Η παροχή αρκετής ενέργειας στις ανάγκες της ανθρωπότητας είναι ένα από τα βασικά καθήκοντα που αντιμετωπίζει η σύγχρονη επιστήμη. Σε σχέση με την αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας των διαδικασιών που στοχεύουν στη διατήρηση των βασικών συνθηκών για την ύπαρξη της κοινωνίας, προκύπτουν έντονα προβλήματα όχι μόνο στην παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, αλλά και στην ισορροπημένη οργάνωση των συστημάτων διανομής της. Και το θέμα της μετατροπής ενέργειας είναι καίριας σημασίας σε αυτό το πλαίσιο. Αυτή η διαδικασία καθορίζει τον συντελεστή παραγωγής χρήσιμου ενεργειακού δυναμικού, καθώς και το επίπεδο του κόστους για την εξυπηρέτηση τεχνολογικών λειτουργιών στο πλαίσιο της υποδομής που χρησιμοποιείται.
Επισκόπηση τεχνολογίας μετατροπής
Η ανάγκη χρήσης διαφορετικών τύπων ενέργειας σχετίζεται με διαφορές στις διαδικασίες που απαιτούν έναν πόρο εφοδιασμού. Απαιτείται θερμότητα γιαθέρμανση, μηχανική ενέργεια - για υποστήριξη ισχύος της κίνησης των μηχανισμών και φως - για φωτισμό. Ο ηλεκτρισμός μπορεί να ονομαστεί παγκόσμια πηγή ενέργειας τόσο ως προς τον μετασχηματισμό του όσο και ως προς τις δυνατότητες εφαρμογής του σε διάφορους τομείς. Ως αρχική ενέργεια χρησιμοποιούνται συνήθως φυσικά φαινόμενα, καθώς και τεχνητά οργανωμένες διαδικασίες που συμβάλλουν στην παραγωγή της ίδιας θερμότητας ή μηχανικής δύναμης. Σε κάθε περίπτωση απαιτείται συγκεκριμένος τύπος εξοπλισμού ή σύνθετη τεχνολογική δομή, η οποία, καταρχήν, επιτρέπει τη μετατροπή της ενέργειας στη μορφή που απαιτείται για τελική ή ενδιάμεση κατανάλωση. Επιπλέον, μεταξύ των εργασιών του μετατροπέα, δεν ξεχωρίζει μόνο ο μετασχηματισμός ως η μεταφορά ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη. Συχνά αυτή η διαδικασία χρησιμεύει επίσης για την αλλαγή ορισμένων παραμέτρων της ενέργειας χωρίς τον μετασχηματισμό της.
Η μεταμόρφωση αυτή καθαυτή μπορεί να είναι μονοβάθμια ή πολλαπλών σταδίων. Επιπλέον, για παράδειγμα, η λειτουργία ηλιακών γεννητριών σε φωτοκρυσταλλικά στοιχεία θεωρείται συνήθως ως μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική. Ταυτόχρονα όμως είναι δυνατή και η μετατροπή της θερμικής ενέργειας που δίνει ο Ήλιος στο έδαφος ως αποτέλεσμα της θέρμανσης. Οι γεωθερμικές μονάδες τοποθετούνται σε συγκεκριμένο βάθος στο έδαφος και, μέσω ειδικών αγωγών, γεμίζουν τις μπαταρίες με αποθέματα ενέργειας. Σε ένα απλό σχήμα μετατροπής, το γεωθερμικό σύστημα παρέχει την αποθήκευση θερμικής ενέργειας, η οποία δίνεται στον εξοπλισμό θέρμανσης στην καθαρή του μορφή με βασική προετοιμασία. Σε μια πολύπλοκη δομή, μια αντλία θερμότητας χρησιμοποιείται σε μια ενιαία ομάδαμε συμπυκνωτές θερμότητας και συμπιεστές που παρέχουν μετατροπή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας.
Τύποι μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας
Υπάρχουν διαφορετικές τεχνολογικές μέθοδοι εξαγωγής πρωτογενούς ενέργειας από φυσικά φαινόμενα. Αλλά ακόμη περισσότερες ευκαιρίες για αλλαγή των ιδιοτήτων και των μορφών ενέργειας παρέχονται από τους συσσωρευμένους ενεργειακούς πόρους, αφού αποθηκεύονται σε μια μορφή κατάλληλη για μετασχηματισμό. Οι πιο κοινές μορφές μετατροπής ενέργειας περιλαμβάνουν τις λειτουργίες ακτινοβολίας, θέρμανσης, μηχανικές και χημικές επιδράσεις. Τα πιο πολύπλοκα συστήματα χρησιμοποιούν διαδικασίες μοριακής διάσπασης και χημικές αντιδράσεις πολλαπλών επιπέδων που συνδυάζουν πολλαπλά στάδια μετασχηματισμού.
Η επιλογή μιας συγκεκριμένης μεθόδου μετασχηματισμού θα εξαρτηθεί από τις συνθήκες οργάνωσης της διαδικασίας, τον τύπο της αρχικής και τελικής ενέργειας. Η ακτινοβολία, η μηχανική, η θερμική, η ηλεκτρική και η χημική ενέργεια μπορούν να διακριθούν μεταξύ των πιο κοινών τύπων ενέργειας που, κατ' αρχήν, συμμετέχουν σε διαδικασίες μετασχηματισμού. Τουλάχιστον, αυτοί οι πόροι αξιοποιούνται με επιτυχία στη βιομηχανία και τα νοικοκυριά. Ξεχωριστή προσοχή αξίζει έμμεσες διαδικασίες μετατροπής ενέργειας, οι οποίες είναι παράγωγα μιας συγκεκριμένης τεχνολογικής λειτουργίας. Για παράδειγμα, στο πλαίσιο της μεταλλουργικής παραγωγής απαιτούνται εργασίες θέρμανσης και ψύξης, με αποτέλεσμα να παράγονται ατμός και θερμότητα ως παράγωγα, αλλά όχι πόροι στόχοι. Στην ουσία πρόκειται για απόβλητα προϊόντα επεξεργασίας,που επίσης χρησιμοποιούνται, μετασχηματίζονται ή χρησιμοποιούνται στην ίδια επιχείρηση.
Μετατροπή θερμικής ενέργειας
Μία από τις παλαιότερες από άποψη ανάπτυξης και τις πιο σημαντικές πηγές ενέργειας για τη διατήρηση της ανθρώπινης ζωής, χωρίς την οποία είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς τη ζωή της σύγχρονης κοινωνίας. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η θερμότητα μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια και ένα απλό σχέδιο για έναν τέτοιο μετασχηματισμό δεν απαιτεί τη σύνδεση ενδιάμεσων σταδίων. Ωστόσο, σε θερμοηλεκτρικούς και πυρηνικούς σταθμούς, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας τους, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα στάδιο προετοιμασίας με μεταφορά της θερμικής σε μηχανική ενέργεια, το οποίο απαιτεί πρόσθετο κόστος. Σήμερα, οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες άμεσης δράσης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια.
Η ίδια η διαδικασία μετασχηματισμού λαμβάνει χώρα σε μια ειδική ουσία που καίγεται, απελευθερώνει θερμότητα και στη συνέχεια λειτουργεί ως πηγή της τρέχουσας παραγωγής. Δηλαδή, οι θερμοηλεκτρικές εγκαταστάσεις μπορούν να θεωρηθούν ως πηγές ηλεκτρικής ενέργειας με μηδενικό κύκλο, αφού η λειτουργία τους ξεκινά ακόμη και πριν από την εμφάνιση της βασικής θερμικής ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίμου, συνήθως μείγματα αερίων, λειτουργούν ως ο κύριος πόρος. Καίγονται, με αποτέλεσμα να θερμαίνεται η μεταλλική πλάκα διανομής θερμότητας. Κατά τη διαδικασία απομάκρυνσης θερμότητας μέσω ειδικής μονάδας γεννήτριας με υλικά ημιαγωγών, η ενέργεια μετατρέπεται. Το ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται από μια μονάδα καλοριφέρ συνδεδεμένη σε μετασχηματιστή ή μπαταρία. Στην πρώτη εκδοχή, η ενέργειαπηγαίνει αμέσως στον καταναλωτή σε τελική μορφή, και στη δεύτερη - συσσωρεύεται και δίνεται όπως απαιτείται.
Παραγωγή θερμικής ενέργειας από μηχανική ενέργεια
Επίσης ένας από τους πιο συνηθισμένους τρόπους για να αποκτήσετε ενέργεια ως αποτέλεσμα της μεταμόρφωσης. Η ουσία του έγκειται στην ικανότητα των σωμάτων να εκπέμπουν θερμική ενέργεια κατά τη διαδικασία της εργασίας. Στην απλούστερη μορφή του, αυτό το σχήμα μετασχηματισμού ενέργειας αποδεικνύεται από το παράδειγμα της τριβής δύο ξύλινων αντικειμένων, με αποτέλεσμα τη φωτιά. Ωστόσο, για να χρησιμοποιηθεί αυτή η αρχή με απτά πρακτικά οφέλη, απαιτούνται ειδικές συσκευές.
Στα νοικοκυριά, η μετατροπή της μηχανικής ενέργειας γίνεται στα συστήματα θέρμανσης και ύδρευσης. Πρόκειται για πολύπλοκες τεχνικές δομές με μαγνητικό κύκλωμα και πολυστρωματικό πυρήνα συνδεδεμένο σε κλειστά ηλεκτρικά αγώγιμα κυκλώματα. Επίσης μέσα στο θάλαμο εργασίας αυτού του σχεδίου υπάρχουν σωλήνες θέρμανσης, οι οποίοι θερμαίνονται υπό τη δράση της εργασίας που γίνεται από τη μονάδα δίσκου. Το μειονέκτημα αυτής της λύσης είναι η ανάγκη σύνδεσης του συστήματος στο δίκτυο.
Η βιομηχανία χρησιμοποιεί πιο ισχυρούς υγρόψυκτους μετατροπείς. Η πηγή της μηχανικής εργασίας συνδέεται με κλειστές δεξαμενές νερού. Στη διαδικασία κίνησης των εκτελεστικών οργάνων (στρόβιλοι, πτερύγια ή άλλα δομικά στοιχεία), δημιουργούνται συνθήκες σχηματισμού δίνης μέσα στο κύκλωμα. Αυτό συμβαίνει σε στιγμές απότομου φρεναρίσματος των λεπίδων. Εκτός από τη θέρμανση, σε αυτή την περίπτωση, αυξάνεται και η πίεση, γεγονός που διευκολύνει τις διαδικασίεςκυκλοφορία νερού.
Μετατροπή ηλεκτρομηχανικής ενέργειας
Οι περισσότερες σύγχρονες τεχνικές μονάδες λειτουργούν με βάση τις αρχές της ηλεκτρομηχανικής. Σύγχρονες και ασύγχρονες ηλεκτρικές μηχανές και γεννήτριες χρησιμοποιούνται σε μεταφορές, εργαλειομηχανές, μονάδες βιομηχανικής μηχανικής και άλλους σταθμούς παραγωγής ενέργειας για διάφορους σκοπούς. Δηλαδή, οι ηλεκτρομηχανικοί τύποι μετατροπής ενέργειας ισχύουν και για τους τρόπους λειτουργίας της γεννήτριας και του κινητήρα, ανάλογα με τις τρέχουσες απαιτήσεις του συστήματος μετάδοσης κίνησης.
Σε γενικευμένη μορφή, κάθε ηλεκτρική μηχανή μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύστημα αμοιβαία κινούμενων μαγνητικά συζευγμένων ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Τέτοια φαινόμενα περιλαμβάνουν επίσης υστέρηση, κορεσμό, υψηλότερες αρμονικές και μαγνητικές απώλειες. Αλλά κατά την κλασική άποψη, μπορούν να αποδοθούν σε ανάλογα ηλεκτρικών μηχανών μόνο εάν μιλάμε για δυναμικούς τρόπους λειτουργίας όταν το σύστημα λειτουργεί εντός της ενεργειακής υποδομής.
Το σύστημα ηλεκτρομηχανικής μετατροπής ενέργειας βασίζεται στην αρχή των δύο αντιδράσεων με διφασικά και τριφασικά στοιχεία, καθώς και στη μέθοδο περιστροφής μαγνητικών πεδίων. Ο ρότορας και ο στάτορας των κινητήρων εκτελούν μηχανική εργασία υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Ανάλογα με την κατεύθυνση κίνησης των φορτισμένων σωματιδίων, ρυθμίζεται ο τρόπος λειτουργίας - ως κινητήρας ή γεννήτρια.
Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από χημική ενέργεια
Η συνολική πηγή χημικής ενέργειας είναι παραδοσιακή, αλλά οι μέθοδοι μετασχηματισμού της δεν είναι τόσο συνηθισμένεςλόγω περιβαλλοντικών περιορισμών. Από μόνη της, η χημική ενέργεια στην καθαρή της μορφή πρακτικά δεν χρησιμοποιείται - τουλάχιστον με τη μορφή συμπυκνωμένων αντιδράσεων. Ταυτόχρονα, οι φυσικές χημικές διεργασίες περιβάλλουν ένα άτομο παντού με τη μορφή δεσμών υψηλής ή χαμηλής ενέργειας, οι οποίοι εκδηλώνονται, για παράδειγμα, κατά την καύση με την απελευθέρωση θερμότητας. Ωστόσο, η μετατροπή της χημικής ενέργειας οργανώνεται σκόπιμα σε ορισμένες βιομηχανίες. Συνήθως, δημιουργούνται συνθήκες για καύση υψηλής τεχνολογίας σε γεννήτριες πλάσματος ή αεριοστρόβιλους. Ένα τυπικό αντιδραστήριο αυτών των διεργασιών είναι μια κυψέλη καυσίμου, η οποία συμβάλλει στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από την άποψη της απόδοσης, τέτοιες μετατροπές δεν είναι τόσο κερδοφόρες σε σύγκριση με εναλλακτικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς μέρος της χρήσιμης θερμότητας διαχέεται ακόμη και στις σύγχρονες εγκαταστάσεις πλάσματος.
Μετατροπή ενέργειας ηλιακής ακτινοβολίας
Ως τρόπος μετατροπής της ενέργειας, η διαδικασία επεξεργασίας του ηλιακού φωτός στο εγγύς μέλλον μπορεί να γίνει η πιο απαιτητική στον ενεργειακό τομέα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ακόμη και σήμερα κάθε ιδιοκτήτης σπιτιού μπορεί θεωρητικά να αγοράσει εξοπλισμό για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Το βασικό χαρακτηριστικό αυτής της διαδικασίας είναι ότι το συσσωρευμένο ηλιακό φως είναι δωρεάν. Ένα άλλο πράγμα είναι ότι αυτό δεν καθιστά τη διαδικασία εντελώς δωρεάν. Πρώτον, το κόστος θα απαιτηθεί για τη συντήρηση των ηλιακών μπαταριών. Δεύτερον, οι ίδιες οι γεννήτριες αυτού του τύπου δεν είναι φθηνές, επομένως η αρχική επένδυση σεΛίγοι άνθρωποι έχουν την οικονομική δυνατότητα να οργανώσουν τον δικό τους μίνι ενεργειακό σταθμό.
Τι είναι η ηλιακή γεννήτρια; Πρόκειται για ένα σετ φωτοβολταϊκών πάνελ που μετατρέπουν την ενέργεια του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική. Η ίδια η αρχή αυτής της διαδικασίας είναι από πολλές απόψεις παρόμοια με τη λειτουργία ενός τρανζίστορ. Το πυρίτιο χρησιμοποιείται ως το κύριο υλικό για την κατασκευή ηλιακών κυψελών σε διάφορες εκδόσεις. Για παράδειγμα, μια συσκευή για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας μπορεί να είναι πολυ- και μονοκρυσταλλική. Η δεύτερη επιλογή είναι προτιμότερη από άποψη απόδοσης, αλλά είναι πιο ακριβή. Και στις δύο περιπτώσεις, το φωτοκύτταρο φωτίζεται, κατά το οποίο ενεργοποιούνται τα ηλεκτρόδια και δημιουργείται ηλεκτροδυναμική δύναμη κατά τη διαδικασία της κίνησής τους.
Μετατροπή ενέργειας ατμού
Οι ατμοστρόβιλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανία τόσο ως τρόπος μετατροπής της ενέργειας σε αποδεκτή μορφή όσο και ως ανεξάρτητη γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας ή θερμότητας από ειδικά κατευθυνόμενες συμβατικές ροές αερίου. Όχι μόνο οι μηχανές τουρμπίνας χρησιμοποιούνται ως συσκευές για τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμό με γεννήτριες ατμού, αλλά ο σχεδιασμός τους είναι ο βέλτιστος κατάλληλος για την οργάνωση αυτής της διαδικασίας με υψηλή απόδοση. Η απλούστερη τεχνική λύση είναι ένας στρόβιλος με πτερύγια, στον οποίο συνδέονται ακροφύσια με παρεχόμενο ατμό. Καθώς οι λεπίδες κινούνται, η ηλεκτρομαγνητική εγκατάσταση μέσα στη συσκευή περιστρέφεται, εκτελούνται μηχανικές εργασίες και παράγεται ρεύμα.
Μερικά σχέδια τουρμπίνας έχουνειδικές επεκτάσεις με τη μορφή βημάτων, όπου η μηχανική ενέργεια του ατμού μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Αυτό το χαρακτηριστικό της συσκευής καθορίζεται όχι τόσο από τα συμφέροντα της αύξησης της απόδοσης της μετατροπής ενέργειας της γεννήτριας ή την ανάγκη ανάπτυξης ακριβώς του κινητικού δυναμικού, αλλά από την παροχή της δυνατότητας ευέλικτης ρύθμισης της λειτουργίας του στροβίλου. Η διαστολή στον στρόβιλο παρέχει μια λειτουργία ελέγχου που επιτρέπει την αποτελεσματική και ασφαλή ρύθμιση της ποσότητας της παραγόμενης ενέργειας. Παρεμπιπτόντως, η περιοχή εργασίας της επέκτασης, η οποία περιλαμβάνεται στη διαδικασία μετατροπής, ονομάζεται στάδιο ενεργού πίεσης.
Μέθοδοι μεταφοράς ενέργειας
Μέθοδοι μετασχηματισμού ενέργειας δεν μπορούν να θεωρηθούν χωρίς την έννοια της μεταφοράς της. Μέχρι σήμερα, υπάρχουν τέσσερις τρόποι αλληλεπίδρασης των σωμάτων με τους οποίους μεταφέρεται η ενέργεια - ηλεκτρική, βαρυτική, πυρηνική και ασθενής. Η μεταφορά σε αυτό το πλαίσιο μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως μέθοδος ανταλλαγής, επομένως, καταρχήν, η απόδοση της εργασίας στη μεταφορά ενέργειας και η λειτουργία της μεταφοράς θερμότητας διαχωρίζονται. Ποιοι μετασχηματισμοί της ενέργειας περιλαμβάνουν την εκτέλεση εργασίας; Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι μια μηχανική δύναμη, κατά την οποία μακροσκοπικά σώματα ή μεμονωμένα σωματίδια σωμάτων κινούνται στο χώρο. Εκτός από τη μηχανική δύναμη, διακρίνεται και το μαγνητικό και το ηλεκτρικό έργο. Ένα βασικό ενοποιητικό χαρακτηριστικό για όλους σχεδόν τους τύπους εργασίας είναι η ικανότητα πλήρους ποσοτικοποίησης του μετασχηματισμού μεταξύ τους. Δηλαδή η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σεμηχανική ενέργεια, μηχανική εργασία σε μαγνητικό δυναμικό κ.λπ. Η μεταφορά θερμότητας είναι επίσης ένας κοινός τρόπος μεταφοράς ενέργειας. Μπορεί να είναι μη κατευθυντικό ή χαοτικό, αλλά σε κάθε περίπτωση, υπάρχει μια κίνηση μικροσκοπικών σωματιδίων. Ο αριθμός των ενεργοποιημένων σωματιδίων θα καθορίσει την ποσότητα της θερμότητας - χρήσιμη θερμότητα.
Συμπέρασμα
Η μετάβαση της ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη είναι φυσιολογική και σε ορισμένες βιομηχανίες αποτελεί προϋπόθεση για την παραγωγική ενεργειακή διαδικασία. Σε διαφορετικές περιπτώσεις, η ανάγκη να συμπεριληφθεί αυτό το στάδιο μπορεί να εξηγηθεί από οικονομικούς, τεχνολογικούς, περιβαλλοντικούς και άλλους παράγοντες παραγωγής πόρων. Ταυτόχρονα, παρά την ποικιλία των φυσικών και τεχνητά οργανωμένων τρόπων μετατροπής ενέργειας, η συντριπτική πλειονότητα των εγκαταστάσεων που παρέχουν διαδικασίες μετασχηματισμού χρησιμοποιούνται μόνο για ηλεκτρική ενέργεια, θερμότητα και μηχανικές εργασίες. Τα μέσα μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας είναι τα πιο συνηθισμένα. Οι ηλεκτρικές μηχανές που παρέχουν τη μετατροπή της μηχανικής εργασίας σε ηλεκτρική ενέργεια σύμφωνα με την αρχή της επαγωγής, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται σχεδόν σε όλους τους τομείς όπου εμπλέκονται πολύπλοκες τεχνικές συσκευές, συγκροτήματα και συσκευές. Και αυτή η τάση δεν μειώνεται, αφού η ανθρωπότητα χρειάζεται μια συνεχή αύξηση της παραγωγής ενέργειας, η οποία μας αναγκάζει να αναζητήσουμε νέες πηγές πρωτογενούς ενέργειας. Αυτή τη στιγμή, οι πιο υποσχόμενοι τομείς στον ενεργειακό τομέα θεωρούνται τα συστήματα παραγωγής του ίδιουηλεκτρική ενέργεια από τη μηχανική ενέργεια που παράγεται από τον Ήλιο, τον άνεμο και το νερό ρέει στη φύση.
