توفير احتياجات البشرية بالطاقة الكافية هي إحدى المهام الرئيسية التي تواجه العلم الحديث. فيما يتعلق بالزيادة في استهلاك الطاقة للعمليات التي تهدف إلى الحفاظ على الشروط الأساسية لوجود المجتمع ، تنشأ مشاكل حادة ليس فقط في توليد كميات كبيرة من الطاقة ، ولكن أيضًا في التنظيم المتوازن لأنظمة التوزيع الخاصة به. وموضوع تحويل الطاقة ذو أهمية رئيسية في هذا السياق. تحدد هذه العملية معامل توليد إمكانات الطاقة المفيدة ، وكذلك مستوى تكاليف خدمة العمليات التكنولوجية في إطار البنية التحتية المستخدمة.
نظرة عامة على تحويل التكنولوجيا
ترتبط الحاجة إلى استخدام أنواع مختلفة من الطاقة بالاختلافات في العمليات التي تتطلب موردًا للإمداد. الحرارة مطلوبة لتدفئة ، طاقة ميكانيكية - لدعم الطاقة لحركة الآليات ، وضوء - للإضاءة. يمكن تسمية الكهرباء كمصدر عالمي للطاقة سواء من حيث تحولها أو من حيث إمكانيات التطبيق في مختلف المجالات. كطاقة أولية ، تُستخدم الظواهر الطبيعية عادةً ، فضلاً عن العمليات المنظمة بشكل مصطنع التي تساهم في توليد نفس الحرارة أو القوة الميكانيكية. في كل حالة ، هناك حاجة إلى نوع معين من المعدات أو هيكل تكنولوجي معقد ، والذي يسمح ، من حيث المبدأ ، بتحويل الطاقة إلى الشكل المطلوب للاستهلاك النهائي أو المتوسط. علاوة على ذلك ، من بين مهام المحول ، لا يبرز التحول فقط على أنه نقل للطاقة من شكل إلى آخر. غالبًا ما تعمل هذه العملية أيضًا على تغيير بعض معلمات الطاقة دون تحولها.
يمكن أن يكون التحول على هذا النحو أحادي المرحلة أو متعدد المراحل. بالإضافة إلى ذلك ، على سبيل المثال ، عادةً ما يُعتبر تشغيل المولدات الشمسية على الخلايا البلورية الضوئية بمثابة تحويل للطاقة الضوئية إلى كهرباء. ولكن في الوقت نفسه ، من الممكن أيضًا تحويل الطاقة الحرارية التي تعطيها الشمس للتربة نتيجة التسخين. يتم وضع الوحدات الحرارية الجوفية على عمق معين في الأرض ، ومن خلال موصلات خاصة ، تملأ البطاريات باحتياطيات من الطاقة. في مخطط تحويل بسيط ، يوفر نظام الطاقة الحرارية الأرضية تخزين الطاقة الحرارية ، والتي تُعطى لمعدات التسخين في شكلها النقي مع الإعداد الأساسي. في هيكل معقد ، يتم استخدام المضخة الحرارية في مجموعة واحدةبمكثفات وضواغط حرارية توفر تحويل الحرارة والكهرباء
أنواع تحويل الطاقة الكهربائية
هناك طرق تكنولوجية مختلفة لاستخراج الطاقة الأولية من الظواهر الطبيعية. ولكن يتم توفير المزيد من الفرص لتغيير خصائص وأشكال الطاقة من خلال موارد الطاقة المتراكمة ، حيث يتم تخزينها في شكل مناسب للتحول. تشمل أكثر أشكال تحويل الطاقة شيوعًا عمليات الإشعاع والتدفئة والتأثيرات الميكانيكية والكيميائية. تستخدم الأنظمة الأكثر تعقيدًا عمليات التحلل الجزيئي والتفاعلات الكيميائية متعددة المستويات التي تجمع بين خطوات تحويل متعددة.
اختيار طريقة تحويل محددة سيعتمد على ظروف تنظيم العملية ، نوع الطاقة الأولية والنهائية. يمكن تمييز الطاقة المشعة والميكانيكية والحرارية والكهربائية والكيميائية من بين أكثر أنواع الطاقة شيوعًا التي تشارك ، من حيث المبدأ ، في عمليات التحول. كحد أدنى ، يتم استغلال هذه الموارد بنجاح في الصناعة والأسر. يستحق الاهتمام المنفصل عمليات غير مباشرة لتحويل الطاقة ، وهي مشتقات لعملية تكنولوجية معينة. على سبيل المثال ، في إطار إنتاج المعادن ، يلزم إجراء عمليات التدفئة والتبريد ، ونتيجة لذلك يتم توليد البخار والحرارة كمشتقات ، ولكن ليس من الموارد المستهدفة. في جوهرها ، هذه هي نفايات معالجة ،التي يتم استخدامها أيضًا أو تحويلها أو استخدامها داخل نفس المؤسسة.
تحويل الطاقة الحرارية
من الأقدم من حيث التطور وأهم مصادر الطاقة للحفاظ على حياة الإنسان والتي بدونها يستحيل تخيل حياة المجتمع الحديث. في معظم الحالات ، يتم تحويل الحرارة إلى كهرباء ، ولا يتطلب مخطط بسيط لمثل هذا التحول توصيل المراحل الوسيطة. ومع ذلك ، في محطات الطاقة الحرارية والنووية ، اعتمادًا على ظروف التشغيل الخاصة بها ، يمكن استخدام مرحلة التحضير مع تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية ، الأمر الذي يتطلب تكاليف إضافية. اليوم ، يتم استخدام المولدات الكهروحرارية ذات المفعول المباشر بشكل متزايد لتحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء.
عملية التحول نفسها تتم في مادة خاصة يتم حرقها ، وتطلق الحرارة ، وبالتالي تعمل كمصدر للجيل الحالي. بمعنى أنه يمكن اعتبار التركيبات الكهروحرارية مصادر للكهرباء ذات دورة صفرية ، حيث يبدأ تشغيلها حتى قبل ظهور الطاقة الحرارية الأساسية. تعمل خلايا الوقود ، التي عادة ما تكون مخاليط غازية ، كمصدر رئيسي. يتم حرقها ، ونتيجة لذلك يتم تسخين اللوح المعدني لتوزيع الحرارة. في عملية إزالة الحرارة من خلال وحدة مولد خاصة بمواد شبه موصلة ، يتم تحويل الطاقة. يتم توليد التيار الكهربائي بواسطة وحدة مشع متصلة بمحول أو بطارية. في الإصدار الأول ، الطاقةيذهب على الفور إلى المستهلك في شكله النهائي ، وفي الثانية - يتراكم ويتم إعطاؤه حسب الحاجة.
توليد الطاقة الحرارية من الطاقة الميكانيكية
أيضًا أحد أكثر الطرق شيوعًا للحصول على الطاقة نتيجة للتحول. يكمن جوهرها في قدرة الأجسام على إعطاء الطاقة الحرارية في عملية القيام بالعمل. في أبسط أشكاله ، يتم توضيح مخطط تحويل الطاقة هذا من خلال مثال احتكاك جسمين خشبيين ، مما يؤدي إلى نشوب حريق. ومع ذلك ، لاستخدام هذا المبدأ مع فوائد عملية ملموسة ، هناك حاجة إلى أجهزة خاصة.
في المنازل ، يحدث تحول الطاقة الميكانيكية في أنظمة التدفئة وإمدادات المياه. هذه هياكل تقنية معقدة مع دائرة مغناطيسية ونواة مغلفة متصلة بدوائر موصلة كهربيًا مغلقة. يوجد أيضًا داخل غرفة العمل لهذا التصميم أنابيب تسخين يتم تسخينها تحت تأثير العمل المنجز من محرك الأقراص. عيب هذا الحل هو الحاجة إلى توصيل النظام بالتيار الكهربائي.
تستخدم الصناعة محولات تبريد سائل أكثر قوة. مصدر العمل الميكانيكي متصل بخزانات المياه المغلقة. في عملية حركة الهيئات التنفيذية (التوربينات أو الشفرات أو العناصر الهيكلية الأخرى) ، يتم إنشاء ظروف لتشكيل دوامة داخل الدائرة. يحدث هذا أثناء لحظات الكبح الحاد للشفرات. بالإضافة إلى التسخين ، في هذه الحالة ، يزداد الضغط أيضًا ، مما يسهل العملياتتداول المياه.
تحويل الطاقة الكهروميكانيكية
تعمل معظم الوحدات الفنية الحديثة على مبادئ الميكانيكا الكهروميكانيكية. تستخدم الآلات والمولدات الكهربائية المتزامنة وغير المتزامنة في النقل والأدوات الآلية والوحدات الهندسية الصناعية ومحطات الطاقة الأخرى لأغراض مختلفة. أي أن الأنواع الكهروميكانيكية لتحويل الطاقة قابلة للتطبيق على كل من أوضاع تشغيل المولد والمحرك ، اعتمادًا على المتطلبات الحالية لنظام القيادة.
في شكل معمم ، يمكن اعتبار أي آلة كهربائية كنظام لتحريك الدوائر الكهربائية المقترنة مغناطيسيًا بشكل متبادل. تشمل هذه الظواهر أيضًا التباطؤ والتشبع والتوافقيات الأعلى والفقد المغناطيسي. ولكن من وجهة النظر الكلاسيكية ، لا يمكن نسبها إلى نظائرها من الآلات الكهربائية إلا إذا كنا نتحدث عن أوضاع ديناميكية عندما يعمل النظام ضمن البنية التحتية للطاقة.
يعتمد نظام تحويل الطاقة الكهروميكانيكية على مبدأ تفاعلين بمكونات ثنائية الطور وثلاث مراحل ، وكذلك طريقة تدوير المجالات المغناطيسية. يقوم العضو الدوار والجزء الثابت للمحركات بعمل ميكانيكي تحت تأثير المجال المغناطيسي. اعتمادًا على اتجاه حركة الجسيمات المشحونة ، يتم ضبط وضع التشغيل - كمحرك أو مولد.
توليد الكهرباء من الطاقة الكيميائية
إجمالي مصدر الطاقة الكيميائية تقليدي ، لكن طرق تحويله ليست شائعة جدًابسبب القيود البيئية. في حد ذاتها ، لا يتم استخدام الطاقة الكيميائية في شكلها النقي عمليًا - على الأقل في شكل تفاعلات مركزة. في الوقت نفسه ، تحيط العمليات الكيميائية الطبيعية بالإنسان في كل مكان في شكل روابط عالية أو منخفضة الطاقة ، والتي تظهر نفسها ، على سبيل المثال ، أثناء الاحتراق مع إطلاق الحرارة. ومع ذلك ، يتم تنظيم تحويل الطاقة الكيميائية بشكل هادف في بعض الصناعات. عادة ، يتم تهيئة الظروف للاحتراق عالي التقنية في مولدات البلازما أو التوربينات الغازية. المتفاعل النموذجي لهذه العمليات هو خلية الوقود ، والتي تساهم في إنتاج الطاقة الكهربائية. من وجهة نظر الكفاءة ، فإن مثل هذه التحويلات ليست مربحة مقارنة بالطرق البديلة لتوليد الكهرباء ، حيث يتم تبديد جزء من الحرارة المفيدة حتى في تركيبات البلازما الحديثة.
تحويل طاقة الإشعاع الشمسي
كطريقة لتحويل الطاقة ، قد تصبح عملية معالجة ضوء الشمس في المستقبل القريب الأكثر طلبًا في قطاع الطاقة. هذا يرجع إلى حقيقة أنه حتى اليوم يمكن لكل صاحب منزل نظريًا شراء معدات لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. السمة الرئيسية لهذه العملية هي أن ضوء الشمس المتراكم مجاني. شيء آخر هو أن هذا لا يجعل العملية خالية تمامًا من التكلفة. أولاً ، ستكون التكاليف مطلوبة لصيانة البطاريات الشمسية. ثانيًا ، المولدات من هذا النوع ليست رخيصة ، لذا فإن الاستثمار الأولي فيهاقلة من الناس يستطيعون تنظيم محطة طاقة صغيرة خاصة بهم.
ما هو مولد الطاقة الشمسية؟ هذه مجموعة من الألواح الكهروضوئية التي تحول طاقة ضوء الشمس إلى كهرباء. يشبه مبدأ هذه العملية في نواح كثيرة تشغيل الترانزستور. يستخدم السيليكون كمادة رئيسية لتصنيع الخلايا الشمسية بإصدارات مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون جهاز تحويل الطاقة الشمسية متعدد البلورات وأحادي البلورة. الخيار الثاني هو الأفضل من حيث الأداء ، لكنه أغلى ثمناً. في كلتا الحالتين ، تضيء الخلية الكهروضوئية ، حيث يتم تنشيط الأقطاب الكهربائية وتتولد قوة كهروديناميكية في عملية حركتها.
تحويل الطاقة البخارية
يمكن استخدام التوربينات البخارية في الصناعة كطريقة لتحويل الطاقة إلى شكل مقبول ، وكمولد مستقل للكهرباء أو الحرارة من تدفقات الغاز التقليدية الموجهة بشكل خاص. بعيدًا عن استخدام آلات التوربينات كأجهزة لتحويل الطاقة الكهربائية مع مولدات البخار ، إلا أن تصميمها مناسب على النحو الأمثل لتنظيم هذه العملية بكفاءة عالية. أبسط حل تقني هو التوربينات ذات الشفرات التي تتصل بها الفوهات المزودة بالبخار. أثناء تحرك الشفرات ، يدور التثبيت الكهرومغناطيسي داخل الجهاز ، ويتم تنفيذ العمل الميكانيكي ويتولد التيار.
بعض تصميمات التوربينات لهاامتدادات خاصة على شكل خطوات ، حيث يتم تحويل الطاقة الميكانيكية للبخار إلى طاقة حركية. لا يتم تحديد ميزة الجهاز هذه من خلال اهتمامات زيادة كفاءة تحويل طاقة المولد أو الحاجة إلى تطوير الإمكانات الحركية بدقة ، ولكن من خلال توفير إمكانية التنظيم المرن لتشغيل التوربينات. يوفر التمدد في التوربين وظيفة تحكم تسمح بالتنظيم الفعال والآمن لكمية الطاقة المولدة. بالمناسبة ، تسمى منطقة العمل الخاصة بالتمدد ، والتي يتم تضمينها في عملية التحويل ، بمرحلة الضغط النشط.
طرق نقل الطاقة
لا يمكن النظر في طرق تحويل الطاقة دون مفهوم نقلها. حتى الآن ، هناك أربع طرق للتفاعل بين الأجسام التي تنتقل فيها الطاقة - الكهربائية والجاذبية والنووية والضعيفة. يمكن أيضًا اعتبار النقل في هذا السياق طريقة للتبادل ، وبالتالي ، من حيث المبدأ ، يتم فصل أداء العمل في نقل الطاقة ووظيفة نقل الحرارة. ما هي تحولات الطاقة التي تنطوي على القيام بالعمل؟ مثال نموذجي هو القوة الميكانيكية ، حيث تتحرك الأجسام العيانية أو الجسيمات الفردية للأجسام في الفضاء. بالإضافة إلى القوة الميكانيكية ، يتميز العمل المغناطيسي والكهربائي أيضًا. الميزة الرئيسية الموحدة لجميع أنواع العمل تقريبًا هي القدرة على تحديد التحول بينهما بشكل كامل. وهذا يعني أن الكهرباء تتحول إلىطاقة ميكانيكية ، عمل ميكانيكي في جهد مغناطيسي ، إلخ. يعد نقل الحرارة أيضًا طريقة شائعة لنقل الطاقة. يمكن أن تكون غير اتجاهية أو فوضوية ، ولكن على أي حال ، هناك حركة للجسيمات المجهرية. سيحدد عدد الجسيمات المنشطة مقدار الحرارة - الحرارة المفيدة.
الخلاصة
انتقال الطاقة من شكل إلى آخر أمر طبيعي ، وفي بعض الصناعات شرط أساسي لعملية إنتاج الطاقة. في حالات مختلفة ، يمكن تفسير الحاجة إلى تضمين هذه المرحلة من خلال عوامل اقتصادية وتكنولوجية وبيئية وعوامل أخرى لتوليد الموارد. في الوقت نفسه ، على الرغم من تنوع الطرق الطبيعية والمنظمة بشكل مصطنع لتحويل الطاقة ، فإن الغالبية العظمى من التركيبات التي توفر عمليات التحويل تستخدم فقط للكهرباء والحرارة والأعمال الميكانيكية. وسائل تحويل الطاقة الكهربائية هي الأكثر شيوعًا. الآلات الكهربائية التي توفر تحويل العمل الميكانيكي إلى كهرباء وفقًا لمبدأ الحث ، على سبيل المثال ، تُستخدم في جميع المجالات تقريبًا التي تشارك فيها الأجهزة التقنية المعقدة والتجمعات والأجهزة. وهذا الاتجاه لا يتناقص ، لأن البشرية بحاجة إلى زيادة مستمرة في إنتاج الطاقة ، مما يجبرنا على البحث عن مصادر جديدة للطاقة الأولية. في الوقت الحالي ، تعتبر أكثر المجالات الواعدة في قطاع الطاقة أنظمة توليد من نفس النوعالكهرباء من الطاقة الميكانيكية التي تنتجها الشمس والرياح والمياه تتدفق في الطبيعة
