Fournir suffisamment d'énergie aux besoins de l'humanité est l'une des tâches essentielles de la science moderne. En relation avec l'augmentation de la consommation d'énergie des processus visant à maintenir les conditions de base de l'existence de la société, des problèmes aigus se posent non seulement dans la production de grandes quantités d'énergie, mais également dans l'organisation équilibrée de ses systèmes de distribution. Et le thème de la conversion de l'énergie est d'une importance capitale dans ce contexte. Ce processus détermine le coefficient de génération du potentiel énergétique utile, ainsi que le niveau des coûts de maintenance des opérations technologiques dans le cadre de l'infrastructure utilisée.
Aperçu de la technologie de conversion
La nécessité d'utiliser différents types d'énergie est associée à des différences dans les processus qui nécessitent une ressource d'approvisionnement. La chaleur est nécessaire pourchauffage, énergie mécanique - pour le soutien électrique du mouvement des mécanismes, et lumière - pour l'éclairage. L'électricité peut être qualifiée de source d'énergie universelle tant en termes de transformation qu'en termes de possibilités d'application dans divers domaines. Comme énergie initiale, des phénomènes naturels sont généralement utilisés, ainsi que des processus artificiellement organisés qui contribuent à la génération de la même chaleur ou force mécanique. Dans chaque cas, un certain type d'équipement ou une structure technologique complexe est nécessaire, ce qui, en principe, permet la conversion de l'énergie sous la forme requise pour la consommation finale ou intermédiaire. De plus, parmi les tâches du convertisseur, non seulement la transformation se distingue comme le transfert d'énergie d'une forme à une autre. Souvent, ce processus sert également à modifier certains paramètres de l'énergie sans sa transformation.
La transformation en tant que telle peut être en une ou plusieurs étapes. De plus, par exemple, le fonctionnement des générateurs solaires sur cellules photocristallines est généralement considéré comme la transformation de l'énergie lumineuse en électricité. Mais en même temps, il est également possible de convertir l'énergie thermique que le soleil donne au sol suite au chauffage. Les modules géothermiques sont placés à une certaine profondeur dans le sol et, grâce à des conducteurs spéciaux, remplissent les batteries de réserves d'énergie. Dans un schéma de conversion simple, le système géothermique assure le stockage de l'énergie thermique, qui est transmise à l'équipement de chauffage sous sa forme pure avec une préparation de base. Dans une structure complexe, une pompe à chaleur est utilisée dans un seul groupeavec des condenseurs de chaleur et des compresseurs qui assurent la conversion de la chaleur et de l'électricité.
Types de conversion d'énergie électrique
Il existe différentes méthodes technologiques pour extraire l'énergie primaire des phénomènes naturels. Mais encore plus d'opportunités pour changer les propriétés et les formes de l'énergie sont fournies par les ressources énergétiques accumulées, car elles sont stockées sous une forme propice à la transformation. Les formes les plus courantes de conversion d'énergie comprennent les opérations de rayonnement, de chauffage, d'effets mécaniques et chimiques. Les systèmes les plus complexes utilisent des processus de décomposition moléculaire et des réactions chimiques à plusieurs niveaux qui combinent plusieurs étapes de transformation.
Le choix d'une méthode de transformation spécifique dépendra des conditions d'organisation du processus, du type d'énergie initiale et finale. Les énergies radiante, mécanique, thermique, électrique et chimique peuvent être distinguées parmi les types d'énergie les plus courants qui, en principe, participent aux processus de transformation. Au minimum, ces ressources sont exploitées avec succès dans l'industrie et les ménages. Une attention particulière mérite les processus indirects de conversion d'énergie, qui sont des dérivés d'une opération technologique particulière. Par exemple, dans le cadre de la production métallurgique, des opérations de chauffage et de refroidissement sont nécessaires, à la suite desquelles de la vapeur et de la chaleur sont générées en tant que dérivés, mais pas de ressources cibles. Il s'agit essentiellement de déchets de transformation,qui sont également utilisés, transformés ou utilisés au sein de la même entreprise.
Conversion d'énergie thermique
L'une des plus anciennes en termes de développement et la plus importante source d'énergie pour le maintien de la vie humaine, sans laquelle il est impossible d'imaginer la vie de la société moderne. Dans la plupart des cas, la chaleur est convertie en électricité et un schéma simple pour une telle transformation ne nécessite pas la connexion d'étages intermédiaires. Cependant, dans les centrales thermiques et nucléaires, selon leurs conditions de fonctionnement, une étape de préparation avec transfert d'énergie thermique en énergie mécanique peut être utilisée, ce qui nécessite des coûts supplémentaires. Aujourd'hui, les générateurs thermoélectriques à action directe sont de plus en plus utilisés pour convertir l'énergie thermique en électricité.
Le processus de transformation lui-même se déroule dans une substance spéciale qui est brûlée, libère de la chaleur et agit ensuite comme une source de génération de courant. C'est-à-dire que les installations thermoélectriques peuvent être considérées comme des sources d'électricité à cycle nul, puisque leur fonctionnement est démarré avant même l'apparition de l'énergie thermique de base. Les piles à combustible, généralement des mélanges gazeux, constituent la principale ressource. Ils sont brûlés, à la suite de quoi la plaque métallique de distribution de chaleur est chauffée. Lors du processus d'évacuation de la chaleur via un module générateur spécial avec des matériaux semi-conducteurs, l'énergie est convertie. Le courant électrique est généré par un radiateur connecté à un transformateur ou à une batterie. Dans la première version, l'énergieva immédiatement au consommateur sous forme finie, et dans le second - s'accumule et est donné au besoin.
Génération d'énergie thermique à partir d'énergie mécanique
Également l'un des moyens les plus courants d'obtenir de l'énergie à la suite d'une transformation. Son essence réside dans la capacité des corps à dégager de l'énergie thermique au cours du travail. Dans sa forme la plus simple, ce schéma de transformation d'énergie est illustré par l'exemple du frottement de deux objets en bois, provoquant un incendie. Cependant, pour utiliser ce principe avec des avantages pratiques tangibles, des dispositifs spéciaux sont nécessaires.
Dans les ménages, la transformation de l'énergie mécanique a lieu dans les systèmes de chauffage et d'approvisionnement en eau. Ce sont des structures techniques complexes avec un circuit magnétique et un noyau feuilleté reliés à des circuits électriquement conducteurs fermés. Également à l'intérieur de la chambre de travail de cette conception se trouvent des tuyaux de chauffage, qui sont chauffés sous l'action du travail effectué à partir de l'entraînement. L'inconvénient de cette solution est la nécessité de connecter le système au secteur.
L'industrie utilise des convertisseurs refroidis par liquide plus puissants. La source de travail mécanique est reliée à des réservoirs d'eau fermés. Lors du mouvement des organes exécutifs (turbines, aubes ou autres éléments structurels), des conditions de formation de tourbillons sont créées à l'intérieur du circuit. Cela se produit lors des moments de freinage brusque des lames. En plus du chauffage, dans ce cas, la pression augmente également, ce qui facilite les processuscirculation de l'eau.
Conversion d'énergie électromécanique
La plupart des unités techniques modernes fonctionnent sur les principes de l'électromécanique. Les machines et générateurs électriques synchrones et asynchrones sont utilisés dans les transports, les machines-outils, les unités d'ingénierie industrielle et d'autres centrales électriques à des fins diverses. Autrement dit, les types électromécaniques de conversion d'énergie sont applicables aux modes de fonctionnement du générateur et du moteur, en fonction des exigences actuelles du système d'entraînement.
Sous une forme généralisée, toute machine électrique peut être considérée comme un système de circuits électriques couplés magnétiquement se déplaçant mutuellement. Ces phénomènes incluent également l'hystérésis, la saturation, les harmoniques plus élevées et les pertes magnétiques. Mais dans la vision classique, ils ne peuvent être attribués à des analogues de machines électriques que si nous parlons de modes dynamiques lorsque le système fonctionne au sein de l'infrastructure énergétique.
Le système de conversion d'énergie électromécanique est basé sur le principe de deux réactions avec des composants biphasés et triphasés, ainsi que sur la méthode des champs magnétiques rotatifs. Le rotor et le stator des moteurs effectuent un travail mécanique sous l'influence d'un champ magnétique. En fonction du sens de déplacement des particules chargées, le mode de fonctionnement est défini - en tant que moteur ou générateur.
Génération d'électricité à partir d'énergie chimique
La source d'énergie chimique totale est traditionnelle, mais les méthodes de sa transformation ne sont pas si courantesen raison des restrictions environnementales. En soi, l'énergie chimique sous sa forme pure n'est pratiquement pas utilisée - du moins sous la forme de réactions concentrées. Dans le même temps, des processus chimiques naturels entourent une personne partout sous la forme de liaisons à haute ou basse énergie, qui se manifestent, par exemple, lors de la combustion avec dégagement de chaleur. Cependant, la conversion de l'énergie chimique est organisée à dessein dans certaines industries. Habituellement, les conditions sont créées pour une combustion de haute technologie dans des générateurs de plasma ou des turbines à gaz. Un réactif typique de ces processus est une pile à combustible, qui contribue à la production d'énergie électrique. Du point de vue de l'efficacité, ces conversions ne sont pas aussi rentables que les méthodes alternatives de production d'électricité, car une partie de la chaleur utile est dissipée même dans les installations plasma modernes.
Conversion de l'énergie du rayonnement solaire
En tant que moyen de convertir l'énergie, le processus de traitement de la lumière solaire pourrait devenir dans un proche avenir le plus demandé dans le secteur de l'énergie. Cela est dû au fait qu'aujourd'hui encore, chaque propriétaire peut théoriquement acheter un équipement permettant de convertir l'énergie solaire en énergie électrique. La principale caractéristique de ce processus est que la lumière du soleil accumulée est gratuite. Une autre chose est que cela ne rend pas le processus totalement gratuit. Premièrement, les coûts seront nécessaires pour l'entretien des batteries solaires. Deuxièmement, les générateurs de ce type eux-mêmes ne sont pas bon marché, de sorte que l'investissement initial dansPeu de gens peuvent se permettre d'organiser leur propre mini-station d'énergie.
Qu'est-ce qu'un groupe électrogène solaire ? Il s'agit d'un ensemble de panneaux photovoltaïques qui convertissent l'énergie du soleil en électricité. Le principe même de ce procédé est à bien des égards similaire au fonctionnement d'un transistor. Le silicium est utilisé comme matériau principal pour la fabrication de cellules solaires dans différentes versions. Par exemple, un dispositif de conversion d'énergie solaire peut être poly et monocristallin. La deuxième option est préférable en termes de performances, mais elle est plus chère. Dans les deux cas, la cellule photoélectrique est allumée, au cours de laquelle les électrodes sont activées et une force électrodynamique est générée au cours de leur mouvement.
Conversion d'énergie vapeur
Les turbines à vapeur peuvent être utilisées dans l'industrie à la fois comme moyen de transformer l'énergie sous une forme acceptable et comme générateur indépendant d'électricité ou de chaleur à partir de flux de gaz conventionnels spécialement dirigés. Les machines à turbine ne sont pas les seules à être utilisées comme dispositifs de conversion d'énergie électrique en combinaison avec des générateurs de vapeur, mais leur conception est parfaitement adaptée pour organiser ce processus avec un rendement élevé. La solution technique la plus simple est une turbine à pales, à laquelle sont connectées des buses alimentées en vapeur. Lorsque les pales se déplacent, l'installation électromagnétique à l'intérieur de l'appareil tourne, un travail mécanique est effectué et du courant est généré.
Certaines conceptions de turbines ontextensions spéciales sous forme de marches, où l'énergie mécanique de la vapeur est convertie en énergie cinétique. Cette caractéristique du dispositif est déterminée non pas tant par les intérêts d'augmenter l'efficacité de la conversion d'énergie du générateur ou par la nécessité de développer précisément le potentiel cinétique, mais en offrant la possibilité d'une régulation flexible du fonctionnement de la turbine. L'expansion dans la turbine fournit une fonction de contrôle qui permet une régulation efficace et sûre de la quantité d'énergie générée. Soit dit en passant, la zone de travail de l'expansion, qui est incluse dans le processus de conversion, s'appelle l'étage de pression actif.
Méthodes de transfert d'énergie
Les méthodes de transformation de l'énergie ne peuvent être envisagées sans le concept de son transfert. À ce jour, il existe quatre modes d'interaction des corps dans lesquels l'énergie est transférée - électrique, gravitationnelle, nucléaire et faible. Le transfert dans ce contexte peut également être considéré comme une méthode d'échange, par conséquent, en principe, l'exécution du travail dans le transfert d'énergie et la fonction de transfert de chaleur sont séparées. Quelles transformations de l'énergie impliquent le travail ? Un exemple typique est une force mécanique, dans laquelle des corps macroscopiques ou des particules individuelles de corps se déplacent dans l'espace. En plus de la force mécanique, les travaux magnétiques et électriques sont également distingués. Une caractéristique unificatrice clé pour presque tous les types de travail est la capacité de quantifier complètement la transformation entre eux. C'est-à-dire que l'électricité est transformée enénergie mécanique, travail mécanique en potentiel magnétique, etc. Le transfert de chaleur est également un moyen courant de transférer de l'énergie. Il peut être non directionnel ou chaotique, mais dans tous les cas, il y a un mouvement de particules microscopiques. Le nombre de particules activées déterminera la quantité de chaleur - chaleur utile.
Conclusion
Le passage de l'énergie d'une forme à une autre est normal et, dans certaines industries, une condition préalable au processus de production d'énergie. Dans différents cas, la nécessité d'inclure cette étape peut s'expliquer par des facteurs économiques, technologiques, environnementaux et autres de génération de ressources. Dans le même temps, malgré la variété des voies naturelles et artificiellement organisées de transformation de l'énergie, la grande majorité des installations qui fournissent des processus de transformation ne sont utilisées que pour l'électricité, la chaleur et les travaux mécaniques. Les moyens de conversion de l'énergie électrique sont les plus courants. Les machines électriques qui assurent la transformation du travail mécanique en électricité selon le principe de l'induction, par exemple, sont utilisées dans presque tous les domaines où des dispositifs techniques, des assemblages et des dispositifs complexes sont impliqués. Et cette tendance ne diminue pas, puisque l'humanité a besoin d'une augmentation constante de la production d'énergie, ce qui nous oblige à rechercher de nouvelles sources d'énergie primaire. À l'heure actuelle, les domaines les plus prometteurs du secteur de l'énergie sont considérés comme des systèmes de production du mêmel'électricité à partir de l'énergie mécanique produite par le soleil, le vent et l'eau coule dans la nature.
