Abastecer as necessidades da humanidade com energia suficiente é uma das principais tarefas da ciência moderna. Em conexão com o aumento do consumo de energia dos processos que visam manter as condições básicas de existência da sociedade, surgem problemas agudos não apenas na geração de grandes quantidades de energia, mas também na organização equilibrada de seus sistemas de distribuição. E o tema da conversão de energia é de fundamental importância neste contexto. Este processo determina o coeficiente de geração do potencial energético útil, bem como o nível de custos para atendimento das operações tecnológicas no âmbito da infraestrutura utilizada.
Visão geral da tecnologia de conversão
A necessidade de utilizar diferentes tipos de energia está associada a diferenças nos processos que requerem um recurso de abastecimento. O calor é necessário paraaquecimento, energia mecânica - para suporte de energia do movimento de mecanismos e luz - para iluminação. A eletricidade pode ser chamada de fonte universal de energia tanto em termos de sua transformação quanto em termos de possibilidades de aplicação em diversos campos. Como energia inicial, geralmente são utilizados fenômenos naturais, bem como processos organizados artificialmente que contribuem para a geração do mesmo calor ou força mecânica. Em cada caso, é necessário um determinado tipo de equipamento ou uma estrutura tecnológica complexa, que, em princípio, permite a conversão da energia na forma necessária para o consumo final ou intermediário. Além disso, entre as tarefas do conversor, destaca-se não só a transformação como a transferência de energia de uma forma para outra. Muitas vezes esse processo também serve para alterar alguns parâmetros de energia sem sua transformação.
A transformação como tal pode ser de estágio único ou de vários estágios. Além disso, por exemplo, a operação de geradores solares em células fotocristalinas é geralmente considerada como a transformação de energia luminosa em eletricidade. Mas, ao mesmo tempo, também é possível converter a energia térmica que o Sol dá ao solo como resultado do aquecimento. Os módulos geotérmicos são colocados a uma certa profundidade no solo e, através de condutores especiais, enchem as baterias com reservas de energia. Em um esquema de conversão simples, o sistema geotérmico fornece o armazenamento de energia térmica, que é fornecida ao equipamento de aquecimento em sua forma pura com preparação básica. Em uma estrutura complexa, uma bomba de calor é usada em um único grupocom condensadores de calor e compressores que fornecem calor e conversão de eletricidade.
Tipos de conversão de energia elétrica
Existem diferentes métodos tecnológicos para extrair energia primária de fenômenos naturais. Mas ainda mais oportunidades para alterar as propriedades e formas de energia são fornecidas pelos recursos energéticos acumulados, uma vez que são armazenados em uma forma conveniente para transformação. As formas mais comuns de conversão de energia incluem as operações de radiação, aquecimento, efeitos mecânicos e químicos. Os sistemas mais complexos usam processos de decaimento molecular e reações químicas em vários níveis que combinam várias etapas de transformação.
A escolha de um método específico de transformação dependerá das condições de organização do processo, do tipo de energia inicial e final. A energia radiante, mecânica, térmica, elétrica e química podem ser distinguidas entre os tipos mais comuns de energia que, em princípio, participam de processos de transformação. No mínimo, esses recursos são explorados com sucesso na indústria e nas residências. Atenção separada merece processos indiretos de conversão de energia, que são derivados de uma determinada operação tecnológica. Por exemplo, no âmbito da produção metalúrgica, são necessárias operações de aquecimento e resfriamento, pelo que o vapor e o calor são gerados como derivados, mas não como recursos-alvo. Em essência, trata-se de produtos residuais de processamento,que também estão sendo usados, transformados ou usados dentro da mesma empresa.
Conversão de energia térmica
Uma das mais antigas em termos de desenvolvimento e as mais importantes fontes de energia para a manutenção da vida humana, sem a qual é impossível imaginar a vida da sociedade moderna. Na maioria dos casos, o calor é convertido em eletricidade, e um esquema simples para tal transformação não requer a conexão de estágios intermediários. No entanto, em usinas térmicas e nucleares, dependendo de suas condições de operação, pode ser utilizada uma etapa de preparação com a transferência de energia térmica em mecânica, o que demanda custos adicionais. Hoje, geradores termoelétricos de ação direta estão sendo cada vez mais usados para converter energia térmica em eletricidade.
O próprio processo de transformação ocorre em uma substância especial que é queimada, libera calor e posteriormente atua como fonte de geração de corrente. Ou seja, as instalações termelétricas podem ser consideradas como fontes de eletricidade com ciclo zero, uma vez que sua operação é iniciada antes mesmo do surgimento da energia térmica de base. As células de combustível, geralmente misturas de gases, atuam como o principal recurso. Eles são queimados, como resultado do aquecimento da placa de metal de distribuição de calor. No processo de remoção de calor através de um módulo gerador especial com materiais semicondutores, a energia é convertida. A corrente elétrica é gerada por uma unidade de radiador conectada a um transformador ou bateria. Na primeira versão, a energiaimediatamente vai para o consumidor na forma final, e no segundo - acumula e é distribuído conforme necessário.
Geração de energia térmica a partir de energia mecânica
Também uma das formas mais comuns de obter energia como resultado da transformação. Sua essência está na capacidade dos corpos de liberar energia térmica no processo de realizar trabalho. Em sua forma mais simples, esse esquema de transformação de energia é demonstrado pelo exemplo do atrito de dois objetos de madeira, resultando em fogo. No entanto, para usar este princípio com benefícios práticos tangíveis, são necessários dispositivos especiais.
Nas residências, a transformação da energia mecânica ocorre nos sistemas de aquecimento e abastecimento de água. São estruturas técnicas complexas com um circuito magnético e um núcleo laminado conectado a circuitos eletricamente condutivos fechados. Também dentro da câmara de trabalho deste projeto estão os tubos de aquecimento, que são aquecidos sob a ação do trabalho realizado pelo acionamento. A desvantagem desta solução é a necessidade de conectar o sistema à rede elétrica.
Indústria usa conversores refrigerados a líquido mais potentes. A fonte de trabalho mecânico está conectada a tanques de água fechados. No processo de movimentação dos corpos executivos (turbinas, pás ou outros elementos estruturais), criam-se condições para a formação de vórtices dentro do circuito. Isso acontece durante momentos de frenagem brusca das lâminas. Além do aquecimento, neste caso, a pressão também aumenta, o que facilita os processoscirculação de água.
Conversão de energia eletromecânica
As unidades técnicas mais modernas trabalham com base nos princípios da eletromecânica. Máquinas e geradores elétricos síncronos e assíncronos são usados em transporte, máquinas-ferramentas, unidades de engenharia industrial e outras usinas de energia para diversos fins. Ou seja, os tipos eletromecânicos de conversão de energia são aplicáveis aos modos de operação do gerador e do motor, dependendo dos requisitos atuais do sistema de acionamento.
De uma forma generalizada, qualquer máquina elétrica pode ser considerada como um sistema de circuitos elétricos acoplados magneticamente em movimento mútuo. Tais fenômenos também incluem histerese, saturação, harmônicos mais altos e perdas magnéticas. Mas na visão clássica, eles podem ser atribuídos a análogos de máquinas elétricas apenas se estivermos falando de modos dinâmicos quando o sistema opera dentro da infraestrutura de energia.
O sistema eletromecânico de conversão de energia é baseado no princípio de duas reações com componentes bifásicos e trifásicos, bem como no método de campos magnéticos rotativos. O rotor e o estator dos motores realizam trabalho mecânico sob a influência de um campo magnético. Dependendo da direção do movimento das partículas carregadas, o modo de operação é definido - como motor ou gerador.
Geração de eletricidade a partir de energia química
A fonte de energia química total é tradicional, mas os métodos de sua transformação não são tão comunsdevido a restrições ambientais. Por si só, a energia química em sua forma pura praticamente não é usada - pelo menos na forma de reações concentradas. Ao mesmo tempo, processos químicos naturais cercam uma pessoa em todos os lugares na forma de ligações de alta ou baixa energia, que se manifestam, por exemplo, durante a combustão com liberação de calor. No entanto, a conversão de energia química é propositadamente organizada em algumas indústrias. Normalmente, são criadas condições para combustão de alta tecnologia em geradores de plasma ou turbinas a gás. Um reagente típico desses processos é uma célula a combustível, que contribui para a produção de energia elétrica. Do ponto de vista da eficiência, tais conversões não são tão rentáveis em comparação com métodos alternativos de geração de eletricidade, pois parte do calor útil é dissipado mesmo nas modernas instalações de plasma.
Conversão da energia da radiação solar
Como forma de conversão de energia, o processo de processamento da luz solar em um futuro próximo poderá se tornar o mais demandado no setor de energia. Isso se deve ao fato de que ainda hoje todo proprietário pode, teoricamente, adquirir equipamentos para converter energia solar em energia elétrica. A principal característica deste processo é que a luz solar acumulada é gratuita. Outra coisa é que isso não torna o processo totalmente gratuito. Primeiro, os custos serão necessários para a manutenção das baterias solares. Em segundo lugar, os geradores deste tipo não são baratos, pelo que o investimento inicial naPoucas pessoas podem se dar ao luxo de organizar sua própria miniestação de energia.
O que é um gerador de energia solar? Trata-se de um conjunto de painéis fotovoltaicos que convertem a energia da luz solar em eletricidade. O próprio princípio deste processo é em muitos aspectos semelhante à operação de um transistor. O silício é utilizado como principal material para a fabricação de células solares em diferentes versões. Por exemplo, um dispositivo para conversão de energia solar pode ser policristal e monocristal. A segunda opção é preferível em termos de desempenho, mas é mais cara. Em ambos os casos, a fotocélula é iluminada, durante a qual os eletrodos são ativados e uma força eletrodinâmica é gerada no processo de seu movimento.
Conversão de energia a vapor
Turbinas a vapor podem ser usadas na indústria tanto como forma de transformar energia em uma forma aceitável, quanto como gerador independente de eletricidade ou calor a partir de fluxos de gás convencionais especialmente direcionados. As máquinas de turbina não são usadas apenas como dispositivos de conversão de energia elétrica em combinação com geradores de vapor, mas seu design é ideal para organizar esse processo com alta eficiência. A solução técnica mais simples é uma turbina com pás, às quais estão conectados bicos com vapor fornecido. À medida que as lâminas se movem, a instalação eletromagnética dentro do aparelho gira, o trabalho mecânico é realizado e a corrente é gerada.
Alguns projetos de turbinasextensões especiais em forma de degraus, onde a energia mecânica do vapor é convertida em energia cinética. Esta característica do dispositivo é determinada não tanto pelos interesses de aumentar a eficiência da conversão de energia do gerador ou pela necessidade de desenvolver precisamente o potencial cinético, mas por proporcionar a possibilidade de regulação flexível da operação da turbina. A expansão na turbina fornece uma função de controle que permite a regulação eficiente e segura da quantidade de energia gerada. A propósito, a área de trabalho da expansão, incluída no processo de conversão, é chamada de estágio de pressão ativa.
Métodos de transferência de energia
Métodos de transformação de energia não podem ser considerados sem o conceito de sua transferência. Até o momento, existem quatro formas de interação dos corpos nos quais a energia é transferida - elétrica, gravitacional, nuclear e fraca. A transferência neste contexto também pode ser considerada como um método de troca, portanto, em princípio, a realização de trabalho na transferência de energia e a função de transferência de calor são separadas. Que transformações de energia envolvem a realização de trabalho? Um exemplo típico é uma força mecânica, na qual corpos macroscópicos ou partículas individuais de corpos se movem no espaço. Além da força mecânica, o trabalho magnético e elétrico também são distinguidos. Uma característica unificadora chave para quase todos os tipos de trabalho é a capacidade de quantificar completamente a transformação entre eles. Ou seja, a eletricidade é transformada emenergia mecânica, trabalho mecânico em potencial magnético, etc. A transferência de calor também é uma maneira comum de transferir energia. Pode ser não direcional ou caótico, mas em qualquer caso, há um movimento de partículas microscópicas. O número de partículas ativadas determinará a quantidade de calor - calor útil.
Conclusão
A transição da energia de uma forma para outra é normal, e em algumas indústrias um pré-requisito para o processo de produção de energia. Em diferentes casos, a necessidade de incluir esta etapa pode ser explicada por fatores econômicos, tecnológicos, ambientais e outros de geração de recursos. Ao mesmo tempo, apesar da variedade de formas naturais e artificialmente organizadas de transformação de energia, a grande maioria das instalações que fornecem processos de transformação são usadas apenas para eletricidade, calor e trabalho mecânico. Os meios de conversão de energia elétrica são os mais comuns. Máquinas elétricas que proporcionam a transformação de trabalho mecânico em eletricidade de acordo com o princípio da indução, por exemplo, são utilizadas em quase todas as áreas onde estão envolvidos dispositivos técnicos, montagens e dispositivos complexos. E essa tendência não é decrescente, pois a humanidade precisa de um aumento constante na produção de energia, o que nos obriga a buscar novas fontes de energia primária. No momento, as áreas mais promissoras no setor de energia são consideradas sistemas de geração da mesmaeletricidade a partir de energia mecânica produzida pelo Sol, vento e fluxos de água na natureza.
