Poskytovanie potrieb ľudstva dostatkom energie je jednou z kľúčových úloh modernej vedy. V súvislosti so zvyšovaním energetickej náročnosti procesov zameraných na udržanie základných podmienok existencie spoločnosti vznikajú akútne problémy nielen pri výrobe veľkého množstva energie, ale aj pri vyváženej organizácii jej distribučných sústav. A téma premeny energie je v tomto kontexte kľúčová. Tento proces určuje koeficient výroby využiteľného energetického potenciálu, ako aj výšku nákladov na obsluhu technologických operácií v rámci využívanej infraštruktúry.
Prehľad technológie konverzie
Potreba využívať rôzne druhy energie je spojená s rozdielmi v procesoch, ktoré si vyžadujú zdroj dodávok. Teplo je potrebné prevykurovanie, mechanická energia - na silovú podporu pohybu mechanizmov a svetlo - na osvetlenie. Elektrinu možno nazvať univerzálnym zdrojom energie tak z hľadiska jej premeny, ako aj z hľadiska aplikačných možností v rôznych oblastiach. Ako počiatočná energia sa zvyčajne používajú prírodné javy, ako aj umelo organizované procesy, ktoré prispievajú k vytváraniu rovnakej tepelnej alebo mechanickej sily. V každom prípade je potrebný určitý typ zariadenia alebo zložitá technologická štruktúra, ktorá v zásade umožňuje premenu energie do formy potrebnej na konečnú alebo medzispotrebu. Okrem toho medzi úlohami konvertora vyniká nielen transformácia ako prenos energie z jednej formy do druhej. Tento proces často slúži aj na zmenu niektorých parametrov energie bez jej transformácie.
Transformácia ako taká môže byť jednostupňová alebo viacstupňová. Okrem toho sa napríklad prevádzka solárnych generátorov na fotokryštalických článkoch zvyčajne považuje za premenu svetelnej energie na elektrickú energiu. Zároveň je však možné premeniť aj tepelnú energiu, ktorú Slnko dáva pôde v dôsledku zahrievania. Geotermálne moduly sú umiestnené v určitej hĺbke v zemi a prostredníctvom špeciálnych vodičov napĺňajú batérie energetickými rezervami. V jednoduchej schéme premeny geotermálny systém zabezpečuje akumuláciu tepelnej energie, ktorá sa odovzdáva vykurovaciemu zariadeniu v čistej forme so základnou prípravou. V komplexnej štruktúre sa tepelné čerpadlo používa v jednej skupines tepelnými kondenzátormi a kompresormi, ktoré poskytujú konverziu tepla a elektriny.
Typy premeny elektrickej energie
Existujú rôzne technologické metódy získavania primárnej energie z prírodných javov. Ale ešte viac príležitostí na zmenu vlastností a foriem energie poskytujú akumulované zdroje energie, pretože sú uložené vo forme vhodnej na transformáciu. Medzi najbežnejšie formy premeny energie patria operácie žiarenia, ohrevu, mechanické a chemické účinky. Najzložitejšie systémy využívajú procesy molekulárneho rozpadu a viacúrovňové chemické reakcie, ktoré kombinujú viacero transformačných krokov.
Výber konkrétneho spôsobu transformácie bude závisieť od podmienok organizácie procesu, typu počiatočnej a konečnej energie. Radiačnú, mechanickú, tepelnú, elektrickú a chemickú energiu možno rozlíšiť medzi najbežnejšie druhy energie, ktoré sa v zásade zúčastňujú transformačných procesov. Minimálne sa tieto zdroje úspešne využívajú v priemysle a domácnostiach. Samostatnú pozornosť si zaslúžia nepriame procesy premeny energie, ktoré sú derivátmi konkrétnej technologickej operácie. Napríklad v rámci hutníckej výroby sú potrebné vykurovacie a chladiace operácie, v dôsledku ktorých vznikajú para a teplo ako deriváty, ale nie cieľové zdroje. V podstate ide o odpadové produkty spracovania,ktoré sa tiež používajú, transformujú alebo používajú v rámci toho istého podniku.
Konverzia tepelnej energie
Jeden z vývojovo najstarších a najdôležitejších zdrojov energie na udržanie ľudského života, bez ktorého si život modernej spoločnosti nemožno predstaviť. Vo väčšine prípadov sa teplo premieňa na elektrickú energiu a jednoduchá schéma takejto transformácie nevyžaduje pripojenie medzistupňov. V tepelných a jadrových elektrárňach sa však v závislosti od ich prevádzkových podmienok môže použiť prípravný stupeň s prevodom tepelnej energie na mechanickú, čo si vyžaduje dodatočné náklady. V súčasnosti sa na premenu tepelnej energie na elektrickú stále viac využívajú priamočinné termoelektrické generátory.
Samotný proces premeny prebieha v špeciálnej látke, ktorá sa spaľuje, uvoľňuje teplo a následne pôsobí ako zdroj súčasnej generácie. To znamená, že termoelektrické zariadenia možno považovať za zdroje elektriny s nulovým cyklom, pretože ich prevádzka sa začína ešte pred objavením sa základnej tepelnej energie. Palivové články, zvyčajne zmesi plynov, fungujú ako hlavný zdroj. Sú spálené, v dôsledku čoho sa kovová platňa rozvádzajúca teplo zahrieva. V procese odvodu tepla cez špeciálny generátorový modul s polovodičovými materiálmi dochádza k premene energie. Elektrický prúd je generovaný radiátorovou jednotkou pripojenou k transformátoru alebo batérii. V prvej verzii je energiaokamžite ide k spotrebiteľovi v hotovej forme a v druhej - sa hromadí a rozdáva sa podľa potreby.
Generácia tepelnej energie z mechanickej energie
Tiež jeden z najbežnejších spôsobov získavania energie v dôsledku transformácie. Jeho podstata spočíva v schopnosti tiel vydávať tepelnú energiu v procese práce. Vo svojej najjednoduchšej forme je táto schéma premeny energie demonštrovaná na príklade trenia dvoch drevených predmetov, čo vedie k požiaru. Na využitie tohto princípu s hmatateľnými praktickými výhodami sú však potrebné špeciálne zariadenia.
V domácnostiach dochádza k premene mechanickej energie v systémoch vykurovania a zásobovania vodou. Ide o zložité technické konštrukcie s magnetickým obvodom a vrstveným jadrom napojeným na uzavreté elektricky vodivé obvody. Vo vnútri pracovnej komory tohto dizajnu sú tiež vykurovacie rúrky, ktoré sa ohrievajú pôsobením práce vykonanej z pohonu. Nevýhodou tohto riešenia je nutnosť pripojenia systému k elektrickej sieti.
Priemysel používa výkonnejšie kvapalinou chladené konvertory. Zdroj mechanickej práce je napojený na uzavreté vodné nádrže. V procese pohybu výkonných orgánov (turbíny, lopatky alebo iné konštrukčné prvky) sa vo vnútri okruhu vytvárajú podmienky na vytváranie vírov. Stáva sa to vo chvíľach prudkého brzdenia nožov. Okrem zahrievania sa v tomto prípade zvyšuje aj tlak, čo uľahčuje procesycirkulácia vody.
Konverzia elektromechanickej energie
Väčšina moderných technických jednotiek pracuje na princípoch elektromechaniky. Synchrónne a asynchrónne elektrické stroje a generátory sa používajú v doprave, obrábacích strojoch, priemyselných strojárskych celkoch a iných elektrárňach na rôzne účely. To znamená, že elektromechanické typy premeny energie sú použiteľné pre prevádzkové režimy generátora aj motora v závislosti od aktuálnych požiadaviek hnacieho systému.
V zovšeobecnenej forme možno každý elektrický stroj považovať za systém vzájomne sa pohybujúcich magneticky viazaných elektrických obvodov. Medzi takéto javy patrí aj hysterézia, saturácia, vyššie harmonické a magnetické straty. Ale v klasickom pohľade ich možno pripísať analógom elektrických strojov iba vtedy, ak hovoríme o dynamických režimoch, keď systém funguje v rámci energetickej infraštruktúry.
Systém elektromechanickej premeny energie je založený na princípe dvoch reakcií s dvojfázovými a trojfázovými komponentmi, ako aj na metóde rotujúcich magnetických polí. Rotor a stator motorov vykonávajú mechanickú prácu pod vplyvom magnetického poľa. V závislosti od smeru pohybu nabitých častíc sa nastavuje režim činnosti - ako motor alebo generátor.
Výroba elektriny z chemickej energie
Celkový zdroj chemickej energie je tradičný, ale spôsoby jeho premeny nie sú také bežnékvôli environmentálnym obmedzeniam. Samotná chemická energia vo svojej čistej forme sa prakticky nevyužíva - aspoň vo forme koncentrovaných reakcií. Prirodzené chemické procesy zároveň človeka všade obklopujú vo forme vysoko- či nízkoenergetických väzieb, ktoré sa prejavujú napríklad pri horení s uvoľňovaním tepla. Premena chemickej energie je však v niektorých odvetviach cielene organizovaná. Zvyčajne sú vytvorené podmienky pre high-tech spaľovanie v plazmových generátoroch alebo plynových turbínach. Typickým reaktantom týchto procesov je palivový článok, ktorý sa podieľa na výrobe elektrickej energie. Z hľadiska účinnosti nie sú takéto premeny také rentabilné v porovnaní s alternatívnymi spôsobmi výroby elektriny, keďže časť využiteľného tepla sa odvádza aj v moderných plazmových zariadeniach.
Premena energie slnečného žiarenia
Ako spôsob premeny energie sa proces spracovania slnečného žiarenia v blízkej budúcnosti môže stať najžiadanejším v energetickom sektore. Je to spôsobené tým, že už dnes si teoreticky môže každý majiteľ domu zaobstarať zariadenie na premenu slnečnej energie na elektrickú energiu. Kľúčovou vlastnosťou tohto procesu je, že naakumulované slnečné svetlo je bezplatné. Ďalšou vecou je, že tento proces nie je úplne bezplatný. Po prvé, náklady budú potrebné na údržbu solárnych batérií. Po druhé, samotné generátory tohto typu nie sú lacné, takže počiatočná investícia doLen málo ľudí si môže dovoliť organizovať vlastnú mini-energetickú stanicu.
Čo je solárny generátor? Ide o súbor fotovoltaických panelov, ktoré premieňajú energiu slnečného žiarenia na elektrickú energiu. Samotný princíp tohto procesu je v mnohom podobný činnosti tranzistora. Kremík sa používa ako hlavný materiál na výrobu solárnych článkov v rôznych verziách. Napríklad zariadenie na premenu slnečnej energie môže byť poly- a monokryštálové. Druhá možnosť je výhodnejšia z hľadiska výkonu, ale je drahšia. V oboch prípadoch je fotobunka osvetlená, počas čoho sa aktivujú elektródy a v procese ich pohybu vzniká elektrodynamická sila.
Konverzia energie pary
Parné turbíny je možné využiť v priemysle ako spôsob premeny energie na prijateľnú formu, tak aj ako nezávislý generátor elektriny alebo tepla zo špeciálne usmernených konvenčných tokov plynu. Zďaleka nie len turbínové stroje sa používajú ako zariadenia na premenu elektrickej energie v kombinácii s parogenerátormi, ale ich konštrukcia je optimálne vhodná na organizáciu tohto procesu s vysokou účinnosťou. Najjednoduchším technickým riešením je turbína s lopatkami, na ktorú sú napojené trysky s privádzanou parou. Keď sa lopatky pohybujú, elektromagnetická inštalácia vo vnútri prístroja sa otáča, vykonáva sa mechanická práca a vytvára sa prúd.
Niektoré konštrukcie turbín majúšpeciálne nadstavce v podobe stupňov, kde sa mechanická energia pary premieňa na kinetickú energiu. Táto vlastnosť zariadenia nie je daná ani tak záujmami zvýšenia účinnosti premeny energie generátora alebo potrebou presne rozvinúť kinetický potenciál, ale poskytnutím možnosti flexibilnej regulácie chodu turbíny. Expanzia v turbíne zabezpečuje riadiacu funkciu, ktorá umožňuje efektívnu a bezpečnú reguláciu množstva vyrobenej energie. Mimochodom, pracovná oblasť expanzie, ktorá je súčasťou procesu konverzie, sa nazýva aktívny tlakový stupeň.
Metódy prenosu energie
Metódy transformácie energie nemožno uvažovať bez koncepcie jej prenosu. K dnešnému dňu existujú štyri spôsoby interakcie telies, v ktorých sa energia prenáša - elektrická, gravitačná, jadrová a slabá. Prenos v tejto súvislosti možno považovať aj za spôsob výmeny, preto je v princípe oddelený výkon práce pri prenose energie a funkcia prenosu tepla. Aké premeny energie zahŕňajú vykonávanie práce? Typickým príkladom je mechanická sila, pri ktorej sa v priestore pohybujú makroskopické telesá alebo jednotlivé častice telies. Okrem mechanickej sily sa rozlišuje aj magnetická a elektrická práca. Kľúčovým zjednocujúcim znakom pre takmer všetky typy prác je schopnosť úplne kvantifikovať transformáciu medzi nimi. To znamená, že elektrina sa transformuje namechanická energia, mechanická práca na magnetický potenciál a pod. Prenos tepla je tiež bežný spôsob prenosu energie. Môže byť nesmerový alebo chaotický, no v každom prípade dochádza k pohybu mikroskopických častíc. Množstvo aktivovaných častíc určí množstvo tepla – užitočné teplo.
Záver
Prechod energie z jednej formy do druhej je normálny a v niektorých odvetviach nevyhnutný pre proces výroby energie. V rôznych prípadoch možno potrebu zahrnúť túto fázu vysvetliť ekonomickými, technologickými, environmentálnymi a inými faktormi tvorby zdrojov. Zároveň, napriek rôznorodosti prirodzených a umelo organizovaných spôsobov transformácie energie, prevažná väčšina zariadení, ktoré zabezpečujú transformačné procesy, sa využíva len na elektrickú, tepelnú a mechanickú prácu. Prostriedky na premenu elektrickej energie sú najbežnejšie. Elektrické stroje, ktoré zabezpečujú premenu mechanickej práce na elektrickú energiu napríklad podľa princípu indukcie, sa používajú takmer vo všetkých oblastiach, kde ide o zložité technické zariadenia, zostavy a zariadenia. A tento trend neklesá, keďže ľudstvo potrebuje neustále zvyšovanie výroby energie, čo nás núti hľadať nové zdroje primárnej energie. V súčasnosti sa za najsľubnejšie oblasti v energetickom sektore považujú výrobné systémy tohto odvetviaelektrina z mechanickej energie produkovanej Slnkom, vetrom a vodou prúdi v prírode.
