Cung cấp đủ năng lượng cho nhu cầu của nhân loại là một trong những nhiệm vụ quan trọng mà khoa học hiện đại phải đối mặt. Liên quan đến sự gia tăng mức tiêu thụ năng lượng của các quá trình nhằm duy trì các điều kiện cơ bản cho sự tồn tại của xã hội, các vấn đề cấp tính không chỉ nảy sinh trong việc tạo ra một lượng lớn năng lượng mà còn trong việc tổ chức cân bằng các hệ thống phân phối của nó. Và chủ đề chuyển đổi năng lượng có tầm quan trọng then chốt trong bối cảnh này. Quá trình này xác định hệ số tạo ra tiềm năng năng lượng hữu ích, cũng như mức chi phí để phục vụ các hoạt động công nghệ trong khuôn khổ cơ sở hạ tầng được sử dụng.
Tổng quan về công nghệ chuyển đổi
Nhu cầu sử dụng các loại năng lượng khác nhau có liên quan đến sự khác biệt trong các quy trình đòi hỏi nguồn cung cấp. Nhiệt là cần thiết chosưởi ấm, năng lượng cơ học - để hỗ trợ năng lượng cho chuyển động của các cơ chế và ánh sáng - để chiếu sáng. Điện có thể được gọi là nguồn năng lượng vạn năng cả về khả năng biến đổi của nó và về khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Là năng lượng ban đầu, các hiện tượng tự nhiên thường được sử dụng, cũng như các quá trình có tổ chức nhân tạo góp phần tạo ra cùng một nhiệt hoặc lực cơ học. Trong mỗi trường hợp, cần có một loại thiết bị nhất định hoặc một cơ cấu công nghệ phức tạp, về nguyên tắc, chúng cho phép chuyển hóa năng lượng thành dạng cần thiết cho tiêu thụ cuối cùng hoặc trung gian. Hơn nữa, trong số các nhiệm vụ của bộ chuyển đổi, không chỉ có sự biến đổi nổi bật là chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Thường thì quá trình này cũng dùng để thay đổi một số thông số của năng lượng mà không cần sự biến đổi của nó.
Chuyển đổi như vậy có thể là một giai đoạn hoặc nhiều giai đoạn. Ngoài ra, ví dụ, hoạt động của máy phát điện mặt trời trên các tế bào quang tinh thể thường được coi là sự biến đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. Nhưng đồng thời, nó cũng có thể chuyển đổi nhiệt năng mà Mặt trời cung cấp cho đất do quá trình đốt nóng. Các mô-đun địa nhiệt được đặt ở độ sâu nhất định trong lòng đất và thông qua các dây dẫn đặc biệt, nạp năng lượng vào các pin dự trữ. Trong một sơ đồ chuyển đổi đơn giản, hệ thống địa nhiệt cung cấp việc lưu trữ năng lượng nhiệt, năng lượng này được cung cấp cho thiết bị sưởi ấm ở dạng tinh khiết với sự chuẩn bị cơ bản. Trong một cấu trúc phức tạp, một máy bơm nhiệt được sử dụng trong một nhóm duy nhấtvới bình ngưng nhiệt và máy nén cung cấp chuyển đổi nhiệt và điện.
Các loại chuyển đổi năng lượng điện
Có các phương pháp công nghệ khác nhau để chiết xuất năng lượng sơ cấp từ các hiện tượng tự nhiên. Nhưng nhiều cơ hội hơn nữa để thay đổi các đặc tính và dạng năng lượng được cung cấp bởi các nguồn năng lượng tích lũy, vì chúng được lưu trữ ở dạng thuận tiện cho quá trình biến đổi. Các hình thức chuyển đổi năng lượng phổ biến nhất bao gồm các hoạt động của bức xạ, sưởi ấm, các hiệu ứng cơ học và hóa học. Các hệ thống phức tạp nhất sử dụng các quá trình phân rã phân tử và các phản ứng hóa học đa cấp kết hợp nhiều bước biến đổi.
Việc lựa chọn một phương pháp biến đổi cụ thể sẽ phụ thuộc vào điều kiện tổ chức của quá trình, dạng năng lượng ban đầu và cuối cùng. Năng lượng bức xạ, cơ, nhiệt, điện và hóa học có thể được phân biệt trong số các dạng năng lượng phổ biến nhất, về nguyên tắc, tham gia vào các quá trình biến đổi. Ở mức tối thiểu, những tài nguyên này được khai thác thành công trong công nghiệp và hộ gia đình. Cần chú ý riêng đến các quá trình chuyển đổi năng lượng gián tiếp, là các dẫn xuất của một hoạt động công nghệ cụ thể. Ví dụ, trong khuôn khổ sản xuất luyện kim, các hoạt động sưởi ấm và làm mát là bắt buộc, do đó hơi nước và nhiệt được tạo ra dưới dạng các dẫn xuất, nhưng không phải là tài nguyên đích. Về bản chất, đây là những phế phẩm của quá trình chế biến,cũng đang được sử dụng, chuyển đổi hoặc sử dụng trong cùng một doanh nghiệp.
Chuyển hóa nhiệt năng
Một trong những nguồn năng lượng lâu đời nhất về sự phát triển và là nguồn năng lượng quan trọng nhất để duy trì sự sống của con người, nếu thiếu nó thì không thể hình dung được cuộc sống của xã hội hiện đại. Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt được biến đổi thành điện năng, và một sơ đồ đơn giản cho sự biến đổi như vậy không yêu cầu sự kết nối của các giai đoạn trung gian. Tuy nhiên, trong các nhà máy nhiệt điện và điện hạt nhân, tùy thuộc vào điều kiện hoạt động của chúng, có thể sử dụng giai đoạn chuẩn bị với việc chuyển nhiệt năng thành cơ năng, đòi hỏi chi phí bổ sung. Ngày nay, máy phát nhiệt điện hoạt động trực tiếp ngày càng được sử dụng nhiều hơn để biến nhiệt năng thành điện năng.
Bản thân quá trình biến đổi diễn ra trong một chất đặc biệt được đốt cháy, giải phóng nhiệt và sau đó đóng vai trò như một nguồn tạo ra dòng điện. Có nghĩa là, các cơ sở lắp đặt nhiệt điện có thể được coi là nguồn điện có chu kỳ bằng không, vì hoạt động của chúng được bắt đầu ngay cả trước khi xuất hiện nhiệt năng cơ bản. Pin nhiên liệu, thường là hỗn hợp khí, đóng vai trò là nguồn tài nguyên chính. Chúng bị đốt cháy, kết quả là tấm kim loại phân phối nhiệt được đốt nóng. Trong quá trình loại bỏ nhiệt thông qua một mô-đun máy phát điện đặc biệt bằng vật liệu bán dẫn, năng lượng được chuyển đổi. Dòng điện được tạo ra bởi bộ tản nhiệt được kết nối với máy biến áp hoặc pin. Trong phiên bản đầu tiên, năng lượngngay lập tức đến tay người tiêu dùng ở dạng hoàn chỉnh và trong lần thứ hai - tích lũy và được cho đi khi cần.
Tạo năng lượng nhiệt từ năng lượng cơ học
Cũng là một trong những cách phổ biến nhất để lấy năng lượng do chuyển hóa. Bản chất của nó nằm ở khả năng cơ thể sinh ra nhiệt năng trong quá trình làm việc. Ở dạng đơn giản nhất, sơ đồ chuyển hóa năng lượng này được chứng minh bằng ví dụ về lực ma sát của hai vật bằng gỗ, dẫn đến cháy. Tuy nhiên, để sử dụng nguyên tắc này với những lợi ích thiết thực cụ thể, cần phải có các thiết bị đặc biệt.
Trong các hộ gia đình, sự chuyển hóa cơ năng diễn ra trong các hệ thống cấp nước và sưởi ấm. Đây là những cấu trúc kỹ thuật phức tạp với một mạch từ và một lõi nhiều lớp được kết nối với các mạch dẫn điện kín. Ngoài ra bên trong buồng làm việc của thiết kế này còn có các ống dẫn nhiệt, chúng được đốt nóng dưới tác dụng của công thực hiện từ bộ truyền động. Nhược điểm của giải pháp này là cần phải kết nối hệ thống với nguồn điện.
Công nghiệp sử dụng nhiều bộ chuyển đổi làm mát bằng chất lỏng mạnh mẽ hơn. Nguồn sinh công cơ học được nối với các bể nước kín. Trong quá trình chuyển động của các cơ quan điều hành (tuabin, cánh quạt hoặc các phần tử kết cấu khác), các điều kiện hình thành xoáy được tạo ra bên trong mạch. Điều này xảy ra trong thời điểm các cánh quạt phanh gấp. Ngoài việc đốt nóng, trong trường hợp này, áp suất cũng tăng lên, tạo điều kiện cho các quá trìnhlưu thông nước.
Chuyển đổi cơ năng
Hầu hết các đơn vị kỹ thuật hiện đại đều hoạt động dựa trên nguyên lý cơ điện. Máy điện đồng bộ và không đồng bộ và máy phát điện được sử dụng trong giao thông vận tải, máy công cụ, các đơn vị kỹ thuật công nghiệp và các nhà máy điện khác cho các mục đích khác nhau. Nghĩa là, các kiểu chuyển đổi năng lượng cơ điện có thể áp dụng cho cả chế độ vận hành của máy phát và động cơ, tùy thuộc vào yêu cầu hiện tại của hệ thống truyền động.
Ở dạng khái quát, bất kỳ máy điện nào cũng có thể được coi là một hệ thống các mạch điện ghép từ tính chuyển động lẫn nhau. Những hiện tượng như vậy cũng bao gồm độ trễ, độ bão hòa, sóng hài cao hơn và tổn thất từ trường. Nhưng theo quan điểm cổ điển, chúng chỉ có thể được coi là tương tự của máy điện nếu chúng ta đang nói về các chế độ động khi hệ thống hoạt động trong cơ sở hạ tầng năng lượng.
Hệ thống chuyển đổi năng lượng cơ điện dựa trên nguyên tắc của hai phản ứng với các thành phần hai pha và ba pha, cũng như phương pháp quay từ trường. Rôto và stato của động cơ thực hiện công cơ học dưới tác dụng của từ trường. Tùy thuộc vào hướng chuyển động của các hạt mang điện, phương thức hoạt động được thiết lập - như một động cơ hoặc máy phát điện.
Sản xuất điện từ năng lượng hóa học
Tổng nguồn năng lượng hóa học là truyền thống, nhưng các phương pháp biến đổi nó không quá phổ biếndo những hạn chế của môi trường. Bản thân nó, năng lượng hóa học ở dạng tinh khiết thực tế không được sử dụng - ít nhất là ở dạng phản ứng tập trung. Đồng thời, các quá trình hóa học tự nhiên bao quanh một người ở khắp mọi nơi dưới dạng các liên kết năng lượng cao hoặc thấp, chúng tự biểu hiện, ví dụ, trong quá trình đốt cháy có giải phóng nhiệt. Tuy nhiên, việc chuyển đổi năng lượng hóa học được tổ chức có mục đích trong một số ngành công nghiệp. Thông thường, các điều kiện được tạo ra cho quá trình đốt cháy công nghệ cao trong máy phát plasma hoặc tuabin khí. Chất phản ứng điển hình của các quá trình này là pin nhiên liệu, góp phần tạo ra năng lượng điện. Từ quan điểm về hiệu quả, những chuyển đổi như vậy không mang lại nhiều lợi nhuận so với các phương pháp tạo điện thay thế, vì một phần nhiệt hữu ích sẽ bị tiêu tán ngay cả trong các thiết bị plasma hiện đại.
Chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời
Là một cách để chuyển đổi năng lượng, quá trình xử lý ánh sáng mặt trời trong tương lai gần có thể trở thành nhu cầu cao nhất trong lĩnh vực năng lượng. Điều này là do thực tế là ngay cả ngày nay mọi chủ nhà về mặt lý thuyết đều có thể mua thiết bị để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Đặc điểm chính của quá trình này là ánh sáng mặt trời được tích lũy là miễn phí. Một điều khác là điều này không làm cho quá trình hoàn toàn miễn phí. Đầu tiên, chi phí sẽ được yêu cầu cho việc bảo trì pin năng lượng mặt trời. Thứ hai, bản thân máy phát điện loại này không hề rẻ, do đó, vốn đầu tư ban đầu vàoRất ít người có đủ khả năng để tổ chức một trạm năng lượng nhỏ của riêng họ.
Máy phát điện năng lượng mặt trời là gì? Đây là một tập hợp các tấm quang điện giúp chuyển đổi năng lượng của ánh sáng mặt trời thành điện năng. Nguyên tắc của quá trình này theo nhiều cách tương tự như hoạt động của bóng bán dẫn. Silicon được sử dụng làm vật liệu chính để sản xuất pin mặt trời với nhiều phiên bản khác nhau. Ví dụ, một thiết bị để chuyển đổi năng lượng mặt trời có thể là đa tinh thể và đơn tinh thể. Tùy chọn thứ hai thích hợp hơn về mặt hiệu suất, nhưng đắt hơn. Trong cả hai trường hợp, tế bào quang điện được chiếu sáng, trong đó các điện cực được kích hoạt và lực điện động lực học được tạo ra trong quá trình chuyển động của chúng.
Chuyển đổi năng lượng hơi nước
Tua bin hơi nước có thể được sử dụng trong công nghiệp như một cách để biến đổi năng lượng thành dạng có thể chấp nhận được, và như một máy phát điện hoặc nhiệt độc lập từ các dòng khí thông thường được điều hướng đặc biệt. Không chỉ có máy tuabin được sử dụng làm thiết bị chuyển đổi năng lượng điện kết hợp với máy phát hơi nước, nhưng thiết kế của chúng rất phù hợp để tổ chức quá trình này với hiệu quả cao. Giải pháp kỹ thuật đơn giản nhất là tuabin có các cánh, trong đó các vòi phun với hơi nước được cung cấp được kết nối với nhau. Khi các cánh di chuyển, việc lắp đặt điện từ bên trong thiết bị sẽ quay, công việc cơ học được thực hiện và dòng điện được tạo ra.
Một số thiết kế tuabin cóphần mở rộng đặc biệt dưới dạng các bước, trong đó năng lượng cơ học của hơi nước được biến đổi thành động năng. Tính năng này của thiết bị không được xác định nhiều bởi lợi ích của việc tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng của máy phát hoặc nhu cầu phát triển chính xác tiềm năng động học, mà bằng cách cung cấp khả năng điều chỉnh linh hoạt hoạt động của tuabin. Sự mở rộng trong tuabin cung cấp một chức năng điều khiển cho phép điều chỉnh lượng năng lượng được tạo ra một cách hiệu quả và an toàn. Nhân tiện, khu vực làm việc của sự mở rộng, được bao gồm trong quá trình chuyển đổi, được gọi là giai đoạn áp suất hoạt động.
Phương pháp truyền năng lượng
Các phương pháp biến đổi năng lượng không thể được coi là không có khái niệm về sự truyền của nó. Cho đến nay, có bốn cách tương tác của các vật thể trong đó năng lượng được truyền - điện, lực hấp dẫn, hạt nhân và yếu. Truyền trong bối cảnh này cũng có thể được coi là một phương thức trao đổi, do đó, về nguyên tắc, việc thực hiện công việc truyền năng lượng và chức năng truyền nhiệt được tách biệt. Sự biến đổi năng lượng nào liên quan đến việc thực hiện công việc? Một ví dụ điển hình là một lực cơ học, trong đó các vật thể vĩ mô hoặc các hạt riêng lẻ của các vật thể chuyển động trong không gian. Ngoài lực cơ học, công từ và công cũng được phân biệt. Một tính năng thống nhất chính cho hầu hết các loại công việc là khả năng định lượng hoàn toàn sự chuyển đổi giữa chúng. Tức là, điện năng được biến đổi thànhcơ năng, công cơ học thành thế từ, v.v. Truyền nhiệt cũng là một cách phổ biến để truyền năng lượng. Nó có thể không định hướng hoặc hỗn loạn, nhưng trong mọi trường hợp, có sự chuyển động của các hạt cực nhỏ. Số lượng các hạt được kích hoạt sẽ xác định lượng nhiệt - nhiệt hữu ích.
Kết
Sự chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác là bình thường, và trong một số ngành công nghiệp là điều kiện tiên quyết cho quá trình sản xuất năng lượng. Trong các trường hợp khác nhau, sự cần thiết phải bao gồm giai đoạn này có thể được giải thích bởi các yếu tố kinh tế, công nghệ, môi trường và các yếu tố tạo tài nguyên khác. Đồng thời, mặc dù có nhiều cách biến đổi năng lượng được tổ chức tự nhiên và nhân tạo khác nhau, nhưng phần lớn các hệ thống lắp đặt cung cấp quá trình biến đổi chỉ được sử dụng cho công việc điện, nhiệt và cơ học. Phương tiện chuyển đổi năng lượng điện là phổ biến nhất. Ví dụ, máy điện cung cấp sự biến đổi cơ năng thành điện năng theo nguyên lý cảm ứng, được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực có liên quan đến các thiết bị, tổ hợp và thiết bị kỹ thuật phức tạp. Và xu hướng này không giảm, vì nhân loại cần sự gia tăng liên tục trong sản xuất năng lượng, điều này buộc chúng ta phải tìm kiếm những nguồn năng lượng sơ cấp mới. Hiện tại, các lĩnh vực hứa hẹn nhất trong ngành năng lượng được coi là các hệ thống phát điệnđiện từ năng lượng cơ học do Mặt trời tạo ra, gió và nước chảy trong tự nhiên.
