg wody.
Konwersja energii elektromechanicznej
Większość nowoczesnych jednostek technicznych działa na zasadach elektromechaniki. Synchroniczne i asynchroniczne maszyny elektryczne i generatory są wykorzystywane w transporcie, obrabiarkach, jednostkach inżynierii przemysłowej i innych elektrowniach do różnych celów. Oznacza to, że elektromechaniczne typy konwersji energii mają zastosowanie zarówno w trybach pracy generatora, jak i silnika, w zależności od aktualnych wymagań układu napędowego.
W uogólnionej formie, każda maszyna elektryczna może być uważana za system wzajemnie poruszających się magnetycznie sprzężonych obwodów elektrycznych. Zjawiska te obejmują również histerezę, nasycenie, wyższe harmoniczne i straty magnetyczne. Ale w klasycznym ujęciu można je przypisać analogom maszyn elektrycznych tylko wtedy, gdy mówimy o trybach dynamicznych, gdy system działa w ramach infrastruktury energetycznej.
System elektromechanicznej konwersji energii opiera się na zasadzie dwóch reakcji ze składnikami dwufazowymi i trójfazowymi, a także na metodzie wirowania pól magnetycznych. Wirnik i stojan silników wykonują pracę mechaniczną pod wpływem pola magnetycznego. W zależności od kierunku ruchu naładowanych cząstek ustalany jest tryb pracy - jako silnik lub generator.
Wytwarzanie energii elektrycznej z energii chemicznej
Całkowite chemiczne źródło energii jest tradycyjne, ale metody jego transformacji nie są tak powszechneze względu na ograniczenia środowiskowe. Sama energia chemiczna w czystej postaci praktycznie nie jest wykorzystywana - przynajmniej w postaci stężonych reakcji. Jednocześnie naturalne procesy chemiczne otaczają człowieka wszędzie w postaci wiązań wysoko lub niskoenergetycznych, które objawiają się np. podczas spalania z wydzieleniem ciepła. Jednak konwersja energii chemicznej jest celowo zorganizowana w niektórych gałęziach przemysłu. Zwykle stwarzane są warunki do zaawansowanego technologicznie spalania w generatorach plazmowych lub turbinach gazowych. Typowym reagentem tych procesów jest ogniwo paliwowe, które przyczynia się do produkcji energii elektrycznej. Z punktu widzenia sprawności takie konwersje nie są tak opłacalne w porównaniu z alternatywnymi metodami wytwarzania energii elektrycznej, ponieważ część użytecznego ciepła jest rozpraszana nawet w nowoczesnych instalacjach plazmowych.
Konwersja energii promieniowania słonecznego
Jako sposób na konwersję energii, proces przetwarzania światła słonecznego w niedalekiej przyszłości może stać się najbardziej pożądanym w sektorze energetycznym. Wynika to z faktu, że nawet dziś każdy właściciel domu może teoretycznie zakupić sprzęt do konwersji energii słonecznej na energię elektryczną. Kluczową cechą tego procesu jest to, że nagromadzone światło słoneczne jest bezpłatne. Inną rzeczą jest to, że proces ten nie jest całkowicie bezkosztowy. Po pierwsze, konieczne będą koszty utrzymania baterii słonecznych. Po drugie, same generatory tego typu nie są tanie, więc początkowa inwestycja wNiewiele osób może pozwolić sobie na zorganizowanie własnej ministacji energetycznej.
Co to jest generator energii słonecznej? To zestaw paneli fotowoltaicznych, które zamieniają energię światła słonecznego na energię elektryczną. Sama zasada tego procesu jest pod wieloma względami podobna do działania tranzystora. Krzem jest używany jako główny materiał do produkcji ogniw słonecznych w różnych wersjach. Na przykład urządzenie do przetwarzania energii słonecznej może być poli- i monokryształem. Druga opcja jest preferowana pod względem wydajności, ale jest droższa. W obu przypadkach fotokomórka jest podświetlona, podczas której aktywowane są elektrody i w trakcie ich ruchu generowana jest siła elektrodynamiczna.
Konwersja energii parowej
Turbiny parowe mogą być wykorzystywane w przemyśle zarówno jako sposób przekształcania energii w akceptowalną formę, jak i jako niezależny generator energii elektrycznej lub ciepła ze specjalnie ukierunkowanych konwencjonalnych przepływów gazu. Nie tylko turbiny są wykorzystywane jako urządzenia do przetwarzania energii elektrycznej w połączeniu z wytwornicami pary, ale ich konstrukcja jest optymalnie dostosowana do organizowania tego procesu z wysoką wydajnością. Najprostszym rozwiązaniem technicznym jest turbina z łopatkami, do której podłączone są dysze z doprowadzoną parą. W miarę ruchu ostrzy instalacja elektromagnetyczna wewnątrz aparatu obraca się, wykonywana jest praca mechaniczna i generowany jest prąd.
Niektóre konstrukcje turbin mająspecjalne rozszerzenia w postaci stopni, w których energia mechaniczna pary zamieniana jest na energię kinetyczną. Ta cecha urządzenia jest determinowana nie tyle interesem zwiększenia sprawności konwersji energii generatora czy koniecznością precyzyjnego rozwoju potencjału kinetycznego, ale zapewnieniem możliwości elastycznej regulacji pracy turbiny. Rozbudowa w turbinie zapewnia funkcję kontrolną, która umożliwia wydajną i bezpieczną regulację ilości generowanej energii. Nawiasem mówiąc, obszar roboczy ekspansji, który jest objęty procesem konwersji, nazywa się aktywnym etapem ciśnienia.
Metody przekazywania energii
Metody transformacji energii nie mogą być rozważane bez koncepcji jej transferu. Do chwili obecnej istnieją cztery sposoby interakcji ciał, w których przenoszona jest energia - elektryczna, grawitacyjna, jądrowa i słaba. Transfer w tym kontekście może być również traktowany jako metoda wymiany, dlatego w zasadzie wykonywanie pracy w przekazywaniu energii i funkcja wymiany ciepła są rozdzielone. Jakie przemiany energii wiążą się z wykonywaniem pracy? Typowym przykładem jest siła mechaniczna, w której ciała makroskopowe lub pojedyncze cząstki ciał poruszają się w przestrzeni. Oprócz siły mechanicznej wyróżnia się również pracę magnetyczną i elektryczną. Kluczową cechą ujednolicającą dla prawie wszystkich rodzajów pracy jest możliwość pełnego określenia ilościowego transformacji między nimi. Oznacza to, że energia elektryczna jest przekształcana wenergia mechaniczna, praca mechaniczna na potencjał magnetyczny itp. Przenoszenie ciepła jest również powszechnym sposobem przekazywania energii. Może być bezkierunkowy lub chaotyczny, ale w każdym przypadku występuje ruch mikroskopijnych cząstek. Ilość aktywowanych cząstek określi ilość ciepła - ciepła użytecznego.
Wniosek
Przejście energii z jednej postaci w drugą jest normalne, aw niektórych branżach jest warunkiem wstępnym dla procesu wytwarzania energii. W różnych przypadkach potrzebę włączenia tego etapu można tłumaczyć ekonomicznymi, technologicznymi, środowiskowymi i innymi czynnikami wytwarzania zasobów. Jednocześnie, pomimo różnorodności naturalnych i sztucznie zorganizowanych sposobów przetwarzania energii, zdecydowana większość instalacji realizujących procesy przetwarzania jest wykorzystywana wyłącznie do prac elektrycznych, cieplnych i mechanicznych. Najbardziej powszechne są środki do przetwarzania energii elektrycznej. Maszyny elektryczne, które zapewniają przekształcenie pracy mechanicznej w energię elektryczną na przykład na zasadzie indukcji, znajdują zastosowanie w prawie wszystkich dziedzinach, w których występują skomplikowane urządzenia techniczne, zespoły i urządzenia. I ten trend nie maleje, gdyż ludzkość potrzebuje stałego wzrostu produkcji energii, co zmusza nas do poszukiwania nowych źródeł energii pierwotnej. W chwili obecnej za najbardziej obiecujące obszary w energetyce uważane są systemy wytwarzania tej samej energiielektryczność z energii mechanicznej wytwarzanej przez Słońce, wiatr i wodę płynie w przyrodzie.
