Zajištění potřeb lidstva dostatkem energie je jedním z klíčových úkolů, kterým moderní věda čelí. V souvislosti se zvyšováním energetické náročnosti procesů směřujících k udržení základních podmínek pro existenci společnosti nastávají akutní problémy nejen při výrobě velkého množství energie, ale i při vyvážené organizaci jejích distribučních soustav. A téma přeměny energie je v této souvislosti klíčové. Tento proces určuje koeficient výroby užitečného energetického potenciálu a také výši nákladů na obsluhu technologických operací v rámci používané infrastruktury.
Přehled technologie převodu
Potřeba používat různé druhy energie je spojena s rozdíly v procesech, které vyžadují zdroj dodávek. Teplo je vyžadováno provytápění, mechanická energie - pro silovou podporu pohybu mechanismů a světlo - pro osvětlení. Elektřinu lze nazvat univerzálním zdrojem energie jak z hlediska její přeměny, tak z hlediska aplikačních možností v různých oborech. Jako počáteční energie se obvykle používají přírodní jevy a také uměle organizované procesy, které přispívají ke vzniku stejné tepelné nebo mechanické síly. V každém případě je vyžadován určitý typ zařízení nebo složitá technologická struktura, která v zásadě umožňuje přeměnu energie do podoby potřebné pro konečnou nebo mezispotřebu. Navíc mezi úkoly konvertoru nevyniká pouze transformace jako přenos energie z jedné formy do druhé. Často tento proces také slouží ke změně některých parametrů energie bez její transformace.
Transformace jako taková může být jednostupňová nebo vícestupňová. Kromě toho je například provoz solárních generátorů na fotokrystalických článcích obvykle považován za přeměnu světelné energie na elektřinu. Ale zároveň je také možné přeměnit tepelnou energii, kterou Slunce dává půdě v důsledku zahřívání. Geotermální moduly jsou umístěny v určité hloubce v zemi a pomocí speciálních vodičů plní baterie energetickými rezervami. V jednoduchém schématu přeměny geotermální systém zajišťuje akumulaci tepelné energie, která je předávána topnému zařízení v čisté formě se základní přípravou. Ve složité struktuře se tepelné čerpadlo používá v jediné skupiněs tepelnými kondenzátory a kompresory, které zajišťují přeměnu tepla a elektřiny.
Typy přeměny elektrické energie
Existují různé technologické metody získávání primární energie z přírodních jevů. Ale ještě více příležitostí pro změnu vlastností a forem energie poskytují akumulované zdroje energie, protože jsou uloženy ve formě vhodné pro transformaci. Mezi nejběžnější formy přeměny energie patří operace záření, zahřívání, mechanické a chemické účinky. Nejsložitější systémy využívají procesy molekulárního rozpadu a víceúrovňové chemické reakce, které kombinují více transformačních kroků.
Výběr konkrétní metody transformace bude záviset na podmínkách organizace procesu, typu počáteční a konečné energie. Mezi nejběžnější druhy energie, které se v zásadě podílejí na transformačních procesech, lze rozlišit energii sálavou, mechanickou, tepelnou, elektrickou a chemickou. Tyto zdroje jsou minimálně úspěšně využívány v průmyslu a domácnostech. Samostatnou pozornost si zaslouží nepřímé procesy přeměny energie, které jsou deriváty konkrétní technologické operace. Například v rámci hutní výroby jsou vyžadovány topné a chladicí operace, v jejichž důsledku vznikají pára a teplo jako deriváty, nikoli však cílové zdroje. V podstatě se jedná o odpadní produkty zpracování,které se také používají, transformují nebo používají v rámci stejného podniku.
Konverze tepelné energie
Jeden z vývojově nejstarších a nejdůležitějších zdrojů energie pro udržení lidského života, bez kterého si život moderní společnosti nelze představit. Ve většině případů se teplo přeměňuje na elektřinu a jednoduché schéma takové transformace nevyžaduje připojení mezistupňů. V tepelných a jaderných elektrárnách však lze v závislosti na jejich provozních podmínkách využít přípravný stupeň s převodem tepelné na mechanickou energii, což vyžaduje dodatečné náklady. V současnosti se k přeměně tepelné energie na elektřinu stále častěji používají přímočinné termoelektrické generátory.
Samotný proces přeměny probíhá ve speciální látce, která se spaluje, uvolňuje teplo a následně působí jako zdroj generace proudu. To znamená, že termoelektrická zařízení lze považovat za zdroje elektřiny s nulovým cyklem, protože jejich provoz je zahájen ještě před výskytem základní tepelné energie. Palivové články, obvykle směsi plynů, fungují jako hlavní zdroj. Jsou spáleny, v důsledku čehož se tepelně rozvádějící kovová deska zahřívá. V procesu odvodu tepla přes speciální generátorový modul s polovodičovými materiály dochází k přeměně energie. Elektrický proud je generován radiátorovou jednotkou připojenou k transformátoru nebo baterii. V první verzi, energieokamžitě jde ke spotřebiteli v hotové podobě a ve druhé - se hromadí a je rozdán podle potřeby.
Vytváření tepelné energie z mechanické energie
Také jeden z nejběžnějších způsobů, jak získat energii v důsledku transformace. Jeho podstata spočívá ve schopnosti těles vydávat tepelnou energii v procesu vykonávání práce. Ve své nejjednodušší podobě je toto schéma přeměny energie demonstrováno na příkladu tření dvou dřevěných předmětů, jehož výsledkem je požár. K využití tohoto principu s hmatatelnými praktickými výhodami jsou však zapotřebí speciální zařízení.
V domácnostech dochází k přeměně mechanické energie v systémech vytápění a zásobování vodou. Jedná se o složité technické struktury s magnetickým obvodem a vrstveným jádrem napojeným na uzavřené elektricky vodivé obvody. Uvnitř pracovní komory této konstrukce jsou také topné trubky, které se ohřívají působením práce vykonané z pohonu. Nevýhodou tohoto řešení je nutnost připojení systému k elektrické síti.
Průmysl používá výkonnější kapalinou chlazené měniče. Zdroj mechanické práce je napojen na uzavřené vodní nádrže. V procesu pohybu výkonných orgánů (turbíny, lopatky nebo jiné konstrukční prvky) se uvnitř okruhu vytvářejí podmínky pro tvorbu víru. To se děje ve chvílích prudkého brzdění nožů. Kromě zahřívání se v tomto případě také zvyšuje tlak, což usnadňuje procesycirkulace vody.
Konverze elektromechanické energie
Většina moderních technických celků pracuje na principech elektromechaniky. Synchronní a asynchronní elektrické stroje a generátory se používají v dopravě, obráběcích strojích, průmyslových strojích a dalších elektrárnách pro různé účely. To znamená, že elektromechanické typy přeměny energie jsou použitelné pro provozní režimy generátoru i motoru v závislosti na aktuálních požadavcích systému pohonu.
V obecné podobě lze jakýkoli elektrický stroj považovat za systém vzájemně se pohybujících magneticky vázaných elektrických obvodů. Mezi takové jevy také patří hystereze, saturace, vyšší harmonické a magnetické ztráty. Ale v klasickém pohledu je lze připsat analogům elektrických strojů, pouze pokud mluvíme o dynamických režimech, kdy systém funguje v rámci energetické infrastruktury.
Systém elektromechanické přeměny energie je založen na principu dvou reakcí s dvoufázovými a třífázovými složkami a také na metodě rotujících magnetických polí. Rotor a stator motorů vykonávají mechanickou práci pod vlivem magnetického pole. V závislosti na směru pohybu nabitých částic se nastavuje režim provozu - jako motor nebo generátor.
Výroba elektřiny z chemické energie
Celkový zdroj chemické energie je tradiční, ale způsoby jeho přeměny nejsou tak běžnékvůli ekologickým omezením. Samotná chemická energie ve své čisté formě se prakticky nevyužívá - alespoň ve formě koncentrovaných reakcí. Všude přitom člověka obklopují přirozené chemické procesy v podobě vysoko- či nízkoenergetických vazeb, které se projevují například při spalování s uvolňováním tepla. Přeměna chemické energie je však v některých odvětvích cíleně organizována. Obvykle jsou vytvořeny podmínky pro high-tech spalování v plazmových generátorech nebo plynových turbínách. Typickým reaktantem těchto procesů je palivový článek, který přispívá k výrobě elektrické energie. Z hlediska účinnosti nejsou takové přeměny tak ziskové ve srovnání s alternativními metodami výroby elektřiny, protože část užitečného tepla se odvádí i v moderních plazmových instalacích.
Přeměna energie slunečního záření
Jako způsob přeměny energie se proces zpracování slunečního světla v blízké budoucnosti může stát nejžádanějším v energetickém sektoru. Je to dáno tím, že i dnes si teoreticky může každý majitel domu pořídit zařízení na přeměnu sluneční energie na elektrickou energii. Klíčovým rysem tohoto procesu je, že akumulované sluneční světlo je zdarma. Další věc je, že to nečiní proces zcela zdarma. Nejprve si vyžádají náklady na údržbu solárních baterií. Za druhé, samotné generátory tohoto typu nejsou levné, takže počáteční investice doJen málo lidí si může dovolit organizovat vlastní mini-energetickou stanici.
Co je solární generátor? Jedná se o sadu fotovoltaických panelů, které přeměňují energii slunečního záření na elektřinu. Samotný princip tohoto procesu je v mnoha ohledech podobný činnosti tranzistoru. Křemík se používá jako hlavní materiál pro výrobu solárních článků v různých verzích. Například zařízení pro přeměnu sluneční energie může být poly- a monokrystalické. Druhá možnost je výhodnější z hlediska výkonu, ale je dražší. V obou případech je fotobuňka osvětlena, během čehož se aktivují elektrody a v procesu jejich pohybu vzniká elektrodynamická síla.
Konverze energie páry
Parní turbíny lze v průmyslu využít jak jako způsob přeměny energie na přijatelnou formu, tak jako nezávislý generátor elektřiny nebo tepla ze speciálně usměrněných konvenčních toků plynu. Zdaleka nejen turbínové stroje se používají jako zařízení pro přeměnu elektrické energie v kombinaci s parogenerátory, ale jejich konstrukce je optimálně vhodná pro organizaci tohoto procesu s vysokou účinností. Nejjednodušším technickým řešením je turbína s lopatkami, na kterou jsou napojeny trysky s přiváděnou párou. Jak se lopatky pohybují, elektromagnetická instalace uvnitř přístroje se otáčí, provádí se mechanická práce a generuje se proud.
Některé konstrukce turbín majíspeciální nástavce v podobě stupňů, kde se mechanická energie páry přeměňuje na kinetickou energii. Tato vlastnost zařízení není dána ani tak zájmy zvýšení účinnosti přeměny energie generátoru nebo potřebou přesně rozvinout kinetický potenciál, ale poskytnutím možnosti flexibilní regulace chodu turbíny. Expanze v turbíně zajišťuje regulační funkci, která umožňuje efektivní a bezpečnou regulaci množství vyrobené energie. Mimochodem, pracovní oblast expanze, která je součástí procesu konverze, se nazývá aktivní tlakový stupeň.
Metody přenosu energie
Metody přeměny energie nelze uvažovat bez konceptu jejího přenosu. K dnešnímu dni existují čtyři způsoby interakce těles, ve kterých se přenáší energie – elektrický, gravitační, jaderný a slabý. Přenos v této souvislosti lze považovat i za způsob směny, proto se v zásadě odděluje výkon práce při přenosu energie a funkce přenosu tepla. Jaké přeměny energie zahrnují vykonávání práce? Typickým příkladem je mechanická síla, při které se v prostoru pohybují makroskopická tělesa nebo jednotlivé částice těles. Kromě mechanické síly se rozlišuje také magnetická a elektrická práce. Klíčovým sjednocujícím prvkem pro téměř všechny typy prací je schopnost kompletně kvantifikovat transformaci mezi nimi. To znamená, že elektřina se přemění namechanická energie, mechanická práce na magnetický potenciál atd. Běžným způsobem přenosu energie je také přenos tepla. Může být nesměrový nebo chaotický, ale v každém případě dochází k pohybu mikroskopických částic. Počet aktivovaných částic určí množství tepla - užitečné teplo.
Závěr
Přechod energie z jedné formy do druhé je normální a v některých odvětvích je nezbytným předpokladem pro proces výroby energie. V různých případech lze potřebu zahrnout tuto fázi vysvětlit ekonomickými, technologickými, environmentálními a dalšími faktory tvorby zdrojů. Navzdory rozmanitosti přirozených a uměle organizovaných způsobů přeměny energie je přitom naprostá většina zařízení zajišťujících transformační procesy využívána pouze pro elektřinu, teplo a mechanickou práci. Prostředky pro přeměnu elektrické energie jsou nejběžnější. Elektrické stroje, které zajišťují přeměnu mechanické práce na elektřinu například na principu indukce, se používají téměř ve všech oblastech, kde se jedná o složitá technická zařízení, sestavy a zařízení. A tento trend neklesá, protože lidstvo potřebuje neustálé zvyšování výroby energie, což nás nutí hledat nové zdroje primární energie. V současnosti jsou za nejslibnější oblasti energetického sektoru považovány jeho výrobní systémyelektřina z mechanické energie produkované Sluncem, větrem a vodou proudí v přírodě.
