Omogućavanje potreba čovječanstva s dovoljno energije jedan je od ključnih zadataka sa kojima se susreće moderna nauka. U vezi sa povećanjem potrošnje energije u procesima koji imaju za cilj održavanje osnovnih uslova za postojanje društva, javljaju se akutni problemi ne samo u proizvodnji velikih količina energije, već iu uravnoteženoj organizaciji njenih distributivnih sistema. A tema konverzije energije je u ovom kontekstu od ključnog značaja. Ovim procesom se utvrđuje koeficijent stvaranja korisnog energetskog potencijala, kao i nivo troškova za servisiranje tehnoloških operacija u okviru korišćene infrastrukture.
Pregled tehnologije konverzije
Potreba za korištenjem različitih vrsta energije povezana je s razlikama u procesima koji zahtijevaju resurs za opskrbu. Toplina je potrebna zagrijanje, mehanička energija - za energetsku podršku kretanju mehanizama i svjetlo - za osvjetljenje. Električna energija se može nazvati univerzalnim izvorom energije kako u smislu njene transformacije tako iu pogledu mogućnosti primjene u različitim oblastima. Kao početna energija obično se koriste prirodne pojave, kao i vještački organizovani procesi koji doprinose stvaranju iste toplote ili mehaničke sile. U svakom slučaju potrebna je određena vrsta opreme ili složena tehnološka struktura, koja u principu omogućava pretvaranje energije u oblik potreban za krajnju ili međupotrošku. Štoviše, među zadacima pretvarača ne ističe se samo transformacija kao prijenos energije iz jednog oblika u drugi. Često ovaj proces služi i za promjenu nekih parametara energije bez njene transformacije.
Transformacija kao takva može biti jednostepena ili višestepena. Osim toga, na primjer, rad solarnih generatora na fotokristalnim ćelijama obično se smatra transformacijom svjetlosne energije u električnu. Ali istovremeno 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 provodnika pune baterije energetskim rezervama. U jednostavnoj šemi konverzije, geotermalni sistem obezbeđuje skladištenje toplotne energije, koja se osnovnom pripremom daje opremi za grejanje u svom čistom obliku. U složenoj strukturi, toplotna pumpa se koristi u jednoj grupisa toplotnim kondenzatorima i kompresorima koji obezbeđuju konverziju toplote i električne energije.
Vrste konverzije 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 pogodnom za transformaciju. Najčešći oblici pretvorbe energije uključuju operacije zračenja, grijanja, mehaničkih i hemijskih efekata. Najsloženiji sistemi koriste procese molekularnog raspada i hemijske reakcije na više nivoa koje kombinuju višestruke korake transformacije.
Izbor određene metode transformacije zavisiće od uslova organizacije procesa, vrste početne i konačne energije. Među najčešćim vrstama energije koje u principu sudjeluju u procesima transformacije mogu se izdvojiti radijacijska, mehanička, toplinska, električna i kemijska energija. U najmanju ruku, ovi resursi se uspješno eksploatišu u industriji i domaćinstvima. Posebnu pažnju zaslužuju indirektni procesi konverzije energije, koji su derivati određene tehnološke operacije. Na primjer, u okviru metalurške proizvodnje potrebne su operacije grijanja i hlađenja, zbog čega se para i toplina stvaraju kao derivati, ali ne i ciljni resursi. U suštini to su otpadni proizvodi prerade,koji se takođe koriste, transformišu ili koriste u okviru istog preduzeća.
Pretvorba toplotne energije
Jedan od najstarijih po razvoju i najvažnijih izvora energije za održavanje ljudskog života, bez kojeg je nemoguće zamisliti život savremenog 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 njihovog rada, može se koristiti pripremna faza s prijenosom toplinske u mehaničku energiju, što zahtijeva dodatne troškove. Danas se termoelektrični generatori direktnog djelovanja sve više koriste za pretvaranje toplotne energije u električnu.
Sam proces transformacije odvija se u posebnoj supstanci koja se sagoreva, oslobađa toplotu i posle toga deluje kao izvor struje. Odnosno, termoelektrične instalacije se mogu smatrati izvorima električne energije s nultim ciklusom, budući da njihov rad počinje i prije pojave bazne 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 sa poluvodičkim materijalima, energija se pretvara. Električnu struju stvara radijatorska jedinica spojena na transformator ili bateriju. U prvoj verziji, energijaodmah ide potrošaču u gotovom obliku, au drugom - akumulira i poklanja se po potrebi.
Generacija toplotne energije iz mehaničke energije
Također jedan od najčešćih načina za dobijanje energije kao rezultat transformacije. Njegova suština je u sposobnosti tijela da u procesu obavljanja posla daju toplinsku energiju. U svom najjednostavnijem obliku, ova shema transformacije energije prikazana je na primjeru trenja dva drvena predmeta, što rezultira požarom. Međutim, da bi se ovaj princip koristio sa opipljivim praktičnim koristima, potrebni su posebni uređaji.
U domaćinstvima se transformacija mehaničke energije odvija u sistemima grijanja i vodosnabdijevanja. Riječ je o složenim tehničkim strukturama s magnetskim krugom i laminiranim jezgrom povezanim sa zatvorenim električno vodljivim krugovima. 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 povezivanjem sistema na električnu mrežu.
Industrija koristi moćnije pretvarače hlađene tekućinom. Izvor mehaničkog rada povezan je sa zatvorenim rezervoarima za vodu. U procesu kretanja izvršnih tijela (turbina, lopatica ili drugih strukturnih elemenata), unutar strujnog kola stvaraju se uslovi za stvaranje vrtloga. To se dešava u trenucima oštrog kočenja lopatica. Osim zagrijavanja, u ovom slučaju se povećava i pritisak, što olakšava procesecirkulacija vode.
Pretvorba elektromehaničke energije
Većina modernih tehničkih jedinica radi na principima elektromehanike. Sinhrone i asinhrone električne mašine i generatori koriste se u transportu, alatnim mašinama, industrijskim postrojenjima i drugim elektranama različite namene. Odnosno, elektromehanički tipovi konverzije energije su primenljivi i na generatorske i na motorne režime rada, u zavisnosti od trenutnih zahteva pogonskog sistema.
U generalizovanom obliku, bilo koja električna mašina se može smatrati sistemom međusobno pokretnih magnetno spregnutih električnih kola. Takve pojave također uključuju histerezu, zasićenje, više harmonike i magnetne gubitke. Ali u klasičnom pogledu, oni se mogu pripisati analozima električnih mašina samo ako govorimo o dinamičkim režimima kada sistem radi u okviru energetske infrastrukture.
Sistem elektromehaničke konverzije energije zasniva se na principu dvije reakcije sa dvofaznim i trofaznim komponentama, kao i metodi rotirajućih magnetnih polja. Rotor i stator motora obavljaju mehanički rad pod uticajem magnetnog polja. U zavisnosti od smera kretanja naelektrisanih čestica, podešava se način rada - kao motor ili generator.
Proizvodnja električne energije iz hemijske energije
Ukupni hemijski izvor energije je tradicionalan, ali metode njegove transformacije nisu tako uobičajenezbog ekoloških ograničenja. Sama po sebi, kemijska energija u svom čistom obliku praktički se ne koristi - barem u obliku koncentrisanih reakcija. Istovremeno, prirodni hemijski procesi svuda okružuju osobu u obliku visoko- ili niskoenergetskih veza, koje se manifestuju, na primer, tokom sagorevanja sa oslobađanjem toplote. Međutim, konverzija hemijske energije je namjerno organizirana u nekim industrijama. Obično se stvaraju uslovi za visokotehnološko sagorevanje u plazma generatorima ili gasnim turbinama. Tipičan reaktant ovih procesa je gorivna ćelija, koja doprinosi proizvodnji električne energije. Sa stanovišta efikasnosti, takve konverzije nisu toliko isplative u poređenju sa alternativnim metodama proizvodnje električne energije, jer se deo korisne toplote rasipa čak iu savremenim plazma instalacijama.
Konverzija energije sunčevog zračenja
Kao način pretvaranja energije, proces prerade sunčeve svjetlosti u bliskoj budućnosti može postati najtraženiji u energetskom sektoru. To je zbog činjenice da i danas svaki vlasnik kuće teoretski može kupiti opremu za pretvaranje sunčeve energije u električnu energiju. Ključna karakteristika ovog procesa je da je akumulirana sunčeva svjetlost besplatna. Druga stvar je da ovo ne čini proces potpuno besplatnim. Prvo, troškovi će biti potrebni za održavanje solarnih baterija. Drugo, generatori ovog tipa sami po sebi nisu jeftini, pa je početno ulaganje uMalo ljudi može sebi priuštiti organiziranje vlastite mini-energetske stanice.
Šta je solarni generator? Ovo je set fotonaponskih panela koji pretvaraju energiju sunčeve svjetlosti u električnu energiju. Sam princip ovog procesa je na mnogo načina sličan radu tranzistora. Silicij se koristi kao glavni materijal za proizvodnju solarnih ćelija u različitim verzijama. Na primjer, uređaj za pretvaranje solarne energije može biti poli- i monokristalni. Druga opcija je poželjnija u smislu performansi, 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 se mogu koristiti u industriji i kao način transformacije energije u prihvatljiv oblik, i kao nezavisni generator električne ili toplotne energije iz posebno usmjerenih konvencionalnih tokova plina. Daleko od toga da se samo turbinske mašine koriste kao uređaji za pretvaranje električne energije u kombinaciji sa generatorima pare, ali njihov dizajn je optimalno prilagođen za organizaciju ovog procesa sa visokom efikasnošću. Najjednostavnije tehničko rješenje je turbina s lopaticama, na koju su spojene mlaznice s dovedenom parom. Kako se lopatice pomeraju, elektromagnetna instalacija unutar aparata se rotira, vrši se mehanički rad i stvara se struja.
Neki dizajni turbina imajuposebna proširenja u obliku stepenica, gdje se mehanička energija pare pretvara u kinetičku energiju. Ova karakteristika uređaja određena je ne toliko interesima povećanja efikasnosti konverzije energije generatora ili potrebom da se precizno razvije kinetički potencijal, koliko pružanjem mogućnosti fleksibilne regulacije rada turbine. Ekspanzija u turbini pruža kontrolnu funkciju koja omogućava efikasnu i sigurnu regulaciju količine proizvedene energije. Usput, radna površina ekspanzije, koja je uključena u proces konverzije, naziva se faza aktivnog pritiska.
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, pa su, u principu, razdvojeni izvođenje rada u prijenosu energije i funkcija prijenosa topline. Koje transformacije energije uključuju obavljanje posla? 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 karakteristika za gotovo sve vrste posla je sposobnost da se u potpunosti kvantifikuje transformacija između njih. To jest, električna energija se pretvara umehanička energija, mehanički rad u magnetni potencijal itd. Prijenos topline je također uobičajen način prijenosa energije. Može biti neusmjeren ili haotičan, ali u svakom slučaju dolazi do pomicanja mikroskopskih čestica. Broj aktiviranih čestica će odrediti količinu toplote - korisne toplote.
Zaključak
Prelazak energije iz jednog oblika u drugi je normalan, au nekim industrijama preduslov za proces proizvodnje energije. U različitim slučajevima, potreba za uključivanjem ove faze može se objasniti ekonomskim, tehnološkim, ekološkim i drugim faktorima stvaranja resursa. Istovremeno, uprkos raznovrsnosti prirodnih i veštački organizovanih načina transformacije energije, velika većina instalacija koje obezbeđuju procese transformacije koristi se samo za električnu energiju, toplotu i mehanički rad. Sredstva za pretvaranje električne energije su najčešća. Električne mašine koje omogućavaju transformaciju mehaničkog rada u električnu energiju po principu indukcije, na primer, koriste se u gotovo svim oblastima gde se radi o složenim tehničkim uređajima, sklopovima i uređajima. I ovaj trend se ne smanjuje, jer je čovječanstvu potrebno stalno povećanje proizvodnje energije, što nas tjera da tražimo nove izvore primarne energije. Trenutno se najperspektivnijim oblastima u energetskom sektoru smatraju proizvodni sistemi istihstruja iz mehaničke energije koju proizvodi Sunce, vjetar i voda teče u prirodi.
