Kaasaegse teaduse üks peamisi ülesandeid on inimkonna vajaduste rahuldamine piisava energiaga. Seoses ühiskonna eksisteerimise põhitingimuste säilitamisele suunatud protsesside energiatarbimise suurenemisega tekivad teravad probleemid mitte ainult suurte energiakoguste tootmisel, vaid ka selle jaotussüsteemide tasakaalustatud korraldamisel. Ja energia muundamise teema on selles kontekstis võtmetähtsusega. See protsess määrab ära kasuliku energiapotentsiaali genereerimise koefitsiendi, samuti tehnoloogiliste toimingute teenindamise kulude taseme kasutatava infrastruktuuri raames.
Teisenda tehnoloogia ülevaade
Erinevate energialiikide kasutamise vajadus on seotud protsesside erinevustega, mis nõuavad tarneressurssi. Selleks on vaja soojustküte, mehaaniline energia - mehhanismide liikumise toetamiseks ja valgus - valgustamiseks. Elektrit võib nimetada universaalseks energiaallikaks nii selle transformatsiooni kui ka rakendusvõimaluste poolest erinevates valdkondades. Algenergiana kasutatakse tavaliselt loodusnähtusi, aga ka kunstlikult organiseeritud protsesse, mis aitavad kaasa sama soojuse või mehaanilise jõu tekkele. Igal juhul on vaja teatud tüüpi seadmeid või keerukat tehnoloogilist ülesehitust, mis põhimõtteliselt võimaldab energia muundada lõpp- või vahetarbimiseks vajalikule kujule. Pealegi ei paista muunduri ülesannete hulgas silma mitte ainult muundamine kui energia ülekandmine ühest vormist teise. Sageli aitab see protsess muuta ka mõningaid energia parameetreid ilma seda muundamata.
Transformatsioon kui selline võib olla ühe- või mitmeastmeline. Lisaks käsitletakse tavaliselt näiteks päikesegeneraatorite töötamist fotokristallilistel elementidel valguse energia muundamisena elektriks. Kuid samas on võimalik ka soojusenergiat, mida Päike soojendamise tulemusena pinnasesse annab. Maasoojusmoodulid asetatakse teatud sügavusele maasse ja läbi spetsiaalsete juhtmete täidavad akud energiavarudega. Lihtsa muundusskeemi korral tagab maasoojussüsteem soojusenergia salvestamise, mis antakse kütteseadmetele puhtal kujul põhiettevalmistusega. Keerulise struktuuri korral kasutatakse soojuspumpa ühes rühmassoojuskondensaatorite ja kompressoritega, mis tagavad soojuse ja elektri muundamise.
Elektrienergia muundamise tüübid
Loodusnähtustest primaarenergia ammutamiseks on erinevaid tehnoloogilisi meetodeid. Kuid veelgi rohkem võimalusi energia omaduste ja vormide muutmiseks pakuvad akumuleeritud energiaressursid, kuna need salvestatakse muundamiseks sobival kujul. Kõige levinumad energia muundamise vormid hõlmavad kiirguse, kuumutamise, mehaaniliste ja keemiliste mõjude toiminguid. Kõige keerulisemad süsteemid kasutavad molekulaarset lagunemisprotsesse ja mitmetasandilisi keemilisi reaktsioone, mis ühendavad mitu transformatsioonietappi.
Konkreetse teisendusmeetodi valik sõltub protsessi korralduse tingimustest, alg- ja lõppenergia tüübist. Põhimõtteliselt muundumisprotsessides osalevate energialiikide hulgas võib eristada kiirgus-, mehaanilist, soojus-, elektri- ja keemilist energiat. Vähem alt kasutatakse neid ressursse eduk alt tööstuses ja kodumajapidamistes. Eraldi tähelepanu väärivad kaudsed energia muundamise protsessid, mis on konkreetse tehnoloogilise toimingu tuletised. Näiteks metallurgilise tootmise raames on vaja kütte- ja jahutusoperatsioone, mille tulemusena tekib aur ja soojus tuletisena, kuid mitte sihtressurssidena. Sisuliselt on need töötlemise jäätmed,mida samuti kasutatakse, muudetakse või kasutatakse samas ettevõttes.
Soojusenergia muundamine
Arengult üks vanemaid ja inimelu säilitamise tähtsamaid energiaallikaid, ilma milleta on võimatu ette kujutada kaasaegse ühiskonna elu. Enamikul juhtudel muundatakse soojus elektrienergiaks ja sellise muundamise lihtne skeem ei nõua vaheetappide ühendamist. Soojus- ja tuumaelektrijaamades võib aga sõltuv alt nende töötingimustest kasutada ettevalmistusetappi koos soojuse ülekandmisega mehaaniliseks energiaks, mis nõuab lisakulusid. Tänapäeval kasutatakse soojusenergia elektrienergiaks muundamiseks üha enam otsese toimega termoelektrigeneraatoreid.
Muundusprotsess ise toimub spetsiaalses aines, mis põletatakse, eraldab soojust ja toimib seejärel voolu genereerimise allikana. See tähendab, et termoelektriseadmeid võib pidada nulltsükliga elektriallikateks, kuna nende tööd alustatakse juba enne baassoojusenergia ilmumist. Peamise ressursina on kütuseelemendid, tavaliselt gaasisegud. Need põletatakse, mille tulemusena kuumeneb soojust jaotav metallplaat. Soojuse eemaldamise protsessis pooljuhtmaterjalidega spetsiaalse generaatorimooduli kaudu muundatakse energia. Elektrivoolu tekitab trafo või akuga ühendatud radiaator. Esimeses versioonis energialäheb kohe valmis kujul tarbijale ja teises - koguneb ja antakse ära vastav alt vajadusele.
Soojusenergia tootmine mehaanilisest energiast
Samuti üks levinumaid viise energia saamiseks transformatsiooni tulemusena. Selle olemus seisneb kehade võimes eraldada töö tegemisel soojusenergiat. Lihtsamal kujul on seda energia muundamise skeemi demonstreeritud kahe puiteseme hõõrdumise näitel, mille tulemuseks on tulekahju. Kuid selle põhimõtte kasutamiseks käegakatsutava praktilise kasuga on vaja spetsiaalseid seadmeid.
Kodumajapidamistes toimub mehaanilise energia muundumine kütte- ja veevarustussüsteemides. Need on keerukad tehnilised struktuurid, millel on magnetlülitus ja lamineeritud südamik, mis on ühendatud suletud elektrit juhtivate ahelatega. Selle konstruktsiooni töökambri sees on ka küttetorud, mida kuumutatakse ajamilt tehtud töö toimel. Selle lahenduse puuduseks on vajadus ühendada süsteem vooluvõrku.
Tööstus kasutab võimsamaid vedelikjahutusega muundureid. Mehaanilise töö allikas on ühendatud suletud veepaakidega. Täitevorganite (turbiinid, labad või muud konstruktsioonielemendid) liikumise käigus luuakse ahela sees tingimused keeriste tekkeks. See juhtub terade järsu pidurdamise hetkedel. Lisaks kuumutamisele suureneb sel juhul ka rõhk, mis hõlbustab protsesseveeringlus.
Elektromehaanilise energia muundamine
Enamik kaasaegseid tehnikaseadmeid töötavad elektromehaanika põhimõtetel. Sünkroonseid ja asünkroonseid elektrimasinaid ja generaatoreid kasutatakse erinevatel eesmärkidel transpordis, tööpinkides, tööstusinseneri sõlmedes ja muudes elektrijaamades. See tähendab, et energia muundamise elektromehaanilised tüübid on rakendatavad nii generaatori kui ka mootori töörežiimides, olenev alt ajamisüsteemi praegustest nõuetest.
Üldistatud kujul võib iga elektrimasinat käsitleda kui vastastikku liikuvate magnetsidestatud elektriahelate süsteemi. Sellised nähtused hõlmavad ka hüstereesi, küllastumist, kõrgemaid harmoonilisi ja magnetkaod. Kuid klassikalises vaates saab neid omistada elektrimasinate analoogidele ainult siis, kui me räägime dünaamilistest režiimidest, kui süsteem töötab energiainfrastruktuuri piires.
Elektromehaaniline energia muundamise süsteem põhineb kahe- ja kolmefaasiliste komponentidega kahe reaktsiooni põhimõttel, samuti magnetväljade pöörlemise meetodil. Mootorite rootor ja staator teevad mehaanilist tööd magnetvälja mõjul. Olenev alt laetud osakeste liikumissuunast seatakse töörežiim – kas mootori või generaatorina.
Elektri tootmine keemilisest energiast
Keemilise energia koguallikas on traditsiooniline, kuid selle muundamise meetodid pole nii levinudkeskkonnapiirangute tõttu. Iseenesest keemilist energiat puhtal kujul praktiliselt ei kasutata - vähem alt kontsentreeritud reaktsioonide kujul. Samas ümbritsevad looduslikud keemilised protsessid inimest kõikjal kõrge või madala energiatarbega sidemete kujul, mis avalduvad näiteks põlemisel koos soojuse eraldumisega. Kuid keemilise energia muundamine on mõnes tööstuses sihipäraselt korraldatud. Tavaliselt luuakse tingimused kõrgtehnoloogiliseks põlemiseks plasmageneraatorites või gaasiturbiinides. Nende protsesside tüüpiline reagent on kütuseelement, mis aitab kaasa elektrienergia tootmisele. Tõhususe seisukoh alt ei ole sellised muundused alternatiivsete elektritootmismeetoditega võrreldes nii tulusad, kuna osa kasulikust soojusest hajub isegi tänapäevastes plasmaseadmetes.
Päikesekiirguse energia muundamine
Energia muundamise viisina võib päikesevalguse töötlemise protsess lähitulevikus muutuda energiasektoris kõige nõutumaks. Selle põhjuseks on asjaolu, et ka tänapäeval saab iga majaomanik teoreetiliselt osta seadmeid päikeseenergia elektrienergiaks muundamiseks. Selle protsessi põhijooneks on see, et kogunev päikesevalgus on tasuta. Teine asi on see, et see ei muuda protsessi täiesti tasuta. Esiteks on kulud päikesepatareide hoolduseks. Teiseks ei ole seda tüüpi generaatorid ise odavad, seega on esialgne investeeringVähesed inimesed saavad endale lubada oma minienergiajaama korraldamist.
Mis on päikeseenergia generaator? See on fotogalvaaniliste paneelide komplekt, mis muundavad päikesevalguse energia elektriks. Selle protsessi põhimõte on paljuski sarnane transistori tööga. Räni kasutatakse peamise materjalina päikesepatareide valmistamisel erinevates versioonides. Näiteks päikeseenergia muundamiseks mõeldud seade võib olla polü- ja ühekristalliline. Teine võimalus on jõudluse osas eelistatavam, kuid on kallim. Mõlemal juhul valgustatakse fotoelement, mille käigus elektroodid aktiveeruvad ja nende liikumise käigus tekib elektrodünaamiline jõud.
Auruenergia muundamine
Auruturbiine saab kasutada tööstuses nii energia muundamiseks vastuvõetavasse vormi kui ka iseseisva elektri- või soojusgeneraatorina spetsiaalselt suunatud konventsionaalsetest gaasivoogudest. Elektrienergia muundamiseks koos aurugeneraatoritega ei kasutata kaugeltki ainult turbiinmasinaid, kuid nende konstruktsioon sobib optimaalselt selle protsessi kõrge efektiivsusega korraldamiseks. Lihtsaim tehniline lahendus on labadega turbiin, mille külge on ühendatud tarnitava auruga pihustid. Terade liikumisel pöörleb seadme sees olev elektromagnetiline paigaldus, tehakse mehaanilist tööd ja tekib vool.
Mõnel turbiini konstruktsioonil onspetsiaalsed laiendused astmete kujul, kus auru mehaaniline energia muundatakse kineetiliseks energiaks. Seadme seda omadust ei määra mitte niivõrd generaatori energia muundamise efektiivsuse tõstmise huvid või vajadus täpselt välja töötada kineetiline potentsiaal, kuivõrd turbiini töö paindliku reguleerimise võimalus. Turbiini paisumine tagab juhtimisfunktsiooni, mis võimaldab tõhus alt ja ohutult reguleerida toodetava energia hulka. Muide, konversiooniprotsessi kaasatud paisutamise tööpiirkonda nimetatakse aktiivse rõhu etapiks.
Energiaülekande meetodid
Energia muundamise meetodeid ei saa käsitleda ilma selle ülekandmise kontseptsioonita. Praeguseks on energia ülekandmiseks neli kehade vastasmõju - elektriline, gravitatsiooniline, tuuma- ja nõrk. Ülekannet võib selles kontekstis käsitleda ka vahetusmeetodina, seetõttu on põhimõtteliselt eraldatud töö sooritamine energia ülekandel ja soojusülekande funktsioon. Millised energia muundumised hõlmavad töö tegemist? Tüüpiliseks näiteks on mehaaniline jõud, mille puhul makroskoopilised kehad või kehade üksikud osakesed liiguvad ruumis. Lisaks mehaanilisele jõule eristatakse ka magnet- ja elektritööd. Peaaegu igat tüüpi tööde peamiseks ühendavaks tunnuseks on võimalus nende vahelist muutust täielikult kvantifitseerida. See tähendab, et elekter muundataksemehaaniline energia, mehaaniline töö magnetpotentsiaaliks jne. Soojusülekanne on ka levinud viis energia ülekandmiseks. See võib olla suunatu või kaootiline, kuid igal juhul toimub mikroskoopiliste osakeste liikumine. Aktiveeritud osakeste arv määrab soojushulga – kasuliku soojuse.
Järeldus
Energia üleminek ühest vormist teise on normaalne ja mõnes tööstusharus on energia tootmisprotsessi eelduseks. Erinevatel juhtudel võib selle etapi kaasamise vajadust seletada majanduslike, tehnoloogiliste, keskkonna- ja muude ressursside loomise teguritega. Samal ajal, hoolimata looduslike ja kunstlikult organiseeritud energia muundamise viiside mitmekesisusest, kasutatakse valdavat enamikku muundusprotsesse võimaldavatest käitistest ainult elektri-, soojus- ja mehaaniliste tööde jaoks. Elektrienergia muundamise vahendid on kõige levinumad. Elektrimasinaid, mis võimaldavad mehaanilise töö muundamist elektrienergiaks näiteks induktsiooni põhimõttel, kasutatakse peaaegu kõigis valdkondades, kus on tegemist keerukate tehniliste seadmete, sõlmede ja seadmetega. Ja see trend ei vähene, kuna inimkond vajab pidevat energiatootmise suurendamist, mis sunnib meid otsima uusi primaarenergia allikaid. Hetkel peetakse energiasektoris kõige perspektiivikamateks valdkondadeks samade tootmissüsteemePäikese, tuule ja vee toodetud mehaanilisest energiast saadav elekter liigub looduses.
