לספק לצורכי האנושות מספיק אנרגיה היא אחת המשימות המרכזיות העומדות בפני המדע המודרני. בהקשר לעלייה בצריכת האנרגיה של תהליכים שמטרתם לשמור על התנאים הבסיסיים לקיומה של החברה, מתעוררות בעיות חריפות לא רק בייצור כמויות גדולות של אנרגיה, אלא גם בארגון מאוזן של מערכות ההפצה שלה. והנושא של המרת אנרגיה הוא בעל חשיבות מרכזית בהקשר זה. תהליך זה קובע את מקדם היצור של פוטנציאל אנרגיה שימושי, וכן את רמת העלויות עבור שירות פעולות טכנולוגיות במסגרת התשתית המשמשת.
המר סקירה כללית של טכנולוגיה
הצורך בשימוש בסוגי אנרגיה שונים קשור להבדלים בתהליכים הדורשים משאב אספקה. נדרש חום עבורחימום, אנרגיה מכנית - לתמיכה בכוח של תנועת מנגנונים, ואור - לתאורה. חשמל יכול להיקרא מקור אנרגיה אוניברסלי הן מבחינת הטרנספורמציה שלו והן מבחינת אפשרויות היישום בתחומים שונים. כאנרגיה הראשונית משתמשים בדרך כלל בתופעות טבע וכן בתהליכים מאורגנים באופן מלאכותי התורמים ליצירת אותו חום או כוח מכני. בכל מקרה, נדרש סוג מסוים של ציוד או מבנה טכנולוגי מורכב, המאפשר, עקרונית, המרת אנרגיה לצורה הנדרשת לצריכה סופית או ביניים. יתרה מכך, בין המשימות של הממיר, לא רק טרנספורמציה בולטת כהעברת אנרגיה מצורה אחת לאחרת. לעתים קרובות תהליך זה משמש גם לשינוי פרמטרים מסוימים של אנרגיה ללא שינוי שלה.
השינוי ככזה יכול להיות חד-שלבי או רב-שלבי. בנוסף, למשל, פעולתם של גנרטורים סולאריים על תאים פוטו-גבישיים נחשבת בדרך כלל כהפיכת אנרגיית האור לחשמל. אך יחד עם זאת, ניתן גם להמיר את האנרגיה התרמית שהשמש מעניקה לאדמה כתוצאה מחימום. מודולים גיאותרמיים ממוקמים בעומק מסוים באדמה ובאמצעות מוליכים מיוחדים ממלאים את הסוללות במאגרי אנרגיה. בשיטת המרה פשוטה, המערכת הגיאותרמית מספקת אחסון של אנרגיית חום, הניתנת לציוד החימום בצורתו הטהורה עם הכנה בסיסית. במבנה מורכב, משאבת חום משמשת בקבוצה אחתעם מעבי חום ומדחסים המספקים המרת חום וחשמל.
סוגי המרת אנרגיה חשמלית
ישנן שיטות טכנולוגיות שונות להפקת אנרגיה ראשונית מתופעות טבע. אבל אפילו יותר הזדמנויות לשינוי תכונות וצורות האנרגיה ניתנות על ידי משאבי האנרגיה המצטברים, מכיוון שהם מאוחסנים בצורה נוחה לשינוי. הצורות הנפוצות ביותר של המרת אנרגיה כוללות פעולות של קרינה, חימום, השפעות מכניות וכימיות. המערכות המורכבות ביותר משתמשות בתהליכי ריקבון מולקולריים ובתגובות כימיות רב-רמות המשלבות שלבי טרנספורמציה מרובים.
הבחירה בשיטת טרנספורמציה ספציפית תהיה תלויה בתנאי הארגון של התהליך, בסוג האנרגיה הראשונית והסופית. ניתן להבחין באנרגיה קורנת, מכנית, תרמית, חשמלית וכימית בין סוגי האנרגיה הנפוצים ביותר אשר, באופן עקרוני, משתתפות בתהליכי טרנספורמציה. לכל הפחות, משאבים אלו מנוצלים בהצלחה בתעשייה ובמשקי בית. תשומת לב נפרדת ראויה לתהליכים עקיפים של המרת אנרגיה, שהם נגזרות של פעולה טכנולוגית מסוימת. כך למשל, במסגרת ייצור מתכות נדרשות פעולות חימום וקירור, אשר כתוצאה מכך נוצרים קיטור וחום כנגזרות, אך לא משאבי מטרה. בעצם, אלו הם תוצרי פסולת של עיבוד,שנמצאים גם בשימוש, שינוי או שימוש באותו ארגון.
המרת אנרגיית חום
אחד הוותיקים ביותר מבחינת פיתוח ומקורות האנרגיה החשובים ביותר לשמירה על חיי אדם, שבלעדיו אי אפשר לדמיין את חיי החברה המודרנית. ברוב המקרים, חום מומר לחשמל, ותכנית פשוטה לשינוי כזה אינה דורשת חיבור של שלבי ביניים. עם זאת, בתחנות כוח תרמיות וגרעיניות, בהתאם לתנאי ההפעלה שלהן, ניתן להשתמש בשלב הכנה עם העברת תרמית לאנרגיה מכנית, הדורש עלויות נוספות. כיום, גנרטורים תרמו-אלקטריים הפועלים ישירות נמצאים בשימוש יותר ויותר להמרת אנרגיה תרמית לחשמל.
תהליך הטרנספורמציה עצמו מתרחש בחומר מיוחד שנשרף, משחרר חום ומשמש לאחר מכן כמקור לדור הנוכחי. כלומר, מתקנים תרמו-אלקטריים יכולים להיחשב כמקורות חשמל עם מחזור אפס, שכן פעולתם מתחילה עוד לפני הופעת האנרגיה התרמית הבסיסית. תאי דלק, בדרך כלל תערובות גז, משמשים כמשאב העיקרי. הם נשרפים, וכתוצאה מכך לוח המתכת מפיץ חום מחומם. בתהליך של הסרת חום באמצעות מודול מחולל מיוחד עם חומרים מוליכים למחצה, אנרגיה מומרת. זרם חשמלי נוצר על ידי יחידת רדיאטור המחוברת לשנאי או לסוללה. בגרסה הראשונה, האנרגיהמיד הולך לצרכן בצורה גמורה, ובשנייה - מצטבר וניתן לפי הצורך.
יצירת אנרגיה תרמית מאנרגיה מכנית
גם אחת הדרכים הנפוצות ביותר לקבל אנרגיה כתוצאה משינוי. המהות שלו טמונה ביכולת של גופים להפיץ אנרגיה תרמית בתהליך העבודה. בצורתה הפשוטה ביותר, ערכת טרנספורמציה אנרגיה זו מודגמת בדוגמה של חיכוך של שני חפצי עץ, וכתוצאה מכך אש. עם זאת, כדי להשתמש בעקרון זה עם יתרונות מעשיים מוחשיים, נדרשים מכשירים מיוחדים.
במשקי בית, הטרנספורמציה של אנרגיה מכנית מתרחשת במערכות חימום ואספקת מים. מדובר במבנים טכניים מורכבים עם מעגל מגנטי וליבה למינציה המחוברת למעגלים מוליכים חשמלית סגורים. גם בתוך תא העבודה של עיצוב זה הם צינורות חימום, אשר מחוממים תחת הפעולה של העבודה שנעשתה מהכונן. החיסרון של פתרון זה הוא הצורך לחבר את המערכת לרשת החשמל.
התעשייה משתמשת בממירים חזקים יותר מקוררים נוזלים. מקור העבודה המכנית מחובר למיכלי מים סגורים. בתהליך התנועה של הגופים המבצעים (טורבינות, להבים או אלמנטים מבניים אחרים), נוצרים תנאים להיווצרות מערבולת בתוך המעגל. זה קורה ברגעים של בלימה חדה של הלהבים. בנוסף לחימום, במקרה זה, גם הלחץ עולה, מה שמקל על התהליכיםזרימת מים.
המרה של אנרגיה אלקטרו-מכאנית
רוב היחידות הטכניות המודרניות עובדות על עקרונות האלקטרומכניקה. מכונות וגנרטורים חשמליים סינכרוניים וא-סינכרוניים משמשים לתחבורה, כלי עבודה, יחידות הנדסת תעשייה ותחנות כוח אחרות למטרות שונות. כלומר, סוגים אלקטרו-מכאניים של המרת אנרגיה ישימים הן במצבי הפעלה של גנרטור והן במצבי הפעלה של המנוע, בהתאם לדרישות הנוכחיות של מערכת ההנעה.
בצורה כללית, כל מכונה חשמלית יכולה להיחשב כמערכת של מעגלים חשמליים הנעים הדדית מחוברת מגנטית. תופעות כאלה כוללות גם היסטרזיס, רוויה, הרמוניות גבוהות יותר והפסדים מגנטיים. אבל בתפיסה הקלאסית, ניתן לייחס אותם לאנלוגים של מכונות חשמליות רק אם אנחנו מדברים על מצבים דינמיים כאשר המערכת פועלת בתוך תשתית האנרגיה.
מערכת המרת האנרגיה האלקטרו-מכאנית מבוססת על העיקרון של שתי תגובות עם רכיבים דו-פאזיים ותלת-פאזיים, וכן על שיטת סיבוב שדות מגנטיים. הרוטור והסטטור של המנועים מבצעים עבודה מכנית בהשפעת שדה מגנטי. בהתאם לכיוון התנועה של חלקיקים טעונים, אופן הפעולה נקבע - כמנוע או גנרטור.
ייצור חשמל מאנרגיה כימית
מקור האנרגיה הכימית הכולל הוא מסורתי, אבל שיטות השינוי שלו אינן כל כך נפוצותעקב מגבלות סביבתיות. כשלעצמה, אנרגיה כימית בצורתה הטהורה כמעט ואינה משמשת - לפחות בצורה של תגובות מרוכזות. יחד עם זאת, תהליכים כימיים טבעיים מקיפים אדם בכל מקום בצורה של קשרים בעלי אנרגיה גבוהה או נמוכה, המתבטאים, למשל, במהלך בעירה עם שחרור חום. עם זאת, ההמרה של אנרגיה כימית מאורגנת בכוונה בתעשיות מסוימות. בדרך כלל נוצרים תנאים לשריפת היי-טק במחוללי פלזמה או בטורבינות גז. מגיב אופייני לתהליכים אלו הוא תא דלק, התורם לייצור אנרגיה חשמלית. מנקודת מבט של יעילות, המרות כאלה אינן רווחיות בהשוואה לשיטות חלופיות לייצור חשמל, שכן חלק מהחום השימושי מתפזר אפילו במתקני פלזמה מודרניים.
המרה של אנרגיית קרינת שמש
כדרך להמיר אנרגיה, תהליך עיבוד אור השמש בעתיד הקרוב עשוי להפוך למבוקש ביותר בתחום האנרגיה. זאת בשל העובדה שגם כיום כל בעל בית יכול תיאורטית לרכוש ציוד להמרת אנרגיה סולארית לאנרגיה חשמלית. המאפיין המרכזי של תהליך זה הוא שאור השמש המצטבר הוא ללא תשלום. דבר נוסף הוא שזה לא הופך את התהליך ללא עלות לחלוטין. ראשית, העלויות יידרשו לתחזוקת סוללות סולאריות. שנית, גנרטורים מהסוג הזה עצמם אינם זולים, ולכן ההשקעה הראשונית במעטים האנשים שיכולים להרשות לעצמם לארגן תחנת מיני-אנרגיה משלהם.
מהו מחולל חשמל סולארי? זוהי קבוצה של פאנלים פוטו-וולטאיים הממירים את אנרגיית אור השמש לחשמל. עצם העיקרון של תהליך זה דומה במובנים רבים לפעולתו של טרנזיסטור. הסיליקון משמש כחומר העיקרי לייצור תאים סולאריים בגרסאות שונות. לדוגמה, מכשיר להמרת אנרגיה סולארית יכול להיות פולי ויחיד גבישי. האפשרות השנייה עדיפה מבחינת ביצועים, אך יקרה יותר. בשני המקרים מואר תא הפוטו ובמהלכו מופעלות האלקטרודות ונוצר כוח אלקטרודינמי בתהליך תנועתן.
המרת אנרגית קיטור
טורבינות קיטור יכולות לשמש בתעשייה הן כדרך להפיכת אנרגיה לצורה מקובלת, והן כמחולל עצמאי של חשמל או חום מזרימות גז קונבנציונליות מכוונות במיוחד. רחוק מלהיות רק מכונות טורבינה משמשות כמכשירים להמרת אנרגיה חשמלית בשילוב עם מחוללי קיטור, אך העיצוב שלהם מתאים באופן מיטבי לארגון תהליך זה ביעילות גבוהה. הפתרון הטכני הפשוט ביותר הוא טורבינה עם להבים, שאליה מחוברים חרירים עם קיטור מסופק. כאשר הלהבים נעים, המתקן האלקטרומגנטי בתוך המכשיר מסתובב, מתבצעת עבודה מכנית ונוצר זרם.
לכמה עיצובי טורבינה ישהרחבות מיוחדות בצורת שלבים, שבהם האנרגיה המכנית של הקיטור מומרת לאנרגיה קינטית. תכונה זו של המכשיר נקבעת לא כל כך על ידי האינטרסים של הגדלת היעילות של המרת האנרגיה של הגנרטור או הצורך לפתח בדיוק את הפוטנציאל הקינטי, אלא על ידי מתן אפשרות של ויסות גמיש של פעולת הטורבינה. ההתרחבות בטורבינה מספקת פונקציית בקרה המאפשרת ויסות יעיל ובטוח של כמות האנרגיה המופקת. אגב, אזור העבודה של ההרחבה, הנכלל בתהליך ההמרה, נקרא שלב הלחץ הפעיל.
שיטות להעברת אנרגיה
לא ניתן לשקול שיטות של טרנספורמציה של אנרגיה ללא הרעיון של העברתה. נכון להיום, ישנן ארבע דרכים לאינטראקציה של גופים בהם מועברת אנרגיה - חשמלית, גרביטציונית, גרעינית וחלשה. העברה בהקשר זה יכולה להיחשב גם כשיטת החלפה, ולכן, באופן עקרוני, ביצוע העבודה בהעברת אנרגיה ותפקוד העברת החום מופרדים. אילו טרנספורמציות של אנרגיה כרוכות בביצוע עבודה? דוגמה טיפוסית היא כוח מכני, שבו גופים מקרוסקופיים או חלקיקים בודדים של גופים נעים בחלל. בנוסף לכוח המכני, מובחנים גם עבודה מגנטית וחשמלית. תכונה מרכזית המאחדת כמעט לכל סוגי העבודה היא היכולת לכמת לחלוטין את השינוי ביניהם. כלומר, חשמל הופך לאנרגיה מכנית, עבודה מכנית לפוטנציאל מגנטי וכו'. העברת חום היא גם דרך נפוצה להעברת אנרגיה. זה יכול להיות לא כיווני או כאוטי, אבל בכל מקרה, יש תנועה של חלקיקים מיקרוסקופיים. מספר החלקיקים המופעלים יקבע את כמות החום - חום שימושי.
מסקנה
המעבר של אנרגיה מצורה אחת לאחרת הוא נורמלי, ובתעשיות מסוימות תנאי מוקדם לתהליך ייצור האנרגיה. במקרים שונים, הצורך לכלול שלב זה יכול להיות מוסבר על ידי גורמים כלכליים, טכנולוגיים, סביבתיים ואחרים של יצירת משאבים. יחד עם זאת, למרות מגוון הדרכים הטבעיות והמאורגנות באופן מלאכותי לשינוי אנרגיה, רובם המכריע של המתקנים המספקים תהליכי טרנספורמציה משמשים רק לעבודות חשמל, חום ומכניות. אמצעים להמרת אנרגיה חשמלית הם הנפוצים ביותר. מכונות חשמליות המספקות הפיכת עבודה מכנית לחשמל על פי עקרון האינדוקציה, למשל, משמשות כמעט בכל התחומים שבהם מעורבים מכשירים טכניים מורכבים, מכלולים והתקנים. והמגמה הזו לא הולכת ופוחתת, שכן האנושות זקוקה לעלייה מתמדת בייצור האנרגיה, מה שמאלץ אותנו לחפש מקורות חדשים של אנרגיה ראשונית. כרגע, התחומים המבטיחים ביותר בתחום האנרגיה נחשבים למערכות ייצור של אותו הדברחשמל מאנרגיה מכנית המיוצרת על ידי השמש, רוח ומים זורמים בטבע.
