Преобразуване на енергията: определение, видове и процес на трансфер

Осигуряването на достатъчно енергия за нуждите на човечеството е една от основните задачи пред съвременната наука. Поради нарастващото потребление на енергия за процесите, целящи поддържането на основните условия за обществото, не само производството на големи количества енергия, но и балансираната организация на системите за разпределение на енергия са изправени пред остри проблеми. И в този контекст темата за преобразуването на енергията е от основно значение. Скоростта на производство на полезен енергиен потенциал, както и разходите за поддържане на технологичните операции на използваната инфраструктура, зависят от този процес.

Преглед на технологията за преобразуване

Необходимостта от използване на различни видове енергия е свързана с разликите в процесите, които изискват суровина. Топлината е необходима за отопление, механичната енергия - за задвижване на машини, а светлината - за осветление. Електроенергията може да бъде описана като универсален източник на енергия, както по отношение на преобразуването й, така и по отношение на различните й приложения. Като входяща енергия обикновено се използват природни явления, както и изкуствено организирани процеси, които генерират една и съща топлина или механична сила. Всеки случай изисква специфичен вид оборудване или сложна технологична инсталация, която по принцип е в състояние да преобразува енергията в желаната форма за крайно или междинно потребление. Сред задачите на преобразувателя е не само трансформацията като прехвърляне на енергия от един вид в друг. Често този процес служи и за промяна на някои параметри на енергията без трансформация.

В този смисъл преобразуването може да бъде едноетапно или многоетапно. Освен това работата на слънчевите генератори, например на фотокристални клетки, обикновено се разглежда като преобразуване на светлинната енергия в електрическа. Възможно е също така да се преобразува топлинната енергия, която слънцето отдава на земята в резултат на нагряване. Геотермалните модули се монтират на определена дълбочина в земята и чрез специални проводници пълнят с енергия резервоарите за съхранение на енергия. При една проста схема на преобразуване геотермалната система осигурява съхранение на топлинна енергия, която се предоставя на отоплителното оборудване в чист вид с основна подготовка. В една сложна структура термопомпата се използва в група с топлинни кондензатори и компресори, които осигуряват преобразуване на топлина и електроенергия.

Видове преобразуване на електрическа енергия

Съществуват различни технологични методи за извличане на първична енергия от природни явления. Но още повече възможности за промяна на свойствата и формите на енергията предлагат съхранените енергийни ресурси, тъй като те се съхраняват във форма, която може лесно да се трансформира. К най-често срещаните форми Операциите за преобразуване на енергията могат да включват излъчване, нагряване, механични и химични ефекти. Най-сложните системи използват процеси на молекулярно разграждане и многостепенни химични реакции, които съчетават няколко етапа на преобразуване.

Изборът на конкретния метод на преобразуване зависи от условията на организация на процеса, вида на началната и крайната енергия. Сред най-често срещаните форми на енергия, които по принцип участват в процесите на преобразуване, са лъчистата, механичната, топлинната, електрическата и химическата енергия. Като минимум тези ресурси се използват успешно в промишлеността и домакинствата. Процесите на непряко преобразуване на енергията, които произтичат от определена технологична операция, заслужават специално внимание. В металургичното производство например са необходими операции по нагряване и охлаждане, които произвеждат пара и топлина като производни, но не и като целеви ресурси. По същество това са отпадъчни продукти от преработката, които също се използват, трансформират или оползотворяват в рамките на същото предприятие.

Преобразуване на топлинна енергия

Един от най-старите и най-важни източници на енергия за поддържане на човешкия живот, без който е невъзможно да си представим живота в съвременното общество. В повечето случаи топлината се преобразува в електричество - прост процес, който не изисква междинни стъпки. Въпреки това, в топлинните и ядрените електроцентрали, в зависимост от условията на работа, те могат да Етапът на подготовка се прилага с преобразуването на топлината в механична енергия, което изисква допълнителни разходи. Днес все по-често се използват термоелектрически генератори с директно действие за преобразуване на топлинна енергия в електрическа.

Самият процес на трансформация се извършва в специално вещество, което се изгаря, генерира топлина и впоследствие действа като генератор на ток. С други думи, термоелектрическите централи могат да се разглеждат като източници на енергия с нулев цикъл, тъй като работата им започва преди да е налична основната топлинна енергия. Основният ресурс е горивната клетка, обикновено газова смес. Те се изгарят, което води до нагряване на разсейваща топлината метална плоча. В процеса на отделяне на топлина чрез специален генераторен модул с полупроводникови материали енергията се преобразува. Електрическият ток се генерира от радиатор, свързан с трансформатор или батерия. В първия случай енергията е на разположение на потребителя веднага в готов вид, а във втория се съхранява и доставя според нуждите.

Генериране на топлинна енергия от механична енергия

Също така един от най-разпространените начини за получаване на енергия чрез преобразуване. Същността му се крие в способността на телата да отделят топлинна енергия в процеса на извършване на работа. Тази схема за преобразуване на енергията се илюстрира в най-простия си вид с пример за два дървени предмета, които се трият един в друг и по този начин създават огън. Прилагането на този принцип обаче изисква специални устройства, за да бъде той практически полезен.

В частните домакинства преобразуването на механичната енергия се извършва в системите за отопление и водоснабдяване. Това са сложни технически конструкции с магнитна верига и зарядно ядро, свързани със затворени електропроводими вериги. Във вътрешната камера на тази конструкция има и нагревателни тръби, които се нагряват от работата на задвижването. Недостатъкът на това решение е, че системата трябва да бъде свързана към електрическата мрежа.

В промишлеността се използват по-мощни конвертори с течен топлоносител. Източникът на механична работа е свързан със затворен резервоар за вода. Движението на задвижващите механизми (турбини, лопатки или други компоненти) създава условия за образуване на вихри във веригата. Това се случва в моментите на внезапно спиране на лопатките. Освен нагряването, в този случай се повишава и налягането, което улеснява процесите на циркулация на водата.

Електромеханично преобразуване на енергия

Повечето съвременни технически устройства работят на принципите на електромеханиката. Синхронни и асинхронни машини и генератори се използват в конвейерни системи, промишлени машини, инженерни агрегати и други енергийни устройства за различни приложения. Поради това електромеханичните преобразуватели на енергия са приложими както за работа с генератор, така и с двигател, в зависимост от изискванията за ток на задвижващата система.

Най-общо казано, всяка електрическа машина може да се разглежда като система от взаимно движещи се, магнитно свързани електрически вериги. Тези явления включват също хистерезис, насищане, висши хармоници и магнитни загуби. Но от класическа гледна точка те могат да се разглеждат като аналог на електрическите машини само ако са динамични и 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 и на метода на въртящите се магнитни полета. Роторът и статорът на двигателя извършват механична работа под въздействието на магнитното поле на. В зависимост от посоката на движение заредени частици режим на работа - като двигател или като генератор.

Производство на електроенергия от химическа енергия

Кумулативният химически енергиен източник е един от традиционните, но методите за преобразуване не са толкова разпространени поради екологични ограничения. Самата химическа енергия почти не се използва в чист вид - поне не под формата на концентрирани реакции. За разлика от тях, естествените химични процеси са навсякъде около нас под формата на високоенергийни или нискоенергийни пакети, като например производството на топлина чрез горене. Въпреки това химическото преобразуване на енергията е целенасочено организирано в някои индустрии. Обикновено създава условия за високотехнологично горене в плазмени генератори или газови турбини. Типичният реактив в тези процеси е горивната клетка, която допринася за производството на електрическа енергия. От гледна точка на ефективността тези преобразувания не са толкова изгодни, колкото алтернативните методи за производство на енергия, тъй като част от полезната топлина се разсейва дори в съвременните плазмени електроцентрали.

Преобразуване на слънчевата енергия

Като процес на преобразуване на енергията, обработката на слънчевата светлина може да се превърне в най-важния източник на енергия в близко бъдеще. Това е така, защото дори днес всеки собственик на жилище може теоретично да закупи оборудване за преобразуване на слънчевата енергия в електрическа. Основна характеристика на този процес е свободното натрупване на слънчева светлина. Друг е въпросът, че това не прави процеса напълно безплатен. На първо място, разходите ще бъдат за поддръжка слънчеви батерии. Второ, генераторите от този тип не са евтини, така че първоначалната инвестиция в организирането на собствена мини-енергийна станция все още може да си позволи няколко души.

Какво е генератор на слънчева енергия? Това е комплект от фотоволтаични панели, които преобразуват енергията на слънчевите лъчи в електричество. Принципът на този процес е много сходен с този на транзистора. Основните материал за за производството на фотоволтаични клетки е силиций в различни варианти. Например преобразувателите на слънчева енергия могат да бъдат поликристални или монокристални. Вторият вариант е по-добър от гледна точка на производителността, но е по-скъп. И в двата случая фотоелементът се осветява, което активира електродите и генерира електродинамична сила при движението им.

Преобразуване на енергията на парата

Парните турбини могат да се използват в промишлеността като метод за преобразуване на енергия в приемлива форма или като самостоятелен генератор на електроенергия или топлина от специално насочени условни газови потоци. Турбинните машини не са единствени в използването си като преобразуватели на електрическа енергия в комбинация с парогенератори, но са оптимално пригодени за този процес с висока ефективност. Най-простото техническо решение: турбина с лопатки, към която са свързани дюзите с подаваната пара. Когато лопатките се движат, електромагнитният блок в апарата се върти, извършвайки механична работа и генерирайки ток.

Някои конструкции турбини имат специални разширения под формата на стъпала, при които механичната енергия на парата се превръща в кинетична енергия. Тази особеност на устройството се дължи не толкова на интереса за повишаване на ефективността на преобразуване на енергията на генератора или на необходимостта да се генерира точно кинетичният потенциал, колкото на възможността за гъвкаво регулиране на турбината. Разширението на турбината осигурява контролна функция, която позволява ефективно и безопасно регулиране на количеството произведена енергия. Между другото, работната зона за разширяване, която се включва в процеса на преобразуване, се нарича активна фаза на налягането.

Начини за предаване на енергия

Начинът, по който се преобразува енергията, не може да се разглежда без понятието "пренос". Към днешна дата съществуват четири начина за взаимодействие между органите, в която се осъществява пренос на енергия - електрическа, гравитационна, ядрена и слаба. Предаването в този контекст може да се разглежда и като начин на обмен, поради което по принцип се прави разграничение между работата при преноса на енергия и функцията на топлообмен. Кое преобразуване на енергия включва извършване на работа? Типичен пример е механично усилие, при което макроскопични тела или отделни частици от тела се движат в пространството. В допълнение към механичните сили има и магнитна и електрическа работа. Основното обединяващо свойство за почти всички видове работа е способността за количествено и пълно преобразуване между тях. Тоест електричеството се превръща в механична енергия, механичната работа - в магнитен потенциал и т.н.д. Преносът на топлина също е често срещан начин за пренос на енергия. Тя може да бъде недиректна или хаотична, но и в двата случая микроскопичните частици се движат. Броят на активираните частици определя количеството топлина, полезната топлина.

Заключение

Превръщането на енергията от една форма в друга е нормално, а в някои отрасли и необходимо условие за процеса на производство на енергия. В различните случаи необходимостта от включването на този етап може да се дължи на икономически, технологични, екологични и други фактори за генериране на ресурси. Въпреки разнообразието от природни и изкуствени процеси на преобразуване на енергия, преобладаващата част от инсталациите, които осигуряват процесите на преобразуване, се използват само за електричество, топлина и механична работа. Съоръженията за преобразуване на електрическа енергия са дори най-разпространените. Електрическите машини, които преобразуват механичната работа в електричество чрез индукция, например, се използват в почти всички области, свързани със сложни технически инсталации, машини и уреди. И тази тенденция няма да намалее, тъй като нуждата на човечеството от все по-голямо производство на енергия стимулира търсенето на нови източници на първична енергия. Понастоящем най-обещаващите тенденции в производството на енергия са системите за производство на същата електроенергия от механичната енергия, произведена от слънцето, вятъра и водните течения в природата.