Premena energie: definícia, typy a proces prenosu

Zabezpečenie dostatočného množstva energie pre potreby ľudstva je jednou z kľúčových úloh, ktorým moderná veda čelí. V dôsledku zvýšenej spotreby energie procesov zameraných na udržanie základných podmienok existencie spoločnosti vznikajú akútne problémy nielen pri výrobe veľkého množstva energie, ale aj pri vyváženej organizácii jej distribučných systémov. A téma premeny energie má v tejto súvislosti kľúčový význam. Koeficient výroby užitočného energetického potenciálu závisí od tohto procesu, ako aj od úrovne nákladov na údržbu technologických operácií v rámci použitej infraštruktúry.

Všeobecné informácie o technológii konverzie

Potreba používať rôzne druhy energie je spojená s rozdielmi v procesoch, ktoré si vyžadujú zdroj dodávok. Na vykurovanie je potrebné teplo, na podporu pohybu mechanizmov je potrebná mechanická energia a na osvetlenie je potrebné svetlo. Elektrinu možno nazvať univerzálnym zdrojom energie tak z hľadiska jej transformácie, ako aj z hľadiska možností použitia v rôznych oblastiach. Ako zdroj energie sa zvyčajne používajú prírodné javy, ako aj umelo organizované procesy, ktoré prispievajú k vytváraniu rovnakej tepelnej alebo mechanickej sily. V každom prípade je potrebný určitý typ zariadenia alebo zložitá technologická štruktúra, ktorá v zásade umožňuje premenu energie na formu potrebnú na konečnú alebo medzispotrebu. Okrem toho medzi úlohami prevodníka vyniká nielen transformácia ako prenos energie z jedného typu do druhého. Tento proces často slúži aj na zmenu niektorých parametrov energie bez jej transformácie.

Konverzia ako taká môže byť jednostupňová alebo viacstupňová. Okrem toho sa napríklad prevádzka solárnych generátorov na fotokryštalických článkoch zvyčajne považuje za transformáciu svetelnej energie na elektrickú energiu. Ale zároveň je tiež možné previesť tepelnú energiu, ktorú slnko dáva Zemi v dôsledku vykurovania. Geotermálne moduly sú umiestnené v určitej hĺbke v zemi a pomocou špeciálnych vodičov plnia batérie energetickými rezervami. V jednoduchej konverznej schéme geotermálny systém zabezpečuje akumuláciu tepelnej energie, ktorá sa dodáva vykurovaciemu zariadeniu v čistej forme so základnou prípravou. V komplexnej štruktúre sa tepelné čerpadlo používa v jednej skupine s tepelnými kondenzátormi a kompresormi, ktoré zabezpečujú premenu tepla a elektrinu.

Typy premeny elektrickej energie

Existujú rôzne technologické metódy získavania primárnej energie z prírodných javov. Ale ešte viac príležitostí na zmenu vlastností a foriem energie poskytujú akumulované energetické zdroje, pretože sú uložené vo forme vhodnej na transformáciu. . Na najčastejšie formy premeny energie zahŕňajú žiarenie, vykurovanie, mechanické a chemické účinky. V najkomplexnejších systémoch sa používajú procesy molekulárneho rozkladu a viacúrovňové chemické reakcie, v ktorých sa kombinuje niekoľko fáz transformácie.

Výber konkrétnej metódy transformácie bude závisieť od podmienok organizácie procesu, typu počiatočnej a konečnej energie. Medzi najbežnejšie typy energie, ktoré sa v zásade podieľajú na procesoch premeny, možno rozlíšiť sálavú, mechanickú, tepelnú, elektrickú a chemickú energiu. Minimálne sa tieto zdroje úspešne využívajú v priemysle a domácnostiach. Osobitnú pozornosť si zaslúžia nepriame procesy premeny energie, ktoré sú derivátmi konkrétnej technologickej operácie. Napríklad v rámci metalurgickej výroby sú potrebné vykurovacie a chladiace operácie, v dôsledku čoho sa para a teplo vyrábajú ako deriváty, ale nie ako cieľové zdroje. V podstate ide o odpadové produkty spracovania, ktoré tiež nachádzajú uplatnenie, prechádzajú transformáciou alebo používaním v rámci toho istého podniku.

Premena tepelnej energie

Jeden z najstarších zdrojov energie z hľadiska rozvoja a najdôležitejší pre udržanie ľudského života, bez ktorého si nemožno predstaviť život modernej spoločnosti. Vo väčšine prípadov sa teplo premieňa na elektrinu a jednoduchá schéma takejto transformácie nevyžaduje pripojenie medzistupňov. V tepelných a jadrových elektrárňach však v závislosti od podmienok ich prevádzky , je možné použiť prípravnú fázu s prenosom tepelnej na mechanickú energiu, čo si vyžaduje dodatočné náklady. Dnes sa termoelektrické generátory s priamym pôsobením čoraz viac používajú na premenu tepelnej energie na elektrickú energiu.

Samotný transformačný proces prebieha v špeciálnej látke, ktorá sa spaľuje, uvoľňuje teplo a ďalej pôsobí ako zdroj súčasnej generácie. To znamená, že termoelektrické zariadenia možno považovať za zdroje elektrickej energie s nulovým cyklom, pretože ich prevádzka sa začína ešte pred objavením sa základnej tepelnej energie. Hlavným zdrojom sú palivové články – spravidla zmesi plynov. Sú spálené, čo vedie k ohrevu kovovej dosky rozdeľujúcej teplo. V procese odstraňovania tepla prostredníctvom špeciálneho generátorového modulu s polovodičovými materiálmi sa energia prevádza. Elektrický prúd je generovaný radiátorovou jednotkou pripojenou k transformátoru alebo batérii. V prvom variante sa energia okamžite dodáva spotrebiteľovi v hotovej forme a v druhom sa akumuluje a podľa potreby rozdáva.

Výroba tepelnej energie z mechanických

Tiež jeden z najbežnejších spôsobov získavania energie v dôsledku premeny. Jeho podstata spočíva v schopnosti tiel dať vypnutie tepelnej energie v procese vykonávania práce. V najjednoduchšej forme je táto schéma transformácie energie demonštrovaná príkladom trenia dvoch drevených predmetov, čo vedie k požiaru. Na používanie tohto princípu s hmatateľnými praktickými výhodami sú však potrebné špeciálne zariadenia.

V domácnosti dochádza k premene mechanickej energie v systémoch vykurovania a zásobovania vodou. Ide o zložité technické štruktúry s magnetickým jadrom a nabitým jadrom pripojeným k uzavretým vodivým obvodom. Vo vnútri pracovnej komory tohto dizajnu prechádzajú aj vykurovacie potrubia, ktoré sa ohrievajú pôsobením práce vykonanej z pohonu. Nevýhodou tohto riešenia je potreba pripojenia systému k elektrickej sieti.

V priemysle sa používajú výkonnejšie konvertory s kvapalnou chladiacou kvapalinou. Zdroj mechanickej práce je pripojený k uzavretým nádržiam na vodu. Počas pohybu výkonných orgánov (turbíny, lopatky alebo iné konštrukčné prvky) sa vo vnútri obrysu vytvárajú podmienky pre tvorbu vírov. Stáva sa to v momentoch náhleho brzdenia lopatiek. Okrem vykurovania sa v tomto prípade zvyšuje aj tlak, čo uľahčuje procesy cirkulácie vody.

Premena elektromechanickej energie

Väčšina moderných technických jednotiek pracuje na princípoch elektromechaniky. Synchrónne a asynchrónne elektrické stroje a generátory sa používajú v doprave, obrábacích strojoch, jednotkách priemyselného inžinierstva a iných elektrárňach na rôzne účely. To znamená, že elektromechanické typy premeny energie sú použiteľné pre prevádzkové režimy generátora aj motora v závislosti od aktuálnych požiadaviek pohonného systému.

V zovšeobecnenej forme možno akýkoľvek elektrický stroj považovať za systém vzájomne sa pohybujúcich magneticky Spojených elektrických obvodov. Medzi takéto javy patrí aj hysteréza, saturácia, vyššie harmonické a magnetické straty. Ale v klasickom pohľade ich možno pripísať analógom elektrických strojov iba vtedy, ak hovoríme o dynamických režimoch, keď systém pracuje v rámci energetickej infraštruktúry.

Elektromechanický systém premeny energie je založený na princípe dvoch reakcií s dvojfázovými a trojfázovými zložkami, ako aj na spôsobe rotácie magnetických polí. Rotor a stator motorov vykonávajú mechanickú prácu pod vplyvom magnetického poľa. V závislosti od smeru pohybu z nabitých častíc , je nastavený prevádzkový režim - ako motor alebo generátor.

Výroba elektriny z chemickej energie

Kombinovaný zdroj chemickej energie patrí k tradičným, ale metódy jeho premeny nie sú také bežné kvôli environmentálnym obmedzeniam. Samotná chemická energia v čistej forme sa prakticky nepoužíva-aspoň vo forme koncentrovaných reakcií. Prírodné chemické procesy zároveň obklopujú človeka všade vo forme vysokoenergetických alebo nízkoenergetických zväzkov, ktoré sa prejavujú napríklad počas gorenje uvoľňovaním tepla. Premena chemickej energie je však v niektorých účelovo organizovaná priemysel. Zvyčajne sa vytvárajú podmienky pre high-tech spaľovanie v plazmových generátoroch alebo plynových turbínach gorenje. Typickým činidlom týchto procesov je palivový článok, ktorý prispieva k výrobe elektrickej energie. Z hľadiska účinnosti nie sú takéto transformácie také výhodné v porovnaní s alternatívnymi metódami výroby elektriny, pretože časť užitočného tepla sa odvádza aj v moderných plazmových zariadeniach.

Premena energie slnečného žiarenia

Ako metóda premeny energie sa proces spracovania slnečného žiarenia môže v blízkej budúcnosti stať najobľúbenejším v energetickom sektore. Je to spôsobené tým, že aj dnes si každý majiteľ domu môže teoreticky kúpiť zariadenie na premenu slnečnej energie na elektrickú energiu. Kľúčovou vlastnosťou tohto procesu je, že nahromadené slnečné svetlo je bezplatné. Ďalšia vec je, že to neznamená, že proces je úplne zbavený. Po prvé, náklady budú potrebné pre údržba solárnych batérií. Po druhé, samotné generátory tohto typu nie sú lacné, takže len málokto si môže dovoliť počiatočnú investíciu do organizácie vlastnej mini elektrárne.

Čo je generátor slnečnej energie? Toto je sada fotovoltaických panelov, ktoré premieňajú slnečnú energiu na elektrinu. Samotný princíp tohto procesu je v mnohých ohľadoch podobný činnosti tranzistora. Ako hlavný materiálových nákladov na kremík sa používa v rôznych verziách na výrobu solárnych článkov. Napríklad zariadenie na premenu slnečnej energie môže byť poly-a monokryštalické. Druhá možnosť je výhodnejšia z hľadiska výkonu, ale stojí to viac. V obidvoch prípadoch je osvetlená fotobunka, v ktorej sú elektródy aktivované a počas ich pohybu sa vytvára elektrodynamická sila.

Premena energie pary

Parné turbíny môžu byť použité v priemysle ako spôsob premeny energie na prijateľnú formu a ako nezávislý generátor elektriny alebo tepla zo špeciálne nasmerovaných prúdov podmieneného plynu. Nielen turbínové stroje sa používajú ako zariadenia na premenu elektrickej energie v kombinácii s parnými generátormi, ale ich konštrukcia je optimálne vhodná na organizáciu tohto procesu s vysokou účinnosťou. Najjednoduchším technickým riešením je turbína s lopatkami, ku ktorej sú pripojené dýzy s dodávanou parou. Pri pohybe lopatiek sa elektromagnetická inštalácia otáča vo vnútri zariadenia, vykonáva sa mechanická práca a generuje sa prúd.

Niektoré konštrukcie turbín majú špeciálne rozšírenia vo forme krokov, kde sa mechanická energia pary premieňa na kinetickú energiu. Táto vlastnosť zariadenia nie je spôsobená ani tak záujmami zvyšovania účinnosti premeny energie generátora alebo potrebou generovať presne kinetický potenciál, ako poskytnutím možnosti flexibilnej regulácie prevádzky turbíny. Expanzia v turbíne poskytuje riadiacu funkciu, ktorá umožňuje efektívne a bezpečne regulovať objem vyrobenej energie. Mimochodom, pracovná oblasť expanzie, ktorá je súčasťou procesu konverzie, sa nazýva stupeň aktívneho tlaku.

Metódy prenosu energie

Metódy transformácie energie nemožno brať do úvahy bez koncepcie jej prenosu. K dnešnému dňu existujú štyri spôsoby interakcie orgánov, v ktorom dochádza k prenosu energie – elektrickej, gravitačnej, jadrovej a slabej. Prenos v tejto súvislosti možno považovať aj za spôsob výmeny, preto je výkon práce počas prenosu energie a funkcia výmeny tepla zásadne oddelená. Aké energetické transformácie zahŕňajú výkon práce? Typickým príkladom je mechanická sila, pri ktorej sa makroskopické telesá alebo jednotlivé častice telies pohybujú v priestore. Okrem mechanickej sily sa rozlišujú aj magnetické a elektrické práce. Kľúčovou zjednocujúcou vlastnosťou pre takmer všetky druhy práce je schopnosť navzájom sa úplne kvantifikovať. To znamená, že elektrina sa transformuje na mechanickú energiu, mechanickú prácu na magnetický potenciál atď.. Výmena tepla je tiež bežným spôsobom prenosu energie. Môže to byť nesmerové alebo chaotické, ale v každom prípade dochádza k pohybu mikroskopických častíc. Počet aktivovaných častíc určí množstvo tepla-užitočné teplo.

Záver

Prenos energie z jednej formy do druhej je normálny a v niektorých odvetviach je predpokladom procesu výroby energie. V rôznych prípadoch možno potrebu zahrnúť túto fázu vysvetliť ekonomickými, technologickými, environmentálnymi a inými faktormi tvorby zdrojov. Zároveň sa napriek rôznorodosti prírodných a umelo organizovaných metód transformácie energie drvivá väčšina zariadení poskytujúcich procesy premeny používa iba na elektrickú energiu, teplo a mechanickú prácu. Prostriedky na premenu elektrickej energie sú vôbec najbežnejšie. Elektrické stroje, ktoré zabezpečujú transformáciu mechanickej práce na elektrickú energiu na princípe indukcie, sa používajú takmer vo všetkých oblastiach, kde sú zapojené zložité technické zariadenia, agregáty a zariadenia. A tento trend neklesá, pretože ľudstvo potrebuje neustále zvyšovanie objemu výroby energie, čo nás núti hľadať nové zdroje primárnej energie. V súčasnosti sa za najsľubnejšie oblasti v energetickom sektore považujú systémy na výrobu rovnakej elektriny z mechanickej energie vyrobenej slnkom, vetrom a vodnými tokmi v prírodnej prírode.