Omogućiti potrebama čovječanstva dovoljno energije jedan je od ključnih zadataka s kojima se susreće moderna znanost. U vezi s povećanjem potrošnje energije u procesima koji imaju za cilj održavanje osnovnih uvjeta za postojanje društva, akutni problemi nastaju ne samo u proizvodnji velikih količina energije, već iu uravnoteženoj organizaciji njezinih distribucijskih sustava. A tema pretvorbe energije je u tom kontekstu od ključne važnosti. Ovim se procesom utvrđuje koeficijent stvaranja korisnog energetskog potencijala, kao i razina troškova za servisiranje tehnoloških operacija u okviru korištene infrastrukture.
Pretvori pregled tehnologije
Potreba za korištenjem različitih vrsta energije povezana je s razlikama u procesima koji zahtijevaju opskrbni resurs. Toplina je potrebna zagrijanje, mehanička energija - za energetsku potporu kretanju mehanizama i svjetlo - za osvjetljenje. Električna energija se može nazvati univerzalnim izvorom energije kako u smislu njezine transformacije tako i u pogledu mogućnosti primjene u različitim područjima. Kao početna energija obično se koriste prirodne pojave, kao i umjetno organizirani procesi koji pridonose stvaranju iste topline ili mehaničke sile. U svakom slučaju potrebna je određena vrsta opreme ili složena tehnološka struktura koja u principu omogućuje pretvorbu energije u oblik potreban za konačnu ili međupotrošku. Štoviše, među zadaćama pretvarača ne ističe se samo transformacija kao prijenos energije iz jednog oblika u drugi. Često ovaj proces također služi za promjenu nekih parametara energije bez njezine transformacije.
Transformacija kao takva može biti jednostupanjska ili višestupanjska. Osim toga, na primjer, rad solarnih generatora na fotokristalnim stanicama obično se smatra transformacijom svjetlosne energije u električnu. No, istodobno je moguće i pretvoriti toplinsku energiju koju Sunce daje tlu kao rezultat zagrijavanja. Geotermalni moduli se postavljaju na određenu dubinu u zemlju i preko posebnih vodiča pune baterije energetskim rezervama. U jednostavnoj shemi pretvorbe, geotermalni sustav osigurava pohranu toplinske energije, koja se osnovnom pripremom daje opremi za grijanje u svom čistom obliku. U složenoj strukturi toplinska pumpa se koristi u jednoj skupinis toplinskim kondenzatorima i kompresorima koji osiguravaju pretvorbu topline i električne energije.
Vrste pretvorbe električne energije
Postoje različite tehnološke metode za izvlačenje primarne energije iz prirodnih pojava. Ali još više mogućnosti za promjenu svojstava i oblika energije pružaju akumulirani energetski resursi, budući da su pohranjeni u obliku prikladnom za transformaciju. Najčešći oblici pretvorbe energije uključuju operacije zračenja, grijanja, mehaničke i kemijske učinke. Najsloženiji sustavi koriste procese molekularnog raspada i kemijske reakcije na više razina koje kombiniraju višestruke korake transformacije.
Odabir određene metode transformacije ovisit će o uvjetima organizacije procesa, vrsti početne i konačne energije. Među najčešćim vrstama energije koje u principu sudjeluju u procesima transformacije mogu se izdvojiti zračenja, mehanička, toplinska, električna i kemijska energija. U najmanju ruku, ti se resursi uspješno iskorištavaju u industriji i kućanstvima. Posebnu pozornost zaslužuju neizravni procesi pretvorbe energije, koji su derivati određene tehnološke operacije. Na primjer, u okviru metalurške proizvodnje potrebne su operacije grijanja i hlađenja, zbog čega nastaju para i toplina kao derivati, ali ne i ciljni resursi. U suštini, to su otpadni proizvodi prerade,koji se također koriste, transformiraju ili koriste unutar istog poduzeća.
Pretvorba toplinske energije
Jedan od najstarijih po razvoju i najvažnijih izvora energije za održavanje ljudskog života, bez kojeg je nemoguće zamisliti život suvremenog društva. U većini slučajeva toplina se pretvara u električnu energiju, a jednostavna shema za takvu transformaciju ne zahtijeva povezivanje međufaza. Međutim, u termo i nuklearnim elektranama, ovisno o uvjetima rada, može se koristiti pripremna faza s prijenosom toplinske u mehaničku energiju, što zahtijeva dodatne troškove. Danas se termoelektrični generatori izravnog djelovanja sve više koriste za pretvaranje toplinske energije u električnu.
Sam proces transformacije odvija se u posebnoj tvari koja se spaljuje, oslobađa toplinu i nakon toga djeluje kao izvor struje. Odnosno, termoelektrične instalacije mogu se smatrati izvorima električne energije s nultim ciklusom, budući da njihov rad počinje i prije pojave osnovne toplinske energije. Gorivne ćelije, obično mješavine plinova, djeluju kao glavni resurs. Spaljuju se, zbog čega se zagrijava metalna ploča za distribuciju topline. U procesu odvođenja topline kroz poseban generatorski modul s poluvodičkim materijalima, energija se pretvara. Električnu struju stvara radijatorska jedinica spojena na transformator ili bateriju. U prvoj verziji, energijaodmah ide potrošaču u gotovom obliku, a u drugom - akumulira i po potrebi se poklanja.
Proizvodnja toplinske energije iz mehaničke energije
Također jedan od najčešćih načina dobivanja energije kao rezultat transformacije. Njegova bit leži u sposobnosti tijela da u procesu rada daju toplinsku energiju. U svom najjednostavnijem obliku, ova shema transformacije energije prikazana je na primjeru trenja dvaju drvenih predmeta, što rezultira požarom. Međutim, za korištenje ovog principa s opipljivim praktičnim koristima, potrebni su posebni uređaji.
U kućanstvima se transformacija mehaničke energije odvija u sustavima grijanja i vodoopskrbe. Riječ je o složenim tehničkim strukturama s magnetskim krugom i laminiranom jezgrom spojenim na zatvorene električno vodljive krugove. Također unutar radne komore ovog dizajna nalaze se cijevi za grijanje, koje se zagrijavaju pod djelovanjem rada iz pogona. Nedostatak ovog rješenja je potreba za spajanjem sustava na električnu mrežu.
Industrija koristi snažnije pretvarače hlađene tekućinom. Izvor mehaničkog rada spojen je na zatvorene spremnike vode. U procesu kretanja izvršnih tijela (turbina, lopatica ili drugih strukturnih elemenata) unutar strujnog kruga stvaraju se uvjeti za stvaranje vrtloga. To se događa u trenucima oštrog kočenja lopatica. Osim zagrijavanja, u ovom slučaju se povećava i tlak, što olakšava procesecirkulacija vode.
Pretvorba elektromehaničke energije
Većina modernih tehničkih jedinica radi na principima elektromehanike. Sinkroni i asinkroni električni strojevi i generatori koriste se u transportu, alatnim strojevima, industrijskim postrojenjima i drugim elektranama različite namjene. Odnosno, elektromehaničke vrste pretvorbe energije primjenjive su i na generatorske i na motorne načine rada, ovisno o trenutnim zahtjevima pogonskog sustava.
U generaliziranom obliku, svaki električni stroj može se smatrati sustavom međusobno pomičućih magnetsko spregnutih električnih krugova. Takvi fenomeni također uključuju histerezu, zasićenje, više harmonike i magnetske gubitke. Ali u klasičnom pogledu, oni se mogu pripisati analozima električnih strojeva samo ako govorimo o dinamičkim načinima rada kada sustav radi unutar energetske infrastrukture.
Sustav elektromehaničke pretvorbe energije temelji se na principu dviju reakcija s dvofaznim i trofaznim komponentama, kao i metodi rotirajućih magnetskih polja. Rotor i stator motora obavljaju mehanički rad pod utjecajem magnetskog polja. Ovisno o smjeru kretanja nabijenih čestica postavlja se način rada - kao motor ili generator.
Proizvodnja električne energije iz kemijske energije
Ukupni kemijski izvor energije je tradicionalan, ali metode njegove transformacije nisu tako čestezbog ograničenja okoliša. Sama po sebi, kemijska energija u svom čistom obliku praktički se ne koristi - barem u obliku koncentriranih reakcija. Istodobno, prirodni kemijski procesi okružuju osobu posvuda u obliku visoko- ili niskoenergetskih veza, koje se očituju, na primjer, tijekom izgaranja s oslobađanjem topline. Međutim, pretvorba kemijske energije je namjerno organizirana u nekim industrijama. Obično se stvaraju uvjeti za visokotehnološko izgaranje u plazma generatorima ili plinskim turbinama. Tipični reaktant ovih procesa je gorivna ćelija, koja doprinosi proizvodnji električne energije. Sa stajališta učinkovitosti, takve pretvorbe nisu toliko isplative u usporedbi s alternativnim metodama proizvodnje električne energije, budući da se dio korisne topline raspršuje čak iu modernim plazma instalacijama.
Pretvorba energije sunčevog zračenja
Kao način pretvaranja energije, proces obrade sunčeve svjetlosti u bliskoj budućnosti mogao bi postati najtraženiji u energetskom sektoru. To je zbog činjenice da čak i danas svaki vlasnik kuće teoretski može kupiti opremu za pretvaranje sunčeve energije u električnu energiju. Ključna značajka ovog procesa je da je akumulirana sunčeva svjetlost besplatna. Druga stvar je da to ne čini proces potpuno besplatnim. Prvo, bit će potrebni troškovi za održavanje solarnih baterija. Drugo, sami generatori ovog tipa nisu jeftini, pa je početno ulaganje uMalo ljudi si može priuštiti organiziranje vlastite mini-energetske stanice.
Što je solarni generator? Ovo je set fotonaponskih panela koji pretvaraju energiju sunčeve svjetlosti u električnu energiju. Sam princip ovog procesa u mnogočemu je sličan radu tranzistora. Silicij se koristi kao glavni materijal za izradu solarnih ćelija u različitim izvedbama. Na primjer, uređaj za pretvaranje sunčeve energije može biti poli- i monokristalni. Druga je opcija poželjnija u smislu izvedbe, ali je skuplja. U oba slučaja fotoćelija je osvijetljena, pri čemu se aktiviraju elektrode i stvara se elektrodinamička sila u procesu njihovog kretanja.
pretvorba energije pare
Parne turbine mogu se koristiti u industriji i kao način pretvorbe energije u prihvatljiv oblik i kao neovisni generator električne ili toplinske energije iz posebno usmjerenih konvencionalnih tokova plina. Daleko od toga da se samo turbinski strojevi koriste kao uređaji za pretvaranje električne energije u kombinaciji s generatorima pare, ali njihov dizajn je optimalno prikladan za organizaciju ovog procesa s visokom učinkovitošću. Najjednostavnije tehničko rješenje je turbina s lopaticama, na koju su spojene mlaznice s dovedenom parom. Kako se oštrice pomiču, elektromagnetska instalacija unutar aparata se okreće, izvodi se mehanički rad i stvara se struja.
Neki dizajni turbina imajuposebne nastavke u obliku stepenica, gdje se mehanička energija pare pretvara u kinetičku energiju. Ova značajka uređaja određena je ne toliko interesima povećanja učinkovitosti pretvorbe energije generatora ili potrebom da se razvije upravo kinetički potencijal, koliko pružanjem mogućnosti fleksibilne regulacije rada turbine. Ekspanzija u turbini osigurava kontrolnu funkciju koja omogućuje učinkovitu i sigurnu regulaciju količine proizvedene energije. Usput, radno područje ekspanzije, koje je uključeno u proces pretvorbe, naziva se aktivnim tlakom.
Metode prijenosa energije
Metode transformacije energije ne mogu se razmatrati bez koncepta njenog prijenosa. Do danas postoje četiri načina interakcije tijela u kojima se prenosi energija - električni, gravitacijski, nuklearni i slab. Prijenos se u ovom kontekstu može smatrati i metodom razmjene, stoga se u načelu odvajaju izvedba rada u prijenosu energije i funkcija prijenosa topline. Koje transformacije energije uključuju rad? Tipičan primjer je mehanička sila, u kojoj se makroskopska tijela ili pojedinačne čestice tijela kreću u prostoru. Osim mehaničke sile, razlikuju se i magnetski i električni rad. Ključna objedinjujuća značajka za gotovo sve vrste posla je mogućnost potpune kvantifikacije transformacije između njih. To jest, električna energija se pretvara umehanička energija, mehanički rad u magnetski potencijal itd. Prijenos topline također je uobičajen način prijenosa energije. Može biti neusmjeren ili kaotičan, ali u svakom slučaju dolazi do pomicanja mikroskopskih čestica. Broj aktiviranih čestica odredit će količinu topline – korisne topline.
Zaključak
Prijelaz energije iz jednog oblika u drugi je normalan, au nekim industrijama preduvjet za proces proizvodnje energije. U različitim slučajevima, potreba za uključivanjem ove faze može se objasniti ekonomskim, tehnološkim, ekološkim i drugim čimbenicima stvaranja resursa. Istodobno, unatoč raznolikosti prirodnih i umjetno organiziranih načina transformacije energije, velika većina instalacija koje osiguravaju transformacijske procese koristi se samo za električnu, toplinsku i mehanički rad. Najčešća su sredstva za pretvaranje električne energije. Električni strojevi koji omogućuju transformaciju mehaničkog rada u električnu energiju po principu indukcije, primjerice, koriste se u gotovo svim područjima gdje se radi o složenim tehničkim uređajima, sklopovima i uređajima. I taj trend se ne smanjuje, budući da je čovječanstvu potrebno stalno povećanje proizvodnje energije, što nas tjera da tražimo nove izvore primarne energije. Trenutačno se najperspektivnijim područjima u energetskom sektoru smatraju proizvodni sustavi istihstruja iz mehaničke energije koju proizvodi Sunce, vjetar i voda teče u prirodi.
