Fornire ai bisogni dell'umanità sufficiente energia è uno dei compiti chiave che la scienza moderna deve affrontare. In connessione con l'aumento del consumo energetico dei processi volti a mantenere le condizioni di base per l'esistenza della società, sorgono acuti problemi non solo nella generazione di grandi quantità di energia, ma anche nell'organizzazione equilibrata dei suoi sistemi di distribuzione. E il tema della conversione dell'energia è di fondamentale importanza in questo contesto. Questo processo determina il coefficiente di generazione del potenziale energetico utile, nonché il livello dei costi per la manutenzione delle operazioni tecnologiche nell'ambito dell'infrastruttura utilizzata.
Panoramica della tecnologia di conversione
La necessità di utilizzare diversi tipi di energia è associata a differenze nei processi che richiedono una risorsa di approvvigionamento. Il calore è richiesto perriscaldamento, energia meccanica - per il supporto energetico del movimento dei meccanismi e luce - per l'illuminazione. L'elettricità può essere definita una fonte di energia universale sia in termini di trasformazione che in termini di possibilità di applicazione in vari campi. Come energia iniziale vengono solitamente utilizzati fenomeni naturali, nonché processi organizzati artificialmente che contribuiscono alla generazione dello stesso calore o forza meccanica. In ogni caso è richiesto un certo tipo di apparecchiatura o una complessa struttura tecnologica che, in linea di principio, consenta la conversione dell'energia nella forma richiesta per i consumi finali o intermedi. Inoltre, tra i compiti del convertitore, non spicca solo la trasformazione come il trasferimento di energia da una forma all' altra. Spesso questo processo serve anche a modificare alcuni parametri dell'energia senza la sua trasformazione.
La trasformazione in quanto tale può essere a stadio singolo o multistadio. Inoltre, ad esempio, il funzionamento dei generatori solari su celle fotocristalline è solitamente considerato come la trasformazione dell'energia luminosa in energia elettrica. Ma allo stesso tempo è anche possibile convertire l'energia termica che il Sole dona al suolo per effetto del riscaldamento. I moduli geotermici sono posti ad una certa profondità nel terreno e, tramite appositi conduttori, riempiono le batterie di riserve di energia. In un semplice schema di conversione, il sistema geotermico prevede l'accumulo di energia termica, che viene ceduta all'impianto di riscaldamento nella sua forma pura con una preparazione di base. In una struttura complessa, una pompa di calore viene utilizzata in un unico gruppocon condensatori di calore e compressori che forniscono la conversione di calore ed elettricità.
Tipi di conversione dell'energia elettrica
Ci sono diversi metodi tecnologici per estrarre energia primaria dai fenomeni naturali. Ma ancora più opportunità per modificare le proprietà e le forme di energia sono fornite dalle risorse energetiche accumulate, poiché sono immagazzinate in una forma conveniente per la trasformazione. Le forme più comuni di conversione dell'energia includono le operazioni di irraggiamento, riscaldamento, effetti meccanici e chimici. I sistemi più complessi utilizzano processi di decadimento molecolare e reazioni chimiche multilivello che combinano più fasi di trasformazione.
La scelta di un metodo specifico di trasformazione dipenderà dalle condizioni dell'organizzazione del processo, dal tipo di energia iniziale e finale. L'energia radiante, meccanica, termica, elettrica e chimica può essere distinta tra i tipi di energia più comuni che, in linea di principio, partecipano ai processi di trasformazione. Come minimo, queste risorse vengono sfruttate con successo nell'industria e nelle famiglie. Un'attenzione separata merita processi indiretti di conversione dell'energia, che sono derivati da una particolare operazione tecnologica. Ad esempio, nell'ambito della produzione metallurgica, sono necessarie operazioni di riscaldamento e raffreddamento, a seguito delle quali vengono generati vapore e calore come derivati, ma non risorse target. Si tratta in sostanza di scarti di lavorazione,che vengono anche utilizzati, trasformati o utilizzati all'interno della stessa impresa.
Conversione dell'energia termica
Una delle più antiche in termini di sviluppo e la più importante fonte di energia per il mantenimento della vita umana, senza la quale è impossibile immaginare la vita della società moderna. Nella maggior parte dei casi, il calore viene convertito in elettricità e uno schema semplice per tale trasformazione non richiede il collegamento di stadi intermedi. Tuttavia, nelle centrali termoelettriche e nucleari, a seconda delle condizioni di esercizio, può essere utilizzata una fase di preparazione con trasferimento di energia termica in energia meccanica, che richiede costi aggiuntivi. Oggi i generatori termoelettrici ad azione diretta vengono sempre più utilizzati per convertire l'energia termica in elettricità.
Il processo di trasformazione stesso avviene in una sostanza speciale che viene bruciata, rilascia calore e successivamente funge da fonte di generazione di corrente. Cioè, gli impianti termoelettrici possono essere considerati come fonti di energia elettrica a ciclo zero, poiché il loro funzionamento viene avviato ancor prima della comparsa dell'energia termica di base. Le celle a combustibile, solitamente miscele di gas, fungono da risorsa principale. Vengono bruciati, a seguito dei quali viene riscaldata la piastra metallica che distribuisce il calore. Nel processo di rimozione del calore attraverso uno speciale modulo generatore con materiali semiconduttori, l'energia viene convertita. La corrente elettrica è generata da un'unità radiatore collegata a un trasformatore o a una batteria. Nella prima versione, l'energiava immediatamente al consumatore nella forma finita e nel secondo - si accumula e viene regalato secondo necessità.
Generazione di energia termica da energia meccanica
Anche uno dei modi più comuni per ottenere energia come risultato della trasformazione. La sua essenza sta nella capacità dei corpi di emettere energia termica nel processo di lavoro. Nella sua forma più semplice, questo schema di trasformazione dell'energia è dimostrato dall'esempio dell'attrito di due oggetti di legno, con conseguente incendio. Tuttavia, per utilizzare questo principio con vantaggi pratici tangibili, sono necessari dispositivi speciali.
Nelle abitazioni, la trasformazione dell'energia meccanica avviene negli impianti di riscaldamento e di approvvigionamento idrico. Si tratta di strutture tecniche complesse con un circuito magnetico e un nucleo laminato collegato a circuiti chiusi elettricamente conduttivi. Anche all'interno della camera di lavoro di questo design ci sono tubi di riscaldamento, che vengono riscaldati sotto l'azione del lavoro svolto dall'azionamento. Lo svantaggio di questa soluzione è la necessità di collegare l'impianto alla rete.
L'industria utilizza convertitori raffreddati a liquido più potenti. La fonte di lavoro meccanico è collegata a serbatoi d'acqua chiusi. Nel processo di movimento degli organi esecutivi (turbine, pale o altri elementi strutturali) si creano le condizioni per la formazione di vortici all'interno del circuito. Ciò accade durante i momenti di brusca frenata delle lame. Oltre al riscaldamento, in questo caso, aumenta anche la pressione, che facilita i processicircolazione dell'acqua.
Conversione dell'energia elettromeccanica
La maggior parte delle moderne unità tecniche lavora secondo i principi dell'elettromeccanica. Macchine e generatori elettrici sincroni e asincroni sono utilizzati nei trasporti, macchine utensili, unità di ingegneria industriale e altre centrali elettriche per vari scopi. Cioè, i tipi elettromeccanici di conversione dell'energia sono applicabili sia alle modalità di funzionamento del generatore che del motore, a seconda dei requisiti di corrente del sistema di azionamento.
In una forma generalizzata, qualsiasi macchina elettrica può essere considerata come un sistema di circuiti elettrici accoppiati magneticamente che si muovono reciprocamente. Tali fenomeni includono anche isteresi, saturazione, armoniche superiori e perdite magnetiche. Ma nella visione classica, possono essere attribuiti ad analoghi delle macchine elettriche solo se stiamo parlando di modalità dinamiche quando il sistema opera all'interno dell'infrastruttura energetica.
Il sistema di conversione dell'energia elettromeccanico si basa sul principio di due reazioni con componenti bifase e trifase, nonché sul metodo della rotazione dei campi magnetici. Il rotore e lo statore dei motori eseguono lavori meccanici sotto l'influenza di un campo magnetico. A seconda della direzione di movimento delle particelle cariche, viene impostata la modalità di funzionamento - come motore o generatore.
Generazione di elettricità da energia chimica
La fonte di energia chimica totale è tradizionale, ma i metodi della sua trasformazione non sono così comunia causa di restrizioni ambientali. Di per sé, l'energia chimica nella sua forma pura non viene praticamente utilizzata, almeno sotto forma di reazioni concentrate. Allo stesso tempo, i processi chimici naturali circondano una persona ovunque sotto forma di legami ad alta o bassa energia, che si manifestano, ad esempio, durante la combustione con rilascio di calore. Tuttavia, la conversione dell'energia chimica è organizzata di proposito in alcuni settori. Di solito, vengono create le condizioni per la combustione ad alta tecnologia in generatori di plasma o turbine a gas. Un tipico reagente di questi processi è una cella a combustibile, che contribuisce alla produzione di energia elettrica. Dal punto di vista dell'efficienza, tali conversioni non sono così redditizie rispetto ai metodi alternativi di generazione di elettricità, poiché parte del calore utile viene dissipato anche nelle moderne installazioni al plasma.
Conversione dell'energia della radiazione solare
Come modo per convertire l'energia, il processo di elaborazione della luce solare nel prossimo futuro potrebbe diventare il più richiesto nel settore energetico. Ciò è dovuto al fatto che ancora oggi ogni proprietario di casa può teoricamente acquistare apparecchiature per convertire l'energia solare in energia elettrica. La caratteristica fondamentale di questo processo è che la luce solare accumulata è gratuita. Un' altra cosa è che questo non rende il processo completamente gratuito. In primo luogo, i costi saranno necessari per la manutenzione delle batterie solari. In secondo luogo, i generatori di questo tipo di per sé non sono economici, quindi l'investimento iniziale inPoche persone possono permettersi di organizzare la propria mini-centrale energetica.
Cos'è un generatore di energia solare? Si tratta di un insieme di pannelli fotovoltaici che convertono l'energia della luce solare in energia elettrica. Il principio stesso di questo processo è per molti versi simile al funzionamento di un transistor. Il silicio è utilizzato come materiale principale per la produzione di celle solari in diverse versioni. Ad esempio, un dispositivo per la conversione dell'energia solare può essere poli e monocristallino. La seconda opzione è preferibile in termini di prestazioni, ma è più costosa. In entrambi i casi si accende la fotocellula, durante la quale si attivano gli elettrodi e si genera una forza elettrodinamica durante il loro movimento.
Conversione dell'energia del vapore
Le turbine a vapore possono essere utilizzate nell'industria sia come un modo per trasformare l'energia in una forma accettabile, sia come un generatore indipendente di elettricità o calore da flussi di gas convenzionali appositamente diretti. Lungi dall'essere solo le macchine a turbina sono utilizzate come dispositivi per la conversione dell'energia elettrica in combinazione con generatori di vapore, ma il loro design è adatto in modo ottimale per organizzare questo processo con un'elevata efficienza. La soluzione tecnica più semplice è una turbina a pale, a cui sono collegati ugelli con vapore erogato. Mentre le lame si muovono, l'installazione elettromagnetica all'interno dell'apparato ruota, viene eseguito il lavoro meccanico e viene generata corrente.
Alcuni modelli di turbine hannospeciali estensioni sotto forma di gradini, dove l'energia meccanica del vapore viene convertita in energia cinetica. Questa caratteristica del dispositivo è determinata non tanto dall'interesse di aumentare l'efficienza di conversione dell'energia del generatore o dalla necessità di sviluppare precisamente il potenziale cinetico, ma dal fornire la possibilità di una regolazione flessibile del funzionamento della turbina. L'espansione nella turbina fornisce una funzione di controllo che consente una regolazione efficiente e sicura della quantità di energia generata. A proposito, l'area di lavoro dell'espansione, che è inclusa nel processo di conversione, è chiamata fase di pressione attiva.
Metodi di trasferimento di energia
I metodi di trasformazione dell'energia non possono essere considerati senza il concetto del suo trasferimento. Ad oggi, ci sono quattro modi di interazione dei corpi in cui viene trasferita l'energia: elettrica, gravitazionale, nucleare e debole. Il trasferimento in questo contesto può anche essere considerato come un metodo di scambio, quindi, in linea di principio, l'esecuzione del lavoro nel trasferimento di energia e la funzione di trasferimento del calore sono separate. Quali trasformazioni di energia comportano il lavoro? Un tipico esempio è una forza meccanica, in cui corpi macroscopici o singole particelle di corpi si muovono nello spazio. Oltre alla forza meccanica, si distinguono anche il lavoro magnetico ed elettrico. Una caratteristica fondamentale unificante per quasi tutti i tipi di lavoro è la capacità di quantificare completamente la trasformazione tra di loro. Cioè, l'elettricità si trasforma inenergia meccanica, lavoro meccanico in potenziale magnetico, ecc. Anche il trasferimento di calore è un modo comune per trasferire energia. Può essere non direzionale o caotico, ma in ogni caso c'è un movimento di particelle microscopiche. Il numero di particelle attivate determinerà la quantità di calore - calore utile.
Conclusione
Il passaggio di energia da una forma all' altra è normale e in alcuni settori è un prerequisito per il processo di produzione dell'energia. In diversi casi, la necessità di includere questa fase può essere spiegata da fattori economici, tecnologici, ambientali e altri fattori di generazione delle risorse. Allo stesso tempo, nonostante la varietà di modi di trasformazione dell'energia naturali e organizzati artificialmente, la stragrande maggioranza degli impianti che prevedono processi di trasformazione sono utilizzati solo per l'elettricità, il calore e i lavori meccanici. I mezzi per convertire l'energia elettrica sono i più comuni. Le macchine elettriche che prevedono la trasformazione del lavoro meccanico in elettricità secondo il principio dell'induzione, ad esempio, sono utilizzate in quasi tutti i settori in cui sono coinvolti dispositivi, assiemi e dispositivi tecnici complessi. E questa tendenza non è in diminuzione, poiché l'umanità ha bisogno di un aumento costante della produzione di energia, che ci costringe a cercare nuove fonti di energia primaria. Al momento, le aree più promettenti del settore energetico sono considerate i sistemi di generazione degli stessil'elettricità dall'energia meccanica prodotta dal sole, dal vento e dall'acqua scorre in natura.
