Ihmiskunnan tarpeiden tyydyttäminen riittävällä energialla on yksi nykyajan tieteen avaintehtävistä. Yhteiskunnan olemassaolon perusedellytysten ylläpitämiseen tähtäävien prosessien energiankulutuksen lisääntymisen yhteydessä syntyy akuutteja ongelmia paitsi suurten energiamäärien tuotannossa myös sen jakelujärjestelmien tasapainoisessa järjestämisessä. Ja energian muuntaminen on tässä yhteydessä avainasemassa. Tämä prosessi määrittää hyödyllisen energiapotentiaalin tuotantokertoimen sekä teknisten toimintojen huoltokustannusten tason käytetyn infrastruktuurin puitteissa.
Muunna tekniikan yleiskatsaus
Tarpe käyttää erilaisia energiamuotoja liittyy eroihin prosesseissa, jotka vaativat toimitusresurssia. Lämpöä tarvitaanlämmitys, mekaaninen energia - mekanismien liikkeen tehon tukemiseen ja valo - valaistukseen. Sähköä voidaan kutsua universaaliksi energialähteeksi sekä muunnoksensa että sovellusmahdollisuuksiensa suhteen eri aloilla. Alkuenergiana käytetään yleensä luonnonilmiöitä sekä keinotekoisesti järjestettyjä prosesseja, jotka myötävaikuttavat saman lämmön tai mekaanisen voiman syntymiseen. Kussakin tapauksessa tarvitaan tietyntyyppinen laitteisto tai monimutkainen teknologinen rakenne, joka periaatteessa mahdollistaa energian muuntamisen loppu- tai välituotekäytön edellyttämään muotoon. Lisäksi muuntimen tehtävien joukossa ei vain muuntaminen erotu energian siirtämisestä muodosta toiseen. Usein tämä prosessi auttaa myös muuttamaan joitain energiaparametreja ilman sen muuntamista.
Muutos sinänsä voi olla yksivaiheista tai monivaiheista. Lisäksi esimerkiksi aurinkogeneraattoreiden toimintaa valokiteisillä kennoilla pidetään yleensä valoenergian muuntamisena sähköksi. Mutta samalla on myös mahdollista muuntaa auringon lämmittämisen seurauksena maaperään antama lämpöenergia. Geotermiset moduulit sijoitetaan tietylle syvyydelle maahan ja ne täyttävät akut erikoisjohtimien kautta energiavaroilla. Yksinkertaisessa muunnoskaaviossa maalämpöjärjestelmä varaa lämpöenergian, joka annetaan lämmityslaitteille puhtaassa muodossaan perusvalmistelulla. Monimutkaisessa rakenteessa lämpöpumppua käytetään yhdessä ryhmässälämpölauhduttimilla ja kompressoreilla, jotka muuntavat lämmön ja sähkön.
Sähköenergian muunnostyypit
On olemassa erilaisia teknisiä menetelmiä primäärienergian t alteenottamiseksi luonnonilmiöistä. Mutta vielä enemmän mahdollisuuksia muuttaa energian ominaisuuksia ja muotoja tarjoavat kertyneet energiavarat, koska ne varastoidaan muunnettavaksi sopivassa muodossa. Yleisimmät energian muuntamisen muodot ovat säteilyn, lämmityksen, mekaanisten ja kemiallisten vaikutusten toiminnot. Monimutkaisimmissa järjestelmissä käytetään molekyylien hajoamisprosesseja ja monitasoisia kemiallisia reaktioita, jotka yhdistävät useita muunnosvaiheita.
Erityisen muunnosmenetelmän valinta riippuu prosessin organisoinnin olosuhteista, alku- ja loppuenergian tyypistä. Säteily-, mekaaninen, lämpö-, sähkö- ja kemiallinen energia voidaan erottaa yleisimmistä energiatyypeistä, jotka periaatteessa osallistuvat muunnosprosesseihin. Näitä resursseja hyödynnetään ainakin teollisuudessa ja kotitalouksissa menestyksekkäästi. Erillinen huomio ansaitsee epäsuorat energian muunnosprosessit, jotka ovat johdannaisia tietystä teknologisesta toiminnasta. Esimerkiksi metallurgisen tuotannon puitteissa tarvitaan lämmitys- ja jäähdytysoperaatioita, joiden seurauksena johdannaisina syntyy höyryä ja lämpöä, mutta ei kohderesursseja. Pohjimmiltaan nämä ovat käsittelyn jätetuotteita,joita myös käytetään, muunnetaan tai käytetään samassa yrityksessä.
Lämpöenergian muunnos
Yksi vanhimpia kehityksen kann alta ja tärkeimmät energialähteet ihmiselämän ylläpitämiseksi, jota ilman on mahdotonta kuvitella nyky-yhteiskunnan elämää. Useimmissa tapauksissa lämpö muunnetaan sähköksi, ja yksinkertainen järjestelmä tällaiselle muunnokselle ei vaadi välivaiheiden kytkemistä. Lämpö- ja ydinvoimalaitoksissa voidaan kuitenkin niiden käyttöolosuhteista riippuen käyttää valmisteluvaihetta, jossa lämpö siirtyy mekaaniseksi energiaksi, mikä vaatii lisäkustannuksia. Nykyään suoratoimisia lämpösähkögeneraattoreita käytetään yhä enemmän lämpöenergian muuntamiseen sähköksi.
Itse muutosprosessi tapahtuu erityisessä aineessa, joka poltetaan, vapauttaa lämpöä ja toimii myöhemmin virransaantilähteenä. Toisin sanoen lämpösähköisiä asennuksia voidaan pitää sähkön lähteinä, joilla on nollajakso, koska niiden toiminta käynnistetään jo ennen peruslämpöenergian ilmestymistä. Polttokennot, yleensä kaasuseokset, toimivat pääresurssina. Ne poltetaan, minkä seurauksena lämpöä jakava metallilevy kuumenee. Lämmönpoistoprosessissa puolijohdemateriaaleilla varustetun erityisen generaattorimoduulin kautta energia muunnetaan. Sähkövirtaa tuottaa muuntajaan tai akkuun kytketty patteriyksikkö. Ensimmäisessä versiossa energiamenee heti kuluttajalle valmiissa muodossa, ja toisessa - kerääntyy ja annetaan pois tarpeen mukaan.
Lämpöenergian tuottaminen mekaanisesta energiasta
Myös yksi yleisimmistä tavoista saada energiaa transformaation seurauksena. Sen ydin on kehon kyky luovuttaa lämpöenergiaa työn aikana. Yksinkertaisimmassa muodossaan tämä energian muunnoskaavio on havainnollistettu esimerkkinä kahden puukappaleen kitkasta, joka johtaa tulipaloon. Kuitenkin, jotta tämän periaatteen käyttäminen tuottaisi konkreettisia käytännön etuja, tarvitaan erityisiä laitteita.
Kotitalouksissa mekaanisen energian muunnos tapahtuu lämmitys- ja vesihuoltojärjestelmissä. Nämä ovat monimutkaisia teknisiä rakenteita, joissa on magneettipiiri ja laminoitu ydin, jotka on kytketty suljettuihin sähköä johtaviin piireihin. Myös tämän mallin työkammion sisällä on lämmitysputket, jotka lämmitetään käyttölaitteesta tehdyn työn vaikutuksesta. Tämän ratkaisun haittana on tarve liittää järjestelmä verkkovirtaan.
Teollisuus käyttää tehokkaampia nestejäähdytteisiä muuntimia. Mekaanisen työn lähde on kytketty suljettuihin vesisäiliöihin. Toimeenpanoelinten (turbiinien, siipien tai muiden rakenneosien) liikkeen aikana piirin sisällä luodaan olosuhteet pyörteiden muodostumiselle. Tämä tapahtuu terien jyrkän jarrutuksen hetkinä. Lämmityksen lisäksi tässä tapauksessa myös paine kasvaa, mikä helpottaa prosessejavedenkierto.
Sähkömekaanisen energian muuntaminen
Useimmat nykyaikaiset tekniset yksiköt toimivat sähkömekaniikan periaatteilla. Synkronisia ja asynkronisia sähkökoneita ja generaattoreita käytetään eri tarkoituksiin liikenteessä, työstökoneissa, teollisuustekniikan yksiköissä ja muissa voimalaitoksissa. Toisin sanoen sähkömekaanisia energianmuunnostyyppejä voidaan soveltaa sekä generaattorin että moottorin toimintatiloihin käyttöjärjestelmän sen hetkisistä vaatimuksista riippuen.
Yleistetyssä muodossa mitä tahansa sähkökonetta voidaan pitää keskenään liikkuvien magneettisesti kytkettyjen sähköpiirien järjestelmänä. Tällaisia ilmiöitä ovat myös hystereesi, saturaatio, korkeammat harmoniset ja magneettiset häviöt. Mutta klassisen näkemyksen mukaan ne voidaan katsoa sähkökoneiden analogeiksi vain, jos puhumme dynaamisista tiloista, kun järjestelmä toimii energiainfrastruktuurin sisällä.
Sähkömekaaninen energianmuuntojärjestelmä perustuu kahden reaktion periaatteeseen kaksivaiheisilla ja kolmivaiheisilla komponenteilla sekä menetelmään pyörittää magneettikenttiä. Moottoreiden roottori ja staattori tekevät mekaanista työtä magneettikentän vaikutuksesta. Varautuneiden hiukkasten liikesuunnasta riippuen toimintatapa asetetaan - moottoriksi tai generaattoriksi.
Sähkön tuotanto kemiallisesta energiasta
Kemiallinen kokonaisenergialähde on perinteinen, mutta sen muuntamismenetelmät eivät ole niin yleisiäympäristörajoitusten vuoksi. Itse kemiallista energiaa puhtaassa muodossaan ei käytännössä käytetä - ainakaan konsentroitujen reaktioiden muodossa. Samaan aikaan luonnolliset kemialliset prosessit ympäröivät ihmistä kaikkialla korkea- tai matalaenergisten sidosten muodossa, jotka ilmenevät esimerkiksi palamisen aikana lämmön vapautuessa. Kemiallisen energian muuntaminen on kuitenkin tietyillä toimialoilla tarkoituksellisesti järjestetty. Yleensä luodaan olosuhteet korkean teknologian polttoon plasmageneraattoreissa tai kaasuturbiineissa. Tyypillinen näiden prosessien lähtöaine on polttokenno, joka osallistuu sähköenergian tuotantoon. Tehokkuuden kann alta tällaiset muunnokset eivät ole yhtä kannattavia vaihtoehtoisiin sähköntuotantomenetelmiin verrattuna, koska osa hyötylämmöstä haihtuu jopa nykyaikaisissa plasmaasennuksissa.
Auringon säteilyenergian muuntaminen
Tapana muuntaa energiaa auringonvalon käsittelyprosessista voi lähitulevaisuudessa tulla energia-alan kysytyin. Tämä johtuu siitä, että jo nykyään jokainen asunnonomistaja voi teoriassa ostaa laitteita aurinkoenergian muuntamiseksi sähköenergiaksi. Tämän prosessin tärkein ominaisuus on, että kertynyt auringonvalo on ilmaista. Toinen asia on, että tämä ei tee prosessista täysin maksutonta. Ensinnäkin aurinkoparistojen ylläpitokustannuksia vaaditaan. Toiseksi, tämän tyyppiset generaattorit eivät ole halpoja, joten alkuinvestointiHarvalla ihmisellä on varaa järjestää oma minienergiaasema.
Mikä on aurinkosähkögeneraattori? Tämä on sarja aurinkosähköpaneeleja, jotka muuttavat auringonvalon energian sähköksi. Tämän prosessin periaate on monella tapaa samanlainen kuin transistorin toiminta. Piitä käytetään pääasiallisena materiaalina aurinkokennojen valmistuksessa eri versioissa. Esimerkiksi aurinkoenergiaa muuntava laite voi olla moni- ja yksikiteinen. Toinen vaihtoehto on suorituskyvyn kann alta parempi, mutta kalliimpi. Molemmissa tapauksissa valokenno on valaistu, jolloin elektrodit aktivoituvat ja niiden liikkeessä syntyy sähködynaaminen voima.
Höyryenergian muunnos
Höyryturbiineja voidaan käyttää teollisuudessa sekä energian muuntamiseksi hyväksyttävään muotoon että itsenäisenä sähkön tai lämmön tuottajana erityisesti suunnatuista tavanomaisista kaasuvirroista. Sähköenergian muuntamislaitteina yhdessä höyrystimien kanssa ei käytetä vain turbiinikoneita, mutta niiden rakenne sopii optimaalisesti tämän prosessin järjestämiseen korkealla hyötysuhteella. Yksinkertaisin tekninen ratkaisu on siipillä varustettu turbiini, johon on liitetty suuttimet mukana tulevalla höyryllä. Terien liikkuessa laitteen sisällä oleva sähkömagneettinen asennus pyörii, suoritetaan mekaanista työtä ja syntyy virtaa.
Joissakin turbiinimalleissa onerityiset laajennukset portaiden muodossa, joissa höyryn mekaaninen energia muunnetaan liike-energiaksi. Tämän laitteen ominaisuuden määrää ei niinkään generaattorin energian muuntamisen tehokkuuden lisääminen tai tarve kehittää täsmällisesti kineettistä potentiaalia, vaan tarjoamalla mahdollisuus turbiinin toiminnan joustavaan säätelyyn. Turbiinin laajennus tarjoaa ohjaustoiminnon, joka mahdollistaa tuotetun energian määrän tehokkaan ja turvallisen säätelyn. Muuten, laajennuksen työaluetta, joka sisältyy muunnosprosessiin, kutsutaan aktiiviseksi painevaiheeksi.
Energiansiirtomenetelmät
Energian muunnosmenetelmiä ei voida tarkastella ilman sen siirron käsitettä. Tähän mennessä on olemassa neljä tapaa vuorovaikuttaa kappaleita, joissa energiaa siirretään - sähköinen, gravitaatio, ydin ja heikko. Siirtoa voidaan tässä yhteydessä pitää myös vaihtomenetelmänä, joten periaatteessa työn suorittaminen energiansiirrossa ja lämmönsiirron toiminta erotetaan toisistaan. Mitä energian muunnoksia työn tekemiseen liittyy? Tyypillinen esimerkki on mekaaninen voima, jossa makroskooppiset kappaleet tai kappaleiden yksittäiset hiukkaset liikkuvat avaruudessa. Mekaanisen voiman lisäksi erotetaan myös magneettinen ja sähköinen työ. Keskeinen yhdistävä piirre lähes kaikentyyppisille töille on kyky kvantifioida niiden välinen muutos kokonaan. Eli sähkö muunnetaanmekaaninen energia, mekaaninen työ magneettiseksi potentiaaliksi jne. Lämmönsiirto on myös yleinen tapa siirtää energiaa. Se voi olla suuntaamaton tai kaoottinen, mutta joka tapauksessa mikroskooppiset hiukkaset liikkuvat. Aktivoituneiden hiukkasten määrä määrittää lämmön määrän - hyötylämmön.
Johtopäätös
Energian siirtyminen muodosta toiseen on normaalia ja joillakin toimialoilla edellytys energian tuotantoprosessille. Eri tapauksissa tarve sisällyttää tämä vaihe voidaan selittää taloudellisilla, teknologisilla, ympäristöllisillä ja muilla resurssien tuottamiseen liittyvillä tekijöillä. Samaan aikaan, huolimatta monista luonnollisista ja keinotekoisesti järjestetyistä energian muuntamistapoista, v altaosaa muunnosprosesseja tarjoavista laitoksista käytetään vain sähkö-, lämpö- ja mekaaniseen työhön. Keinot sähköenergian muuntamiseen ovat yleisimmät. Sähkökoneita, jotka mahdollistavat mekaanisen työn muuntamisen sähköksi esimerkiksi induktioperiaatteen mukaisesti, käytetään lähes kaikilla alueilla, joissa on kyse monimutkaisista teknisistä laitteista, kokoonpanoista ja laitteista. Ja tämä suuntaus ei ole laskeva, koska ihmiskunta tarvitsee jatkuvaa energiantuotannon lisäystä, mikä pakottaa meidät etsimään uusia primäärienergian lähteitä. Tällä hetkellä energia-alan lupaavimpina alueina pidetään niiden tuotantojärjestelmiäAuringon, tuulen ja veden tuottamasta mekaanisesta energiasta saatava sähkö virtaa luonnossa.
