Забезпечення потреб людства достатньою кількістю енергії – одна з ключових завдань, які стоять перед сучасною наукою. У зв'язку з підвищенням енерговитратності процесів, спрямованих на підтримку базових умов існування суспільства, виникають гострі проблеми не тільки генерації великих обсягів енергії, але і збалансованій організації систем розподілу. І тема перетворення енергії має ключове значення в даному контексті. Від цього процесу залежить коефіцієнт вироблення корисних енергетичного потенціалу, а також рівень витрат на обслуговування технологічних операцій в рамках використовуваної інфраструктури.

Загальні відомості про технологію перетворення

Необхідність використання різних видів енергії пов'язана з відмінностями в процесах, для яких потрібно живить ресурс. Тепло потрібне для опалення, механічна енергія – для силової підтримки руху механізмів, а світ – для освітлення. Електрику можна назвати універсальним джерелом енергії і з точки зору її перетворення, і в плані можливостей застосування в різних сферах. В якості вихідної енергії зазвичай використовуються природні явища, а також штучно організовані процеси, що сприяють генерації того ж тепла або механічного зусилля. У кожному випадку потрібен певний вид обладнання або складного технологічного споруди, в принципі дозволяє забезпечувати перетворення енергії в потрібну для кінцевого або проміжного споживання форму. Причому серед завдань перетворювача виділяється не тільки трансформація як переклад енергії з одного виду в інший. Найчастіше цей процес служить для зміни деяких параметрів енергії без її трансформації.


Перетворення як таке може бути одноступінчатим або багатоступеневим. Крім того, наприклад, робота сонячних генераторів на фотокристаллических елементах зазвичай розглядається як трансформація енергії світла в електрику. Але разом з цим можливо і перетворення теплової енергії, яку Сонце віддає грунту в результаті нагрівання. Геотермальні модулі розміщуються на на певній глибині в землі і за допомогою спеціальних провідників наповнюють енергетичних запасів акумулятори. У простій схемі перетворення геотермальна система забезпечує накопичення енергії тепла, що віддається опалювального обладнання в чистому вигляді з базовою підготовкою. У складній структурі задіюється тепловий насос в єдиній групі з конденсаторами тепла і компресорами, які забезпечують перетворення тепла і електроенергію.

Види перетворення електричної енергії

Існують різні технологічні методи отримання первинної енергії з природних явищ. Але ще більше можливостей для зміни властивостей і форм енергії дають акумульовані енергоресурси, оскільки вони зберігаються в зручному для трансформації вигляді. До найбільш поширених форм перетворення енергії можна віднести операції випромінювання, нагрівання, механічного та хімічного впливу. У найбільш складних системах застосовуються процеси молекулярного розпаду і багаторівневі хімічні реакції, в яких поєднується кілька етапів перетворення. Вибір конкретного способу трансформації буде залежати від умов організації процесу, виду початкової і кінцевої енергії. Серед найпоширеніших видів енергії, які в принципі беруть участь у процесах перетворення можна виділити променисту, механічну, теплову, електричну, хімічну енергію. Як мінімум, дані ресурси успішно експлуатуються в промисловості та побутовому господарстві. Окремої уваги заслуговують непрямі процеси перетворення енергії, які є похідними тієї чи іншої технологічної операції. Приміром, у рамках металургійного виробництва потрібно виконання операцій нагріву і охолодження, в результаті яких виробляється пар і тепло як похідні, але не цільові ресурси. По суті, це відхідні продукти переробки, які також знаходять застосування, піддаються трансформації або використання в рамках цього ж підприємства.

Перетворення енергії тепла

Один з найстаріших з точки зору освоєння і найважливіших для підтримки життєдіяльності людини енергетичних джерел, без яких неможливо уявити життя сучасного суспільства. У більшості випадків тепло перетворюється в електроенергію, причому проста схема такої трансформації не вимагає підключення проміжних етапів. Проте в теплових і атомних електростанціях в залежності від умов їх роботи може застосовуватися етап підготовки з перекладом тепловий в механічну енергію, що вимагає додаткових витрат. Сьогодні все частіше для перетворення теплової енергії в електрику використовуються термоелектричні генератори прямої дії. Сам процес трансформації відбувається в спеціальній речовині, яке спалюється, виділяє тепло і надалі виступає джерелом генерації струму. Тобто термоелектричні установки можуть розглядатися як джерела електроенергії з нульовим циклом, так як їх робота запускається ще до появи базової теплової енергії. В якості основного ресурсу виступають паливні елементи – як правило, газові суміші. Вони спалюються, в результаті чого відбувається нагрівання теплорозподільній металевої пластини. У процесі відведення тепла через спеціальний генераторний модуль з напівпровідниковими матеріалами відбувається перетворення енергії. Електричний струм генерується радіаторної установкою, підключеної до трансформатора чи акумулятора. У першому варіанті енергія одразу надходить до споживача в готовому вигляді, а в другому – накопичується і віддається в міру потреби.

Генерація теплової енергії з механічною

Також один з найпоширеніших способів отримання енергії в результаті перетворення. Суть його полягає у здатності тіл віддавати теплову енергію в процесі здійснення роботи. У найпростішому вигляді цю схему трансформації енергії демонструє приклад з тертям двох дерев'яних предметів, в результаті чого виникає вогонь. Однак для використання даного принципу з відчутною практичною користю потрібні спеціальні пристрої. У побутовому господарстві перетворення механічної енергії має місце в системах опалення та водопостачання. Це складні технічні конструкції з магнітопроводом і шихтованным серцевиною, підключеним до замкнутим електропровідним контурах. Також всередині робочої камери даної конструкції проходять труби опалення, які нагріваються під дією чиненої роботи від приводу. Недоліком даного рішення можна назвати необхідність підключення системи до електромережі.

У промисловості використовуються більш потужні перетворювачі з рідким теплоносієм. Джерело механічної роботи підключається до замкнутих ємностей з водою. У процесі руху виконавчих органів (турбін, лопатей або інших елементів конструкції) всередині контуру створюються умови для вихреобразования. Це відбувається в моменти різкого гальмування лопатей. Крім нагріву в даному випадку підвищується і тиск, що полегшує процеси циркуляції води.

Перетворення електромеханічної енергії

Більшість сучасних технічних агрегатів працює на принципах електромеханіки. Синхронні і асинхронні електричні машини і генератори використовуються в транспорті, верстатному обладнанні, промислових інженерних вузлах та інших силових установках різного призначення. Тобто електромеханічні види перетворення енергії застосовні і до генераторному, і до рухового режимів роботи в залежності від поточних вимог привідної системи.
В узагальненому вигляді будь-яку електричну машину можна розглядати як систему взаємно переміщаються магнітно-зв'язаних електричних ланцюгів. До подібних явищ також відносять гістерезис, насичення, вищі гармоніки і магнітні втрати. Але в класичному поданні відносити їх до аналогам електричних машин можна лише у разі, якщо мова йде про динамічних режимах, коли система працює в рамках енергетичної інфраструктури. В основі системи електромеханічного перетворення енергії лежить принцип двох реакцій з двухфазными і трифазними компонентами, а також метод обертових магнітних полів. Ротор і статор двигунів виконують механічну роботу під дією магнітного поля. Залежно від напрямку руху заряджених частинок встановлюється режим роботи – в якості мотора або генератора.

Генерація електрики хімічної енергії

Сукупний хімічний джерело енергії відноситься до традиційних, однак методи його перетворення не так поширені в силу екологічних обмежень. Сама по собі хімічна енергія в чистому вигляді практично не використовується, принаймні, у вигляді концентрованих реакцій. В той же час природні хімічні процеси оточують людину всюди у вигляді високо - або низькоенергетичних зв'язок, які проявляються, наприклад, при горінні з виділенням тепла. Тим не менш, перетворення хімічної енергії цілеспрямовано організується в деяких галузях промисловості. Зазвичай створюються умови для високотехнологічного горіння в плазмових генераторах або газових турбінах. Типовим реактивом даних процесів є паливний елемент, який і сприяє отриманню електричної енергії. З точки зору ККД подібні перетворення не так вигідні порівняно з альтернативними способами генерації електроенергії, так як частина корисного тепла розсіюється навіть у сучасних плазмових установках.

Перетворення енергії сонячного випромінювання

Як спосіб перетворення енергії процес обробки сонячного світла вже в недалекому майбутньому може стати самим затребуваним в енергетиці. Пов'язано це з тим, що навіть у наші дні кожен домовласник теоретично може придбати устаткування для перетворення сонячної енергії в енергію електричну. Ключовою особливістю даного процесу є безоплатність акумульованих сонячного світла. Інша справа, що це не робить процес повністю позбавленим витрат. По-перше, витрати будуть потрібні на технічне обслуговування сонячних акумуляторів. По-друге, і самі генератори такого типу коштують недешево, тому первинне вкладення в організацію власної міні-енергостанції поки можуть собі дозволити небагато. Що ж являє собою сонячний генератор енергії? Це комплект фотоелектричних панелей, що виконують перетворення енергії сонячних променів в електрику. Сам принцип цього процесу багато в чому схожий з роботою транзистора. В якості основного матеріалу для виготовлення фотоелементів використовується кремній у різних варіантах. Наприклад, пристрій для перетворення енергії Сонця може бути полі - і монокристалічним. Другий варіант кращий за робочим характеристикам, але коштує дорожче. В обох випадках відбувається освітлення фотоелемента, при якому активізуються електроди і в процесі їх руху виробляється електродинамічна сила.

Перетворення парової енергії

Парові турбіни можуть застосовуватися в промисловості як спосіб трансформації енергії в прийнятну форму, так і в якості самостійного генератора електрики або тепла з спеціально спрямовуються потоків умовного газу. Далеко не одні турбінні машини використовуються як пристрої перетворення електричної енергії у складі з паровими генераторами, але їх конструкція оптимально підходить для організації цього процесу з високим ККД. Просте технічне рішення – турбіна з лопатками, до якої підключаються сопла з іншими пором. По мірі руху лопатей відбувається обертання електромагнітної установки всередині апарату, виконується механічна робота і виробляється струм. Деякі конструкції турбін мають спеціальні розширення у вигляді східців, де відбувається перетворення механічної енергії пари в кінетичну. Дана особливість пристрою обумовлюється не стільки інтересами підвищення продуктивності перетворення енергії генератора або необхідністю вироблення саме кінетичного потенціалу, скільки забезпеченням можливості гнучкого регулювання роботи турбіни. Розширення в турбіні забезпечує функцію управління, що дає можливість ефективної і безпечної регулювання обсягів генерованої енергії. До речі, робоча область розширення, яка включається у процес перетворення, називається активною ступенем тиску.

Способи передачі енергії

Способи трансформації енергії неможливо розглядати без поняття її передачі. На сьогоднішній день виділяється чотири способи взаємодії тіл, при яких відбувається передача енергії, – електричний, гравітаційний, ядерний і слабкий. Передачу в даному контексті можна розглядати і як спосіб обміну, тому принципово розділяють вчинення роботи при передачі енергії і функцію теплообміну. Які перетворення енергії передбачають здійснення роботи? Типовим прикладом є механічне зусилля, при якому в просторі відбувається переміщення макроскопічних тіл або окремих частинок тел. Крім механічної сили також виділяють магнітну і електричну роботу. Ключовим об'єднуючим властивістю практично для всіх типів робіт є здатність до повного кількісного перетворення між собою. Тобто електрика трансформується в механічну енергію, механічна робота в магнітний потенціал і т. д. Теплообмін також є поширеним способом передачі енергії. Він може бути ненаправленим або хаотичним, але в будь-якому випадку відбувається рух мікроскопічних частинок. Кількість активізованих частинок буде визначати обсяг тепла – корисну теплоту.

Висновок

Перехід енергії з однієї форми в іншу є нормальним, а в деяких галузях обов'язковою умовою виробничого енергетичного процесу. У різних випадках необхідність включення цього етапу може пояснюватися економічними, технологічними, екологічними та іншими факторами генерації ресурсу. При цьому, незважаючи на різноманітність природних і штучно відбуваються способів трансформації енергії, переважна більшість установок, що забезпечують процеси перетворення, застосовуються тільки для електрики, теплоти і механічної роботи. Засоби для перетворення електричної енергії і зовсім є найпоширенішими. Електричні машини, забезпечують трансформацію механічної роботи в електроенергію за принципом індукції, приміром, використовуються практично у всіх сферах, де використовують складні технічні пристрої, агрегати і прилади. І ця тенденція не знижується, так як людство потребує постійного збільшення обсягів енергетичного виробництва, що змушує шукати нові джерела первинної енергії. На даний момент найбільш перспективними напрямками в енергетиці вважаються системи генерації того ж електроенергії з механічної енергії, що виробляється Сонцем, вітром і потоками води в природі.