Адамзаттың қажеттіліктерін жеткілікті қуатпен қамтамасыз ету – қазіргі ғылымның алдында тұрған негізгі міндеттердің бірі. Қоғамның өмір сүруінің негізгі шарттарын сақтауға бағытталған процестердің энергия тұтынуының артуына байланысты энергияның үлкен көлемін өндіруде ғана емес, сонымен қатар оны тарату жүйелерін теңгерімді ұйымдастыруда да өткір мәселелер туындайды. Ал энергияны түрлендіру тақырыбы осы тұрғыда маңызды болып табылады. Бұл процесс пайдалы энергия әлеуетін генерациялау коэффициентін, сондай-ақ пайдаланылатын инфрақұрылым шеңберінде технологиялық операцияларға қызмет көрсету шығындарының деңгейін анықтайды.
Түрлендіру технологиясына шолу
Энергияның әртүрлі түрлерін пайдалану қажеттілігі жабдықтау ресурсын қажет ететін процестердегі айырмашылықтармен байланысты. үшін жылу қажетжылыту, механикалық энергия – механизмдердің қозғалысын қуатпен қамтамасыз ету үшін, ал жарық – жарықтандыру үшін. Электр энергиясын түрлендіру тұрғысынан да, әртүрлі салаларда қолдану мүмкіндіктері жағынан да әмбебап энергия көзі деп атауға болады. Бастапқы энергия ретінде әдетте табиғи құбылыстар, сондай-ақ бірдей жылу немесе механикалық күштің пайда болуына ықпал ететін жасанды түрде ұйымдастырылған процестер қолданылады. Әрбір жағдайда жабдықтың белгілі бір түрі немесе күрделі технологиялық құрылым қажет, ол негізінен энергияны түпкілікті немесе аралық тұтыну үшін қажетті түрге айналдыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, түрлендіргіштің міндеттерінің ішінде энергияны бір түрден екіншісіне ауыстыру ретінде тек түрлендіру ғана емес. Көбінесе бұл процесс энергияның кейбір параметрлерін түрлендірусіз өзгертуге де қызмет етеді.
Трансформация бір сатылы немесе көп сатылы болуы мүмкін. Сонымен қатар, мысалы, күн генераторларының фотокристалды элементтердегі жұмысы әдетте жарық энергиясын электр энергиясына айналдыру ретінде қарастырылады. Бірақ сонымен бірге қыздыру нәтижесінде Күннің топыраққа беретін жылу энергиясын түрлендіруге де болады. Геотермиялық модульдер жердің белгілі бір тереңдігінде орналастырылады және арнайы өткізгіштер арқылы батареяларды энергия қорымен толтырады. Қарапайым түрлендіру схемасында геотермиялық жүйе жылу энергиясын сақтауды қамтамасыз етеді, ол жылу жабдықтарына негізгі дайындықпен таза түрінде беріледі. Күрделі құрылымда жылу сорғысы бір топта қолданыладыжылу мен электр энергиясын түрлендіруді қамтамасыз ететін жылу конденсаторлары мен компрессорлары бар.
Электр энергиясын түрлендіру түрлері
Табиғат құбылыстарынан бастапқы энергия алудың әртүрлі технологиялық әдістері бар. Бірақ энергияның қасиеттері мен формаларын өзгертуге одан да көп мүмкіндіктер жинақталған энергия ресурстарымен қамтамасыз етіледі, өйткені олар түрлендіруге ыңғайлы пішінде сақталады. Энергияны түрлендірудің кең таралған түрлеріне радиациялық, қыздыру, механикалық және химиялық әсер ету операциялары жатады. Ең күрделі жүйелер бірнеше трансформация қадамдарын біріктіретін молекулалық ыдырау процестерін және көп деңгейлі химиялық реакцияларды пайдаланады.
Трансформацияның нақты әдісін таңдау процесті ұйымдастыру шарттарына, бастапқы және соңғы энергия түріне байланысты болады. Радиациялық, механикалық, жылулық, электрлік және химиялық энергияны негізінен түрлендіру процестеріне қатысатын энергияның ең көп тараған түрлерінен ажыратуға болады. Кем дегенде, бұл ресурстар өнеркәсіпте және үй шаруашылығында сәтті пайдаланылады. Белгілі бір технологиялық операцияның туындысы болып табылатын энергияны түрлендірудің жанама процестеріне ерекше назар аудару керек. Мысалы, металлургиялық өндіріс шеңберінде жылыту және салқындату операциялары қажет, нәтижесінде бу мен жылу туынды ретінде пайда болады, бірақ мақсатты ресурстар емес. Негізінде бұл өңдеудің қалдықтары,олар да бір кәсіпорында пайдаланылады, түрлендіріледі немесе пайдаланылады.
Жылу энергиясын түрлендіру
Дамуы жағынан ең көнелердің бірі және адам өмірін сақтаудың маңызды энергия көздері, онсыз қазіргі қоғам өмірін елестету мүмкін емес. Көп жағдайда жылу электр энергиясына айналады және мұндай түрлендірудің қарапайым схемасы аралық кезеңдерді қосуды қажет етпейді. Дегенмен, жылу және атом электр станцияларында олардың жұмыс жағдайларына байланысты жылуды механикалық энергияға ауыстырумен дайындық кезеңін қолдануға болады, бұл қосымша шығындарды талап етеді. Бүгінгі күні жылу энергиясын электр энергиясына түрлендіру үшін тікелей әрекет ететін термоэлектрлік генераторлар көбірек қолданылуда.
Трансформация процесінің өзі жағылатын, жылу бөлетін және кейіннен ток генерациясының көзі ретінде әрекет ететін арнайы затта өтеді. Яғни, термоэлектрлік қондырғыларды нөлдік циклі бар электр энергиясының көздері ретінде қарастыруға болады, өйткені олардың жұмысы негізгі жылу энергиясы пайда болғанға дейін басталады. Негізгі ресурс ретінде отын элементтері, әдетте газ қоспалары әрекет етеді. Олар күйдіріледі, нәтижесінде жылу тарататын металл пластина қызады. Жартылай өткізгіш материалдары бар арнайы генераторлық модуль арқылы жылуды алу процесінде энергия түрленеді. Электр тогы трансформаторға немесе аккумуляторға қосылған радиатор блогы арқылы жасалады. Бірінші нұсқада энергиядереу дайын күйінде тұтынушыға барады, ал екіншісінде - жинақталып, қажетіне қарай беріледі.
Механикалық энергиядан жылу энергиясын өндіру
Сонымен қатар трансформация нәтижесінде энергия алудың ең көп таралған тәсілдерінің бірі. Оның мәні денелердің жұмыс процесінде жылу энергиясын беру қабілетінде жатыр. Қарапайым түрде бұл энергияны түрлендіру схемасы өртке әкелетін екі ағаш заттың үйкелісінің мысалында көрсетілген. Дегенмен, бұл принципті нақты практикалық артықшылықтармен пайдалану үшін арнайы құрылғылар қажет.
Үй шаруашылығында механикалық энергияның түрленуі жылу және сумен жабдықтау жүйелерінде жүреді. Бұл магниттік тізбегі және тұйық электр өткізгіш тізбектерге қосылған ламинатталған өзегі бар күрделі техникалық құрылымдар. Сондай-ақ, осы конструкцияның жұмыс камерасының ішінде жылыту құбырлары бар, олар жетектен жасалған жұмыстың әсерінен қызады. Бұл шешімнің кемшілігі жүйені электр желісіне қосу қажеттілігі болып табылады.
Өнеркәсіп қуаттырақ сұйықтықпен салқындатылған түрлендіргіштерді пайдаланады. Механикалық жұмыстың көзі жабық су ыдыстарына қосылған. Атқарушы органдардың (турбиналар, қалақшалар немесе басқа құрылымдық элементтер) қозғалысы процесінде контур ішінде құйындылардың пайда болуына жағдай жасалады. Бұл қалақтардың күрт тежелу сәтінде орын алады. Жылытудан басқа, бұл жағдайда қысым да артады, бұл процестерді жеңілдетедісу айналымы.
Электромеханикалық энергияны түрлендіру
Қазіргі заманғы техникалық блоктардың көпшілігі электромеханика принциптерінде жұмыс істейді. Синхронды және асинхронды электр машиналары мен генераторлары әртүрлі мақсаттарда көлікте, станоктарда, өнеркәсіптік машина жасау қондырғыларында және басқа электр станцияларында қолданылады. Яғни, қозғалтқыш жүйесінің ағымдағы талаптарына байланысты энергияны түрлендірудің электромеханикалық түрлері генератордың да, қозғалтқыштың да жұмыс режимдеріне қолданылады.
Жалпыланған түрде кез келген электр машинасын өзара қозғалатын магниттік байланысқан электр тізбектерінің жүйесі ретінде қарастыруға болады. Сондай-ақ мұндай құбылыстарға гистерезис, қанығу, жоғары гармоника және магниттік шығындар жатады. Бірақ классикалық көзқараста оларды электр машиналарының аналогтарына жатқызуға болады, егер біз жүйе энергетикалық инфрақұрылым шеңберінде жұмыс істеген кездегі динамикалық режимдер туралы айтатын болсақ.
Электромеханикалық энергияны түрлендіру жүйесі екі фазалы және үш фазалы компоненттері бар екі реакция принципіне, сондай-ақ магнит өрістерін айналу әдісіне негізделген. Қозғалтқыштардың роторы мен статоры магнит өрісінің әсерінен механикалық жұмыстарды орындайды. Зарядталған бөлшектердің қозғалыс бағытына байланысты жұмыс режимі орнатылады - қозғалтқыш немесе генератор ретінде.
Химиялық энергиядан электр энергиясын өндіру
Толық химиялық энергия көзі дәстүрлі болып табылады, бірақ оны түрлендіру әдістері соншалықты кең таралған емесэкологиялық шектеулерге байланысты. Өздігінен химиялық энергия таза түрінде іс жүзінде пайдаланылмайды - кем дегенде концентрацияланған реакциялар түрінде. Сонымен қатар, табиғи химиялық процестер адамды барлық жерде жоғары немесе төмен энергетикалық байланыстар түрінде қоршайды, олар, мысалы, жану кезінде жылу бөлінуімен көрінеді. Дегенмен, кейбір салаларда химиялық энергияны түрлендіру мақсатты түрде ұйымдастырылған. Әдетте плазмалық генераторларда немесе газ турбинасында жоғары технологиялық жану үшін жағдайлар жасалады. Бұл процестердің типтік реактивтері электр энергиясын өндіруге ықпал ететін отын ұяшығы болып табылады. Тиімділік тұрғысынан мұндай түрлендірулер электр энергиясын өндірудің балама әдістерімен салыстырғанда тиімді емес, өйткені пайдалы жылудың бір бөлігі тіпті заманауи плазмалық қондырғыларда да таралады.
Күн радиациясының энергиясын түрлендіру
Энергияны түрлендіру тәсілі ретінде жақын болашақта күн сәулесін өңдеу процесі энергетика секторында ең сұранысқа ие болуы мүмкін. Себебі бүгінгі күннің өзінде әрбір үй иесі күн энергиясын электр энергиясына түрлендіруге арналған жабдықты теориялық тұрғыдан сатып ала алады. Бұл процестің басты ерекшелігі - жиналған күн сәулесі тегін. Тағы бір нәрсе, бұл процесті толығымен ақысыз етпейді. Біріншіден, күн батареяларына қызмет көрсету шығындары қажет болады. Екіншіден, осы типтегі генераторлардың өзі арзан емес, сондықтан бастапқы инвестицияӨзінің шағын электр станциясын ұйымдастыруға аз адам қалмайды.
Күн энергиясының генераторы дегеніміз не? Бұл күн сәулесінің энергиясын электр энергиясына айналдыратын фотоэлектрлік панельдердің жиынтығы. Бұл процестің принципі көп жағынан транзистордың жұмысына ұқсас. Кремний әртүрлі нұсқаларда күн батареяларын жасау үшін негізгі материал ретінде пайдаланылады. Мысалы, күн энергиясын түрлендіруге арналған құрылғы поли- және монокристалды болуы мүмкін. Екінші нұсқа өнімділік тұрғысынан жақсырақ, бірақ қымбатырақ. Екі жағдайда да фотоэлемент жарықтандырылады, оның барысында электродтар іске қосылады және олардың қозғалысы процесінде электродинамикалық күш пайда болады.
Бу энергиясын түрлендіру
Бу турбиналарын өнеркәсіпте энергияны қолайлы түрге түрлендіру тәсілі ретінде де, арнайы бағытталған әдеттегі газ ағындарынан электр немесе жылудың тәуелсіз генераторы ретінде де қолдануға болады. Электр энергиясын бу генераторларымен бірге түрлендіруге арналған құрылғылар ретінде тек турбиналық машиналар ғана пайдаланылады, бірақ олардың дизайны бұл процесті жоғары тиімділікпен ұйымдастыруға оңтайлы сәйкес келеді. Ең қарапайым техникалық шешім - бұл жіберілетін бу бар саптамалар қосылған қалақтары бар турбина. Пышақтар қозғалған кезде құрылғының ішіндегі электромагниттік қондырғы айналады, механикалық жұмыс орындалады және ток пайда болады.
Кейбір турбина конструкцияларында барбудың механикалық энергиясы кинетикалық энергияға айналатын қадамдар түріндегі арнайы ұзартулар. Құрылғының бұл ерекшелігі генератордың энергиясын түрлендірудің тиімділігін арттыру мүдделерімен немесе дәл кинетикалық потенциалды дамыту қажеттілігімен емес, турбинаның жұмысын икемді реттеу мүмкіндігін қамтамасыз ету арқылы анықталады. Турбинадағы кеңейту өндірілетін энергия мөлшерін тиімді және қауіпсіз реттеуге мүмкіндік беретін басқару функциясын қамтамасыз етеді. Айтпақшы, конверсия процесіне кіретін кеңейтудің жұмыс аймағы белсенді қысым кезеңі деп аталады.
Энергияны тасымалдау әдістері
Энергияны түрлендіру әдістерін оны беру түсінігінсіз қарастыруға болмайды. Бүгінгі күні энергия тасымалданатын денелердің өзара әрекеттесуінің төрт жолы бар - электрлік, гравитациялық, ядролық және әлсіз. Бұл контексте тасымалдауды алмасу әдісі ретінде де қарастыруға болады, сондықтан, негізінен, энергияны берудегі жұмысты орындау және жылу беру функциясы бөлінеді. Энергияның қандай түрлендірулері жұмыс істеуді қамтиды? Типтік мысал - макроскопиялық денелер немесе денелердің жеке бөлшектері кеңістікте қозғалатын механикалық күш. Механикалық күштен басқа магниттік және электрлік жұмыстарды да ажыратады. Жұмыстың барлық дерлік түрлері үшін негізгі біріктіруші қасиет олардың арасындағы трансформацияны толығымен санау мүмкіндігі болып табылады. Яғни, электр энергиясы түрленедімеханикалық энергия, магниттік потенциалға механикалық жұмыс және т.б. Жылу алмасу да энергияны берудің кең таралған тәсілі болып табылады. Ол бағытсыз немесе хаотикалық болуы мүмкін, бірақ кез келген жағдайда микроскопиялық бөлшектердің қозғалысы бар. Белсендірілген бөлшектердің саны жылу мөлшерін анықтайды - пайдалы жылу.
Қорытынды
Энергияның бір түрден екінші түрге ауысуы қалыпты жағдай, ал кейбір салаларда өндірістік энергетикалық процестің алғы шарты. Әртүрлі жағдайларда бұл кезеңді қосу қажеттілігін ресурстарды қалыптастырудың экономикалық, технологиялық, экологиялық және басқа факторларымен түсіндіруге болады. Сонымен бірге энергияны түрлендірудің табиғи және жасанды түрде ұйымдастырылған тәсілдерінің алуан түрлілігіне қарамастан, трансформация процестерін қамтамасыз ететін қондырғылардың басым көпшілігі тек электр, жылу және механикалық жұмыстарға пайдаланылады. Электр энергиясын түрлендіру құралдары ең кең таралған. Индукция принципі бойынша механикалық жұмыстың электр энергиясына айналуын қамтамасыз ететін электр машиналары, мысалы, күрделі техникалық құрылғылар, тораптар мен құрылғылар тартылатын барлық дерлік салаларда қолданылады. Және бұл тенденция азаймай отыр, өйткені адамзатқа энергия өндіруді үнемі ұлғайту қажет, бұл бізді бастапқы энергияның жаңа көздерін іздеуге мәжбүр етеді. Қазіргі уақытта энергетикалық сектордың ең перспективалы бағыттары бірдей генерациялау жүйелері болып табыладыКүннің, желдің және судың табиғатта ағып жатқан механикалық энергиясынан алынатын электр энергиясы.
