Patenkinti žmonijos poreikius pakankamai energijos yra viena iš pagrindinių šiuolaikinio mokslo užduočių. Didėjant energijos suvartojimui procesuose, kuriais siekiama išlaikyti pagrindines visuomenės egzistavimo sąlygas, kyla opių problemų ne tik gaminant didelius energijos kiekius, bet ir subalansuotai organizuojant jos paskirstymo sistemas. Energijos konversijos tema šiame kontekste yra labai svarbi. Šis procesas nustato naudingosios energijos potencialo generavimo koeficientą, taip pat technologinių operacijų aptarnavimo kaštų lygį naudojamos infrastruktūros rėmuose.
Konvertuoti technologijų apžvalgą
Poreikis naudoti skirtingų rūšių energiją yra susijęs su procesų, kuriems reikia tiekimo išteklių, skirtumai. Šiluma reikalingašildymas, mechaninė energija - mechanizmų judėjimo galiai palaikyti, o šviesa - apšvietimui. Elektrą galima vadinti universaliu energijos š altiniu tiek pagal jos transformaciją, tiek pagal panaudojimo galimybes įvairiose srityse. Kaip pradinė energija dažniausiai naudojami gamtos reiškiniai, taip pat dirbtinai organizuoti procesai, prisidedantys prie tos pačios šilumos ar mechaninės jėgos susidarymo. Kiekvienu atveju reikalinga tam tikros rūšies įranga arba sudėtinga technologinė struktūra, kuri iš esmės leidžia energiją paversti tokia forma, kuri reikalinga galutiniam ar tarpiniam vartojimui. Be to, tarp keitiklio užduočių ne tik transformacija išsiskiria kaip energijos perkėlimas iš vienos formos į kitą. Dažnai šis procesas taip pat padeda pakeisti kai kuriuos energijos parametrus be jos transformacijos.
Transformacija pati savaime gali būti vienpakopė arba daugiapakopė. Be to, pavyzdžiui, saulės generatorių veikimas ant fotokristalinių elementų paprastai laikomas šviesos energijos pavertimu elektra. Tačiau tuo pat metu taip pat galima paversti šiluminę energiją, kurią Saulė duoda dirvožemiui kaitindama. Geoterminiai moduliai dedami tam tikrame gylyje į žemę ir per specialius laidininkus užpildo baterijas energijos atsargomis. Pagal paprastą konversijos schemą geoterminė sistema užtikrina šilumos energijos kaupimą, kuri gryna šildymo įrangai suteikiama su pagrindiniu paruošimu. Sudėtingoje struktūroje šilumos siurblys naudojamas vienoje grupėjesu šilumos kondensatoriais ir kompresoriais, kurie konvertuoja šilumą ir elektros energiją.
Elektros energijos konvertavimo tipai
Yra įvairių technologinių metodų, kaip išgauti pirminę energiją iš gamtos reiškinių. Tačiau dar daugiau galimybių keisti energijos savybes ir formas suteikia sukaupti energijos ištekliai, nes jie kaupiami transformacijai patogia forma. Labiausiai paplitusios energijos konversijos formos apima radiacijos, šildymo, mechaninio ir cheminio poveikio operacijas. Sudėtingiausiose sistemose naudojami molekulinio skilimo procesai ir kelių lygių cheminės reakcijos, kurios sujungia kelis transformacijos etapus.
Konkretaus transformacijos būdo pasirinkimas priklausys nuo proceso organizavimo sąlygų, pradinės ir galutinės energijos tipo. Tarp labiausiai paplitusių energijos rūšių, kurios iš esmės dalyvauja transformacijos procesuose, galima išskirti spinduliavimo, mechaninę, šiluminę, elektros ir cheminę energiją. Šie ištekliai bent jau sėkmingai naudojami pramonėje ir namų ūkiuose. Atskiro dėmesio nusipelno netiesioginiai energijos konversijos procesai, kurie yra tam tikros technologinės operacijos išvestiniai. Pavyzdžiui, metalurgijos gamyboje reikalingos šildymo ir vėsinimo operacijos, dėl kurių susidaro garai ir šiluma kaip dariniai, bet ne tiksliniai ištekliai. Iš esmės tai yra perdirbimo atliekos,kurie taip pat naudojami, transformuojami arba naudojami toje pačioje įmonėje.
Šilumos energijos konversija
Vienas seniausių pagal išsivystymą ir svarbiausių energijos š altinių žmogaus gyvybei palaikyti, be kurio neįsivaizduojamas šiuolaikinės visuomenės gyvenimas. Daugeliu atvejų šiluma paverčiama elektra, o paprasta tokio transformavimo schema nereikalauja tarpinių pakopų prijungimo. Tačiau šiluminėse ir atominėse elektrinėse, atsižvelgiant į jų eksploatavimo sąlygas, gali būti naudojamas paruošiamasis etapas su šilumos perkėlimu į mechaninę energiją, o tai reikalauja papildomų išlaidų. Šiandien tiesioginio veikimo termoelektriniai generatoriai vis dažniau naudojami šilumos energijai paversti elektros energija.
Pats transformacijos procesas vyksta specialioje medžiagoje, kuri sudeginama, išskiria šilumą ir vėliau veikia kaip srovės generavimo š altinis. Tai reiškia, kad termoelektriniai įrenginiai gali būti laikomi elektros energijos š altiniais su nuliniu ciklu, nes jie pradeda veikti dar prieš atsirandant bazinei šiluminei energijai. Kuro elementai, dažniausiai dujų mišiniai, yra pagrindinis išteklius. Jie sudeginami, dėl to įkaista šilumą paskirstanti metalinė plokštė. Šilumos šalinimo procese per specialų generatoriaus modulį su puslaidininkinėmis medžiagomis konvertuojama energija. Elektros srovę generuoja radiatoriaus blokas, prijungtas prie transformatoriaus arba akumuliatoriaus. Pirmoje versijoje energijaiš karto atitenka vartotojui gatavu pavidalu, o antruoju - kaupia ir atiduoda pagal poreikį.
Šiluminės energijos generavimas iš mechaninės energijos
Taip pat vienas iš labiausiai paplitusių būdų gauti energijos transformacijos metu. Jo esmė slypi kūnų gebėjime atiduoti šiluminę energiją atliekant darbą. Paprasčiausia ši energijos transformacijos schema parodyta dviejų medinių objektų trinties pavyzdžiu, dėl kurio kyla gaisras. Tačiau norint pasinaudoti šiuo principu su apčiuopiama praktine nauda, reikalingi specialūs įrenginiai.
Namų ūkiuose mechaninės energijos transformacija vyksta šildymo ir vandens tiekimo sistemose. Tai sudėtingos techninės konstrukcijos su magnetine grandine ir laminuota šerdimi, sujungta su uždaromis elektrai laidžiomis grandinėmis. Taip pat šios konstrukcijos darbinėje kameroje yra šildymo vamzdžiai, kurie šildomi veikiant darbui, atliekamam iš pavaros. Šio sprendimo trūkumas yra būtinybė prijungti sistemą prie elektros tinklo.
Pramonėje naudojami galingesni skysčiu aušinami keitikliai. Mechaninio darbo š altinis yra prijungtas prie uždarų vandens rezervuarų. Vykdomųjų organų (turbinų, mentių ar kitų konstrukcinių elementų) judėjimo procese grandinės viduje susidaro sąlygos sūkuriams susidaryti. Tai atsitinka staigiai stabdant ašmenis. Be šildymo, šiuo atveju padidėja ir slėgis, o tai palengvina procesusvandens cirkuliacija.
Elektromechaninės energijos konversija
Dauguma šiuolaikinių techninių mazgų veikia pagal elektromechanikos principus. Sinchroninės ir asinchroninės elektros mašinos ir generatoriai naudojami transporte, staklėse, pramonės inžineriniuose mazguose ir kitose įvairios paskirties elektrinėse. Tai yra, elektromechaniniai energijos konvertavimo tipai taikomi tiek generatoriaus, tiek variklio darbo režimams, atsižvelgiant į esamus pavaros sistemos reikalavimus.
Apibendrinta forma bet kuri elektros mašina gali būti laikoma tarpusavyje judančių magnetiškai sujungtų elektros grandinių sistema. Tokie reiškiniai taip pat apima histerezę, prisotinimą, aukštesnes harmonikas ir magnetinius nuostolius. Tačiau klasikiniu požiūriu jie gali būti priskirti elektros mašinų analogams tik tuo atveju, jei kalbame apie dinaminius režimus, kai sistema veikia energetikos infrastruktūroje.
Elektromechaninė energijos konvertavimo sistema yra pagrįsta dviejų reakcijų su dvifaziais ir trifaziais komponentais principu, taip pat sukimosi magnetinių laukų metodu. Variklių rotorius ir statorius atlieka mechaninį darbą veikiant magnetiniam laukui. Atsižvelgiant į įkrautų dalelių judėjimo kryptį, nustatomas veikimo režimas – kaip variklis arba generatorius.
Elektros generavimas iš cheminės energijos
Bendras cheminės energijos š altinis yra tradicinis, tačiau jo transformavimo būdai nėra tokie įprastidėl aplinkosaugos apribojimų. Pati cheminė energija gryna forma praktiškai nenaudojama – bent jau koncentruotų reakcijų pavidalu. Tuo pačiu metu natūralūs cheminiai procesai visur supa žmogų didelės arba mažos energijos jungtimis, kurios pasireiškia, pavyzdžiui, degimo metu, išsiskiriant šiluma. Tačiau kai kuriose pramonės šakose cheminės energijos konversija organizuojama tikslingai. Paprastai sudaromos sąlygos aukštųjų technologijų degimui plazmos generatoriuose arba dujų turbinose. Tipiškas šių procesų reagentas yra kuro elementas, kuris prisideda prie elektros energijos gamybos. Efektyvumo požiūriu tokios konversijos nėra tokios pelningos, lyginant su alternatyviais elektros gamybos būdais, nes dalis naudingosios šilumos išsklaido net šiuolaikiniuose plazminiuose įrenginiuose.
Saulės spinduliuotės energijos konversija
Kaip energijos konvertavimo būdas, saulės šviesos apdorojimo procesas artimiausiu metu gali tapti paklausiausiu energetikos sektoriuje. Taip yra dėl to, kad net ir šiandien kiekvienas namų savininkas teoriškai gali įsigyti įrangą, skirtą saulės energiją paversti elektros energija. Pagrindinis šio proceso bruožas yra tai, kad sukaupta saulės šviesa yra nemokama. Kitas dalykas yra tai, kad dėl to procesas nėra visiškai nemokamas. Pirma, išlaidos bus reikalingos saulės baterijų priežiūrai. Antra, patys tokio tipo generatoriai nėra pigūs, todėl pradinė investicija įNedaug žmonių gali sau leisti organizuoti savo mini energijos stotį.
Kas yra saulės energijos generatorius? Tai fotovoltinių plokščių rinkinys, paverčiantis saulės šviesos energiją į elektros energiją. Pats šio proceso principas daugeliu atžvilgių panašus į tranzistoriaus veikimą. Silicis naudojamas kaip pagrindinė medžiaga įvairių versijų saulės elementų gamybai. Pavyzdžiui, saulės energijos konvertavimo įtaisas gali būti polikristalinis ir monokristalinis. Antrasis variantas yra geresnis našumo požiūriu, tačiau yra brangesnis. Abiem atvejais apšviečiamas fotoelementas, kurio metu įjungiami elektrodai ir jų judėjimo procese susidaro elektrodinaminė jėga.
Garų energijos konvertavimas
Garo turbinos gali būti naudojamos pramonėje ir kaip būdas energiją paversti priimtina forma, ir kaip nepriklausomas elektros ar šilumos generatorius iš specialiai nukreiptų įprastų dujų srautų. Kaip elektros energijos konvertavimo įrenginiai kartu su garo generatoriais naudojamos toli gražu ne tik turbininės mašinos, tačiau jų konstrukcija yra optimaliai pritaikyta šiam procesui organizuoti labai efektyviai. Paprasčiausias techninis sprendimas – turbina su mentėmis, prie kurių prijungiami purkštukai su tiekiamais garais. Judant peiliams, sukasi elektromagnetinė instaliacija aparato viduje, atliekami mechaniniai darbai ir generuojama srovė.
Kai kurios turbinos turispecialūs pratęsimai laiptelių pavidalu, kai garo mechaninė energija paverčiama kinetine energija. Šią įrenginio savybę nulemia ne tiek generatoriaus energijos konversijos efektyvumo didinimo interesai ar būtinybė išvystyti būtent kinetinį potencialą, bet suteikiant galimybę lanksčiai reguliuoti turbinos darbą. Išsiplėtimas turbinoje suteikia valdymo funkciją, leidžiančią efektyviai ir saugiai reguliuoti generuojamos energijos kiekį. Beje, išplėtimo, kuris yra įtrauktas į konversijos procesą, darbo sritis vadinama aktyvaus slėgio stadija.
Energijos perdavimo būdai
Energijos transformavimo metodai negali būti svarstomi be jos perdavimo koncepcijos. Iki šiol yra keturi kūnų sąveikos būdai, kuriais perduodama energija – elektrinis, gravitacinis, branduolinis ir silpnasis. Perdavimas šiame kontekste taip pat gali būti laikomas mainų būdu, todėl iš esmės yra atskirtas energijos perdavimo darbų atlikimas ir šilumos perdavimo funkcija. Kokios energijos transformacijos apima darbą? Tipiškas pavyzdys – mechaninė jėga, kai erdvėje juda makroskopiniai kūnai arba atskiros kūnų dalelės. Be mechaninės jėgos, dar išskiriamas magnetinis ir elektrinis darbas. Pagrindinis beveik visų tipų darbus vienijantis bruožas yra galimybė visiškai kiekybiškai įvertinti jų pasikeitimą. Tai yra, elektra paverčiamamechaninė energija, mechaninis darbas į magnetinį potencialą ir kt. Šilumos perdavimas taip pat yra įprastas energijos perdavimo būdas. Jis gali būti nekryptinis arba chaotiškas, bet bet kuriuo atveju vyksta mikroskopinių dalelių judėjimas. Suaktyvintų dalelių skaičius lems šilumos kiekį – naudingąją šilumą.
Išvada
Energijos perėjimas iš vienos formos į kitą yra normalus, o kai kuriose pramonės šakose būtina energijos gamybos proceso sąlyga. Įvairiais atvejais būtinybė įtraukti šį etapą gali būti paaiškinta ekonominiais, technologiniais, aplinkos ir kitais išteklių generavimo veiksniais. Tuo pačiu metu, nepaisant natūralių ir dirbtinai organizuotų energijos transformavimo būdų įvairovės, didžioji dauguma transformacijos procesus užtikrinančių įrenginių yra naudojami tik elektros, šilumos ir mechaniniams darbams. Elektros energijos konvertavimo priemonės yra labiausiai paplitusios. Pavyzdžiui, elektros mašinos, kurios mechaninį darbą paverčia elektra pagal indukcijos principą, naudojamos beveik visose srityse, kuriose naudojami sudėtingi techniniai įrenginiai, mazgai ir įrenginiai. Ir ši tendencija nemažėja, nes žmonijai reikia nuolat didinti energijos gamybą, o tai verčia ieškoti naujų pirminės energijos š altinių. Šiuo metu perspektyviausiomis energetikos sektoriaus sritimis laikomos tos pačios gamybos sistemosgamtoje teka elektros energija iš mechaninės saulės, vėjo ir vandens.
