Die Versorgung der Menschheit mit genügend Energie ist eine der zentralen Aufgaben der modernen Wissenschaft. Im Zusammenhang mit der Erhöhung des Energieverbrauchs von Prozessen, die auf die Aufrechterh altung der grundlegenden Existenzbedingungen der Gesellschaft abzielen, ergeben sich akute Probleme nicht nur bei der Erzeugung großer Energiemengen, sondern auch bei der ausgewogenen Organisation ihrer Verteilungssysteme. Und das Thema Energieumwandlung ist in diesem Zusammenhang von zentraler Bedeutung. Dieser Prozess bestimmt den Erzeugungskoeffizienten des nutzbaren Energiepotentials sowie die Höhe der Kosten für die Wartung des technologischen Betriebs im Rahmen der verwendeten Infrastruktur.
Überblick über die Konvertierungstechnologie
Die Notwendigkeit, unterschiedliche Energiearten zu verwenden, ist mit Unterschieden in Prozessen verbunden, die eine Versorgungsressource benötigen. Wärme ist erforderlich fürHeizung, mechanische Energie - zur Kraftunterstützung der Bewegung von Mechanismen und Licht - zur Beleuchtung. Strom kann sowohl in Bezug auf seine Umwandlung als auch in Bezug auf Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen als universelle Energiequelle bezeichnet werden. Als Ausgangsenergie werden normalerweise natürliche Phänomene sowie künstlich organisierte Prozesse verwendet, die zur Erzeugung derselben Wärme oder mechanischen Kraft beitragen. In jedem Fall ist eine bestimmte Art von Ausrüstung oder eine komplexe technologische Struktur erforderlich, die es grundsätzlich ermöglicht, Energie in die für den End- oder Vorverbrauch benötigte Form umzuwandeln. Darüber hinaus sticht unter den Aufgaben des Konverters nicht nur die Umwandlung als die Übertragung von Energie von einer Form in eine andere hervor. Oft dient dieser Vorgang auch dazu, einige Parameter der Energie ohne ihre Umwandlung zu verändern.
Transformation als solche kann einstufig oder mehrstufig sein. Darüber hinaus wird beispielsweise der Betrieb von Solargeneratoren an photokristallinen Zellen üblicherweise als Umwandlung von Lichtenergie in Strom angesehen. Gleichzeitig ist es aber auch möglich, die thermische Energie, die die Sonne durch Erwärmung an den Boden abgibt, umzuwandeln. Erdwärmemodule werden in einer bestimmten Tiefe im Boden platziert und füllen über spezielle Leiter die Batterien mit Energiereserven. In einem einfachen Umwandlungsschema sorgt die Geothermieanlage für die Speicherung von Wärmeenergie, die mit basischer Aufbereitung in reiner Form an die Heizungsanlage abgegeben wird. In einer komplexen Struktur wird eine Wärmepumpe in einer einzelnen Gruppe verwendetmit Wärmekondensatoren und Kompressoren, die für Wärme- und Stromumwandlung sorgen.
Arten der elektrischen Energieumwandlung
Es gibt verschiedene technologische Methoden, um Primärenergie aus Naturphänomenen zu gewinnen. Aber noch mehr Möglichkeiten zur Veränderung der Eigenschaften und Formen von Energie bieten die angesammelten Energieressourcen, da sie in einer für die Umwandlung geeigneten Form gespeichert sind. Die gebräuchlichsten Formen der Energieumwandlung umfassen die Vorgänge Strahlung, Erwärmung, mechanische und chemische Einwirkungen. Die komplexesten Systeme verwenden molekulare Zerfallsprozesse und mehrstufige chemische Reaktionen, die mehrere Umwandlungsschritte kombinieren.
Die Wahl einer bestimmten Transformationsmethode hängt von den Bedingungen der Organisation des Prozesses, der Art der Anfangs- und Endenergie ab. Unter den häufigsten Energiearten, die prinzipiell an Umwandlungsprozessen teilnehmen, lassen sich strahlende, mechanische, thermische, elektrische und chemische Energie unterscheiden. Zumindest werden diese Ressourcen in Industrie und Haush alten erfolgreich genutzt. Besondere Aufmerksamkeit verdienen indirekte Prozesse der Energieumwandlung, die von einem bestimmten technologischen Vorgang abgeleitet sind. Beispielsweise sind im Rahmen der metallurgischen Produktion Heiz- und Kühlvorgänge erforderlich, wodurch Dampf und Wärme als Derivate erzeugt werden, aber keine Zielressourcen. Im Wesentlichen sind dies Abfallprodukte der Verarbeitung,die auch innerhalb desselben Unternehmens verwendet, umgewandelt oder verwendet werden.
Umwandlung von Wärmeenergie
Eine der ältesten in Bezug auf die Entwicklung und die wichtigsten Energiequellen für die Erh altung des menschlichen Lebens, ohne die das Leben der modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken ist. In den meisten Fällen wird Wärme in Strom umgewandelt, und ein einfaches Schema für eine solche Umwandlung erfordert keine Verbindung von Zwischenstufen. In thermischen und nuklearen Kraftwerken kann jedoch je nach Betriebsbedingungen eine Aufbereitungsstufe mit der Umwandlung von thermischer in mechanische Energie verwendet werden, was zusätzliche Kosten erfordert. Heute werden zunehmend direkt wirkende thermoelektrische Generatoren eingesetzt, um thermische Energie in Strom umzuwandeln.
Der Umwandlungsprozess selbst findet in einer speziellen Substanz statt, die verbrannt wird, Wärme freisetzt und anschließend als Stromquelle fungiert. Das heißt, thermoelektrische Anlagen können als Stromquellen mit einem Nullzyklus betrachtet werden, da ihr Betrieb noch vor dem Auftreten der Basiswärmeenergie aufgenommen wird. Als Hauptressource fungieren Brennstoffzellen, meist Gasgemische. Sie werden verbrannt, wodurch die wärmeverteilende Metallplatte erhitzt wird. Bei der Wärmeabfuhr durch ein spezielles Generatormodul mit Halbleitermaterialien wird Energie umgewandelt. Elektrischer Strom wird durch eine Radiatoreinheit erzeugt, die an einen Transformator oder eine Batterie angeschlossen ist. In der ersten Version die Energiegeht in fertiger Form sofort an den Verbraucher, und in der zweiten - wird angesammelt und nach Bedarf verschenkt.
Erzeugung thermischer Energie aus mechanischer Energie
Auch eine der häufigsten Methoden, um durch Transformation Energie zu gewinnen. Seine Essenz liegt in der Fähigkeit des Körpers, bei der Arbeit Wärmeenergie abzugeben. In seiner einfachsten Form wird dieses Energieumwandlungsschema am Beispiel der Reibung zweier Holzgegenstände gezeigt, die zu Feuer führt. Um dieses Prinzip jedoch mit handfestem Praxisnutzen zu nutzen, bedarf es spezieller Geräte.
In Haush alten findet die Umwandlung mechanischer Energie in Heizungs- und Wasserversorgungssystemen statt. Dabei handelt es sich um komplexe technische Gebilde mit einem Magnetkreis und einem Blechpaket, die zu geschlossenen elektrisch leitfähigen Kreisen verbunden sind. Auch in der Arbeitskammer dieser Konstruktion befinden sich Heizrohre, die unter der Wirkung der vom Antrieb geleisteten Arbeit erhitzt werden. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass das System an das Stromnetz angeschlossen werden muss.
Die Industrie verwendet leistungsfähigere flüssigkeitsgekühlte Umrichter. Die Quelle der mechanischen Arbeit ist mit geschlossenen Wassertanks verbunden. Bei der Bewegung der ausführenden Körper (Turbinen, Schaufeln oder andere Strukturelemente) werden innerhalb des Kreislaufs Bedingungen für die Wirbelbildung geschaffen. Dies geschieht in Momenten des scharfen Bremsens der Klingen. Neben der Erwärmung steigt in diesem Fall auch der Druck, was die Prozesse erleichtertWasserkreislauf.
Umwandlung elektromechanischer Energie
Die meisten modernen technischen Geräte arbeiten nach den Prinzipien der Elektromechanik. Synchron- und Asynchron-Elektromaschinen und Generatoren werden in Transport-, Werkzeugmaschinen, Industriemaschinen und anderen Kraftwerken für verschiedene Zwecke eingesetzt. Das heißt, elektromechanische Arten der Energiewandlung sind je nach Strombedarf des Antriebssystems sowohl für generatorische als auch für motorische Betriebsarten anwendbar.
In einer verallgemeinerten Form kann jede elektrische Maschine als ein System sich gegenseitig bewegender magnetisch gekoppelter elektrischer Kreise betrachtet werden. Solche Phänomene umfassen auch Hysterese, Sättigung, höhere Harmonische und magnetische Verluste. Aber aus klassischer Sicht können sie nur dann Analoga elektrischer Maschinen zugeschrieben werden, wenn wir über dynamische Modi sprechen, wenn das System innerhalb der Energieinfrastruktur arbeitet.
Das elektromechanische Energieumwandlungssystem basiert auf dem Prinzip zweier Reaktionen mit zweiphasigen und dreiphasigen Komponenten sowie der Methode rotierender Magnetfelder. Rotor und Stator von Motoren verrichten unter dem Einfluss eines Magnetfeldes mechanische Arbeit. Abhängig von der Bewegungsrichtung geladener Teilchen wird die Betriebsart eingestellt - als Motor oder Generator.
Stromerzeugung aus chemischer Energie
Die gesamte chemische Energiequelle ist traditionell, aber die Methoden ihrer Umwandlung sind nicht so üblichaufgrund von Umweltauflagen. Chemische Energie an sich wird in ihrer reinen Form praktisch nicht genutzt – zumindest nicht in Form konzentrierter Reaktionen. Gleichzeitig umgeben einen Menschen überall natürliche chemische Prozesse in Form von hoch- oder niederenergetischen Bindungen, die sich beispielsweise bei der Verbrennung unter Wärmefreisetzung manifestieren. Die Umwandlung chemischer Energie wird jedoch in einigen Branchen gezielt organisiert. Üblicherweise werden in Plasmageneratoren oder Gasturbinen die Voraussetzungen für eine Hightech-Verbrennung geschaffen. Ein typischer Reaktionspartner dieser Prozesse ist eine Brennstoffzelle, die zur Erzeugung elektrischer Energie beiträgt. Aus Effizienzgesichtspunkten sind solche Umrüstungen im Vergleich zu alternativen Methoden der Stromerzeugung nicht so rentabel, da auch bei modernen Plasmaanlagen ein Teil der Nutzwärme abgeführt wird.
Umwandlung solarer Strahlungsenergie
Als Methode zur Energieumwandlung könnte der Prozess der Verarbeitung von Sonnenlicht in naher Zukunft der am meisten nachgefragte im Energiesektor werden. Denn schon heute kann sich theoretisch jeder Hausbesitzer Geräte zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie anschaffen. Das Hauptmerkmal dieses Verfahrens ist, dass das gesammelte Sonnenlicht kostenlos ist. Eine andere Sache ist, dass dies den Prozess nicht völlig kostenlos macht. Erstens werden die Kosten für die Wartung von Solarbatterien benötigt. Zweitens sind Generatoren dieser Art selbst nicht billig, daher die Anfangsinvestition inNur wenige Menschen können es sich leisten, eine eigene Mini-Energiestation zu organisieren.
Was ist ein Solarstromgenerator? Dies ist eine Reihe von Photovoltaikmodulen, die die Energie des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Das Prinzip dieses Prozesses ähnelt in vielerlei Hinsicht dem Betrieb eines Transistors. Silizium wird als Hauptmaterial zur Herstellung von Solarzellen in unterschiedlichen Ausführungen verwendet. Beispielsweise kann eine Vorrichtung zum Umwandeln von Sonnenenergie poly- und monokristallin sein. Die zweite Option ist in Bezug auf die Leistung vorzuziehen, aber teurer. In beiden Fällen wird die Fotozelle beleuchtet, wodurch die Elektroden aktiviert werden und bei ihrer Bewegung eine elektrodynamische Kraft erzeugt wird.
Dampfenergieumwandlung
Dampfturbinen können in der Industrie sowohl als Mittel zur Umwandlung von Energie in eine akzeptable Form als auch als unabhängiger Strom- oder Wärmeerzeuger aus speziell gelenkten konventionellen Gasströmen eingesetzt werden. Als Vorrichtungen zur Umwandlung elektrischer Energie in Kombination mit Dampferzeugern werden längst nicht nur Turbinenmaschinen eingesetzt, sondern ihre Bauweise ist optimal geeignet, diesen Prozess hocheffizient zu gest alten. Die einfachste technische Lösung ist eine Turbine mit Schaufeln, an die Düsen mit zugeführtem Dampf angeschlossen sind. Wenn sich die Blätter bewegen, dreht sich die elektromagnetische Installation im Inneren des Geräts, es wird mechanische Arbeit verrichtet und Strom erzeugt.
Einige Turbinendesigns habenspezielle Erweiterungen in Form von Stufen, bei denen die mechanische Energie des Dampfes in kinetische Energie umgewandelt wird. Diese Eigenschaft der Vorrichtung wird nicht so sehr durch das Interesse bestimmt, den Wirkungsgrad der Energieumwandlung des Generators zu erhöhen oder das kinetische Potenzial genau zu entwickeln, sondern durch die Bereitstellung der Möglichkeit einer flexiblen Regelung des Turbinenbetriebs. Die Erweiterung in der Turbine bietet eine Regelfunktion, die eine effiziente und sichere Regelung der erzeugten Energiemenge ermöglicht. Als aktive Druckstufe wird übrigens der Arbeitsbereich der Expansion bezeichnet, der in den Umwandlungsprozess miteinbezogen wird.
Methoden der Energieübertragung
Methoden der Energieumwandlung können nicht ohne das Konzept ihrer Übertragung betrachtet werden. Bis heute gibt es vier Arten der Wechselwirkung von Körpern, in denen Energie übertragen wird - elektrisch, gravitativ, nuklear und schwach. Die Übertragung kann in diesem Zusammenhang auch als Austauschmethode betrachtet werden, daher sind prinzipiell die Arbeitsleistung bei der Energieübertragung und die Funktion der Wärmeübertragung getrennt. Welche Energieumwandlungen beinh alten Arbeit? Ein typisches Beispiel ist eine mechanische Kraft, bei der sich makroskopische Körper oder einzelne Teilchen von Körpern im Raum bewegen. Neben mechanischer Kraft wird auch magnetische und elektrische Arbeit unterschieden. Ein wichtiges verbindendes Merkmal für fast alle Arten von Arbeit ist die Fähigkeit, die Transformation zwischen ihnen vollständig zu quantifizieren. Das heißt, Strom wird umgewandelt inmechanische Energie, mechanische Arbeit in magnetisches Potential usw. Wärmeübertragung ist auch eine übliche Art, Energie zu übertragen. Es kann ungerichtet oder chaotisch sein, aber in jedem Fall gibt es eine Bewegung mikroskopisch kleiner Partikel. Die Anzahl der aktivierten Teilchen bestimmt die Wärmemenge - Nutzwärme.
Schlussfolgerung
Der Übergang von Energie von einer Form in eine andere ist normal und in manchen Branchen eine Voraussetzung für den Produktionsprozess von Energie. In verschiedenen Fällen kann die Notwendigkeit, diese Phase einzubeziehen, durch wirtschaftliche, technologische, ökologische und andere Faktoren der Ressourcenerzeugung erklärt werden. Gleichzeitig wird trotz der Vielf alt der natürlichen und künstlich organisierten Wege der Energieumwandlung die überwiegende Mehrheit der Anlagen, die Umwandlungsprozesse bereitstellen, nur für Strom, Wärme und mechanische Arbeit verwendet. Am gebräuchlichsten sind Mittel zur Umwandlung elektrischer Energie. Elektrische Maschinen, die beispielsweise nach dem Prinzip der Induktion mechanische Arbeit in elektrische Energie umwandeln, werden in nahezu allen Bereichen eingesetzt, in denen es um komplexe technische Geräte, Baugruppen und Geräte geht. Und dieser Trend nimmt nicht ab, da die Menschheit eine ständige Steigerung der Energieproduktion benötigt, was uns zwingt, nach neuen Primärenergiequellen zu suchen. Als aussichtsreichste Bereiche im Energiesektor gelten derzeit Erzeugungsanlagen derselbenStrom aus mechanischer Energie, die von Sonne, Wind und Wasser erzeugt wird, fließt in der Natur.
