Az emberiség szükségleteinek elegendő energiával való ellátása a modern tudomány egyik legfontosabb feladata. A társadalom létfeltételeinek megőrzését célzó folyamatok energiafelhasználásának növekedésével összefüggésben nemcsak a nagy mennyiségű energia előállításában, hanem elosztórendszereinek kiegyensúlyozott megszervezésében is akut problémák merülnek fel. Az energiaátalakítás témája pedig kulcsfontosságú ebben az összefüggésben. Ez a folyamat határozza meg a hasznos energiapotenciál előállítási együtthatóját, valamint a technológiai műveletek kiszolgálásának költségeit az alkalmazott infrastruktúra keretein belül.
A technológia áttekintésének konvertálása
A különböző típusú energia felhasználásának szükségessége az ellátási erőforrást igénylő folyamatok különbségeivel jár. Hő szükségesfűtés, mechanikai energia - a mechanizmusok mozgásának támogatására és fény - világításra. A villamos energia univerzális energiaforrásnak nevezhető mind átalakulását, mind a különféle területeken történő felhasználási lehetőségeit tekintve. Kiindulási energiaként általában természeti jelenségeket használnak, valamint olyan mesterségesen szervezett folyamatokat, amelyek hozzájárulnak ugyanazon hő vagy mechanikai erő létrehozásához. Minden esetben szükség van egy bizonyos típusú berendezésre vagy olyan összetett technológiai felépítésre, amely elvileg lehetővé teszi az energia átalakítását a végső vagy folyó termelőfelhasználáshoz szükséges formára. Sőt, az átalakító feladatai közül nem csak az átalakítás, mint az energia egyik formából a másikba való átvitele tűnik ki. Ez a folyamat gyakran az energia egyes paramétereinek megváltoztatására is szolgál, anélkül, hogy átalakulna.
Az átalakítás mint olyan lehet egyfokozatú vagy többlépcsős. Ezenkívül például a napelem generátorok fotokristályos cellákon történő működését általában a fényenergia elektromos árammá alakításának tekintik. De ugyanakkor lehetőség van arra is, hogy a Nap által a melegítés hatására a talajba juttatott hőenergiát a talajba fordítsuk. A geotermikus modulokat egy bizonyos mélységben a talajba helyezik, és speciális vezetékeken keresztül töltik fel az akkumulátorokat energiatartalékokkal. Egyszerű átalakítási sémában a geotermikus rendszer biztosítja a hőenergia tárolását, amelyet alap-előkészítéssel tiszta formában adnak át a fűtőberendezéseknek. Összetett szerkezetben a hőszivattyút egyetlen csoportban használjákhő- és villamosenergia-átalakítást biztosító hőkondenzátorokkal és kompresszorokkal.
Az elektromos energia átalakítás típusai
Különböző technológiai módszerek léteznek a primer energia természeti jelenségekből való kinyerésére. De még több lehetőséget biztosítanak az energia tulajdonságainak és formáinak megváltoztatására a felhalmozott energiaforrások, hiszen az átalakulásra alkalmas formában tárolódnak. Az energiaátalakítás leggyakoribb formái a sugárzási, fűtési, mechanikai és kémiai hatások műveletei. A legösszetettebb rendszerek molekuláris bomlási folyamatokat és többszintű kémiai reakciókat alkalmaznak, amelyek több átalakítási lépést kombinálnak.
Az átalakítás konkrét módszerének kiválasztása a folyamat megszervezésének feltételeitől, a kezdeti és végső energia típusától függ. Az átalakulási folyamatokban elvileg részt vevő, legelterjedtebb energiafajták között megkülönböztethető a sugárzó, mechanikai, hő-, elektromos és kémiai energia. Ezeket az erőforrásokat legalább az iparban és a háztartásokban sikeresen kiaknázzák. Külön figyelmet érdemelnek az energiaátalakítás közvetett folyamatai, amelyek egy adott technológiai művelet származékai. Például a kohászati termelés keretein belül fűtési és hűtési műveletekre van szükség, amelyek eredményeként gőz és hő keletkezik származékként, de nem célforrásként. Lényegében ezek a feldolgozás során keletkező hulladékok,amelyeket szintén ugyanazon a vállalaton belül használnak, alakítanak át vagy használnak.
Hőenergia-átalakítás
A fejlődés szempontjából az egyik legrégebbi és az emberi élet fenntartásának legfontosabb energiaforrása, amely nélkül elképzelhetetlen a modern társadalom élete. A legtöbb esetben a hőt villamos energiává alakítják, és az ilyen átalakítás egyszerű sémája nem igényli a közbenső szakaszok csatlakoztatását. A hő- és atomerőművekben azonban az üzemi körülményeiktől függően alkalmazható a hő mechanikai energiává történő átvitelével járó előkészítési szakasz, amely többletköltséget igényel. Manapság egyre gyakrabban használnak közvetlen működésű termoelektromos generátorokat a hőenergia elektromos árammá alakítására.
Maga az átalakulás folyamata egy speciális anyagban megy végbe, amely eléget, hőt bocsát ki, majd az áramtermelés forrásaként működik. Vagyis a termoelektromos berendezések nulla ciklusú áramforrásnak tekinthetők, mivel működésüket még az alaphőenergia megjelenése előtt megkezdik. Az üzemanyagcellák, általában gázkeverékek, a fő erőforrásként szolgálnak. Elégetik, aminek következtében a hőelosztó fémlemez felmelegszik. A félvezető anyagokat tartalmazó speciális generátormodulon keresztül történő hőelvonás során az energia átalakul. Az elektromos áramot egy transzformátorhoz vagy akkumulátorhoz csatlakoztatott radiátor egység állítja elő. Az első változatban az energiakész formában azonnal a fogyasztóhoz kerül, a másodikban pedig felhalmozódik és szükség szerint eladom.
Hőenergia előállítása mechanikai energiából
Szintén az egyik leggyakoribb módja annak, hogy az átalakulás eredményeként energiához jussunk. Lényege a testek azon képességében rejlik, hogy munkavégzés közben hőenergiát adnak le. A legegyszerűbb formájában ezt az energiaátalakítási sémát két fatárgy súrlódásának példája szemlélteti, ami tüzet eredményez. Ennek az elvnek kézzelfogható gyakorlati előnyökkel járó használatához azonban speciális eszközökre van szükség.
A háztartásokban a mechanikai energia átalakítása a fűtési és vízellátó rendszerekben történik. Ezek összetett műszaki szerkezetek mágneses áramkörrel és zárt elektromosan vezető áramkörökhöz kapcsolódó laminált maggal. Ennek a kialakításnak a munkakamrájában is vannak fűtőcsövek, amelyeket a hajtásból végzett munka hatására melegítenek. Ennek a megoldásnak a hátránya, hogy a rendszert a hálózatra kell csatlakoztatni.
Az iparág erősebb folyadékhűtéses konvertereket használ. A gépészeti munka forrása zárt víztartályokhoz kapcsolódik. A végrehajtó szervek (turbinák, lapátok vagy egyéb szerkezeti elemek) mozgása során az örvényképződés feltételei az áramkörön belül jönnek létre. Ez a kések éles fékezésének pillanataiban történik. A fűtés mellett ilyenkor a nyomás is megnő, ami megkönnyíti a folyamatokatvízkeringtetés.
Elektromechanikai energia átalakítása
A legtöbb modern műszaki egység az elektromechanika elvein működik. A szinkron és aszinkron elektromos gépeket, generátorokat közlekedésben, szerszámgépekben, ipari gépészeti egységekben és más erőművekben használják különféle célokra. Vagyis az energiaátalakítás elektromechanikus típusai a hajtásrendszer aktuális követelményeitől függően generátor és motor üzemmódban egyaránt alkalmazhatók.
Általánosított formában minden elektromos gépet úgy tekinthetünk, mint egy kölcsönösen mozgó, mágnesesen csatolt elektromos áramkörök rendszerét. Ilyen jelenségek a hiszterézis, a telítettség, a magasabb harmonikusok és a mágneses veszteségek is. De a klasszikus felfogás szerint csak akkor tulajdoníthatók az elektromos gépek analógjainak, ha dinamikus üzemmódokról beszélünk, amikor a rendszer az energetikai infrastruktúrán belül működik.
Az elektromechanikus energiaátalakító rendszer két reakció elvén alapul két- és háromfázisú komponensekkel, valamint a mágneses mezők forgatásának módszerén. A motorok forgórésze és állórésze mágneses tér hatására mechanikai munkát végez. A töltött részecskék mozgási irányától függően a működési módot - motorként vagy generátorként - állítjuk be.
Elektromos energia előállítása vegyi energiából
A teljes kémiai energiaforrás hagyományos, de átalakításának módjai nem annyira elterjedtekkörnyezetvédelmi korlátozások miatt. Önmagában a kémiai energiát tiszta formájában gyakorlatilag nem használják fel - legalábbis koncentrált reakciók formájában. Ugyanakkor a természetes kémiai folyamatok mindenhol körülveszik az embert nagy vagy alacsony energiájú kötések formájában, amelyek például az égés során hőkibocsátással jelentkeznek. A vegyi energia átalakítása azonban egyes iparágakban célirányosan megszervezve van. Általában a csúcstechnológiás égetéshez plazmagenerátorokban vagy gázturbinákban teremtenek feltételeket. E folyamatok tipikus reagense az üzemanyagcella, amely hozzájárul az elektromos energia előállításához. Hatékonyság szempontjából az ilyen átalakítások nem olyan jövedelmezőek, mint az alternatív villamosenergia-termelési módszerek, mivel a hasznos hő egy része még a modern plazmaberendezésekben is disszipálódik.
A napsugárzás energiájának átalakítása
Az energia átalakításának módjaként a napfény feldolgozásának folyamata a közeljövőben a legkeresettebbé válhat az energiaszektorban. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy elméletileg még ma is minden háztulajdonos vásárolhat olyan berendezéseket, amelyek a napenergiát elektromos energiává alakítják át. Ennek a folyamatnak a legfontosabb jellemzője, hogy a felgyülemlett napfény ingyenes. A másik dolog az, hogy ez nem teszi teljesen költségmentessé a folyamatot. Először is a napelemek karbantartásának költségeire lesz szükség. Másodszor, maguk az ilyen típusú generátorok nem olcsók, így a kezdeti befektetésKevesen engedhetik meg maguknak, hogy saját mini-energiaállomást szervezzenek.
Mi az a napelemes generátor? Ez egy olyan fotovoltaikus panelkészlet, amely a napfény energiáját elektromos árammá alakítja. Ennek a folyamatnak az elve sok tekintetben hasonló a tranzisztor működéséhez. A szilíciumot fő anyagként használják napelemek gyártásához különböző változatokban. Például a napenergia átalakítására szolgáló eszköz lehet poli- és egykristály. A második lehetőség előnyösebb a teljesítmény szempontjából, de drágább. Mindkét esetben a fotocella megvilágításra kerül, melynek során az elektródák aktiválódnak, és mozgásuk során elektrodinamikus erő keletkezik.
Gőzenergia átalakítás
A gőzturbinák az iparban egyaránt használhatók az energia elfogadható formába történő átalakítására, valamint a speciálisan irányított hagyományos gázáramokból származó villamos energia vagy hő független előállítójaként. Elektromos energia átalakítására korántsem csak turbinás gépeket használnak gőzfejlesztőkkel kombinálva, de kialakításuk optimálisan alkalmas ennek a folyamatnak a nagy hatékonyságú megszervezésére. A legegyszerűbb műszaki megoldás egy lapátos turbina, amelyre a szállított gőzzel ellátott fúvókák csatlakoznak. Ahogy a pengék mozognak, a készülék belsejében lévő elektromágneses berendezés forog, mechanikai munka történik, és áram keletkezik.
Egyes turbináknak van ilyenspeciális bővítések lépcsők formájában, ahol a gőz mechanikai energiája alakul át mozgási energiává. A berendezés ezen tulajdonságát nem annyira a generátor energiaátalakítás hatásfokának növelése, vagy a kinetikai potenciál precíz fejlesztésének igénye határozza meg, hanem a turbina működésének rugalmas szabályozásának lehetősége. A turbinában lévő tágulás olyan szabályozási funkciót biztosít, amely lehetővé teszi a megtermelt energia mennyiségének hatékony és biztonságos szabályozását. Egyébként a bővítés munkaterületét, amely az átalakítási folyamatban van, aktív nyomási fokozatnak nevezik.
Energiaátviteli módszerek
Az energiaátalakítás módszerei nem jöhetnek szóba az átadás fogalma nélkül. A mai napig a testek kölcsönhatásának négy módja van, amelyekben az energia átadódik - elektromos, gravitációs, nukleáris és gyenge. Az átadás ebben az összefüggésben cseremódszernek is tekinthető, ezért elvileg elválik egymástól az energiaátadásban végzett munkavégzés és a hőátadás funkciója. Milyen energiaátalakításokhoz tartozik a munkavégzés? Tipikus példa erre a mechanikai erő, amelynek során makroszkopikus testek vagy testek egyedi részecskéi mozognak a térben. A mechanikai erő mellett megkülönböztetünk mágneses és elektromos munkát is. Szinte minden típusú munka egyik kulcsfontosságú egyesítő vonása az a képesség, hogy teljes mértékben számszerűsíteni tudjuk a köztük lévő átalakulást. Vagyis az elektromosság átalakul amechanikai energia, mechanikai munka mágneses potenciálba stb. A hőátadás szintén gyakori módja az energiaátvitelnek. Lehet nem irányított vagy kaotikus, de mindenesetre mikroszkopikus méretű részecskék mozgása van. Az aktivált részecskék száma határozza meg a hő mennyiségét – hasznos hőt.
Következtetés
Az energia egyik formából a másikba való átmenete normális, és egyes iparágakban előfeltétele az energiatermelés folyamatának. Különböző esetekben ennek a szakasznak az igénye az erőforrás-termelés gazdasági, technológiai, környezeti és egyéb tényezőivel magyarázható. Ugyanakkor az energiaátalakítás természetes és mesterségesen szervezett módjainak sokfélesége ellenére az átalakítási folyamatokat biztosító létesítmények túlnyomó többségét csak villamosenergia-, hő- és gépészeti munkákra használják. Az elektromos energia átalakítására szolgáló eszközök a leggyakoribbak. A mechanikai munka elektromossággá alakítását biztosító elektromos gépeket például az indukció elve szerint szinte minden olyan területen alkalmazzák, ahol bonyolult műszaki eszközökről, szerelvényekről, berendezésekről van szó. És ez a tendencia nem csökken, hiszen az emberiségnek folyamatosan növelnie kell az energiatermelést, ami új primer energiaforrások után kutat. Jelenleg az energiaszektor legígéretesebb területeinek a termelőrendszerek tekinthetőkA Nap, a szél és a víz által termelt mechanikai energiából származó villamos energia a természetben áramlik.
