Satisfacer las necesidades de la humanidad con suficiente energía es una de las tareas clave a las que se enfrenta la ciencia moderna. En relación con el aumento del consumo energético de los procesos destinados a mantener las condiciones básicas para la existencia de la sociedad, surgen agudos problemas no solo en la generación de grandes cantidades de energía, sino también en la organización equilibrada de sus sistemas de distribución. Y el tema de la conversión de energía es de importancia clave en este contexto. Este proceso determina el coeficiente de generación de potencial de energía útil, así como el nivel de costos de servicio de las operaciones tecnológicas en el marco de la infraestructura utilizada.
Resumen de la tecnología de conversión
La necesidad de utilizar diferentes tipos de energía está asociada a diferencias en los procesos que requieren un recurso de suministro. Se requiere calor paracalefacción, energía mecánica, para el apoyo energético del movimiento de los mecanismos, y luz, para la iluminación. La electricidad puede denominarse fuente universal de energía tanto en términos de su transformación como en términos de posibilidades de aplicación en varios campos. Como energía inicial se suelen utilizar fenómenos naturales, así como procesos organizados artificialmente que contribuyen a la generación del mismo calor o fuerza mecánica. En cada caso se requiere un tipo de equipo determinado o una estructura tecnológica compleja que, en principio, permita convertir la energía en la forma requerida para el consumo final o intermedio. Además, entre las tareas del convertidor, no solo destaca la transformación como la transferencia de energía de una forma a otra. A menudo, este proceso también sirve para cambiar algunos parámetros de energía sin su transformación.
La transformación como tal puede ser de una o varias etapas. Además, por ejemplo, se suele considerar el funcionamiento de generadores solares sobre células fotocristalinas como la transformación de la energía lumínica en electricidad. Pero al mismo tiempo, también es posible convertir la energía térmica que el Sol le da al suelo como resultado del calentamiento. Los módulos geotérmicos se colocan a cierta profundidad en el suelo y, a través de conductores especiales, llenan las baterías con reservas de energía. En un esquema de conversión simple, el sistema geotérmico proporciona el almacenamiento de energía térmica, que se entrega al equipo de calefacción en su forma pura con preparación básica. En una estructura compleja, una bomba de calor se usa en un solo grupo.con condensadores de calor y compresores que proporcionan conversión de calor y electricidad.
Tipos de conversión de energía eléctrica
Existen diferentes métodos tecnológicos para extraer energía primaria de los fenómenos naturales. Pero los recursos energéticos acumulados brindan aún más oportunidades para cambiar las propiedades y formas de la energía, ya que se almacenan en una forma conveniente para la transformación. Las formas más comunes de conversión de energía incluyen las operaciones de radiación, calentamiento, efectos mecánicos y químicos. Los sistemas más complejos utilizan procesos de descomposición molecular y reacciones químicas de varios niveles que combinan varios pasos de transformación.
La elección de un método específico de transformación dependerá de las condiciones de organización del proceso, del tipo de energía inicial y final. Entre los tipos de energía más comunes se pueden distinguir la energía radiante, mecánica, térmica, eléctrica y química que, en principio, participan en procesos de transformación. Como mínimo, estos recursos se explotan con éxito en la industria y los hogares. Atención aparte merecen los procesos indirectos de conversión de energía, que son derivados de una determinada operación tecnológica. Por ejemplo, en el marco de la producción metalúrgica, se requieren operaciones de calentamiento y enfriamiento, como resultado de lo cual se generan vapor y calor como derivados, pero no como recursos objetivo. En esencia, estos son productos de desecho del procesamiento,que también están siendo utilizados, transformados o utilizados dentro de la misma empresa.
Conversión de energía térmica
Una de las más antiguas en términos de desarrollo y la fuente de energía más importante para el mantenimiento de la vida humana, sin la cual es imposible imaginar la vida de la sociedad moderna. En la mayoría de los casos, el calor se convierte en electricidad, y un esquema simple para tal transformación no requiere la conexión de etapas intermedias. Sin embargo, en centrales térmicas y nucleares, dependiendo de sus condiciones de operación, se puede utilizar una etapa de preparación con transferencia de energía térmica a mecánica, lo que requiere costos adicionales. Hoy en día, los generadores termoeléctricos de acción directa se utilizan cada vez más para convertir la energía térmica en electricidad.
El proceso de transformación en sí tiene lugar en una sustancia especial que se quema, libera calor y, posteriormente, actúa como fuente de generación de corriente. Es decir, las instalaciones termoeléctricas pueden considerarse como fuentes de energía eléctrica de ciclo cero, ya que su funcionamiento se inicia incluso antes de la aparición de la energía térmica base. Las pilas de combustible, normalmente mezclas de gases, actúan como recurso principal. Se queman, como resultado de lo cual se calienta la placa de metal que distribuye calor. En el proceso de eliminación de calor a través de un módulo generador especial con materiales semiconductores, se convierte energía. La corriente eléctrica es generada por una unidad de radiador conectada a un transformador o batería. En la primera versión, la energíava inmediatamente al consumidor en forma terminada, y en el segundo - se acumula y se regala según sea necesario.
Generación de energía térmica a partir de energía mecánica
También es una de las formas más comunes de obtener energía como resultado de la transformación. Su esencia radica en la capacidad de los cuerpos para emitir energía térmica en el proceso de realizar un trabajo. En su forma más simple, este esquema de transformación de energía se demuestra con el ejemplo de la fricción de dos objetos de madera, lo que resulta en fuego. Sin embargo, para usar este principio con beneficios prácticos tangibles, se requieren dispositivos especiales.
En los hogares, la transformación de la energía mecánica tiene lugar en los sistemas de calefacción y suministro de agua. Se trata de estructuras técnicas complejas con un circuito magnético y un núcleo laminado conectado a circuitos cerrados eléctricamente conductores. También dentro de la cámara de trabajo de este diseño hay tuberías de calefacción, que se calientan bajo la acción del trabajo realizado desde el accionamiento. La desventaja de esta solución es la necesidad de conectar el sistema a la red eléctrica.
La industria utiliza convertidores refrigerados por líquido más potentes. La fuente de trabajo mecánico está conectada a tanques de agua cerrados. En el proceso de movimiento de los cuerpos ejecutivos (turbinas, álabes u otros elementos estructurales), se crean condiciones para la formación de vórtices en el interior del circuito. Esto sucede durante los momentos de frenado brusco de las palas. Además del calentamiento, en este caso también aumenta la presión, lo que facilita los procesoscirculación de agua.
Conversión de energía electromecánica
La mayoría de las unidades técnicas modernas funcionan según los principios de la electromecánica. Las máquinas y generadores eléctricos síncronos y asíncronos se utilizan en el transporte, máquinas herramienta, unidades de ingeniería industrial y otras centrales eléctricas para diversos fines. Es decir, los tipos electromecánicos de conversión de energía son aplicables a los modos de funcionamiento del generador y del motor, según los requisitos de corriente del sistema de accionamiento.
En forma generalizada, cualquier máquina eléctrica puede considerarse como un sistema de circuitos eléctricos acoplados magnéticamente que se mueven mutuamente. Dichos fenómenos también incluyen histéresis, saturación, armónicos más altos y pérdidas magnéticas. Pero en la visión clásica, pueden atribuirse a análogos de máquinas eléctricas solo si estamos hablando de modos dinámicos cuando el sistema opera dentro de la infraestructura energética.
El sistema de conversión de energía electromecánica se basa en el principio de dos reacciones con componentes bifásicos y trifásicos, así como en el método de campos magnéticos giratorios. El rotor y el estator de los motores realizan un trabajo mecánico bajo la influencia de un campo magnético. Dependiendo de la dirección del movimiento de las partículas cargadas, se establece el modo de operación - como motor o generador.
Generación de electricidad a partir de energía química
La fuente de energía química total es tradicional, pero los métodos de su transformación no son tan comunesdebido a las restricciones ambientales. Por sí misma, la energía química en su forma pura prácticamente no se utiliza, al menos en forma de reacciones concentradas. Al mismo tiempo, los procesos químicos naturales rodean a una persona en todas partes en forma de enlaces de alta o baja energía, que se manifiestan, por ejemplo, durante la combustión con liberación de calor. Sin embargo, la conversión de energía química está organizada deliberadamente en algunas industrias. Por lo general, se crean las condiciones para la combustión de alta tecnología en generadores de plasma o turbinas de gas. Un reactivo típico de estos procesos es una pila de combustible, que contribuye a la producción de energía eléctrica. Desde el punto de vista de la eficiencia, tales conversiones no son tan rentables en comparación con los métodos alternativos de generación de electricidad, ya que parte del calor útil se disipa incluso en las modernas instalaciones de plasma.
Conversión de energía de radiación solar
Como una forma de convertir la energía, el proceso de procesamiento de la luz solar en un futuro cercano puede convertirse en el más demandado en el sector energético. Esto se debe al hecho de que, incluso hoy en día, todos los propietarios de viviendas teóricamente pueden comprar equipos para convertir la energía solar en energía eléctrica. La característica clave de este proceso es que la luz solar acumulada es gratuita. Otra cosa es que esto no hace que el proceso sea completamente gratuito. Primero, se requerirán los costos para el mantenimiento de las baterías solares. En segundo lugar, los generadores de este tipo no son baratos, por lo que la inversión inicial enPocas personas pueden permitirse organizar su propia miniestación de energía.
¿Qué es un generador de energía solar? Se trata de un conjunto de paneles fotovoltaicos que convierten la energía de la luz solar en electricidad. El principio mismo de este proceso es en muchos aspectos similar al funcionamiento de un transistor. El silicio se utiliza como material principal para la fabricación de células solares en diferentes versiones. Por ejemplo, un dispositivo para convertir energía solar puede ser policristalino y monocristalino. La segunda opción es preferible en términos de rendimiento, pero es más costosa. En ambos casos, la fotocélula se ilumina, durante la cual se activan los electrodos y se genera una fuerza electrodinámica en el proceso de su movimiento.
Conversión de energía de vapor
Las turbinas de vapor se pueden utilizar en la industria como una forma de transformar la energía en una forma aceptable y como un generador independiente de electricidad o calor a partir de flujos de gas convencionales especialmente dirigidos. Las máquinas de turbina no se utilizan únicamente como dispositivos para convertir energía eléctrica en combinación con generadores de vapor, pero su diseño es ideal para organizar este proceso con alta eficiencia. La solución técnica más simple es una turbina con álabes, a la que se conectan boquillas con suministro de vapor. A medida que se mueven las palas, la instalación electromagnética dentro del aparato gira, se realiza trabajo mecánico y se genera corriente.
Algunos diseños de turbinas tienenextensiones especiales en forma de escalones, donde la energía mecánica del vapor se convierte en energía cinética. Esta característica del dispositivo está determinada no tanto por el interés de aumentar la eficiencia de conversión de energía del generador o la necesidad de desarrollar precisamente el potencial cinético, sino por proporcionar la posibilidad de regulación flexible de la operación de la turbina. La expansión en la turbina proporciona una función de control que permite una regulación eficiente y segura de la cantidad de energía generada. Por cierto, el área de trabajo de la expansión, que se incluye en el proceso de conversión, se denomina etapa de presión activa.
Métodos de transferencia de energía
Los métodos de transformación de energía no pueden considerarse sin el concepto de su transferencia. Hasta la fecha, hay cuatro formas de interacción de los cuerpos en los que se transfiere energía: eléctrica, gravitacional, nuclear y débil. La transferencia en este contexto también puede considerarse como un método de intercambio, por lo tanto, en principio, la realización de trabajo en la transferencia de energía y la función de transferencia de calor están separadas. ¿Qué transformaciones de energía implican realizar trabajo? Un ejemplo típico es una fuerza mecánica, en la que cuerpos macroscópicos o partículas individuales de cuerpos se mueven en el espacio. Además de la fuerza mecánica, también se distinguen el trabajo magnético y eléctrico. Una característica unificadora clave para casi todos los tipos de trabajo es la capacidad de cuantificar completamente la transformación entre ellos. Es decir, la electricidad se transforma enenergía mecánica, trabajo mecánico en potencial magnético, etc. La transferencia de calor también es una forma común de transferir energía. Puede ser no direccional o caótico, pero en cualquier caso hay un movimiento de partículas microscópicas. El número de partículas activadas determinará la cantidad de calor - calor útil.
Conclusión
La transición de energía de una forma a otra es normal y, en algunas industrias, es un requisito previo para el proceso de producción de energía. En diferentes casos, la necesidad de incluir esta etapa puede explicarse por factores económicos, tecnológicos, ambientales y otros de generación de recursos. Al mismo tiempo, a pesar de la variedad de formas naturales y artificialmente organizadas de transformación de energía, la gran mayoría de las instalaciones que brindan procesos de transformación se utilizan solo para electricidad, calor y trabajo mecánico. Los medios para convertir energía eléctrica son los más comunes. Las máquinas eléctricas que proporcionan la transformación del trabajo mecánico en electricidad según el principio de inducción, por ejemplo, se utilizan en casi todas las áreas donde se involucran dispositivos, ensamblajes y dispositivos técnicos complejos. Y esta tendencia no es decreciente, ya que la humanidad necesita un aumento constante en la producción de energía, lo que nos obliga a buscar nuevas fuentes de energía primaria. Por el momento, las áreas más prometedoras en el sector energético se consideran sistemas de generación de la mismala electricidad de la energía mecánica producida por el sol, el viento y el agua fluye en la naturaleza.
