Осигуряването на нуждите на човечеството с достатъчно енергия е една от ключовите задачи пред съвременната наука. Във връзка с увеличаването на енергийното потребление на процеси, насочени към поддържане на основните условия за съществуване на обществото, възникват остри проблеми не само при генерирането на големи количества енергия, но и в балансираната организация на нейните разпределителни системи. И темата за преобразуването на енергия е от ключово значение в този контекст. Този процес определя коефициента на генериране на полезен енергиен потенциал, както и нивото на разходите за обслужване на технологични операции в рамките на използваната инфраструктура.
Преглед на технологията за конвертиране
Необходимостта от използване на различни видове енергия е свързана с различия в процесите, които изискват ресурс за доставка. Необходима е топлина заотопление, механична енергия - за силово поддържане на движението на механизмите и светлина - за осветление. Електричеството може да се нарече универсален източник на енергия както по отношение на неговата трансформация, така и по отношение на възможностите за приложение в различни области. Като първоначална енергия обикновено се използват природни явления, както и изкуствено организирани процеси, които допринасят за генерирането на същата топлина или механична сила. Във всеки случай се изисква определен тип оборудване или сложна технологична структура, която по принцип позволява преобразуването на енергията във формата, необходима за крайно или междинно потребление. Освен това сред задачите на преобразувателя се откроява не само трансформацията като прехвърляне на енергия от една форма в друга. Често този процес служи и за промяна на някои параметри на енергията без нейната трансформация.
Трансформацията като такава може да бъде едноетапна или многоетапна. Освен това, например, работата на слънчеви генератори върху фотокристални клетки обикновено се разглежда като трансформация на светлинната енергия в електричество. Но в същото време е възможно да се преобразува топлинната енергия, която Слънцето дава на почвата в резултат на нагряване. Геотермалните модули се поставят на определена дълбочина в земята и чрез специални проводници запълват батериите с енергийни резерви. При проста схема за преобразуване геотермалната система осигурява съхранение на топлинна енергия, която се дава на отоплителното оборудване в чист вид с основна подготовка. В сложна структура термопомпата се използва в една групас топлинни кондензатори и компресори, които осигуряват преобразуване на топлина и електричество.
Видове преобразуване на електрическа енергия
Има различни технологични методи за извличане на първична енергия от природни явления. Но още повече възможности за промяна на свойствата и формите на енергия предоставят натрупаните енергийни ресурси, тъй като те се съхраняват в удобна за трансформация форма. Най-често срещаните форми на преобразуване на енергия включват операциите на радиация, нагряване, механични и химични ефекти. Най-сложните системи използват процеси на молекулярно разпадане и многостепенни химични реакции, които комбинират множество етапи на трансформация.
Изборът на конкретен метод на трансформация ще зависи от условията на организация на процеса, вида на началната и крайната енергия. Сред най-разпространените видове енергия, които по принцип участват в процесите на трансформация, могат да бъдат разграничени лъчиста, механична, топлинна, електрическа и химическа енергия. Като минимум тези ресурси се използват успешно в индустрията и домакинствата. Отделно внимание заслужават непреки процеси на преобразуване на енергия, които са производни на определена технологична операция. Например, в рамките на металургичното производство са необходими операции за отопление и охлаждане, в резултат на които парата и топлината се генерират като производни, но не и целеви ресурси. По същество това са отпадъчни продукти от преработката,които също се използват, трансформират или използват в рамките на едно и също предприятие.
Преобразуване на топлинна енергия
Един от най-старите по отношение на развитие и най-важните енергийни източници за поддържане на човешкия живот, без който е невъзможно да си представим живота на съвременното общество. В повечето случаи топлината се преобразува в електричество и простата схема за такава трансформация не изисква свързването на междинни етапи. Въпреки това, в топлинни и атомни електроцентрали, в зависимост от техните работни условия, може да се използва подготвителен етап с прехвърляне на топлинна енергия в механична, което изисква допълнителни разходи. Днес термоелектрически генератори с директно действие се използват все по-често за преобразуване на топлинна енергия в електричество.
Самият процес на трансформация протича в специално вещество, което се изгаря, отделя топлина и впоследствие действа като източник на текущо генериране. Тоест термоелектрическите инсталации могат да се разглеждат като източници на електричество с нулев цикъл, тъй като тяхната работа започва още преди появата на базовата топлинна енергия. Като основен ресурс действат горивните клетки, обикновено газови смеси. Те се изгарят, в резултат на което топлоразпределящата метална плоча се нагрява. В процеса на отвеждане на топлината чрез специален генераторен модул с полупроводникови материали енергията се преобразува. Електрическият ток се генерира от радиатор, свързан към трансформатор или батерия. В първата версия, енергиятаведнага отива при потребителя в готов вид, а във втория - натрупва и се раздава при нужда.
Производство на топлинна енергия от механична енергия
Също един от най-често срещаните начини за получаване на енергия в резултат на трансформация. Същността му се крие в способността на телата да отделят топлинна енергия в процеса на извършване на работа. В най-простата си форма тази схема за трансформация на енергия е демонстрирана с примера на триенето на два дървени предмета, което води до пожар. Въпреки това, за да се използва този принцип с осезаеми практически ползи, са необходими специални устройства.
В домакинствата преобразуването на механичната енергия се извършва в системите за отопление и водоснабдяване. Това са сложни технически структури с магнитна верига и ламинирано ядро, свързани към затворени електропроводими вериги. Също така вътре в работната камера на този дизайн има отоплителни тръби, които се нагряват под действието на работата, извършена от задвижването. Недостатъкът на това решение е необходимостта от свързване на системата към електрическата мрежа.
Индустрията използва по-мощни преобразуватели с течно охлаждане. Източникът на механична работа е свързан към затворени водни резервоари. В процеса на движение на изпълнителните органи (турбини, лопатки или други конструктивни елементи) във веригата се създават условия за образуване на вихри. Това се случва в моменти на рязко спиране на лопатките. Освен нагряването, в този случай се повишава и налягането, което улеснява процеситециркулация на водата.
Преобразуване на електромеханична енергия
Повечето съвременни технически възли работят на принципите на електромеханиката. Синхронните и асинхронните електрически машини и генератори се използват в транспорта, металорежещите машини, промишлените инженерни агрегати и други електроцентрали за различни цели. Тоест, електромеханичните видове преобразуване на енергия са приложими както за режимите на работа на генератора, така и за двигателя, в зависимост от текущите изисквания на задвижващата система.
В обобщена форма всяка електрическа машина може да се разглежда като система от взаимно движещи се магнитно свързани електрически вериги. Такива явления включват също хистерезис, насищане, по-високи хармоници и магнитни загуби. Но в класическия поглед те могат да бъдат приписани на аналози на електрически машини само ако говорим за динамични режими, когато системата работи в рамките на енергийната инфраструктура.
Системата за електромеханично преобразуване на енергия се основава на принципа на две реакции с двуфазни и трифазни компоненти, както и метода на въртящи се магнитни полета. Роторът и статорът на двигателите извършват механична работа под въздействието на магнитно поле. В зависимост от посоката на движение на заредените частици се задава режима на работа - като двигател или генератор.
Производство на електричество от химическа енергия
Общият химически енергиен източник е традиционен, но методите за неговата трансформация не са толкова често срещанипоради екологични ограничения. Сама по себе си химическата енергия в чист вид практически не се използва - поне под формата на концентрирани реакции. В същото време естествените химични процеси заобикалят човек навсякъде под формата на високо- или нискоенергийни връзки, които се проявяват например по време на горене с отделяне на топлина. Въпреки това, преобразуването на химическата енергия е целенасочено организирано в някои индустрии. Обикновено се създават условия за високотехнологично горене в плазмени генератори или газови турбини. Типичен реагент на тези процеси е горивната клетка, която допринася за производството на електрическа енергия. От гледна точка на ефективността, подобни преобразувания не са толкова изгодни в сравнение с алтернативните методи за генериране на електроенергия, тъй като част от полезната топлина се разсейва дори в съвременните плазмени инсталации.
Преобразуване на енергията на слънчевата радиация
Като начин за преобразуване на енергия, процесът на обработка на слънчевата светлина в близко бъдеще може да стане най-търсеният в енергийния сектор. Това се дължи на факта, че дори днес всеки собственик на жилище теоретично може да закупи оборудване за преобразуване на слънчева енергия в електрическа енергия. Основната характеристика на този процес е, че натрупаната слънчева светлина е безплатна. Друго нещо е, че това не прави процеса напълно безплатен. Първо, разходите ще бъдат необходими за поддръжка на слънчеви батерии. На второ място, самите генератори от този тип не са евтини, така че първоначалната инвестиция вМалко хора могат да си позволят да организират собствена мини-енергийна станция.
Какво е генератор на слънчева енергия? Това е набор от фотоволтаични панели, които преобразуват енергията на слънчевата светлина в електричество. Самият принцип на този процес в много отношения е подобен на работата на транзистор. Силицият се използва като основен материал за производството на слънчеви клетки в различни версии. Например, устройство за преобразуване на слънчева енергия може да бъде поли- и монокристално. Вторият вариант е за предпочитане по отношение на производителността, но е по-скъп. И в двата случая фотоклетката се осветява, по време на което се активират електродите и се генерира електродинамична сила в процеса на тяхното движение.
Преобразуване на енергия на пара
Парните турбини могат да се използват в индустрията както като начин за преобразуване на енергията в приемлива форма, така и като независим генератор на електричество или топлина от специално насочени конвенционални газови потоци. Далеч не само турбинните машини се използват като устройства за преобразуване на електрическа енергия в комбинация с парогенератори, но тяхната конструкция е оптимално пригодена за организиране на този процес с висока ефективност. Най-простото техническо решение е турбина с лопатки, към която са свързани дюзи с подадена пара. Докато остриетата се движат, електромагнитната инсталация вътре в апарата се върти, извършва се механична работа и се генерира ток.
Някои конструкции на турбини иматспециални разширения под формата на стъпала, където механичната енергия на парата се преобразува в кинетична енергия. Тази особеност на устройството се обуславя не толкова от интересите за повишаване на ефективността на преобразуването на енергията на генератора или от необходимостта да се развие точно кинетичният потенциал, а от осигуряването на възможност за гъвкаво регулиране на работата на турбината. Разширението в турбината осигурява контролна функция, която позволява ефективно и безопасно регулиране на количеството генерирана енергия. Между другото, работната зона на разширението, която е включена в процеса на преобразуване, се нарича етап на активно налягане.
Методи за пренос на енергия
Методите за преобразуване на енергия не могат да се разглеждат без концепцията за нейния пренос. Към днешна дата има четири начина на взаимодействие на телата, в които се пренася енергия - електрически, гравитационен, ядрен и слаб. Преносът в този контекст може да се разглежда и като метод на обмен, следователно по принцип извършването на работа при пренос на енергия и функцията за пренос на топлина са разделени. Какви трансформации на енергията включват извършване на работа? Типичен пример е механична сила, при която в пространството се движат макроскопични тела или отделни частици от тела. В допълнение към механичната сила, се разграничават и магнитна и електрическа работа. Ключова обединяваща характеристика за почти всички видове работа е възможността за пълно количествено определяне на трансформацията между тях. Тоест електричеството се трансформира вмеханична енергия, механична работа в магнитен потенциал и др. Преносът на топлина също е често срещан начин за пренос на енергия. Тя може да бъде ненасочена или хаотична, но във всеки случай има движение на микроскопични частици. Броят на активираните частици ще определи количеството топлина - полезна топлина.
Заключение
Преминаването на енергията от една форма в друга е нормално, а в някои индустрии е предпоставка за производствения енергиен процес. В различни случаи необходимостта от включването на този етап може да се обясни с икономически, технологични, екологични и други фактори за генериране на ресурси. В същото време, въпреки разнообразието от естествени и изкуствено организирани начини за преобразуване на енергия, по-голямата част от инсталациите, които осигуряват процеси на трансформация, се използват само за електрическа, топлинна и механична работа. Средствата за преобразуване на електрическа енергия са най-често срещаните. Електрическите машини, които осигуряват превръщането на механичната работа в електричество на принципа на индукция, например, се използват в почти всички области, където се включват сложни технически устройства, възли и устройства. И тази тенденция не намалява, тъй като човечеството се нуждае от постоянно увеличаване на производството на енергия, което ни принуждава да търсим нови източници на първична енергия. Към момента за най-перспективни области в енергетиката се считат системите за производство на същитеелектричество от механична енергия, произведена от слънцето, вятъра и водата, тече в природата.
