Pretvorba energije: opredelitev, vrste in proces prenosa

Zagotavljanje zadostne količine energije za potrebe človeštva je eden ključnih izzivov, s katerimi se sooča sodobna znanost. Zaradi vse večje porabe energije v procesih za ohranjanje osnovnih družbenih pogojev se ne le proizvodnja velikih količin energije, temveč tudi uravnotežena organizacija sistemov za distribucijo energije soočata z akutnimi težavami. Pri tem je tema pretvorbe energije ključnega pomena. Od tega procesa je odvisna stopnja proizvodnje uporabnega energetskega potenciala in raven stroškov za vzdrževanje tehnoloških operacij v okviru uporabljene infrastrukture.

Pregled tehnologije pretvorbe

Potreba po različnih oblikah energije je povezana z različnimi procesi, ki zahtevajo oskrbo z energijo. Toplota je potrebna za ogrevanje, mehanska energija za pogon strojev in svetloba za razsvetljavo. Električno energijo lahko imenujemo univerzalni vir energije, tako glede pretvorbe kot glede možnosti njene uporabe na različnih področjih. Kot vhodna energija se običajno uporabljajo naravni pojavi in umetno organizirani procesi, ki prispevajo k ustvarjanju enake toplote ali mehanske sile. V vsakem primeru je potrebna posebna vrsta opreme ali kompleksna tehnološka konstrukcija, ki načeloma omogoča pretvorbo energije v želeno obliko za končno ali vmesno porabo. Med nalogami pretvornika pa ni le pretvorba kot prenos energije iz ene oblike v drugo. Pogosto se s tem postopkom spremenijo tudi nekateri parametri energije, ne da bi se preoblikovala.

Preoblikovanje kot tako je lahko eno- ali večstopenjsko. Poleg tega se na primer delovanje sončnih generatorjev, ki uporabljajo fotokristalne celice, na splošno obravnava kot pretvorba svetlobne energije v električno energijo. Vendar je mogoče toplotno energijo, ki jo sonce odda zemlji zaradi ogrevanja, pretvoriti tudi v toplotno energijo. Geotermalni moduli so nameščeni na določeni globini v zemlji in s posebnimi vodniki polnijo zaloge energije. Pri preprosti shemi pretvorbe geotermalni sistem zagotavlja shranjevanje toplotne energije, ki se z osnovno pripravo v čisti obliki preda ogrevalni opremi. Kompleksna struktura uporablja toplotno črpalko v eni enoti s toplotnimi kondenzatorji in kompresorji, ki pretvarjajo toplotno in električno energijo.

Vrste pretvorbe električne energije

Za pridobivanje primarne energije iz naravnih pojavov obstajajo različne tehnološke metode. Hranilniki energije pa ponujajo še več možnosti za spreminjanje lastnosti in oblik energije, saj so shranjeni v obliki, ki jo je mogoče zlahka preoblikovati. К najpogostejše oblike Pretvorba energije vključuje sevanje, segrevanje, mehanske in kemične učinke. Najbolj zapleteni sistemi uporabljajo procese molekularne razgradnje in večstopenjske kemijske reakcije, ki združujejo več stopenj pretvorbe.

Izbira posebne metode pretvorbe je odvisna od pogojev, v katerih je proces organiziran, ter vrste začetne in končne energije. Med najpogostejšimi vrstami energije, ki so načeloma vključene v procese pretvorbe, so sevalna, mehanska, toplotna, električna in kemična energija. Ti viri se uspešno izkoriščajo vsaj v industriji in gospodinjstvih. Posebno pozornost si zaslužijo procesi posredne pretvorbe energije, ki izhajajo iz postopka. Metalurška proizvodnja na primer zahteva postopke ogrevanja in hlajenja, ki proizvajajo paro in toploto kot derivate, ne pa kot ciljne vire. V bistvu gre za odpadne proizvode iz recikliranja, ki se prav tako uporabljajo, preoblikujejo ali uporabljajo v istem podjetju.

Pretvorba toplotne energije

Eden najstarejših virov energije, ki je najpomembnejši za ohranjanje človeškega življenja in brez katerega si ni mogoče predstavljati življenja v sodobni družbi. V večini primerov se toplota pretvori v električno energijo, pri čemer ta preprosta shema pretvorbe ne zahteva nobenih vmesnih korakov. V termoelektrarnah ali jedrskih elektrarnah pa se glede na obratovalne pogoje uporaba pripravljalne faze s pretvorbo toplotne energije v mehansko, kar zahteva dodatne stroške. Termoelektrični generatorji se vse pogosteje uporabljajo za pretvorbo toplotne energije v električno energijo.

Sam proces pretvorbe poteka v posebni snovi, ki se zgoreva, ustvarja toploto in nato deluje kot vir za proizvodnjo električnega toka. Z drugimi besedami, termoelektrarne lahko obravnavamo kot vire energije z ničelnim ciklom, saj se njihovo delovanje začne, preden je na voljo osnovna toplotna energija. Glavni vir je gorivna celica - običajno mešanica plinov. Te se sežgejo, pri čemer se segreva kovinska plošča za razdeljevanje toplote. V procesu odvajanja toplote se energija pretvori s posebnim generatorskim modulom s polprevodniškimi materiali. Električni tok se ustvarja v hladilniku, ki je povezan s transformatorjem ali baterijo. Pri prvi različici je energija takoj na voljo potrošniku v končni obliki, pri drugi pa se shranjuje in dobavlja po potrebi.

Pridobivanje toplotne energije iz mehanske energije

Eden najpogostejših načinov pridobivanja energije s pretvorbo. Njegovo bistvo je v sposobnosti teles, da oddajajo toplotna energija med opravljanjem dela. To shemo pretvorbe energije v najpreprostejši obliki ponazarja primer dveh lesenih predmetov, ki se drgneta drug ob drugega in tako ustvarita ogenj. Vendar so za uporabo tega načela z otipljivimi praktičnimi koristmi potrebne posebne naprave.

V gospodinjstvih se mehanska pretvorba energije uporablja v sistemih za ogrevanje in oskrbo s toplo vodo. To so zapletene tehnične konstrukcije z magnetnim tokokrogom in nabitim jedrom, ki so povezane z zaprtimi električno prevodnimi tokokrogi. V delovni komori te zasnove so tudi grelne cevi, ki se segrevajo zaradi dela, ki ga opravlja pogon. Pomanjkljivost te rešitve je, da mora biti sistem priključen na električno omrežje.

V industriji se uporabljajo zmogljivejši pretvorniki s tekočim hladilnim sredstvom. Vir mehanskega dela je povezan z zaprtim rezervoarjem vode. Gibanje aktuatorjev (turbin, lopatic ali drugih strukturnih elementov) znotraj tokokroga ustvarja pogoje za nastanek vrtincev. To se zgodi v trenutkih hitrega upočasnjevanja lopatice. Poleg segrevanja se poveča tudi tlak, kar olajša kroženje vode.

Pretvorba elektromehanske energije

Večina sodobnih tehničnih enot deluje po načelih elektromehanike. Sinhroni in asinhroni stroji ter generatorji se uporabljajo v vozilih, obdelovalnih strojih, industrijskih inženirskih enotah in drugih pogonskih enotah za različne namene. Elektromehanski pretvorniki energije so zato uporabni tako za delovanje generatorja kot motorja, odvisno od tokovnih zahtev pogonskega sistema.

Na splošno si lahko vsak električni stroj predstavljamo kot sistem medsebojno premikajočih se, magnetno povezanih električnih tokokrogov. Ti pojavi vključujejo tudi histerezo, nasičenje, višje harmonske in magnetne izgube. Klasično pa jih lahko obravnavamo kot analogne električnim strojem le, če govorimo o dinamičnih načinih, ko sistem deluje v okviru energetske infrastrukture.

Elektromehanski sistem za pretvorbo energije temelji na načelu dvofaznih in trifaznih reakcij ter metodi vrtečega se magnetnega polja. rotor in stator motorja opravljata mehansko delo pod vplivom magnetnega polja. Glede na smer gibanja nabiti delci način delovanja - kot motor ali kot generator.

Proizvodnja električne energije iz kemične energije

Kumulativni kemični vir energije spada med tradicionalne, vendar metode pretvorbe zaradi okoljskih omejitev niso tako razširjene. Kemična energija v čisti obliki se skorajda ne uporablja - vsaj ne v obliki zgoščenih reakcij. Hkrati so naravni kemijski procesi povsod okoli nas v obliki visoko- ali nizkoenergijskih snopov, ki se pojavljajo na primer pri zgorevanju, ki ustvarja toploto. Kljub temu je kemična pretvorba energije v nekaterih primerih načrtno organizirana industrije. Običajno ustvarja pogoje za visokotehnološko izgorevanje v plazemskih generatorjih ali plinskih turbinah. Tipični reaktant teh procesov je gorivna celica, ki prispeva k proizvodnji električne energije. Z vidika učinkovitosti takšna pretvorba ni tako ugodna kot alternativni načini pridobivanja energije, saj se del koristne toplote odvede tudi v sodobnih plazemskih enotah.

Pretvorba sončne energije

Sončna toplotna obdelava bi lahko kmalu postala najbolj zaželena oblika proizvodnje energije. To je posledica dejstva, da lahko že danes vsak lastnik stanovanja teoretično kupi opremo za pretvorbo sončne energije v električno. Ključna značilnost tega procesa je brezplačno shranjevanje sončne svetlobe. Druga stvar je, da zaradi tega postopek ni popolnoma brezplačen. Najprej bodo nastali stroški za vzdrževanje sončne baterije. Drugič, generatorji te vrste niso poceni, zato je začetna naložba v organizacijo lastne mini energetske postaje še vedno nekaj, kar si lahko privoščijo.

Kaj je generator sončne energije?? Gre za sklop fotonapetostnih panelov, ki pretvarjajo energijo sončne svetlobe v električno energijo. Princip tega procesa je zelo podoben principu tranzistorja. Kot osnovni material za Silicij se na različne načine uporablja pri izdelavi fotonapetostnih celic. Naprava za pretvorbo sončne energije je lahko na primer poli- ali monokristalna. Druga možnost je boljša z vidika učinkovitosti, vendar je dražja. V obeh primerih je fotovoltaična celica osvetljena, kar aktivira elektrode in ustvarja elektrodinamične sile pri njihovem gibanju.

Pretvorba energije pare

Parne turbine se lahko uporabljajo v industriji kot metoda pretvorbe energije v sprejemljivo obliko ali kot samostojni generator električne energije ali toplote iz posebej usmerjenih tokov pogojnih plinov. Turbinski stroji niso edini, ki se uporabljajo kot pretvorniki električne energije v povezavi s parnimi generatorji, temveč so za ta proces optimalno izdelani z visokim izkoristkom. Najenostavnejša tehnična rešitev je turbina z lopaticami, na katero so priključene šobe z dovajano paro. Ko se lopatice premikajo, se elektromagnetna enota v aparatu vrti, opravlja mehansko delo in proizvaja tok.

Nekatere zasnove turbin imajo posebne razširitve v obliki stopenj, kjer se mehanska energija pare pretvori v kinetično energijo. Ta posebnost naprave ni toliko posledica interesa po povečanju učinkovitosti pretvorbe moči generatorja ali potrebe po generiranju natančnega kinetičnega potenciala, temveč možnosti prilagodljivega uravnavanja dela turbine. Ekspanzija v turbini zagotavlja nadzorno funkcijo, ki omogoča učinkovito in varno uravnavanje količine proizvedene energije. Delovno območje širjenja, ki je vključeno v postopek pretvorbe, se imenuje aktivna tlačna stopnja.

Načini prenosa energije

Načinov pretvarjanja energije ni mogoče obravnavati brez pojma prenosa. Doslej so bili razlikovani štirje načini interakcije med telesi, v katerem prenos energije - električne, gravitacijske, jedrske in šibke. Prenos se v tem kontekstu lahko obravnava tudi kot način izmenjave, zato se načeloma razlikuje med delom pri prenosu energije in funkcijo izmenjave toplote. Katera pretvorba energije vključuje delo? Tipičen primer je mehanska sila, ki premika makroskopska telesa ali posamezne delce teles v prostoru. Poleg mehanskih sil ločimo le magnetno in električno delo. Ključna enotna značilnost skoraj vseh vrst dela je zmožnost količinske pretvorbe energije med. To pomeni, da se električna energija pretvori v mehansko energijo, mehansko delo v magnetni potencial itd.д. Prenos toplote je prav tako pogost način prenosa energije. Lahko je neusmerjen ali kaotičen, vendar se v vsakem primeru mikroskopski delci gibljejo. Število aktiviranih delcev določa količino toplote - koristne toplote.

Zaključek

Prenos energije iz ene oblike v drugo je običajen in v nekaterih sektorjih nujen pogoj za proces proizvodnje energije. V različnih primerih je ta korak treba vključiti zaradi gospodarskih, tehnoloških, okoljskih ali drugih dejavnikov pridobivanja virov. Kljub raznolikosti naravnih in umetnih procesov pretvorbe energije se velika večina naprav, ki zagotavljajo procese pretvorbe, uporablja le za električno energijo, toploto in mehansko delo. Sredstva za pretvorbo električne energije so najpogostejša. Električni stroji, ki na primer z indukcijo pretvarjajo mehansko delo v električno energijo, se uporabljajo na skoraj vseh področjih, ki vključujejo zapletene tehnične naprave, stroje in aparate. Ta trend se ne zmanjšuje, saj mora človeštvo nenehno povečevati količino proizvedene energije, kar ga sili v iskanje novih virov primarne energije. Trenutno za najbolj perspektivne smeri v energetiki veljajo sistemi pridobivanja enake električne energije iz mehanske energije, ki jo proizvajajo sonce, veter in vodni tokovi v naravnem okolju.