Oferir prou energia a les necessitats de la humanitat és una de les tasques clau a les quals s'enfronta la ciència moderna. En relació amb l'augment del consum energètic dels processos dirigits a mantenir les condicions bàsiques per a l'existència de la societat, sorgeixen problemes aguts no només en la generació de grans quantitats d'energia, sinó també en l'organització equilibrada dels seus sistemes de distribució. I el tema de la conversió d'energia té una importància clau en aquest context. Aquest procés determina el coeficient de generació del potencial energètic útil, així com el nivell de costos per atendre les operacions tecnològiques en el marc de la infraestructura utilitzada.
Visió general de la tecnologia de conversió
La necessitat d'utilitzar diferents tipus d'energia està associada a diferències en els processos que requereixen un recurs de subministrament. Es requereix calor percalefacció, energia mecànica - per a la potència de suport del moviment dels mecanismes, i la llum - per a la il·luminació. L'electricitat es pot anomenar font d'energia universal tant pel que fa a la seva transformació com pel que fa a les possibilitats d'aplicació en diversos camps. Com a energia inicial s'acostumen a utilitzar fenòmens naturals, així com processos organitzats artificialment que contribueixen a la generació de la mateixa calor o força mecànica. En cada cas es requereix un determinat tipus d'equips o una estructura tecnològica complexa que, en principi, permeti convertir l'energia en la forma necessària per al consum final o intermedi. A més, entre les tasques del convertidor, no només destaca la transformació com la transferència d'energia d'una forma a una altra. Sovint, aquest procés també serveix per canviar alguns paràmetres d'energia sense la seva transformació.
La transformació com a tal pot ser d'una sola etapa o de diverses etapes. A més, per exemple, el funcionament dels generadors solars sobre cèl·lules fotocristal·lines se sol considerar com la transformació de l'energia lluminosa en electricitat. Però, al mateix temps, també és possible convertir l'energia tèrmica que el Sol dóna al sòl com a conseqüència de l'escalfament. Els mòduls geotèrmics es col·loquen a una certa profunditat en el sòl i, mitjançant conductors especials, omplen les bateries amb reserves d'energia. En un esquema de conversió senzill, el sistema geotèrmic proporciona l'emmagatzematge d'energia tèrmica, que es dóna a l'equip de calefacció en la seva forma pura amb una preparació bàsica. En una estructura complexa, s'utilitza una bomba de calor en un sol grupamb condensadors de calor i compressors que proporcionen la conversió de calor i electricitat.
Tipus de conversió d'energia elèctrica
Hi ha diferents mètodes tecnològics per extreure energia primària dels fenòmens naturals. Però els recursos energètics acumulats ofereixen encara més oportunitats per canviar les propietats i les formes de l'energia, ja que s'emmagatzemen en una forma convenient per a la transformació. Les formes més comunes de conversió d'energia inclouen les operacions de radiació, calefacció, efectes mecànics i químics. Els sistemes més complexos utilitzen processos de desintegració molecular i reaccions químiques de diversos nivells que combinen diversos passos de transformació.
L'elecció d'un mètode concret de transformació dependrà de les condicions de l'organització del procés, del tipus d'energia inicial i final. L'energia radiant, mecànica, tèrmica, elèctrica i química es pot distingir entre els tipus d'energia més comuns que, en principi, participen en processos de transformació. Com a mínim, aquests recursos s'aprofiten amb èxit a la indústria i a les llars. Una atenció separada mereix processos indirectes de conversió d'energia, que són derivats d'una determinada operació tecnològica. Per exemple, en el marc de la producció metal·lúrgica, es requereixen operacions de calefacció i refrigeració, com a resultat de les quals es generen vapor i calor com a derivats, però no recursos objectiu. En essència, aquests són productes de rebuig de processament,que també s'estan utilitzant, transformant o utilitzant dins de la mateixa empresa.
Conversió d'energia tèrmica
Una de les més antigues pel que fa al desenvolupament i les fonts d'energia més importants per al manteniment de la vida humana, sense la qual és impossible imaginar la vida de la societat moderna. En la majoria dels casos, la calor es converteix en electricitat i un esquema senzill per a aquesta transformació no requereix la connexió d'etapes intermèdies. No obstant això, a les centrals tèrmiques i nuclears, en funció de les seves condicions de funcionament, es pot utilitzar una etapa de preparació amb transferència d'energia tèrmica a mecànica, que requereix costos addicionals. Avui en dia, els generadors termoelèctrics d'acció directa s'utilitzen cada cop més per convertir l'energia tèrmica en electricitat.
El propi procés de transformació té lloc en una substància especial que es crema, allibera calor i, posteriorment, actua com a font de generació actual. És a dir, les instal·lacions termoelèctriques es poden considerar com a fonts d'electricitat de cicle zero, ja que el seu funcionament s'inicia fins i tot abans de l'aparició de l'energia tèrmica de base. Les piles de combustible, normalment mescles de gasos, actuen com a recurs principal. Es cremen, com a resultat de la qual cosa s'escalfa la placa metàl·lica que distribueix la calor. En el procés d'eliminació de calor mitjançant un mòdul generador especial amb materials semiconductors, l'energia es converteix. El corrent elèctric el genera una unitat de radiador connectada a un transformador o una bateria. En la primera versió, l'energiaimmediatament va al consumidor en forma acabada i, en el segon, s'acumula i es regala segons sigui necessari.
Generació d'energia tèrmica a partir d'energia mecànica
També una de les maneres més habituals d'obtenir energia com a resultat de la transformació. La seva essència rau en la capacitat dels cossos per emetre energia tèrmica en el procés de fer feina. En la seva forma més senzilla, aquest esquema de transformació d'energia es demostra amb l'exemple de la fricció de dos objectes de fusta, donant lloc al foc. Tanmateix, per utilitzar aquest principi amb beneficis pràctics tangibles, calen dispositius especials.
A les llars, la transformació de l'energia mecànica es produeix en sistemes de calefacció i subministrament d'aigua. Es tracta d'estructures tècniques complexes amb un circuit magnètic i un nucli laminat connectats a circuits elèctricament conductors tancats. També dins de la cambra de treball d'aquest disseny hi ha tubs de calefacció, que s'escalfen sota l'acció del treball realitzat des de l'accionament. El desavantatge d'aquesta solució és la necessitat de connectar el sistema a la xarxa elèctrica.
La indústria utilitza convertidors refrigerats per líquid més potents. La font de treball mecànic està connectada a dipòsits d'aigua tancats. En el procés de moviment dels cossos executius (turbines, pales o altres elements estructurals), es creen les condicions per a la formació de vòrtex a l'interior del circuit. Això passa durant els moments de frenada brusca de les pales. A més d'escalfar, en aquest cas, també augmenta la pressió, fet que facilita els processoscirculació d'aigua.
Conversió d'energia electromecànica
La majoria de les unitats tècniques modernes treballen segons els principis de l'electromecànica. Les màquines i generadors elèctriques síncrones i asíncrones s'utilitzen en transports, màquines-eina, unitats d'enginyeria industrial i altres centrals elèctriques per a diversos propòsits. És a dir, els tipus electromecànics de conversió d'energia són aplicables tant als modes de funcionament del generador com del motor, depenent dels requisits actuals del sistema d'accionament.
En una forma generalitzada, qualsevol màquina elèctrica es pot considerar com un sistema de circuits elèctrics acoblats magnèticament que es mouen mútuament. Aquests fenòmens també inclouen histèresi, saturació, harmònics més alts i pèrdues magnètiques. Però des de la visió clàssica, només es poden atribuir a anàlegs de màquines elèctriques si estem parlant de modes dinàmics quan el sistema funciona dins de la infraestructura energètica.
El sistema de conversió d'energia electromecànica es basa en el principi de dues reaccions amb components bifàsics i trifàsics, així com en el mètode de rotació de camps magnètics. El rotor i l'estator dels motors realitzen treballs mecànics sota la influència d'un camp magnètic. Depenent de la direcció del moviment de les partícules carregades, el mode de funcionament s'estableix com a motor o generador.
Generació d'electricitat a partir d'energia química
La font d'energia química total és tradicional, però els mètodes de transformació no són tan habitualsa causa de les restriccions ambientals. Per si mateixa, l'energia química en la seva forma pura pràcticament no s'utilitza, almenys en forma de reaccions concentrades. Al mateix temps, els processos químics naturals envolten una persona a tot arreu en forma d'enllaços d' alta o baixa energia, que es manifesten, per exemple, durant la combustió amb l'alliberament de calor. Tanmateix, la conversió d'energia química s'organitza a propòsit en algunes indústries. Normalment, es creen les condicions per a la combustió d' alta tecnologia en generadors de plasma o turbines de gas. Un reactiu típic d'aquests processos és una pila de combustible, que contribueix a la producció d'energia elèctrica. Des del punt de vista de l'eficiència, aquestes conversions no són tan rendibles en comparació amb els mètodes alternatius de generació d'electricitat, ja que part de la calor útil es dissipa fins i tot a les instal·lacions de plasma modernes.
Conversió d'energia de radiació solar
Com a forma de convertir l'energia, el procés de processament de la llum solar en un futur proper pot convertir-se en el més demandat en el sector energètic. Això es deu al fet que fins i tot avui tots els propietaris poden comprar teòricament equips per convertir l'energia solar en energia elèctrica. La característica clau d'aquest procés és que la llum solar acumulada és gratuïta. Una altra cosa és que això no fa que el procés sigui totalment gratuït. En primer lloc, els costos seran necessaris per al manteniment de les bateries solars. En segon lloc, els propis generadors d'aquest tipus no són barats, de manera que la inversió inicial enPoques persones es poden permetre organitzar la seva pròpia miniestació d'energia.
Què és un generador d'energia solar? Es tracta d'un conjunt de plaques fotovoltaiques que converteixen l'energia de la llum solar en electricitat. El principi mateix d'aquest procés és en molts aspectes similar al funcionament d'un transistor. El silici s'utilitza com a material principal per a la fabricació de cèl·lules solars en diferents versions. Per exemple, un dispositiu per convertir l'energia solar pot ser policristal i monocristal. La segona opció és preferible pel que fa al rendiment, però és més cara. En ambdós casos s'il·lumina la fotocèl·lula, durant la qual s'activen els elèctrodes i es genera una força electrodinàmica en el procés del seu moviment.
Conversió d'energia de vapor
Les turbines de vapor es poden utilitzar a la indústria tant com a forma de transformar l'energia en una forma acceptable, com com a generadora independent d'electricitat o calor a partir de fluxos de gas convencionals especialment dirigits. Lluny de ser només les màquines de turbina s'utilitzen com a dispositius de conversió d'energia elèctrica en combinació amb generadors de vapor, però el seu disseny és òptim per organitzar aquest procés amb una alta eficiència. La solució tècnica més senzilla és una turbina amb pales, a la qual es connecten broquets amb vapor subministrat. A mesura que les fulles es mouen, la instal·lació electromagnètica a l'interior de l'aparell gira, es realitza un treball mecànic i es genera corrent.
Alguns dissenys de turbines tenenextensions especials en forma d'esglaons, on l'energia mecànica del vapor es converteix en energia cinètica. Aquesta característica del dispositiu està determinada no tant per l'interès d'augmentar l'eficiència de la conversió d'energia del generador o per la necessitat de desenvolupar precisament el potencial cinètic, sinó per oferir la possibilitat d'una regulació flexible del funcionament de la turbina. L'expansió de la turbina proporciona una funció de control que permet una regulació eficient i segura de la quantitat d'energia generada. Per cert, l'àrea de treball de l'expansió, que s'inclou en el procés de conversió, s'anomena etapa de pressió activa.
Mètodes de transferència d'energia
Els mètodes de transformació d'energia no es poden considerar sense el concepte de la seva transferència. Fins ara, hi ha quatre maneres d'interacció dels cossos en què es transfereix energia: elèctrica, gravitatòria, nuclear i feble. La transferència en aquest context també es pot considerar com un mètode d'intercanvi, per tant, en principi, el rendiment del treball en la transferència d'energia i la funció de transferència de calor estan separats. Quines transformacions d'energia impliquen fer feina? Un exemple típic és una força mecànica, en la qual cossos macroscòpics o partícules individuals de cossos es mouen a l'espai. A més de la força mecànica, també es distingeix el treball magnètic i elèctric. Una característica unificadora clau per a gairebé tots els tipus de treball és la capacitat de quantificar completament la transformació entre ells. És a dir, l'electricitat es transforma enenergia mecànica, treball mecànic en potencial magnètic, etc. La transferència de calor també és una forma habitual de transferir energia. Pot ser no direccional o caòtic, però en qualsevol cas, hi ha un moviment de partícules microscòpiques. El nombre de partícules activades determinarà la quantitat de calor - calor útil.
Conclusió
La transició de l'energia d'una forma a una altra és normal, i en algunes indústries un requisit previ per al procés de producció d'energia. En diferents casos, la necessitat d'incloure aquesta etapa es pot explicar per factors econòmics, tecnològics, ambientals i altres de generació de recursos. Al mateix temps, malgrat la varietat de formes naturals i organitzades artificialment de transformació energètica, la gran majoria de les instal·lacions que proporcionen processos de transformació s'utilitzen només per a l'electricitat, la calor i el treball mecànic. Els mitjans de conversió d'energia elèctrica són els més comuns. Les màquines elèctriques que proporcionen la transformació del treball mecànic en electricitat segons el principi d'inducció, per exemple, s'utilitzen en gairebé totes les àrees on intervenen dispositius, conjunts i dispositius tècnics complexos. I aquesta tendència no és decreixent, ja que la humanitat necessita un augment constant de la producció d'energia, que ens obliga a buscar noves fonts d'energia primària. Actualment, les àrees més prometedores del sector energètic són considerades com a sistemes de generació del mateixelectricitat a partir de l'energia mecànica produïda pel Sol, el vent i l'aigua flueix a la natura.
