تامین نیازهای بشر با انرژی کافی یکی از وظایف کلیدی پیش روی علم مدرن است. در ارتباط با افزایش مصرف انرژی فرآیندهای با هدف حفظ شرایط اساسی برای وجود جامعه، مشکلات حاد نه تنها در تولید مقادیر زیادی انرژی، بلکه در سازماندهی متعادل سیستم های توزیع آن نیز به وجود می آید. و مبحث تبدیل انرژی در این زمینه از اهمیت کلیدی برخوردار است. این فرآیند ضریب تولید پتانسیل انرژی مفید و همچنین سطح هزینه های سرویس دهی به عملیات فناورانه در چارچوب زیرساخت مورد استفاده را تعیین می کند.
تبدیل نمای کلی فناوری
نیاز به استفاده از انواع مختلف انرژی با تفاوت در فرآیندهایی که نیاز به منبع تامین دارند همراه است. گرما مورد نیاز استگرمایش، انرژی مکانیکی - برای پشتیبانی قدرت از حرکت مکانیسم ها، و نور - برای روشنایی. الکتریسیته را می توان منبع جهانی انرژی هم از نظر تبدیل آن و هم از نظر امکانات کاربردی در زمینه های مختلف نامید. به عنوان انرژی اولیه، معمولاً از پدیده های طبیعی و همچنین فرآیندهای سازماندهی مصنوعی استفاده می شود که به تولید همان گرما یا نیروی مکانیکی کمک می کند. در هر مورد، نوع خاصی از تجهیزات یا ساختار تکنولوژیکی پیچیده مورد نیاز است که در اصل امکان تبدیل انرژی به شکل مورد نیاز برای مصرف نهایی یا میانی را فراهم می کند. علاوه بر این، در میان وظایف مبدل، نه تنها تبدیل به عنوان انتقال انرژی از یک شکل به شکل دیگر برجسته می شود. اغلب این فرآیند همچنین برای تغییر برخی پارامترهای انرژی بدون تغییر آن عمل می کند.
تغییر شکل می تواند تک مرحله ای یا چند مرحله ای باشد. علاوه بر این، به عنوان مثال، عملکرد ژنراتورهای خورشیدی بر روی سلول های فتوکریستالی معمولاً به عنوان تبدیل انرژی نور به الکتریسیته در نظر گرفته می شود. اما در عین حال امکان تبدیل انرژی حرارتی که خورشید در اثر گرما به خاک می دهد نیز وجود دارد. ماژول های زمین گرمایی در عمق معینی در زمین قرار می گیرند و از طریق هادی های مخصوص باتری ها را با ذخایر انرژی پر می کنند. در یک طرح تبدیل ساده، سیستم زمین گرمایی ذخیره انرژی گرمایی را فراهم می کند که با آماده سازی اولیه به شکل خالص به تجهیزات گرمایشی داده می شود. در یک ساختار پیچیده، پمپ حرارتی در یک گروه واحد استفاده می شودبا کندانسورها و کمپرسورهای حرارتی که تبدیل گرما و برق را فراهم می کنند.
انواع تبدیل انرژی الکتریکی
روش های تکنولوژیکی مختلفی برای استخراج انرژی اولیه از پدیده های طبیعی وجود دارد. اما فرصت های بیشتری برای تغییر خواص و اشکال انرژی توسط منابع انرژی انباشته شده فراهم می شود، زیرا آنها به شکلی مناسب برای تبدیل ذخیره می شوند. رایج ترین اشکال تبدیل انرژی شامل عملیات تابش، گرمایش، اثرات مکانیکی و شیمیایی است. پیچیده ترین سیستم ها از فرآیندهای فروپاشی مولکولی و واکنش های شیمیایی چند سطحی استفاده می کنند که مراحل تبدیل چندگانه را با هم ترکیب می کنند.
انتخاب یک روش خاص تبدیل به شرایط سازماندهی فرآیند، نوع انرژی اولیه و نهایی بستگی دارد. انرژی تابشی، مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و شیمیایی را می توان در میان رایج ترین انواع انرژی که اصولاً در فرآیندهای تبدیل شرکت می کنند، متمایز کرد. حداقل، این منابع با موفقیت در صنعت و خانوارها مورد بهره برداری قرار می گیرند. توجه جداگانه مستحق فرآیندهای غیرمستقیم تبدیل انرژی است که مشتقات یک عملیات تکنولوژیکی خاص هستند. به عنوان مثال، در چارچوب تولید متالورژی، عملیات گرمایش و سرمایش مورد نیاز است که در نتیجه بخار و گرما به عنوان مشتقات تولید می شود، اما منابع هدف تولید نمی شود. در اصل، اینها محصولات زائد پردازش هستند،که همچنین در همان شرکت مورد استفاده، تبدیل یا استفاده می شوند.
تبدیل انرژی گرمایی
یکی از قدیمی ترین ها از نظر توسعه و مهمترین منابع انرژی برای حفظ زندگی انسان است که بدون آن نمی توان زندگی جامعه مدرن را تصور کرد. در بیشتر موارد، گرما به برق تبدیل می شود و یک طرح ساده برای چنین تبدیلی نیازی به اتصال مراحل میانی ندارد. اما در نیروگاه های حرارتی و هسته ای بسته به شرایط عملیاتی آنها می توان از مرحله آماده سازی با انتقال حرارت به انرژی مکانیکی استفاده کرد که مستلزم هزینه های اضافی است. امروزه، ژنراتورهای ترموالکتریک با اثر مستقیم به طور فزاینده ای برای تبدیل انرژی حرارتی به الکتریسیته مورد استفاده قرار می گیرند.
فرایند تبدیل خود در ماده خاصی صورت می گیرد که می سوزد، گرما را آزاد می کند و متعاقباً به عنوان منبع تولید فعلی عمل می کند. یعنی تاسیسات ترموالکتریک را می توان به عنوان منابع برق با سیکل صفر در نظر گرفت، زیرا عملیات آنها حتی قبل از ظهور انرژی حرارتی پایه شروع شده است. سلول های سوختی، معمولاً مخلوط های گازی، به عنوان منبع اصلی عمل می کنند. آنها می سوزند، در نتیجه صفحه فلزی توزیع کننده حرارت گرم می شود. در فرآیند حذف گرما از طریق یک ماژول ژنراتور ویژه با مواد نیمه هادی، انرژی تبدیل می شود. جریان الکتریکی توسط یک واحد رادیاتور متصل به ترانسفورماتور یا باتری تولید می شود. در نسخه اول انرژیبلافاصله به شکل تمام شده به مصرف کننده می رود، و در مرحله دوم - انباشته می شود و در صورت نیاز تحویل می شود.
تولید انرژی حرارتی از انرژی مکانیکی
همچنین یکی از رایج‌ترین راه‌ها برای به دست آوردن انرژی در نتیجه تغییر شکل است. ماهیت آن در توانایی بدن برای انتشار انرژی حرارتی در فرآیند انجام کار نهفته است. در ساده ترین شکل، این طرح تبدیل انرژی با مثال اصطکاک دو جسم چوبی که منجر به آتش سوزی می شود، نشان داده می شود. با این حال، برای استفاده از این اصل با مزایای عملی ملموس، دستگاه های خاصی مورد نیاز است.
در خانوارها، تبدیل انرژی مکانیکی در سیستم های گرمایش و تامین آب صورت می گیرد. اینها ساختارهای فنی پیچیده با یک مدار مغناطیسی و یک هسته چند لایه متصل به مدارهای رسانای الکتریکی بسته هستند. همچنین در داخل محفظه کار این طرح لوله های گرمایشی قرار دارد که تحت عمل کار انجام شده از درایو گرم می شوند. عیب این راه حل نیاز به اتصال سیستم به برق است.
صنعت از مبدل های خنک کننده مایع قوی تری استفاده می کند. منبع کار مکانیکی به مخازن آب بسته متصل است. در فرآیند حرکت دستگاه های اجرایی (توربین ها، پره ها یا سایر عناصر سازه ای) شرایطی برای تشکیل گرداب در داخل مدار ایجاد می شود. این در لحظات ترمز شدید تیغه ها اتفاق می افتد. علاوه بر گرمایش، در این حالت، فشار نیز افزایش می یابد که فرآیندها را تسهیل می کندگردش آب.
تبدیل انرژی الکترومکانیکی
بیشتر واحدهای فنی مدرن بر اساس اصول الکترومکانیک کار می کنند. ماشین آلات و ژنراتورهای الکتریکی سنکرون و ناهمزمان در حمل و نقل، ماشین ابزار، واحدهای مهندسی صنایع و سایر نیروگاه ها برای اهداف مختلف استفاده می شوند. به این معنی که انواع تبدیل انرژی الکترومکانیکی برای هر دو حالت کار ژنراتور و موتور، بسته به نیازهای فعلی سیستم محرک، قابل اعمال است.
در شکل کلی، هر ماشین الکتریکی را می توان به عنوان سیستمی از مدارهای الکتریکی جفت شده مغناطیسی متقابل در نظر گرفت. چنین پدیده هایی همچنین شامل پسماند، اشباع، هارمونیک های بالاتر و تلفات مغناطیسی است. اما در دیدگاه کلاسیک، تنها در صورتی می‌توان آنها را به آنالوگ‌های ماشین‌های الکتریکی نسبت داد که در مورد حالت‌های دینامیکی صحبت کنیم، زمانی که سیستم در زیرساخت انرژی کار می‌کند.
سیستم تبدیل انرژی الکترومکانیکی بر اساس اصل دو واکنش با اجزای دو فاز و سه فاز و همچنین روش چرخش میدان های مغناطیسی است. روتور و استاتور موتورها تحت تأثیر میدان مغناطیسی کار مکانیکی انجام می دهند. بسته به جهت حرکت ذرات باردار، حالت کار تنظیم می شود - به عنوان یک موتور یا ژنراتور.
تولید الکتریسیته از انرژی شیمیایی
کل منبع انرژی شیمیایی سنتی است، اما روشهای تبدیل آن چندان رایج نیست.به دلیل محدودیت های زیست محیطی به خودی خود، انرژی شیمیایی در شکل خالص آن عملاً استفاده نمی شود - حداقل در قالب واکنش های متمرکز. در عین حال، فرآیندهای شیمیایی طبیعی انسان را در همه جا به شکل پیوندهای پرانرژی یا کم انرژی احاطه می کنند که مثلاً در هنگام احتراق با انتشار گرما خود را نشان می دهند. با این حال، تبدیل انرژی شیمیایی به طور هدفمند در برخی صنایع سازماندهی شده است. معمولا شرایط برای احتراق با تکنولوژی بالا در ژنراتورهای پلاسما یا توربین های گاز ایجاد می شود. یک واکنش دهنده معمولی این فرآیندها یک پیل سوختی است که به تولید انرژی الکتریکی کمک می کند. از نظر کارایی، چنین تبدیل‌هایی در مقایسه با روشهای جایگزین تولید الکتریسیته سودآور نیستند، زیرا بخشی از گرمای مفید حتی در تاسیسات پلاسما مدرن نیز دفع می‌شود.
تبدیل انرژی تابش خورشید
به عنوان راهی برای تبدیل انرژی، فرآیند پردازش نور خورشید در آینده نزدیک ممکن است بیشترین تقاضا را در بخش انرژی داشته باشد. این به این دلیل است که حتی امروزه هر صاحب خانه می تواند به صورت تئوری تجهیزاتی را برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی خریداری کند. ویژگی کلیدی این فرآیند این است که نور انباشته شده خورشید رایگان است. نکته دیگر این است که این فرآیند را کاملاً بدون هزینه نمی کند. اول، هزینه های تعمیر و نگهداری باتری های خورشیدی مورد نیاز خواهد بود. در مرحله دوم، ژنراتورهای این نوع خود ارزان نیستند، بنابراین سرمایه گذاری اولیه درتعداد کمی از مردم قادر به سازماندهی ایستگاه انرژی کوچک خود هستند.
ژنراتور انرژی خورشیدی چیست؟ این مجموعه ای از پانل های فتوولتائیک است که انرژی نور خورشید را به برق تبدیل می کند. اصل این فرآیند از بسیاری جهات شبیه عملکرد یک ترانزیستور است. سیلیکون به عنوان ماده اصلی برای ساخت سلول های خورشیدی در نسخه های مختلف استفاده می شود. به عنوان مثال، یک وسیله برای تبدیل انرژی خورشیدی می تواند پلی و تک کریستال باشد. گزینه دوم از نظر عملکرد ارجح است، اما گرانتر است. در هر دو حالت، فتوسل روشن می‌شود و در طی آن الکترودها فعال می‌شوند و نیروی الکترودینامیکی در روند حرکت آنها ایجاد می‌شود.
تبدیل انرژی بخار
توربین های بخار را می توان در صنعت هم به عنوان راهی برای تبدیل انرژی به شکل قابل قبول و هم به عنوان یک تولید کننده مستقل الکتریسیته یا گرما از جریان های گاز معمولی با هدایت خاص استفاده کرد. ماشین‌های توربین به‌عنوان وسیله‌ای برای تبدیل انرژی الکتریکی در ترکیب با ژنراتورهای بخار استفاده می‌شوند، اما طراحی آنها برای سازماندهی این فرآیند با راندمان بالا مناسب است. ساده ترین راه حل فنی یک توربین با پره است که نازل هایی با بخار عرضه شده به آن متصل می شوند. با حرکت تیغه ها، نصب الکترومغناطیسی داخل دستگاه می چرخد، کارهای مکانیکی انجام می شود و جریان تولید می شود.
برخی از طراحی های توربینپسوندهای ویژه به شکل پله هایی که در آن انرژی مکانیکی بخار به انرژی جنبشی تبدیل می شود. این ویژگی دستگاه نه چندان به دلیل منافع افزایش بازده تبدیل انرژی ژنراتور یا نیاز به توسعه دقیق پتانسیل جنبشی، بلکه با فراهم کردن امکان تنظیم انعطاف پذیر عملکرد توربین تعیین می شود. انبساط در توربین یک عملکرد کنترلی را فراهم می کند که امکان تنظیم کارآمد و ایمن مقدار انرژی تولید شده را فراهم می کند. به هر حال، منطقه کاری انبساط که در فرآیند تبدیل گنجانده شده است، مرحله فشار فعال نامیده می شود.
روشهای انتقال انرژی
روشهای تبدیل انرژی را نمی توان بدون مفهوم انتقال آن در نظر گرفت. تا به امروز، چهار روش تعامل اجسام وجود دارد که در آنها انرژی منتقل می شود - الکتریکی، گرانشی، هسته ای و ضعیف. انتقال در این زمینه می تواند به عنوان یک روش مبادله نیز در نظر گرفته شود، بنابراین اصولاً عملکرد کار در انتقال انرژی و عملکرد انتقال حرارت از هم جدا می شود. چه تغییرات انرژی شامل انجام کار می شود؟ یک مثال معمولی یک نیروی مکانیکی است که در آن اجسام ماکروسکوپی یا ذرات منفرد اجسام در فضا حرکت می کنند. علاوه بر نیروی مکانیکی، کار مغناطیسی و الکتریکی نیز متمایز می شود. یک ویژگی کلیدی متحد کننده تقریباً برای همه انواع کار، توانایی تعیین کمیت کامل تغییر بین آنها است. یعنی برق تبدیل می شودانرژی مکانیکی، کار مکانیکی به پتانسیل مغناطیسی و غیره. انتقال حرارت نیز یکی از روش های رایج برای انتقال انرژی است. می تواند غیر جهت دار یا آشفته باشد، اما در هر صورت، حرکت ذرات میکروسکوپی وجود دارد. تعداد ذرات فعال مقدار گرما - گرمای مفید را تعیین می کند.
نتیجه گیری
انتقال انرژی از شکلی به شکل دیگر طبیعی است و در برخی صنایع پیش نیاز فرآیند تولید انرژی است. در موارد مختلف، نیاز به گنجاندن این مرحله را می توان با عوامل اقتصادی، فناوری، محیطی و سایر عوامل تولید منابع توضیح داد. در عین حال، با وجود انواع روشهای طبیعی و سازمان‌یافته تبدیل انرژی، اکثریت قریب به اتفاق تاسیساتی که فرآیندهای تبدیل را فراهم می‌کنند فقط برای برق، گرما و کارهای مکانیکی استفاده می‌شوند. روش های تبدیل انرژی الکتریکی رایج ترین هستند. ماشین های الکتریکی که تبدیل کار مکانیکی به الکتریسیته را بر اساس اصل القایی فراهم می کنند، به عنوان مثال، تقریباً در تمام مناطقی که دستگاه ها، مجموعه ها و دستگاه های فنی پیچیده درگیر هستند، استفاده می شود. و این روند رو به کاهش نیست، زیرا بشریت به افزایش مداوم تولید انرژی نیاز دارد، که ما را مجبور می کند به دنبال منابع جدید انرژی اولیه باشیم. در حال حاضر، امیدوار کننده ترین زمینه در بخش انرژی، سیستم های تولید همان در نظر گرفته می شودالکتریسیته از انرژی مکانیکی تولید شده توسط خورشید، باد و آب در طبیعت جریان دارد.
