Cilvēces vajadzību nodrošināšana ar pietiekami daudz enerģijas ir viens no mūsdienu zinātnes galvenajiem uzdevumiem. Saistībā ar enerģijas patēriņa pieaugumu procesos, kuru mērķis ir uzturēt sabiedrības pastāvēšanas pamatnosacījumus, rodas akūtas problēmas ne tikai liela enerģijas daudzuma ražošanā, bet arī tās sadales sistēmu līdzsvarotā organizācijā. Un enerģijas pārveidošanas tēma šajā kontekstā ir ļoti svarīga. Šis process nosaka lietderīgās enerģijas potenciāla ģenerēšanas koeficientu, kā arī tehnoloģisko operāciju apkalpošanas izmaksu līmeni izmantotās infrastruktūras ietvaros.
Konvertēt tehnoloģiju pārskatu
Nepieciešamība izmantot dažādus enerģijas veidus ir saistīta ar atšķirībām procesos, kuriem nepieciešams piegādes resurss. Siltums ir nepieciešams, laiapkure, mehāniskā enerģija - mehānismu kustības atbalstam un gaisma - apgaismojumam. Elektroenerģiju var saukt par universālu enerģijas avotu gan pēc tās transformācijas, gan pēc pielietošanas iespējām dažādās jomās. Kā sākotnējā enerģija parasti tiek izmantotas dabas parādības, kā arī mākslīgi organizēti procesi, kas veicina tāda paša siltuma vai mehāniskā spēka veidošanos. Katrā gadījumā ir nepieciešama noteikta veida iekārta vai sarežģīta tehnoloģiskā struktūra, kas principā ļauj pārvērst enerģiju gala vai starppatēriņam nepieciešamajā formā. Turklāt starp pārveidotāja uzdevumiem ne tikai transformācija izceļas kā enerģijas pārnešana no vienas formas uz otru. Bieži vien šis process kalpo arī dažu enerģijas parametru maiņai bez tās pārveidošanas.
Transformācija kā tāda var būt vienpakāpes vai daudzpakāpju. Turklāt, piemēram, saules ģeneratoru darbība uz fotokristāliskiem elementiem parasti tiek uzskatīta par gaismas enerģijas pārvēršanu elektroenerģijā. Bet tajā pašā laikā ir iespējams arī siltumenerģiju, ko Saule sildīšanas rezultātā dod augsnei, pārvērst. Ģeotermiskie moduļi tiek novietoti noteiktā dziļumā zemē un caur īpašiem vadītājiem piepilda baterijas ar enerģijas rezervēm. Vienkāršā pārveidošanas shēmā ģeotermālā sistēma nodrošina siltumenerģijas uzglabāšanu, kas tiek nodota apkures iekārtām tīrā veidā ar pamata sagatavošanu. Sarežģītā struktūrā siltumsūknis tiek izmantots vienā grupāar siltuma kondensatoriem un kompresoriem, kas nodrošina siltuma un elektroenerģijas pārveidi.
Elektriskās enerģijas pārveidošanas veidi
Ir dažādas tehnoloģiskās metodes primārās enerģijas iegūšanai no dabas parādībām. Taču vēl lielākas iespējas mainīt enerģijas īpašības un formas sniedz uzkrātie energoresursi, jo tie tiek uzglabāti transformācijai ērtā formā. Visizplatītākie enerģijas pārveidošanas veidi ir starojuma, apkures, mehāniskās un ķīmiskās iedarbības darbības. Sarežģītākajās sistēmās tiek izmantoti molekulārās sabrukšanas procesi un daudzlīmeņu ķīmiskās reakcijas, kas apvieno vairākus transformācijas posmus.
Konkrētas transformācijas metodes izvēle būs atkarīga no procesa organizācijas apstākļiem, sākotnējās un beigu enerģijas veida. Starp visizplatītākajiem enerģijas veidiem, kas principā piedalās transformācijas procesos, var izdalīt starojuma, mehānisko, termisko, elektrisko un ķīmisko enerģiju. Minimāli šie resursi tiek veiksmīgi izmantoti rūpniecībā un mājsaimniecībās. Atsevišķa uzmanība ir pelnījusi netiešos enerģijas pārveidošanas procesus, kas ir noteiktas tehnoloģiskās darbības atvasinājumi. Piemēram, metalurģiskās ražošanas ietvaros ir nepieciešamas apkures un dzesēšanas operācijas, kuru rezultātā kā atvasinājumi rodas tvaiks un siltums, bet ne mērķa resursi. Būtībā tie ir pārstrādes atkritumi,kuras arī tiek izmantotas, pārveidotas vai izmantotas tajā pašā uzņēmumā.
Siltumenerģijas pārveidošana
Viens no attīstības ziņā vecākajiem un svarīgākajiem enerģijas avotiem cilvēka dzīvības uzturēšanai, bez kura nav iespējams iedomāties mūsdienu sabiedrības dzīvi. Vairumā gadījumu siltums tiek pārveidots par elektroenerģiju, un vienkāršai shēmai šādai pārveidei nav nepieciešams savienot starpposmus. Tomēr termoelektrostacijās un atomelektrostacijās atkarībā no to darbības apstākļiem var izmantot sagatavošanas posmu ar siltuma pārnešanu mehāniskajā enerģijā, kas prasa papildu izmaksas. Mūsdienās arvien vairāk tiek izmantoti tiešas darbības termoelektriskie ģeneratori, lai siltumenerģiju pārvērstu elektroenerģijā.
Pats transformācijas process notiek īpašā vielā, kas tiek sadedzināta, izdala siltumu un pēc tam darbojas kā strāvas ģenerācijas avots. Tas ir, termoelektriskās iekārtas var uzskatīt par elektroenerģijas avotiem ar nulles ciklu, jo to darbība tiek uzsākta pat pirms bāzes siltumenerģijas parādīšanās. Kurināmā elementi, parasti gāzu maisījumi, darbojas kā galvenais resurss. Tie tiek sadedzināti, kā rezultātā tiek uzkarsēta siltumu sadalošā metāla plāksne. Siltuma noņemšanas procesā caur īpašu ģeneratora moduli ar pusvadītāju materiāliem tiek pārveidota enerģija. Elektrisko strāvu ģenerē radiatora bloks, kas savienots ar transformatoru vai akumulatoru. Pirmajā versijā enerģijauzreiz nonāk pie patērētāja gatavā veidā, bet otrajā - uzkrājas un tiek atdots pēc vajadzības.
Siltumenerģijas ģenerēšana no mehāniskās enerģijas
Arī viens no izplatītākajiem veidiem, kā transformācijas rezultātā iegūt enerģiju. Tās būtība ir ķermeņu spēja darba laikā izdalīt siltumenerģiju. Vienkāršākajā formā šī enerģijas pārveidošanas shēma ir parādīta divu koka priekšmetu berzes piemērā, kā rezultātā rodas ugunsgrēks. Tomēr, lai izmantotu šo principu ar taustāmu praktisku labumu, ir nepieciešamas īpašas ierīces.
Mājsaimniecībās mehāniskās enerģijas transformācija notiek apkures un ūdens apgādes sistēmās. Tās ir sarežģītas tehniskas struktūras ar magnētisko ķēdi un laminētu serdi, kas savienoti ar slēgtām elektriski vadošām ķēdēm. Arī šīs konstrukcijas darba kameras iekšpusē ir apkures caurules, kuras tiek uzkarsētas no piedziņas veiktā darba ietekmē. Šī risinājuma trūkums ir nepieciešamība savienot sistēmu ar elektrotīklu.
Industry izmanto jaudīgākus ar šķidrumu dzesējamus pārveidotājus. Mehāniskā darba avots ir savienots ar slēgtām ūdens tvertnēm. Izpildstruktūru (turbīnu, lāpstiņu vai citu konstrukcijas elementu) kustības procesā ķēdes iekšpusē tiek radīti apstākļi virpuļu veidošanai. Tas notiek asmeņu asas bremzēšanas brīžos. Papildus karsēšanai šajā gadījumā palielinās arī spiediens, kas atvieglo procesusūdens cirkulācija.
Elektromehāniskās enerģijas pārveidošana
Lielākā daļa mūsdienu tehnikas vienību strādā pēc elektromehānikas principiem. Sinhronās un asinhronās elektriskās mašīnas un ģeneratorus izmanto transportā, darbgaldos, rūpnieciskās inženierijas blokos un citās elektrostacijās dažādiem mērķiem. Tas ir, elektromehāniskie enerģijas pārveidošanas veidi ir piemērojami gan ģeneratora, gan motora darbības režīmiem atkarībā no piedziņas sistēmas pašreizējām prasībām.
Vispārinātā veidā jebkuru elektrisko mašīnu var uzskatīt par savstarpēji kustīgu magnētiski savienotu elektrisko ķēžu sistēmu. Šādas parādības ietver arī histerēzi, piesātinājumu, augstākas harmonikas un magnētiskos zudumus. Bet klasiskajā skatījumā tos var attiecināt uz elektrisko mašīnu analogiem tikai tad, ja mēs runājam par dinamiskiem režīmiem, kad sistēma darbojas enerģētikas infrastruktūrā.
Elektromehāniskās enerģijas pārveidošanas sistēma ir balstīta uz divu reakciju principu ar divfāžu un trīsfāžu komponentiem, kā arī magnētisko lauku rotācijas metodi. Motoru rotors un stators veic mehāniskus darbus magnētiskā lauka ietekmē. Atkarībā no uzlādēto daļiņu kustības virziena tiek iestatīts darbības režīms - kā motors vai ģenerators.
Elektrības ražošana no ķīmiskās enerģijas
Kopējais ķīmiskās enerģijas avots ir tradicionāls, taču tā pārveidošanas metodes nav tik izplatītasvides ierobežojumu dēļ. Pati par sevi ķīmiskā enerģija tīrā veidā praktiski netiek izmantota - vismaz koncentrētu reakciju veidā. Tajā pašā laikā dabiski ķīmiskie procesi cilvēku ieskauj visur augstas vai zemas enerģijas saišu veidā, kas izpaužas, piemēram, degšanas laikā ar siltuma izdalīšanos. Taču ķīmiskās enerģijas pārveide atsevišķās nozarēs tiek organizēta mērķtiecīgi. Parasti tiek radīti apstākļi augsto tehnoloģiju sadedzināšanai plazmas ģeneratoros vai gāzes turbīnās. Tipisks šo procesu reaģents ir kurināmā šūna, kas veicina elektroenerģijas ražošanu. No efektivitātes viedokļa šādas konversijas nav tik izdevīgas salīdzinājumā ar alternatīvām elektroenerģijas ražošanas metodēm, jo daļa no lietderīgā siltuma tiek izkliedēta pat modernās plazmas iekārtās.
Saules starojuma enerģijas pārveidošana
Kā enerģijas pārveidošanas veids, saules gaismas apstrādes process tuvākajā nākotnē var kļūt par pieprasītāko enerģētikas sektorā. Tas ir saistīts ar faktu, ka arī mūsdienās ikviens mājas īpašnieks teorētiski var iegādāties aprīkojumu saules enerģijas pārvēršanai elektroenerģijā. Šī procesa galvenā iezīme ir tā, ka uzkrātā saules gaisma ir bez maksas. Vēl viena lieta ir tāda, ka tas nepadara procesu pilnīgi bez maksas. Pirmkārt, izmaksas būs nepieciešamas saules bateriju uzturēšanai. Otrkārt, paši šāda veida ģeneratori nav lēti, tāpēc sākotnējās investīcijasTikai daži cilvēki var atļauties izveidot savu mini enerģijas staciju.
Kas ir saules enerģijas ģenerators? Šis ir fotoelektrisko paneļu komplekts, kas pārvērš saules gaismas enerģiju elektrībā. Pats šī procesa princips daudzējādā ziņā ir līdzīgs tranzistora darbībai. Silīcijs tiek izmantots kā galvenais materiāls saules bateriju ražošanai dažādās versijās. Piemēram, ierīce saules enerģijas pārveidošanai var būt poli- un viena kristāla. Otrais variants ir vēlams veiktspējas ziņā, taču tas ir dārgāks. Abos gadījumos tiek izgaismots fotoelements, kura laikā tiek aktivizēti elektrodi un to kustības procesā rodas elektrodinamisks spēks.
Tvaika enerģijas pārveidošana
Tvaika turbīnas var izmantot rūpniecībā gan kā līdzekli enerģijas pārveidošanai pieņemamā formā, gan kā neatkarīgu elektroenerģijas vai siltuma ģeneratoru no īpaši virzītām konvencionālajām gāzes plūsmām. Kā ierīces elektriskās enerģijas pārveidošanai kopā ar tvaika ģeneratoriem tiek izmantotas ne tikai turbīnas, taču to konstrukcija ir optimāli piemērota šī procesa organizēšanai ar augstu efektivitāti. Vienkāršākais tehniskais risinājums ir turbīna ar lāpstiņām, kurai pievienotas sprauslas ar piegādāto tvaiku. Asmeņiem kustoties, elektromagnētiskā instalācija aparāta iekšpusē griežas, tiek veikts mehānisks darbs un tiek ģenerēta strāva.
Daži turbīnu modeļi irīpaši paplašinājumi pakāpienu veidā, kur tvaika mehāniskā enerģija tiek pārvērsta kinētiskā enerģijā. Šo iekārtas īpašību nosaka ne tik daudz ģeneratora enerģijas pārveidošanas efektivitātes paaugstināšanas intereses vai nepieciešamība precīzi attīstīt kinētisko potenciālu, bet gan nodrošinot iespēju elastīgi regulēt turbīnas darbību. Izplešanās turbīnā nodrošina vadības funkciju, kas ļauj efektīvi un droši regulēt saražotās enerģijas daudzumu. Starp citu, paplašināšanas darba zonu, kas ir iekļauta konversijas procesā, sauc par aktīvā spiediena stadiju.
Enerģijas pārneses metodes
Enerģijas pārveidošanas metodes nevar aplūkot bez tās nodošanas jēdziena. Līdz šim ir četri ķermeņu mijiedarbības veidi, kuros tiek pārnesta enerģija - elektriskā, gravitācijas, kodolenerģijas un vājā. Pārnešanu šajā kontekstā var uzskatīt arī par apmaiņas metodi, tāpēc principā tiek nodalīta darbu veikšana enerģijas pārnesē un siltuma pārneses funkcija. Kādas enerģijas pārvērtības ietver darba veikšanu? Tipisks piemērs ir mehānisks spēks, kurā telpā pārvietojas makroskopiski ķermeņi vai atsevišķas ķermeņu daļiņas. Papildus mehāniskajam spēkam izšķir arī magnētisko un elektrisko darbu. Galvenā gandrīz visu veidu darba vienojošā iezīme ir spēja pilnībā kvantitatīvi noteikt transformāciju starp tiem. Tas ir, elektrība tiek pārveidota parmehāniskā enerģija, mehāniskais darbs magnētiskajā potenciālā utt. Siltuma pārnese ir arī izplatīts enerģijas pārnešanas veids. Tā var būt nevirziena vai haotiska, taču jebkurā gadījumā notiek mikroskopisku daļiņu kustība. Aktivizēto daļiņu skaits noteiks siltuma daudzumu – lietderīgo siltumu.
Secinājums
Enerģijas pāreja no viena veida uz otru ir normāla parādība, un dažās nozarēs tas ir priekšnoteikums enerģijas ražošanas procesam. Dažādos gadījumos nepieciešamība iekļaut šo posmu ir skaidrojama ar ekonomiskiem, tehnoloģiskiem, vides un citiem resursu radīšanas faktoriem. Tajā pašā laikā, neskatoties uz dabisko un mākslīgi organizēto enerģijas pārveidošanas veidu daudzveidību, lielākā daļa iekārtu, kas nodrošina transformācijas procesus, tiek izmantotas tikai elektroenerģijas, siltuma un mehānisko darbu veikšanai. Visizplatītākie ir elektroenerģijas pārveidošanas līdzekļi. Elektriskās mašīnas, kas nodrošina mehāniskā darba pārveidošanu elektroenerģijā, piemēram, pēc indukcijas principa, tiek izmantotas gandrīz visās jomās, kur ir iesaistītas sarežģītas tehniskas ierīces, mezgli un ierīces. Un šī tendence nemazinās, jo cilvēcei nepieciešams pastāvīgs enerģijas ražošanas pieaugums, kas liek meklēt jaunus primārās enerģijas avotus. Šobrīd par perspektīvākajām jomām enerģētikā tiek uzskatītas tās pašas ražošanas sistēmasdabā plūst elektroenerģija no mehāniskās enerģijas, ko ražo Saule, vējš un ūdens.
