Zagotavljanje potreb človeštva z dovolj energije je ena ključnih nalog sodobne znanosti. V zvezi s povečanjem porabe energije procesov, katerih cilj je ohranjanje osnovnih pogojev za obstoj družbe, se pojavljajo akutni problemi ne le pri proizvodnji velikih količin energije, temveč tudi pri uravnoteženi organizaciji njenih distribucijskih sistemov. In tema pretvorbe energije je v tem kontekstu ključnega pomena. Ta proces določa koeficient proizvodnje uporabnega energetskega potenciala, pa tudi višino stroškov za servisiranje tehnoloških operacij v okviru uporabljene infrastrukture.
Pretvori tehnološki pregled
Potreba po uporabi različnih vrst energije je povezana z razlikami v procesih, ki zahtevajo vir oskrbe. Toplota je potrebna zaogrevanje, mehanska energija - za močno podporo gibanju mehanizmov in svetloba - za razsvetljavo. Električno energijo lahko imenujemo univerzalni vir energije tako po preoblikovanju kot po možnostih uporabe na različnih področjih. Kot začetno energijo se običajno uporabljajo naravni pojavi, pa tudi umetno organizirani procesi, ki prispevajo k ustvarjanju enake toplote ali mehanske sile. V vsakem primeru je potrebna določena vrsta opreme ali kompleksna tehnološka struktura, ki načeloma omogoča pretvorbo energije v obliko, potrebno za končno ali vmesno porabo. Poleg tega med nalogami pretvornika ne izstopa le transformacija kot prenos energije iz ene oblike v drugo. Pogosto ta proces služi tudi za spreminjanje nekaterih parametrov energije brez njene transformacije.
Transformacija kot taka je lahko enostopenjska ali večstopenjska. Poleg tega se na primer delovanje sončnih generatorjev na fotokristalnih celicah običajno obravnava kot pretvorba svetlobne energije v električno. A hkrati je možno tudi pretvarjati toplotno energijo, ki jo Sonce zaradi segrevanja daje v tla. Geotermalni moduli so nameščeni na določeni globini v tleh in preko posebnih vodnikov polnijo baterije z zalogami energije. V preprosti shemi pretvorbe geotermalni sistem zagotavlja shranjevanje toplotne energije, ki se z osnovno pripravo poda v čisti obliki ogrevalni opremi. V kompleksni strukturi se toplotna črpalka uporablja v eni sami skupinis toplotnimi kondenzatorji in kompresorji, ki zagotavljajo pretvorbo toplote in električne energije.
Vrste pretvorbe električne energije
Obstajajo različne tehnološke metode za pridobivanje primarne energije iz naravnih pojavov. Toda še več priložnosti za spreminjanje lastnosti in oblik energije ponujajo akumulirani viri energije, saj so shranjeni v obliki, primerni za transformacijo. Najpogostejše oblike pretvorbe energije vključujejo operacije sevanja, segrevanja, mehanskih in kemičnih učinkov. Najbolj zapleteni sistemi uporabljajo procese molekularnega razpada in večstopenjske kemične reakcije, ki združujejo več korakov transformacije.
Izbira določene metode transformacije bo odvisna od pogojev organizacije procesa, vrste začetne in končne energije. Med najpogostejšimi vrstami energije, ki načeloma sodelujejo v procesih transformacije, lahko ločimo sevalno, mehansko, toplotno, električno in kemično energijo. Ti viri se vsaj uspešno izkoriščajo v industriji in gospodinjstvih. Posebno pozornost si zaslužijo posredni procesi pretvorbe energije, ki so derivati določene tehnološke operacije. Na primer, v okviru metalurške proizvodnje so potrebne operacije ogrevanja in hlajenja, zaradi katerih nastajata para in toplota kot derivati, ne pa ciljni viri. V bistvu so to odpadni produkti predelave,ki se prav tako uporabljajo, preoblikujejo ali uporabljajo v istem podjetju.
pretvorba toplotne energije
Eden najstarejših z vidika razvoja in najpomembnejših virov energije za vzdrževanje človekovega življenja, brez katerega si ni mogoče predstavljati življenja sodobne družbe. V večini primerov se toplota pretvori v električno energijo in preprosta shema za takšno transformacijo ne zahteva povezave vmesnih stopenj. Vendar pa se v termo in jedrskih elektrarnah, odvisno od njihovih obratovalnih pogojev, lahko uporablja pripravljalna faza s prenosom toplotne energije v mehansko, kar zahteva dodatne stroške. Danes se termoelektrični generatorji z neposrednim delovanjem vse pogosteje uporabljajo za pretvorbo toplotne energije v električno energijo.
Sam proces transformacije poteka v posebni snovi, ki se zgoreva, sprošča toploto in posledično deluje kot vir trenutne generacije. To pomeni, da lahko termoelektrične napeljave obravnavamo kot vire električne energije z ničelnim ciklom, saj se njihovo delovanje začne že pred pojavom osnovne toplotne energije. Gorivne celice, običajno mešanice plinov, delujejo kot glavni vir. Zažgejo se, zaradi česar se kovinska plošča za distribucijo toplote segreje. V procesu odvajanja toplote skozi poseben generatorski modul s polprevodniškimi materiali se energija pretvori. Električni tok generira radiatorska enota, povezana s transformatorjem ali baterijo. V prvi različici energijatakoj gre potrošniku v končni obliki, v drugem pa - se kopiči in odda po potrebi.
Ustvarjanje toplotne energije iz mehanske energije
Tudi eden najpogostejših načinov pridobivanja energije kot posledica transformacije. Njegovo bistvo je v sposobnosti teles, da med opravljanjem dela oddajajo toplotno energijo. V svoji najpreprostejši obliki je ta shema transformacije energije prikazana na primeru trenja dveh lesenih predmetov, ki povzroči požar. Vendar pa so za uporabo tega načela z oprijemljivimi praktičnimi koristmi potrebne posebne naprave.
V gospodinjstvih se transformacija mehanske energije odvija v sistemih za ogrevanje in oskrbo z vodo. To so kompleksne tehnične strukture z magnetnim vezjem in laminiranim jedrom, ki je povezano z zaprtimi električno prevodnimi vezji. Tudi znotraj delovne komore te zasnove so grelne cevi, ki se segrejejo pod delovanjem dela, opravljenega iz pogona. Pomanjkljivost te rešitve je potreba po priključitvi sistema na električno omrežje.
Industrija uporablja zmogljivejše tekočinsko hlajene pretvornike. Vir mehanskega dela je povezan z zaprtimi rezervoarji za vodo. V procesu gibanja izvršilnih teles (turbin, lopatic ali drugih strukturnih elementov) se znotraj vezja ustvarijo pogoji za nastanek vrtincev. To se zgodi v trenutkih ostrega zaviranja rezil. Poleg ogrevanja se v tem primeru poveča tudi tlak, kar olajša procesekroženje vode.
Pretvorba elektromehanske energije
Večina sodobnih tehničnih enot deluje na principih elektromehanike. Sinhroni in asinhroni električni stroji in generatorji se uporabljajo v prometu, obdelovalnih strojih, industrijskih inženirskih enotah in drugih elektrarnah za različne namene. To pomeni, da so elektromehanske vrste pretvorbe energije uporabne za način delovanja generatorja in motorja, odvisno od trenutnih zahtev pogonskega sistema.
V splošni obliki lahko vsak električni stroj obravnavamo kot sistem medsebojno premikajočih se magnetno sklopljenih električnih vezij. Takšni pojavi vključujejo tudi histerezo, nasičenost, višje harmonike in magnetne izgube. Toda v klasičnem pogledu jih je mogoče pripisati analogom električnih strojev le, če govorimo o dinamičnih načinih, ko sistem deluje znotraj energetske infrastrukture.
Sistem za elektromehansko pretvorbo energije temelji na principu dveh reakcij z dvofaznimi in trifaznimi komponentami ter metodi vrtečih se magnetnih polj. Rotor in stator motorjev opravljata mehansko delo pod vplivom magnetnega polja. Glede na smer gibanja nabitih delcev se nastavi način delovanja - kot motor ali generator.
Proizvodnja električne energije iz kemične energije
Celoten kemični vir energije je tradicionalen, vendar metode njegove transformacije niso tako pogostezaradi okoljskih omejitev. Sama po sebi se kemična energija v svoji čisti obliki praktično ne uporablja - vsaj v obliki koncentriranih reakcij. Hkrati naravni kemični procesi človeka povsod obdajajo v obliki visoko- ali nizkoenergetskih vezi, ki se kažejo na primer med zgorevanjem s sproščanjem toplote. Vendar pa je pretvorba kemične energije v nekaterih panogah namensko organizirana. Običajno se ustvarijo pogoji za visokotehnološko izgorevanje v plazemskih generatorjih ali plinskih turbinah. Tipičen reaktant teh procesov je gorivna celica, ki prispeva k proizvodnji električne energije. Z vidika učinkovitosti takšne pretvorbe niso tako donosne v primerjavi z alternativnimi načini pridobivanja električne energije, saj se del uporabne toplote odvaja tudi v sodobnih plazemskih napravah.
Pretvorba energije sončnega sevanja
Kot način za pretvorbo energije bo proces predelave sončne svetlobe v bližnji prihodnosti lahko postal najbolj zahtevan v energetskem sektorju. To je posledica dejstva, da lahko tudi danes vsak lastnik stanovanja teoretično kupi opremo za pretvorbo sončne energije v električno energijo. Ključna značilnost tega postopka je, da je nakopičena sončna svetloba brezplačna. Druga stvar je, da to ne pomeni, da je postopek popolnoma brezplačen. Prvič, stroški bodo potrebni za vzdrževanje sončnih baterij. Drugič, generatorji te vrste sami po sebi niso poceni, zato je začetna naložba vLe malo ljudi si lahko privošči organizacijo lastne mini energetske postaje.
Kaj je generator sončne energije? To je komplet fotovoltaičnih panelov, ki pretvarjajo energijo sončne svetlobe v električno. Sam princip tega procesa je v marsičem podoben delovanju tranzistorja. Silicij se uporablja kot glavni material za izdelavo sončnih celic v različnih izvedbah. Na primer, naprava za pretvorbo sončne energije je lahko poli- in monokristalna. Druga možnost je boljša glede na zmogljivost, vendar je dražja. V obeh primerih je fotocelica osvetljena, pri čemer se elektrode aktivirajo in v procesu njihovega premikanja nastane elektrodinamična sila.
pretvorba energije pare
Parne turbine se lahko uporabljajo v industriji tako kot način pretvorbe energije v sprejemljivo obliko kot samostojen generator električne energije ali toplote iz posebej usmerjenih konvencionalnih plinskih tokov. Daleč od tega, da se kot naprave za pretvorbo električne energije v kombinaciji s parnimi generatorji uporabljajo samo turbinski stroji, vendar je njihova zasnova optimalno primerna za organizacijo tega procesa z visokim izkoristkom. Najpreprostejša tehnična rešitev je turbina z lopaticami, na katero so priključene šobe z dovedeno paro. Ko se rezila premikajo, se elektromagnetna instalacija znotraj aparata vrti, izvaja se mehansko delo in nastaja tok.
Nekateri modeli turbin imajoposebne podaljške v obliki stopnic, kjer se mehanska energija pare pretvori v kinetično energijo. Ta lastnost naprave ni določena toliko z interesi povečanja učinkovitosti pretvorbe energije generatorja ali potrebo po razvoju natančnega kinetičnega potenciala, temveč z zagotavljanjem možnosti fleksibilne regulacije delovanja turbine. Razširitev v turbini zagotavlja kontrolno funkcijo, ki omogoča učinkovito in varno regulacijo količine proizvedene energije. Mimogrede, delovno območje razširitve, ki je vključeno v proces pretvorbe, se imenuje aktivna tlačna stopnja.
Metode prenosa energije
Metode transformacije energije ni mogoče obravnavati brez koncepta njenega prenosa. Do danes obstajajo štirje načini interakcije teles, v katerih se energija prenaša - električni, gravitacijski, jedrski in šibki. Prenos v tem kontekstu lahko obravnavamo tudi kot način izmenjave, zato se načeloma ločujeta opravljanje dela pri prenosu energije in funkcija prenosa toplote. Katere transformacije energije vključujejo opravljanje dela? Tipičen primer je mehanska sila, pri kateri se v prostoru premikajo makroskopska telesa ali posamezni delci teles. Poleg mehanske sile ločimo tudi magnetno in električno delo. Ključna povezovalna značilnost za skoraj vse vrste dela je zmožnost popolne količinske opredelitve transformacije med njimi. To pomeni, da se električna energija pretvori vmehanska energija, mehansko delo v magnetni potencial itd. Prenos toplote je tudi običajen način prenosa energije. Lahko je neusmerjen ali kaotičen, v vsakem primeru pa gre za gibanje mikroskopskih delcev. Število aktiviranih delcev bo določilo količino toplote – koristne toplote.
Sklep
Prehod energije iz ene oblike v drugo je normalen in v nekaterih panogah predpogoj za proces proizvodnje energije. V različnih primerih je potrebo po vključitvi te stopnje mogoče razložiti z ekonomskimi, tehnološkimi, okoljskimi in drugimi dejavniki pridobivanja virov. Hkrati pa se kljub raznolikosti naravnih in umetno organiziranih načinov transformacije energije velika večina inštalacij, ki zagotavljajo transformacijske procese, uporablja le za električna, toplotna in mehanska dela. Najpogostejša so sredstva za pretvorbo električne energije. Električni stroji, ki na primer zagotavljajo pretvorbo mehanskega dela v električno energijo po principu indukcije, se uporabljajo na skoraj vseh področjih, kjer gre za kompleksne tehnične naprave, sklope in naprave. In ta trend se ne zmanjšuje, saj človeštvo potrebuje nenehno povečevanje proizvodnje energije, kar nas sili v iskanje novih virov primarne energije. Trenutno za najbolj obetavna področja v energetiki veljajo proizvodni sistemi istegaelektrika iz mehanske energije, ki jo proizvaja sonce, veter in voda, teče v naravi.
