Przemiana energii: definicja, rodzaje i proces przekazywania

Zapewnienie potrzebom ludzkości wystarczającej ilości energii jest jednym z kluczowych wyzwań stojących przed współczesną nauką. Ze względu na coraz bardziej energochłonne procesy związane z utrzymaniem podstawowych warunków życia społeczeństwa, należy nie tylko wytwarzać duże ilości energii, ale także w sposób zrównoważony organizować systemy dystrybucji. A temat konwersji energii ma w tym kontekście kluczowe znaczenie. Od tego procesu zależy generowanie potencjału energii użytecznej, jak również koszty utrzymania operacji technologicznych użytkowanej infrastruktury.

Przegląd technologii konwersji

Zapotrzebowanie na różne rodzaje energii ma związek z różnymi procesami, które wymagają dostarczenia energii. Ciepło jest potrzebne do ogrzewania, energia mechaniczna do zasilania maszyn, a światło do oświetlenia. Energię elektryczną można nazwać uniwersalnym źródłem energii zarówno pod względem jej konwersji, jak i możliwości jej zastosowania w różnych sferach. Jako energię wejściową wykorzystuje się zwykle zjawiska naturalne, jak również sztucznie zorganizowane procesy, które generują to samo ciepło lub siłę mechaniczną. Każdy przypadek wymaga szczególnego rodzaju urządzeń lub złożonego układu technologicznego, zdolnego w zasadzie do przekształcenia energii w pożądaną formę w celu zużycia końcowego lub pośredniego. Zadaniem konwertera jest nie tylko przekształcenie energii z jednej formy w drugą. Często proces ten służy również do zmiany niektórych parametrów energetycznych bez transformacji.

Transformacja jako taka może być jedno- lub wieloetapowa. Ponadto działanie generatorów słonecznych na przykład na ogniwach fotokrystalicznych jest ogólnie traktowane jako przekształcanie energii świetlnej w elektryczną. Ale możliwe jest również przekształcenie energii cieplnej, którą słońce oddaje do ziemi w wyniku ogrzewania. Moduły geotermalne są instalowane na określonej głębokości w ziemi i wypełniają magazyny energii specjalnymi przewodami. W prostym schemacie konwersji system geotermalny zapewnia akumulację energii cieplnej, która jest oddawana do systemu grzewczego w czystej postaci z podstawowym przygotowaniem. W złożonej konstrukcji zastosowano pompę ciepła w grupie ze skraplaczami ciepła i sprężarkami, które zapewniają konwersję ciepła i energii elektrycznej.

Rodzaje konwersji energii elektrycznej

Istnieją różne metody technologiczne pozyskiwania energii pierwotnej ze zjawisk naturalnych. Ale jeszcze większe możliwości zmiany właściwości i form energii dają zmagazynowane zasoby energii, ponieważ są one przechowywane w formie, która może być łatwo przekształcona. К najczęstsze formy przemiany energii można przypisać działaniom promieniowania, ogrzewania, efektów mechanicznych i chemicznych. Najbardziej złożone systemy wykorzystują procesy rozkładu molekularnego i wielopoziomowe reakcje chemiczne, które łączą kilka etapów transformacji.

Wybór konkretnej metody przemiany będzie zależał od warunków, w jakich organizowany jest proces oraz od rodzaju energii początkowej i końcowej. Najpopularniejsze rodzaje energii, które z zasady biorą udział w procesach konwersji, to energia promieniowania, mechaniczna, termiczna, elektryczna i chemiczna. W minimalnym stopniu zasoby te są z powodzeniem wykorzystywane w przemyśle i gospodarstwach domowych. Na szczególną uwagę zasługują procesy pośredniej konwersji energii, które wywodzą się z operacji procesowej. Na przykład produkcja metalurgiczna wymaga operacji ogrzewania i chłodzenia, które wytwarzają parę i ciepło jako pochodne, ale nie jako zasoby docelowe. W istocie są to odpady rafineryjne, które są również używane, przekształcane lub wykorzystywane w tej samej instalacji.

Przekształcanie energii cieplnej

Jedno z najstarszych i najważniejszych źródeł energii z punktu widzenia podtrzymania życia człowieka, bez którego nie można sobie wyobrazić życia w nowoczesnym społeczeństwie. W większości przypadków ciepło jest przekształcane w energię elektryczną, jest to prosty proces, który nie wymaga połączenia etapów pośrednich. Jednak w elektrowniach cieplnych i jądrowych, w zależności od warunków ich pracy, może są wykorzystywane w fazie przygotowawczej Z konwersją z ciepła na energię mechaniczną, która wymaga dodatkowych kosztów. Obecnie generatory termoelektryczne są coraz częściej wykorzystywane do przetwarzania energii cieplnej na energię elektryczną.

Sam proces przemiany odbywa się w specjalnej substancji, która jest spalana, wytwarza ciepło i później działa jako źródło wytwarzania prądu. Innymi słowy, elektrownie termoelektryczne można uznać za źródła energii o cyklu zerowym, ponieważ ich praca rozpoczyna się przed uzyskaniem podstawowej energii cieplnej. Podstawowym zasobem jest ogniwo paliwowe, najczęściej mieszanka gazowa. Są one spalane, co powoduje nagrzewanie się metalowej płyty rozprowadzającej ciepło. W procesie odprowadzania ciepła energia jest przekształcana przez specjalny moduł generatora z materiałami półprzewodnikowymi. Prąd elektryczny jest wytwarzany przez układ grzejników połączonych z transformatorem lub akumulatorem. W pierwszym przypadku energia jest dostępna natychmiast dla odbiorcy w postaci gotowej do wykorzystania, w drugim zaś jest magazynowana i dostarczana w miarę potrzeb.

Wytwarzanie energii cieplnej z energii mechanicznej

Również jeden z najpowszechniejszych sposobów wytwarzania energii poprzez konwersję. Jego istota polega na zdolności ciał do wydzielania energia cieplna w trakcie wykonywania pracy. Ten schemat konwersji energii w najprostszej formie ilustruje przykład dwóch drewnianych przedmiotów pocierających się o siebie w celu wytworzenia ognia. Aby jednak wykorzystać tę zasadę w sposób praktyczny, potrzebne są specjalne urządzenia, które umożliwią jej działanie.

W gospodarstwach domowych mechaniczna konwersja energii ma miejsce w systemach ogrzewania i zaopatrzenia w wodę. Są to złożone konstrukcje techniczne z obwodem magnetycznym i rdzeniem ładunkowym połączonym z zamkniętymi obwodami elektrycznymi. Wewnątrz komory roboczej tej konstrukcji znajdują się również rury grzewcze, które są ogrzewane przez pracę wykonywaną przez napęd. Wadą tego rozwiązania jest to, że system musi być podłączony do sieci elektrycznej.

W przemyśle stosowane są bardziej wydajne konwertery z ciekłym nośnikiem ciepła. Źródło pracy mechanicznej jest podłączone do zamkniętych zbiorników wodnych. W poruszających się w obwodzie siłownikach (turbinach, łopatkach lub innych elementach) powstają warunki do tworzenia się wirów. dzieje się tak, gdy łopatki są gwałtownie hamowane. Oprócz ciepła powoduje to wzrost ciśnienia, które ułatwia cyrkulację wody.

Elektromechaniczna konwersja energii

Większość nowoczesnych systemów technicznych działa na zasadach elektromechaniki. Maszyny i generatory synchroniczne i asynchroniczne są stosowane w pojazdach, obrabiarkach, jednostkach inżynierii przemysłowej i innych jednostkach mocy do różnych zastosowań. Oznacza to, że elektromechaniczna konwersja energii ma zastosowanie zarówno w przypadku pracy z generatorem, jak i silnikiem, w zależności od aktualnych wymagań układu napędowego.

W uogólnionej formie każda maszyna elektryczna może być uważana za układ wzajemnie poruszających się, sprzężonych magnetycznie obwodów elektrycznych. Zjawiska te obejmują również histerezę, nasycenie, wyższe harmoniczne i straty magnetyczne. Ale klasycznie można je uznać za analogiczne do maszyn elektrycznych tylko wtedy, gdy są dynamiczne, tzn. działają w ramach infrastruktury energetycznej.

Układ elektromechanicznej konwersji energii oparty jest na zasadzie dwóch reakcji ze składnikami dwu- i trójfazowymi oraz na metodzie wirujących pól magnetycznych. Wirnik i stojan silnika są wzbudzane magnetycznie w celu wykonania pracy mechanicznej. W zależności od kierunku jazdy naładowane cząstki sposób działania - jako silnik lub jako generator.

Wytwarzanie energii elektrycznej z energii chemicznej

Kumulacyjne chemiczne źródło energii jest jednym z tradycyjnych, ale metody jego konwersji nie są tak powszechne ze względu na ograniczenia środowiskowe. Sama energia chemiczna prawie nigdy nie jest wykorzystywana w czystej postaci, przynajmniej nie w postaci reakcji skoncentrowanych. Jednocześnie wokół nas zachodzą naturalne procesy chemiczne w postaci wiązek wysoko lub niskoenergetycznych, które przejawiają się np. w spalaniu generującym ciepło. Jednak chemiczna konwersja energii jest celowo zorganizowana w niektórych branże. Warunki są zwykle tworzone dla zaawansowanego technologicznie spalania w generatorach plazmowych lub turbinach gazowych. Typowym reagentem dla tych procesów jest ogniwo paliwowe, które przyczynia się do wytwarzania energii elektrycznej. Pod względem sprawności takie konwersje nie są tak korzystne jak alternatywne metody wytwarzania energii, ponieważ część ciepła użytecznego jest rozpraszana nawet w nowoczesnych generatorach plazmowych.

Konwersja energii promieniowania słonecznego

Jako metoda konwersji energii, przetwarzanie światła słonecznego może wkrótce stać się najbardziej popularne w przemyśle energetycznym. Wynika to z faktu, że nawet dzisiaj każdy właściciel domu mógłby teoretycznie kupić sprzęt do przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną. Kluczową cechą tego procesu jest to, że zgromadzone światło słoneczne jest wolne. Inną sprawą jest to, że nie czyni to procesu całkowicie bezkosztowym. Po pierwsze, koszty byłyby wymagane dla konserwacja baterie słoneczne. Po drugie, same generatory są drogie, więc na początkową inwestycję w zorganizowanie własnej mini-stacji energetycznej wciąż niewielu może sobie pozwolić.

Co to jest generator energii słonecznej? Jest to zestaw paneli fotowoltaicznych, dokonujący zamiany energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Zasada działania tego procesu jest bardzo podobna do zasady działania tranzystora. Jako podstawowy materiał dla Krzem jest wykorzystywany do produkcji ogniw fotowoltaicznych na różne sposoby. Na przykład konwertery energii słonecznej mogą być poli- lub monokrystaliczne. Drugi wariant jest korzystniejszy pod względem wydajności, ale jest droższy. W obu przypadkach ogniwo fotowoltaiczne jest oświetlane, aktywując elektrody i generując siły elektrodynamiczne w procesie.

Konwersja energii pary wodnej

Turbiny parowe mogą być stosowane w przemyśle zarówno jako sposób przekształcania energii w akceptowalną formę, jak również jako samodzielny generator energii elektrycznej lub ciepła ze specjalnie ukierunkowanych strumieni gazów warunkowych. Maszyny turbinowe nie są bynajmniej stosowane wyłącznie jako przetworniki energii elektrycznej w połączeniu z wytwornicami pary, ale ich konstrukcja jest idealnie dostosowana do organizacji tego procesu z wysokim stopniem sprawności. Najprostszym rozwiązaniem technicznym jest turbina z łopatkami, do której podłączone są dysze z dostarczaną parą. Podczas ruchu łopatek jednostka elektromagnetyczna wewnątrz maszyny obraca się, wykonując pracę mechaniczną i wytwarzając prąd.

Niektóre konstrukcje turbin mają specjalne rozprężenia w postaci stopni, w których energia mechaniczna pary jest zamieniana na energię kinetyczną. Cecha ta jest nie tyle motywowana zainteresowaniem sprawnością konwersji czy potrzebą generowania energii kinetycznej, co pozwala na elastyczną regulację pracy turbiny. Rozszerzenie w turbinie oferuje funkcję sterowania, która pozwala na efektywną i bezpieczną regulację ilości wytwarzanej energii. Przy okazji, zakres roboczy rozprężania, który jest uwzględniony w procesie konwersji, nazywany jest stopniem ciśnienia czynnego.

Sposoby przekazywania energii

Sposoby przemiany energii nie mogą być rozpatrywane bez pojęcia transferu energii. Do tej pory wyróżnia się cztery sposoby oddziaływania ciał, w którym następuje transfer energii, - elektrycznej, grawitacyjnej, jądrowej i słabej. Przekazanie w tym kontekście może być również traktowane jako metoda wymiany, dlatego zasadniczo wyróżnia się pracę przy przekazywaniu energii i funkcję przekazywania ciepła. Jakie przemiany energii wiążą się z pracą? Typowym przykładem jest siła mechaniczna, która porusza w przestrzeni ciała makroskopowe lub pojedyncze cząstki ciał. Oprócz siły mechanicznej wyróżnia się również pracę magnetyczną i elektryczną. Kluczową właściwością jednoczącą niemal wszystkie rodzaje prac jest zdolność do pełnego ilościowego przekształcania się. Czyli energia elektryczna jest przekształcana w energię mechaniczną, praca mechaniczna w potencjał magnetyczny itd.д. Wymiana ciepła jest również powszechnym sposobem przekazywania energii. Może być bezkierunkowy lub chaotyczny, ale w każdym przypadku występuje ruch mikroskopijnych cząstek. Ilość aktywowanych cząstek określi ilość ciepła - ciepła użytkowego.

Wniosek

Przekazywanie energii z jednej formy do drugiej jest normalnym, a w niektórych branżach koniecznym warunkiem procesu wytwarzania energii. W różnych przypadkach konieczność uwzględnienia tego etapu może być tłumaczona czynnikami ekonomicznymi, technologicznymi, ekologicznymi i innymi czynnikami związanymi z wytwarzaniem zasobów. Pomimo różnorodności naturalnych i stworzonych przez człowieka procesów przemiany energii, zdecydowana większość instalacji zapewniających procesy przemiany jest wykorzystywana jedynie do produkcji energii elektrycznej, ciepła i pracy mechanicznej. Pomoce do przetwarzania energii elektrycznej są najbardziej rozpowszechnione w ogóle. Maszyny elektryczne, które przetwarzają pracę mechaniczną na energię elektryczną na przykład przez indukcję, są wykorzystywane w prawie wszystkich zastosowaniach dotyczących złożonych urządzeń technicznych, agregatów i sprzętu. A tendencja ta nie maleje, gdyż ludzkość musi stale zwiększać produkcję energii, co zmusza nas do poszukiwania nowych źródeł energii pierwotnej. Obecnie za najbardziej obiecujące trendy w energetyce uważa się systemy wytwarzania tej samej energii elektrycznej z energii mechanicznej wytwarzanej przez słońce, wiatr i przepływ wody w przyrodzie.