Преобразование энергии: определение, виды и процесс передачи

Обеспечение нужд человечества достаточным количеством энергии – одна из ключевых задач, которые стоят перед современной наукой. В связи с повышением энергозатратности процессов, направленных на поддержание базовых условий существования общества, возникают острые проблемы не только генерации больших объемов энергии, но и сбалансированной организации систем ее распределения. И тема преобразования энергии имеет ключевое значение в данном контексте. От этого процесса зависит коэффициент выработки полезного энергетического потенциала, а также уровень затрат на обслуживание технологических операций в рамках используемой инфраструктуры.

Общие сведения о технологии преобразования

Необходимость использования разных видов энергии связана с различиями в процессах, для которых требуется питающий ресурс. Тепло требуется для отопления, механическая энергия – для силовой поддержки движения механизмов, а свет – для освещения. Электричество можно назвать универсальным источником энергии и с точки зрения ее преобразования, и в плане возможностей применения в разных сферах. В качестве исходной энергии обычно используются природные явления, а также искусственно организованные процессы, способствующие генерации того же тепла или механического усилия. В каждом случае требуется определенный вид оборудования или сложного технологического сооружения, в принципе позволяющего обеспечивать преобразование энергии в нужную для конечного или промежуточного потребления форму. Причем среди задач преобразователя выделяется не только трансформация как перевод энергии из одного вида в другой. Зачастую данный процесс служит и для изменения некоторых параметров энергии без ее трансформации.

Преобразование как таковое может быть одноступенчатым или многоступенчатым. Кроме того, например, работа солнечных генераторов на фотокристаллических элементах обычно рассматривается как трансформация энергии света в электричество. Но вместе с этим возможно и преобразование тепловой энергии, которую Солнце отдает грунту в результате нагрева. Геотермальные модули размещаются на определенной глубине в земле и посредством специальных проводников наполняют энергетическим запасам аккумуляторы. В простой схеме преобразования геотермальная система обеспечивает накопление энергии тепла, которая отдается отопительному оборудованию в чистом виде с базовой подготовкой. В сложной структуре задействуется тепловой насос в единой группе с конденсаторами тепла и компрессорами, которые обеспечивают преобразование тепла и электроэнергию.

использованная литература

1. Электроэнергия во всем мире В архиве 2009-09-06 на Wayback Machine, Kropla.com

• Авраам И. Прессман (1997). Импульсный источник питания
  . Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-052236-7.
• Нед Мохан, Торе М. Унделэнд, Уильям П. Роббинс (2002). Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн
  . Вайли. ISBN 0-471-22693-9.
• Фанг Линь Ло, Хун Е, Мухаммад Х. Рашид (2005). Цифровая силовая электроника и приложения
  . Эльзевир. ISBN 0-12-088757-6.
• Фанг Линь Ло, Хун Е (2004). Усовершенствованные преобразователи постоянного тока в постоянный
  . CRC Press. ISBN 0-8493-1956-0.
• Минглян Лю (2006). Делаем понятные схемы с переключаемыми конденсаторами
  . Эльзевир. ISBN 0-7506-7907-7.

Виды преобразования электрической энергии

Существуют разные технологические методы извлечения первичной энергии из естественных природных явлений. Но еще больше возможностей для изменения свойств и форм энергии дают аккумулированные энергоресурсы, поскольку они хранятся в удобном для трансформации виде. К наиболее распространенным формам преобразования энергии можно отнести операции излучения, нагрева, механического и химического воздействия. В наиболее сложных системах применяются процессы молекулярного распада и многоуровневые химические реакции, в которых объединяется несколько этапов преобразования.

Выбор конкретного способа трансформации будет зависеть от условий организации процесса, вида изначальной и конечной энергии. Среди самых распространенных видов энергии, которые в принципе участвуют в процессах преобразования можно выделить лучистую, механическую, тепловую, электрическую и химическую энергию. Как минимум, данные ресурсы успешно эксплуатируются в промышленности и бытовом хозяйстве. Отдельного внимания заслуживают косвенные процессы преобразования энергии, которые являются производными той или иной технологической операции. К примеру, в рамках металлургического производства требуется выполнение операций нагрева и охлаждения, в результате которых вырабатывается пар и тепло как производные, но не целевые ресурсы. В сущности, это отходные продукты переработки, которые также находят применение, подвергаются трансформации или использованию в рамках этого же предприятия.

Преобразование энергии тепла

Один из старейших с точки зрения освоения и самых важных для поддержания жизнедеятельности человека энергетических источников, без которых невозможно представить жизнь современного общества. В большинстве случаев тепло преобразуется в электроэнергию, причем простая схема такой трансформации не требует подключения промежуточных этапов. Однако в тепловых и атомных электростанциях в зависимости от условий их работы может применяться этап подготовки с переводом тепловой в механическую энергию, что требует дополнительных затрат. Сегодня все чаще для преобразования тепловой энергии в электричество используются термоэлектрические генераторы прямого действия.

Сам процесс трансформации происходит в специальном веществе, которое сжигается, выделяет тепло и в дальнейшем выступает источником генерации тока. То есть термоэлектрические установки могут рассматриваться как источники электроэнергии с нулевым циклом, так как их работа запускается еще до появления базовой тепловой энергии. В качестве основного ресурса выступают топливные элементы – как правило, газовые смеси. Они сжигаются, в результате чего происходит нагрев теплораспределительной металлической пластины. В процессе отвода тепла через специальный генераторный модуль с полупроводниковыми материалами происходит преобразование энергии. Электрический ток генерируется радиаторной установкой, подключенной к трансформатору или аккумулятору. В первом варианте энергия сразу поступает к потребителю в готовом виде, а во втором – накапливается и отдается по мере надобности.

Преобразование мощности постоянного тока

DC в DC

Основная статья: Преобразователь постоянного тока в постоянный

Следующие устройства могут преобразовывать постоянный ток в постоянный:[требуется дальнейшее объяснение

]

• Линейный регулятор
• Регулятор напряжения
• Мотор-генератор
• Поворотный преобразователь
• Импульсный источник питания

DC в AC

Следующие устройства могут преобразовывать постоянный ток в переменный:[требуется дальнейшее объяснение

]

• Инвертор мощности
• Мотор-генератор
• Поворотный преобразователь
• Импульсный источник питания

Генерация тепловой энергии из механической

Также один из самых распространенных способов получения энергии в результате преобразования. Суть его заключается в способности тел отдавать тепловую энергию в процессе совершения работы. В простейшем виде данную схему трансформации энергии демонстрирует пример с трением двух деревянных предметов, в результате чего возникает огонь. Однако для использования данного принципа с ощутимой практической пользой требуются специальные устройства.

В бытовом хозяйстве преобразование механической энергии имеет место в системах отопления и водоснабжения. Это сложные технические конструкции с магнитопроводом и шихтованным сердечником, подключенным к замкнутым электропроводящим контурам. Также внутри рабочей камеры данной конструкции проходят трубы отопления, которые нагреваются под действием совершаемой работы от привода. Недостатком данного решения можно назвать необходимость подключения системы к электросети.

В промышленности используются более мощные преобразователи с жидким теплоносителем. Источник механической работы подключается к замкнутым резервуарам с водой. В процессе движения исполнительных органов (турбин, лопастей или других элементов конструкции) внутри контура создаются условия для вихреобразования. Это происходит в моменты резкого торможения лопастей. Кроме нагрева в данном случае повышается и давление, что облегчает процессы циркуляции воды.

Преобразование электромеханической энергии

Большинство современных технических агрегатов работает на принципах электромеханики. Синхронные и асинхронные электрические машины и генераторы используются в транспорте, станочном оборудовании, промышленных инженерных узлах и прочих силовых установках разного назначения. То есть электромеханические виды преобразования энергии применимы и к генераторному, и к двигательному режимам работы в зависимости от текущих требований приводной системы.

В обобщенном виде любую электрическую машину можно рассматривать как систему взаимно перемещающихся магнитно-связанных электрических цепей. К подобным явлениям также относят гистерезис, насыщение, высшие гармоники и магнитные потери. Но в классическом представлении относить их к аналогам электрических машин можно лишь в случае, если речь идет о динамических режимах, когда система работает в рамках энергетической инфраструктуры.

В основе системы электромеханического преобразования энергии лежит принцип двух реакций с двухфазными и трехфазными компонентами, а также метод вращающихся магнитных полей. Ротор и статор двигателей выполняют механическую работу под действием магнитного поля. В зависимости от направления движения заряженных частиц устанавливается режим работы – в качестве мотора или генератора.

Другие системы

Основная статья: Трехфазная электрическая мощность

Существуют также устройства и способы преобразования между энергосистемами, рассчитанными на однофазную и трехфазную работу.

Стандартное напряжение питания и частота варьируются от страны к стране, а иногда и внутри страны. В Северной Америке и северной части Южной Америки это обычно 120 вольт, 60герц (Гц), но в Европе, Азии, Африке и многих других частях мира это обычно 230 вольт, 50 Гц.[1] Самолеты часто используют внутреннюю мощность 400 Гц, поэтому преобразование частоты 50 Гц или 60 Гц в 400 Гц необходимо для использования в наземном блоке питания, используемом для питания самолета, когда он находится на земле. И наоборот, внутренняя внутренняя мощность 400 Гц может быть преобразована в 50 Гц или 60 Гц для удобных розеток, доступных пассажирам во время полета.

Некоторые специализированные схемы также могут считаться преобразователями мощности, например обратный трансформатор подсистема питания ЭЛТ, генерирующее высокое напряжение с частотой примерно 15 кГц.

Бытовая электроника обычно включает АС адаптер (тип источник питания) для преобразования переменного тока сетевого напряжения в постоянный ток низкого напряжения, пригодный для потребления микрочипами. Потребитель преобразователи напряжения (также известные как «преобразователи путешествий») используются при поездках между странами, которые используют сетевое питание ~ 120 В вместо ~ 240 В переменного тока. (Существуют также потребительские «переходники», которые просто образуют электрическое соединение между двумя разными по форме Вилки и розетки переменного тока, но они не изменяют ни напряжение, ни частоту.)

Генерация электричества из химической энергии

Совокупный химический источник энергии относится к традиционным, однако методы его преобразования не так распространены в силу экологических ограничений. Сама по себе химическая энергия в чистом виде практически не используется – по крайней мере, в виде концентрированных реакций. В то же время естественные химические процессы окружают человека повсюду в виде высоко- или низкоэнергетических связок, которые проявляются, например, при горении с выделением тепла. Тем не менее, преобразование химической энергии целенаправленно организуется в некоторых отраслях промышленности. Обычно создаются условия для высокотехнологичного горения в плазменных генераторах или газовых турбинах. Типичным реактивом данных процессов является топливный элемент, который и способствует получению электрической энергии. С точки зрения КПД подобные преобразования не так выгодны по сравнению с альтернативными способами генерации электроэнергии, так как часть полезного тепла рассеивается даже в современных плазменных установках.

Преобразование энергии солнечного излучения

Как способ преобразования энергии процесс обработки солнечного света уже в скором будущем может стать самым востребованным в энергетике. Связано это с тем, что даже в наши дни каждый домовладелец теоретически может приобрести оборудование для преобразования солнечной энергии в энергию электрическую. Ключевой особенностью данного процесса является бесплатность аккумулируемого солнечного света. Другое дело, что это не делает процесс полностью лишенным расходов. Во-первых, затраты потребуются на техническое обслуживание солнечных аккумуляторов. Во-вторых, и сами генераторы такого типа стоят недешево, поэтому первичное вложение в организацию собственной мини-энергостанции пока могут себе позволить немногие.

Что же представляет собой солнечный генератор энергии? Это комплект фотоэлектрических панелей, выполняющих преобразование энергии солнечных лучей в электричество. Сам принцип этого процесса во многом схож с работой транзистора. В качестве основного материала для изготовления фотоэлементов используется кремний в разных вариантах. Например, устройство для преобразования энергии Солнца может быть поли- и монокристаллическим. Второй вариант предпочтительнее по рабочим характеристикам, но стоит дороже. В обоих случаях происходит освещение фотоэлемента, при котором активизируются электроды и в процессе их движения вырабатывается электродинамическая сила.

Преобразование паровой энергии

Паровые турбины могут применяться в промышленности как способ трансформации энергии в приемлемую форму, так и в качестве самостоятельного генератора электричества или тепла из специально направляемых потоков условного газа. Далеко не одни турбинные машины используются как устройства преобразования электрической энергии в составе с паровыми генераторами, но их конструкция оптимально подходит для организации этого процесса с высоким КПД. Простейшее техническое решение – турбина с лопатками, к которой подключаются сопла с подаваемым паром. По мере движения лопастей происходит вращение электромагнитной установки внутри аппарата, выполняется механическая работа и вырабатывается ток.

Некоторые конструкции турбин имеют специальные расширения в виде ступеней, где происходит превращение механической энергии пара в кинетическую. Данная особенность устройства обуславливается не столько интересами повышения производительности преобразования энергии генератора или необходимостью выработки именно кинетического потенциала, сколько обеспечением возможности гибкой регуляции работы турбины. Расширение в турбине обеспечивает функцию управления, что дает возможность эффективной и безопасной регуляции объемов генерируемой энергии. К слову, рабочая область расширения, которая включается в процесс преобразования, называется активной ступенью давления.

Преобразование мощности переменного тока

AC в DC

Следующие устройства могут преобразовывать переменный ток в постоянный:[требуется дальнейшее объяснение

]

• Выпрямитель
• Сеть источник питания блок (БП)
• Мотор-генератор
• Поворотный преобразователь
• Импульсный источник питания

AC в AC

Основная статья: Преобразователь переменного тока в переменный

Следующие устройства могут преобразовывать переменный ток в переменный:[требуется дальнейшее объяснение

]

• Трансформатор или автотрансформатор
• Преобразователь напряжения
• Регулятор напряжения
• Циклоконвертер
• Трансформатор переменной частоты
• Мотор-генератор
• Поворотный преобразователь
• Импульсный источник питания

Способы передачи энергии

Способы трансформации энергии невозможно рассматривать без понятия ее передачи. На сегодняшний день выделяется четыре способа взаимодействия тел, при которых происходит передача энергии, – электрический, гравитационный, ядерный и слабый. Передачу в данном контексте можно рассматривать и как способ обмена, поэтому принципиально разделяют совершение работы при передаче энергии и функцию теплообмена. Какие преобразования энергии предусматривают совершение работы? Типичным примером является механическое усилие, при котором в пространстве происходит перемещение макроскопических тел или отдельных частиц тел. Помимо механической силы также выделяют магнитную и электрическую работу. Ключевым объединяющим свойством практически для всех типов работ является способность к полному количественному преобразованию между собой. То есть электричество трансформируется в механическую энергию, механическая работа в магнитный потенциал и т.д. Теплообмен также является распространенным способом передачи энергии. Он может быть ненаправленным или хаотическим, но в любом случае происходит движение микроскопических частиц. Количество активизированных частиц будет определять объем тепла – полезную теплоту.

Производство электроэнергии

Среди генераторов электроэнергии наиболее распространены электромеханические генераторы переменного тока

. Они преобразуют механическую энергию вращения ротора в энергию индукционного переменного тока, возникающего благодаря явлению электромагнитной индукции.

На рис. 1 проиллюстрирована основная идея генератора переменного тока: проводящая рамка (называемая якорем

) вращается в магнитном поле.

Рис.1. Схема генератора переменного тока

Магнитный поток сквозь рамку меняется со временем и порождает ЭДС индукции, которая приводит к возникновению индукционного тока в рамке. С помощью специальных приспособлений (колец и щёток) переменный ток передаётся из рамки во внешнюю цепь.

Если рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной угловой скоростью , то возникающий переменный ток будет синусоидальным. Покажем это.

Выберем направление вектора нормали к плоскости рамки. Вектор , таким образом, вращается вместе с рамкой. Направление обхода рамки считается положительным, если с конца вектора этот обход видится против часовой стрелки.

Напомним, что ток считается положительным, если он течёт в положительном направлении (и отрицательным в противном случае). ЭДС индукции считается положительной, если она создаёт ток в положительном направлении (и отрицательной в противном случае).

Предположим, что в начальный момент времени векторы и сонаправлены. За время рамка повернётся на угол . Магнитный поток через рамку в момент времени равен:

(1)

где — площадь рамки. Дифференцируя по времени, находим ЭДС индукции:

(2)

Если сопротивление рамки равно , то в ней возникает ток:

(3)

Как видим, ток действительно меняется по гармоническому закону, то есть является синусоидальным.

В реальных генераторах переменного тока рамка содержит не один виток, как в нашей схеме, а большое число витков. Это позволяет увеличить в раз ЭДС индукции в рамке. Почему?

Объяснить это несложно. В самом деле, магнитный поток через каждый виток площади по-прежнему определяется выражением (1), так что ЭДС индукции в одном витке согласно формуле (2) равна: . Все эти ЭДС индукции, возникающие в каждом витке, складываются друг с другом, и суммарная ЭДС в рамке окажется равной:

Сила тока в рамке:

где есть по-прежнему сопротивление рамки.

Кроме того, рамку снабжают железным (или стальным) сердечником. Железо многократно усиливает магнитное поле внутри себя, и поэтому наличие сердечника позволяет увеличить магнитный поток сквозь рамку в сотни и даже тысячи раз. Как следует из формул (2) и (3), ЭДС индукции и ток в рамке увеличатся во столько же раз.