Pretvorba energije: definicija, vrste i proces prijenosa

Opskrba čovječanstva dovoljnom količinom energije jedan je od ključnih zadataka s kojima se suočava moderna znanost. U vezi s povećanjem potrošnje energije procesa usmjerenih na održavanje osnovnih uvjeta postojanja društva, pojavljuju se akutni problemi ne samo stvaranja velikih količina energije, već i uravnotežene organizacije sustava njegove distribucije. A tema pretvorbe energije ključna je u ovom kontekstu. Koeficijent proizvodnje korisnog energetskog potencijala, kao i razina troškova održavanja tehnoloških operacija unutar korištene infrastrukture, ovise o ovom procesu.

Opće informacije o tehnologiji pretvorbe

Potreba za korištenjem različitih vrsta energije povezana je s razlikama u procesima koji zahtijevaju izvor napajanja. Toplina je potrebna za grijanje, mehanička energija za potporu snage kretanju mehanizama, a svjetlost za osvjetljenje. Električna energija može se nazvati univerzalnim izvorom energije kako u smislu njegove transformacije, tako i u pogledu mogućnosti primjene u različitim područjima. Kao početna energija obično se koriste prirodni fenomeni, kao i umjetno organizirani procesi koji pogoduju stvaranju iste topline ili mehaničkog napora. U svakom je slučaju potrebna određena vrsta opreme ili složena tehnološka struktura, koja u načelu omogućuje pretvaranje energije u oblik potreban za konačnu ili srednju potrošnju. Štoviše, među zadacima pretvarača ne ističe se samo transformacija kao prijenos energije iz jedne vrste u drugu. Često ovaj postupak služi i 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 ćelijama obično se smatra transformacijom svjetlosne energije u električnu energiju. Ali istodobno je moguća i transformacija toplinske energije koju Sunce daje tlu kao rezultat zagrijavanja. Geotermalni moduli smješteni su na određenoj dubini u zemlji i pomoću posebnih vodiča pune baterije energetskim rezervama. U jednostavnoj shemi pretvorbe, geotermalni sustav osigurava skladištenje toplinske energije koja se daje opremi za grijanje u čistom obliku s osnovnom pripremom. Složena struktura uključuje toplinsku pumpu u jednoj skupini s kondenzatorima topline i kompresorima koji osiguravaju pretvorbu topline i električne energije.

Vrste pretvorbe električne energije

Postoje različite tehnološke metode za izdvajanje primarne energije iz prirodnih prirodnih pojava. Ali akumulirani energetski resursi pružaju još više mogućnosti za promjenu svojstava i oblika energije, jer se pohranjuju u obliku prikladnom za transformaciju. K najčešći oblici pretvorbe energije mogu se pripisati operacijama zračenja, grijanja, mehaničkog i kemijskog djelovanja. U najsloženijim sustavima koriste se procesi molekularnog raspada i kemijske reakcije na više razina, u kojima se kombinira nekoliko koraka transformacije.

Izbor određene metode transformacije ovisit će o uvjetima organizacije procesa, vrsti početne i konačne energije. Među najčešćim vrstama energije koje su u principu uključene u procese transformacije mogu se razlikovati Zračna, mehanička, toplinska, električna i kemijska energija. U najmanju ruku, ti se resursi uspješno iskorištavaju u industriji i kućanstvu. Posebnu pozornost treba posvetiti neizravnim procesima pretvorbe energije, koji su derivati određene tehnološke operacije. Na primjer, u okviru metalurške proizvodnje potrebno je izvršiti operacije grijanja i hlađenja, što rezultira proizvodnjom pare i topline kao derivata, ali ne i ciljanih resursa. U osnovi, to su otpadni proizvodi za preradu koji također pronalaze primjenu, podvrgavaju se transformaciji ili upotrebi unutar istog poduzeća.

Pretvorba toplinske energije

Jedan od najstarijih u smislu razvoja i najvažnijih energetskih izvora za održavanje ljudskog života, bez kojih je nemoguće zamisliti život modernog društva. U većini slučajeva toplina se pretvara u električnu energiju, a jednostavna shema takve transformacije ne zahtijeva povezivanje međufaza. Međutim, u termoelektranama i nuklearnim elektranama, ovisno o njihovim radnim uvjetima, može primijenite fazu pripreme s pretvorbom toplinske u mehaničku energiju, što zahtijeva dodatne troškove. Danas se termoelektrični generatori s izravnim djelovanjem sve više koriste za pretvaranje toplinske energije u električnu energiju.

Sam proces transformacije odvija se u posebnoj tvari koja se sagorijeva, oslobađa toplinu i dalje djeluje kao izvor stvaranja struje. Odnosno, termoelektrična postrojenja mogu se smatrati izvorima električne energije s nultim ciklusom, jer se njihov rad pokreće i prije pojave osnovne toplinske energije. Kao glavni resurs djeluju gorivne ćelije – obično mješavine plina. Oni se spaljuju, što rezultira zagrijavanjem metalne ploče za distribuciju topline. U procesu uklanjanja topline kroz poseban modul generatora s poluvodičkim materijalima dolazi do pretvorbe energije. Električnu struju generira radijatorska jedinica spojena na transformator ili bateriju. U prvoj verziji energija odmah teče potrošaču u gotovom obliku, a u drugoj se akumulira i daje po potrebi.

Stvaranje toplinske energije iz mehaničke

Također jedan od najčešćih načina dobivanja energije pretvorbom. Njegova suština leži u sposobnosti tijela da daju toplinska energija u procesu obavljanja posla. U svom najjednostavnijem obliku, ova shema transformacije energije pokazuje primjer trenja dvaju drvenih predmeta, što rezultira vatrom. Međutim, za korištenje ovog načela s opipljivom praktičnom korisnošću potrebni su posebni uređaji.

U kućanstvu se pretvorba mehaničke energije odvija u sustavima grijanja i vodoopskrbe. To su složeni tehnički dizajni s magnetskim krugom i napunjenom jezgrom spojenom na zatvorene električno vodljive krugove. Također, unutar radne komore ovog dizajna prolaze cijevi za grijanje, koje se zagrijavaju pod djelovanjem izvedenog rada iz pogona. Nedostatak ovog rješenja je potreba za povezivanjem sustava na električnu mrežu.

U industriji se koriste snažniji pretvarači s tekućim rashladnim sredstvom. Izvor mehaničkog rada spojen je na zatvorene spremnike vode. U procesu kretanja aktuatora (turbina ,lopatica ili drugih strukturnih elemenata) unutar kruga stvaraju se uvjeti za vrtloženje. To se događa u trenucima naglog kočenja lopatica. Osim zagrijavanja, u ovom slučaju raste i tlak, što olakšava procese cirkulacije vode.

Pretvorba elektromehaničke energije

Većina modernih tehničkih jedinica radi na principima elektromehanike. Sinkroni i asinkroni električni strojevi i generatori koriste se u transportu, alatnoj opremi, industrijskim inženjerskim jedinicama i drugim elektranama za različite namjene. Odnosno, elektromehaničke vrste pretvorbe energije primjenjive su i na generatorske i na pogonske načine rada, ovisno o trenutnim zahtjevima pogonskog sustava.

Općenito, bilo koji električni stroj može se smatrati sustavom međusobno pomičnih magnetski spojenih električnih krugova. Slični fenomeni uključuju i histerezu, zasićenje, više harmonike i magnetske gubitke. Ali u klasičnom pogledu moguće ih je pripisati analogima električnih strojeva samo ako govorimo o dinamičkim načinima rada, kada sustav radi u okviru energetske infrastrukture.

Elektromehanički sustav 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 vožnje nabijenih čestica postavljen je način rada-kao motor ili generator.

Stvaranje električne energije iz kemijske energije

Kumulativni kemijski izvor energije je tradicionalan, ali metode njegove transformacije nisu toliko česte zbog ekoloških ograničenja. Sama 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 ligamenata, koji se očituju, na primjer, Gorenje s oslobađanjem topline. Međutim, pretvorba kemijske energije namjerno je organizirana u nekim industrije. Obično se stvaraju uvjeti za visokotehnološko gorenje u plazma generatorima ili plinskim turbinama. Tipični reagens ovih procesa je Gorivna ćelija, koja doprinosi proizvodnji električne energije. S gledišta učinkovitosti, takve transformacije nisu toliko profitabilne u usporedbi s alternativnim metodama proizvodnje električne energije, jer se dio korisne topline rasipa čak i u modernim plazma instalacijama.

Pretvorba energije sunčevog zračenja

Kao način pretvaranja energije, proces obrade sunčeve svjetlosti u bliskoj budućnosti može postati najpopularniji u energetskom sektoru. To je zbog činjenice da čak i danas svaki vlasnik kuće teoretski može kupiti opremu za pretvaranje solarne energije u električnu energiju. Ključna značajka ovog postupka je besplatna akumulirana sunčeva svjetlost. Druga stvar je da to ne čini proces potpuno bez troškova. Prvo, troškovi će biti potrebni za održavanje solarne baterije. Drugo, sami generatori ove vrste nisu jeftini, pa si malo tko još može priuštiti početno ulaganje u organizaciju vlastite mini elektrane.

Što je solarni generator energije? To je skup fotonaponskih panela koji izvode pretvorbu energije sunčevih zraka u električnu energiju. Sam princip ovog postupka u mnogočemu je sličan radu tranzistora. Kao glavni materijal za izrada fotoćelija koristi silicij u različitim verzijama. Na primjer, uređaj za pretvorbu sunčeve energije može biti poli-i monokristalni. Druga je opcija poželjnija za radne karakteristike, ali je skuplja. U oba slučaja dolazi do osvjetljenja fotoćelije, u kojem se aktiviraju elektrode i tijekom njihovog kretanja stvara se elektrodinamička sila.

Pretvorba parne energije

Parne turbine mogu se koristiti u industriji kao način pretvaranja energije u prihvatljiv oblik i kao neovisni generator električne energije ili topline iz posebno usmjerenih struja konvencionalnog plina. Daleko od toga da se samo turbinski strojevi koriste kao uređaji za pretvaranje električne energije u sastavu s parnim generatorima, ali njihov je dizajn optimalan za organiziranje ovog procesa s visokom učinkovitošću. Najjednostavnije tehničko rješenje je turbina s lopaticama na koju su spojene mlaznice s opskrbljenom parom. Kako se lopatice kreću, elektromagnetska instalacija se okreće unutar uređaja, izvodi se mehanički rad i stvara se struja.

Neki dizajni turbina imaju posebna proširenja u obliku stupnjeva, gdje se mehanička energija pare pretvara u kinetičku. Ova značajka uređaja nije posljedica toliko interesa za povećanje performansi pretvorbe energije generatora ili potrebe za razvojem kinetičkog potencijala, već osiguravanjem mogućnosti fleksibilne regulacije rada turbine. Proširenje u turbini osigurava upravljačku funkciju, što omogućuje učinkovitu i sigurnu regulaciju količine proizvedene energije. Usput, radno područje ekspanzije, koje je uključeno u proces transformacije, naziva se aktivni stupanj tlaka.

Načini prijenosa energije

Metode transformacije energije ne mogu se razmatrati bez koncepta njezinog prijenosa. Do danas se razlikuju četiri načina interakcije tijela, pod kojim postoji prijenos energije-električni, gravitacijski, nuklearni i slabi. Prijenos se u ovom kontekstu može smatrati i metodom razmjene, stoga su u osnovi odvojeni rad tijekom prijenosa energije i funkcija izmjene topline. Koje energetske transformacije uključuju rad? Tipičan primjer je mehanička sila u kojoj se makroskopska tijela ili pojedinačne čestice tijela pomiču u prostoru. Osim mehaničke sile, razlikuju se i magnetski i električni rad. Ključno objedinjujuće svojstvo za gotovo sve vrste poslova je sposobnost potpune kvantitativne transformacije među sobom. Odnosno, električna energija se pretvara u mehaničku energiju, mehanički rad u magnetski potencijal itd.d. Prijenos topline je također uobičajen način prijenosa energije. Može biti neusmjereno ili kaotično, ali u svakom slučaju dolazi do kretanja mikroskopskih čestica. Broj aktiviranih čestica odredit će volumen topline-korisnu toplinu.

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, okolišnim i drugim čimbenicima stvaranja resursa. Štoviše, unatoč raznolikosti prirodnih i umjetno organiziranih metoda transformacije energije, velika većina instalacija koje pružaju procese transformacije koriste se samo za električnu energiju, toplinu i mehanički rad. Sredstva za pretvaranje električne energije su najčešća. Električni strojevi koji omogućuju transformaciju mehaničkog rada u električnu energiju prema principu indukcije, na primjer, koriste se u gotovo svim područjima gdje se koriste složeni tehnički uređaji, sklopovi i uređaji. I taj se trend ne smanjuje, jer čovječanstvo treba stalno povećavati količinu proizvodnje energije, što nas tjera da tražimo nove izvore primarne energije. Trenutno se najperspektivnija područja u energetici smatraju sustavima za proizvodnju iste električne energije iz mehaničke energije koju proizvode sunce, vjetar i struje vode u prirodnoj prirodi.