Преобразователь электрической энергии

Различные формы

Существует и различаются основные виды энергии. Некоторые виды включают в себя создание материи,  в то время как другие сохраняются.

Многие объекты имеют энергию, хранящуюся в них из-за их положения (автомобиль на вершине холма) или из-за их природы (взрывчатые вещества).

Связанную с чем-то движущимся или изменяющимся каким-то образом, можно назвать активной энергией (светом, связанным с взрывающимися фейерверками).

Активные формы:

• Световая распространяется из источника и движется со скоростью света (300 000 км/с). Существует много различных видов световой.
• Звуковая производится путем вибрирования предметов. Эти вибрации перемещаются через воздух далеко от предмета. Звуковые волны перемещают со скоростью около 340 м/с.
• Кинетической обладают все движущиеся объекты. Количество кинетической зависит от того, насколько предмет тяжелый и как быстро он движется.
• Тепловая (тепло) влияет на движение частиц (атомов и молекул), составляющих вещество.
• Электрическая – это поток заряженных частиц вдоль проводника, такого как медный провод. Электрическую нельзя увидеть, но её последствия огромны.

Потенциальные формы энергии:

• Гравитационной потенциальной энергией обладают объекты, находящиеся над уровнем земли. По мере того как предмет поднят, он приобретает её. Она преобразуется в кинетическую, когда предмет падает.
• Упругой потенциальной обладают объекты, которые были растянуты или придавлены, но могут вернуться к своей первоначальной форме при освобождении.
• Ядерная потенциальная хранится внутри ядра атомов. Когда атомные ядра расщепляются или соединяются вместе, выделяется огромное количество в виде тепла, света и излучения.
• Химическая потенциальная, хранящаяся в связях, которые удерживают атомы вместе.
• Магнитная потенциальная может храниться в определенных металлических объектах, удерживаемых в магнитном поле.

Откуда Солнце берет энергию

На Солнце происходит термоядерная реакция. Чистая масса до и после процесса деления или слияния отрицательна; другими словами, в ядерной реакции происходит потеря массы. Эта масса не просто исчезает, а превращается в энергию. Ядерный синтез водорода в гелий – это процесс, благодаря которому солнце дает нам энергию. Фактически Солнце каждую секунду превращает около 620 миллионов метрических тонн водорода в гелий. 99% от ядерного синтеза генерируется внутри 24% радиуса Солнца, которая течет наружу через несколько различных слоев, прежде чем уйдет как солнечный свет.

Солнце горит уже несколько миллиардов лет. Постоянная потеря массы, вызванная ядерным синтезом, означает, что солнце медленно исчезает.

Но не волнуйтесь: по данным, у нашего светила осталось еще 6,5 миллиардов лет термоядерных процессов, прежде чем оно выключится.

174 петаватта (PВт) в виде солнечной радиации (или инсоляции – облучение поверхности) попадает в нашу атмосферу. Почти треть из них отражается обратно в космос. Остальные, 3 850 000 эксаджоулей (1 эксаджоуль равен 277,78 ПВт∙ч (петаватт-час)) поглощаются атмосферой, облаками, океанами и сушей. Это количество энергии за час больше в 8640 раз, чем необходимо общее потребление во всем мире. По другому один час облучения поверхности нашей планеты эквивалентен мировому потреблению в течение всего года.

К сожалению, обуздать всю эту энергию от нашей звезды невозможно.

Вот некоторые другие интересные сравнения, которые помогут понять огромный потенциал энергии Солнца:

• один год от солнечных лучей, достигающих поверхность Земли, в два раза больше всех невозобновляемых ресурсов, включая ископаемое топливо и ядерный уран.
• солнечная энергия, которая каждую секунду попадает на Землю, эквивалентна 4 триллионам 100-ваттных лампочек.
• энергия, которая падает на одном квадратном километре в год, эквивалентна 3 миллионам баррелей нефти.

Генерация электричества из химической энергии

Совокупный химический источник энергии относится к традиционным, однако методы его преобразования не так распространены в силу экологических ограничений. Сама по себе химическая энергия в чистом виде практически не используется – по крайней мере, в виде концентрированных реакций. В то же время естественные химические процессы окружают человека повсюду в виде высоко- или низкоэнергетических связок, которые проявляются, например, при горении с выделением тепла. Тем не менее, преобразование химической энергии целенаправленно организуется в некоторых отраслях промышленности. Обычно создаются условия для высокотехнологичного горения в плазменных генераторах или газовых турбинах. Типичным реактивом данных процессов является топливный элемент, который и способствует получению электрической энергии. С точки зрения КПД подобные преобразования не так выгодны по сравнению с альтернативными способами генерации электроэнергии, так как часть полезного тепла рассеивается даже в современных плазменных установках.

Энтропия и ограничения в преобразовании тепловой энергии к другим типам

Преобразования в тепловую энергию (таким образом повышение температуры) от других форм энергии, может произойти с по существу 100%-й эффективностью (много типов трения делают это). Преобразование среди нетепловых форм энергии может произойти с довольно высокой эффективностью, хотя всегда есть некоторая энергия, рассеянная тепло из-за трения и подобных процессов. Иногда эффективность близко к 100%, такой как тогда, когда потенциальная энергия преобразована в кинетическую энергию, когда объект падает в вакууме, или когда объект орбиты ближе или дальше от другого объекта, в космосе.

С другой стороны, у преобразования тепловой энергии к другим формам, таким образом уменьшая температуру системы, есть строгие ограничения, часто сохраняя ее эффективность намного меньше чем 100% (даже когда энергии не позволяют сбежать из системы). Это вызвано тем, что тепловая энергия была уже частично распространена среди многих доступных государств коллекции микроскопических частиц, составляющих систему, у которой может быть огромное количество возможных комбинаций импульса, и положение (эти комбинации, как говорят, формируют фазовое пространство). При таких обстоятельствах мера назвала энтропию, или вечер — из энергетических распределений, диктует тот, будущие государства изолированной системы должны иметь, по крайней мере, равную четность в энергетическом распределении. Другими словами, нет никакого способа сконцентрировать энергию, не распространяя энергию где-то в другом месте.

Тепловая энергия в равновесии при данной температуре уже представляет максимальный вечер — из энергии между всеми возможными государствами. Такую энергию иногда считают «ухудшенной энергией», потому что это не полностью конвертируемо «полезная» форма, т.е. та, которая может сделать больше, чем просто температура влияния. Второй закон термодинамики — способ заявить, что, поэтому, тепловая энергия в системе может быть преобразована в другие виды энергии с полезными действиями приближающиеся 100%, только если энтропия (четность или беспорядок) вселенной увеличена другими средствами, чтобы дать компенсацию за уменьшение в энтропии, связанной с исчезновением тепловой энергии и ее содержания энтропии. Иначе, только часть тепловой энергии может быть преобразована в другие виды энергии (и таким образом, полезная работа), так как остаток от высокой температуры должен быть зарезервирован, чтобы быть переданным тепловому водохранилищу при более низкой температуре таким способом, которым увеличением Энтропии для этого процесса больше, чем дают компенсацию за уменьшение энтропии, связанное с преобразованием остальной части высокой температуры в другие типы энергии.

История развития

При начале практического использования электрической энергии (1880-е) возникла проблема преобразования энергии.

Зачастую появление новых приборов не устраняет необходимости использовать ряд приборов, прежде существовавших. Например, многие полупроводниковые приборы используют трансформаторы, но в более выгодном высокочастотном диапазоне. В результате устройство приобретает преимущества и тех, и других.
Использование п-п инверторов для управления умформерами позволяет устранить коллекторы и щётки. Это снижает потери омические и на трение. Сами инверторы тоже могут быть меньшей мощности, например, при использовании машин двойного питания, потери — меньше, а качество преобразования энергии — гораздо выше.

Преобразование — механическая энергия

Машины, совершающие преобразование механической энергии в электрическую или обратное преобразование, называются электрическими машинами. От других электромеханических преобразователей электрические машины отличаются тем, что в них за редким исключением совершается однонаправленное непрерывное преобразование.
 

Генераторы служат для преобразования механической энергии в электрическую энергию трехфазного переменного тока. Генераторы работают на принципе электромагнитной индукции, поэтому для получения в них индуцированной ЭДС нужны магнитное поле, проводник и движение одного проводника относительно другого.
 

Машины, совершающие преобразование механической энергии в электрическую или обратное преобразование, называются электрическими машинами. От других электромеханических преобразователей электрические машины отличаются тем, что в них за редким исключением совершается однонаправленное непрерывное преобразование.
 

Электрогенератор служит для преобразования механической энергии в электрическую.
 

Насос служит для преобразования механической энергии привода ( входного звена) в энергию потока жидкости. В настоящем пособии рассмотрены лишь объемные насосы, преобразующие механическую энергию, приложенную к их приводному валу, в энергию движения жидкости под давлением.
 

Насос служит для преобразования механической энергии привода в энергию сжатой жидкости. В станкостроении используются, как правило, объемные насосы следующих типов: шестеренные; пластинчатые; аксиально — и радиально-поршневые.
 

Насосы служат для преобразования механической энергии приводного двигателя в кинетическую или потенциальную энергию жидкости. Перекачивая жидкость, насосы приводят в движение элементы гидравлической системы, выполняющие рабочие операции. Большинство насосов, применяемых в настоящее время в гидравлических системах, является прецизионными приборами, изготовленными с высоким классом точности.
 

Генераторы предназначены для преобразования механической энергии вращающегося вала двигателя в электроэнергию. Генераторы могут быть синхронными или асинхронными. Синхронный генератор может работать в автономном режиме или параллельно с сетью. Асинхронный генератор может работать только параллельно с сетью. Если произошел обрыв или другие неполадки в сети, асинхронный генератор прекращает свою работу. Поэтому для обеспечения гибкости применения распределенных когенерационных энергосистем чаще используются синхронные генераторы.
 

Максимально используют возможности преобразования механической энергии в тепловую в процессе литья под давлением.
 

Трением сваривают с постепенным преобразованием механической энергии в тепло ( обычная сварка трением) или с накоплением ее в маховике машины и последующей отдачей полностью или частично ( инерционная сварка) деталям.
 

Энергетические машины служат для преобразования механической энергии в другие ее виды. К ним относятся электрогенераторы, компрессоры, холодильные машины.
 

Электрические машины предназначены для преобразования механической энергии в электрическую и обратно. В первом случае электрические машины называют генераторами, во втором — двигателями.
 

Электрические машины предназначены для преобразования механической энергии в электрическую и, наоборот, электрической в механическую. В первом случае их называют генераторами, во втором — электродвигателями. Кроме того, существует ряд электрических машин для преобразования переменного тока в постоянный, а также одних значений напряжения и частоты в другие. Электрические машины бывают постоянного и переменного токов. Важнейшим свойством машин является обратимость: они могут работать генераторами, если приводятся во вращение первичными двигателями, и электродвигателями, когда к ним подводят электроэнергию.
 

Примеры

Примеры наборов энергетических преобразований в машинах

Например, электростанция, работающая на угле делает много энергии и включает эти энергетические преобразования:

1. Химическая энергия в угле, преобразованном в тепловую энергию в выхлопных газах сгорания.
2. Тепловая энергия выхлопных газов преобразована в тепловую энергию пара через теплообменник.
3. Тепловая энергия пара, преобразованного в механическую энергию в турбине.
4. Механическая энергия турбины, преобразованной в электроэнергию генератором, который является окончательной продукцией

В такой системе первый и четвертый шаг очень эффективен, но вторые и третьи шаги менее эффективны. Самые эффективные газовые станции электроэнергии могут достигнуть 50%-й конверсионной эффективности. Нефть — и угольные станции достигает меньше.

В обычном автомобиле включены эти энергетические преобразования:

1. Химическая энергия в топливе, преобразованном в кинетическую энергию расширения газа через сгорание
2. Кинетическая энергия расширения газа, преобразованного в линейное поршневое движение
3. Линейное поршневое движение, преобразованное в ротационное движение коленчатого вала
4. Ротационное движение коленчатого вала прошло в собрание передачи
5. Ротационное движение прошло из собрания передачи
6. Ротационное движение прошло через дифференциал
7. Ротационное движение прошло из дифференциала, чтобы вести колеса
8. Ротационное движение колес двигателя, преобразованных в линейное движение транспортного средства.

Другие энергетические преобразования

Есть много различных машин и преобразователей, которые преобразовывают одну энергетическую форму в другого. Короткий список примеров следует:

Термоэлектрический (Нагревают → Электроэнергию)

Геотермическая власть (Нагревают → Электроэнергию)

Тепловые двигатели, такие как двигатель внутреннего сгорания, используемый в автомобилях или паровом двигателе (Нагревают → Механическую энергию)

Океанская тепловая власть (Нагревают → Электроэнергию)

• Гидроэлектрические дамбы (Гравитационная потенциальная энергия → Электроэнергия)
• Электрический генератор (Кинетическая энергия или Механическая работа → Электроэнергия)
• Топливные элементы (Химическая энергия → Электроэнергия)
• Батарея (электричество) (Химическая энергия → Электроэнергия)
• Огонь (Химическая энергия → Высокая температура и Свет)
• Электрическая лампа (Электроэнергия → Высокая температура и Свет)
• Микрофон (Кажутся → Электроэнергией)

• Энергия волн (Механическая энергия → Электроэнергия)
• Ветряные мельницы (Энергия ветра → Электроэнергия или Механическая энергия)
• Piezoelectrics (Напрягают → Электроэнергию)

Acoustoelectrics (Кажутся → Электроэнергией)

• Трение (Кинетическая энергия → Высокая температура)
• Нагреватель (Электроэнергия → Высокая температура)
• Лампочка (электричество → свет)

Преобразование паровой энергии

Паровые турбины могут применяться в промышленности как способ трансформации энергии в приемлемую форму, так и в качестве самостоятельного генератора электричества или тепла из специально направляемых потоков условного газа. Далеко не одни турбинные машины используются как устройства преобразования электрической энергии в составе с паровыми генераторами, но их конструкция оптимально подходит для организации этого процесса с высоким КПД. Простейшее техническое решение – турбина с лопатками, к которой подключаются сопла с подаваемым паром. По мере движения лопастей происходит вращение электромагнитной установки внутри аппарата, выполняется механическая работа и вырабатывается ток.

Некоторые конструкции турбин имеют специальные расширения в виде ступеней, где происходит превращение механической энергии пара в кинетическую. Данная особенность устройства обуславливается не столько интересами повышения производительности преобразования энергии генератора или необходимостью выработки именно кинетического потенциала, сколько обеспечением возможности гибкой регуляции работы турбины. Расширение в турбине обеспечивает функцию управления, что дает возможность эффективной и безопасной регуляции объемов генерируемой энергии. К слову, рабочая область расширения, которая включается в процесс преобразования, называется активной ступенью давления.

Общие сведения о технологии преобразования

Вам будет интересно:Жаркий — это… Толкование и синонимы

Необходимость использования разных видов энергии связана с различиями в процессах, для которых требуется питающий ресурс. Тепло требуется для отопления, механическая энергия – для силовой поддержки движения механизмов, а свет – для освещения. Электричество можно назвать универсальным источником энергии и с точки зрения ее преобразования, и в плане возможностей применения в разных сферах. В качестве исходной энергии обычно используются природные явления, а также искусственно организованные процессы, способствующие генерации того же тепла или механического усилия. В каждом случае требуется определенный вид оборудования или сложного технологического сооружения, в принципе позволяющего обеспечивать преобразование энергии в нужную для конечного или промежуточного потребления форму. Причем среди задач преобразователя выделяется не только трансформация как перевод энергии из одного вида в другой. Зачастую данный процесс служит и для изменения некоторых параметров энергии без ее трансформации.

Вам будет интересно:Павел Павлович Демидов: благотворительность, семья и карьера

Преобразование как таковое может быть одноступенчатым или многоступенчатым. Кроме того, например, работа солнечных генераторов на фотокристаллических элементах обычно рассматривается как трансформация энергии света в электричество. Но вместе с этим возможно и преобразование тепловой энергии, которую Солнце отдает грунту в результате нагрева. Геотермальные модули размещаются на определенной глубине в земле и посредством специальных проводников наполняют энергетическим запасам аккумуляторы. В простой схеме преобразования геотермальная система обеспечивает накопление энергии тепла, которая отдается отопительному оборудованию в чистом виде с базовой подготовкой. В сложной структуре задействуется тепловой насос в единой группе с конденсаторами тепла и компрессорами, которые обеспечивают преобразование тепла и электроэнергию.

Использование солнечной энергии в быту

Говоря о том, что солнечная энергия помогает экономить на применении традиционных ресурсов, стоит заметить, что подобное преимущество станет действительно полезным людям, обладающим своими частными участками. Собственный дом дает возможность установить оборудование для преобразования энергии, которое сможет удовлетворять, даже если и не полностью, хотя бы часть энергетических потребностей. Это поможет значительно снизить потребление централизованного энергоснабжения и уменьшить расходы.

Солнечная энергия – это отличный источник для таких процессов:

• Пассивный обогрев и охлаждение дома. Не следует забывать о том, что Солнце и так греет все, что существует на Земле, и ваш дом не исключение. Поэтому можно усилить благотворное воздействие, внеся на этапе строительства определенные поправки, и использовав специальные техники. Таким образом, вы получите дом с гораздо более комфортной теплорегуляцией без особых вложений.
• Нагрев воды с помощью солнечной энергии. Применение энергии солнечных лучей для подогрева воды – это самый простой и дешевый способ, доступный человеку. Подобное оснащение можно купить по адекватным ценам. При этом они смогут окупить себя достаточно быстро, ощутимо снизив расходы на централизованное энергоснабжение.
• Освещение улиц. Это самый простой и дешевый способ использования солнечной энергии. Специальные устройства, которые поглощают за день солнечную радиацию, а в темное время суток освещают участки, очень популярны среди владельцев частных домов и сейчас.

Уранплутониевый топливный цикл

Чтобы подготовить топливо для использования на АЭС, осуществляются процессы по добыче, переработке, конверсии, обогащению и выпуску твэлов. Топливный цикл:

1. Выгорание урана 235.
2. Шлакование – 235U и (239Pu, 241Pu) из 238U.
3. В процессе распада 235U расход его уменьшается, а из 238U при выработке э/энергии получаются изотопы.

Себестоимость твэлов для ВВР примерно 20 % себестоимости вырабатываемого электричества.

После того как уран проведет около трех лет в реакторе, используемое топливо может пройти еще один процесс использования, включая временное хранение, переработку и рециркуляцию до удаления отходов. АЭС обеспечивает прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Тепло, выделяемое во время ядерного деления в активной зоне реактора, используется для превращения воды в пар, который вращает лопасти паровой турбины, приводя в действие генераторы, вырабатывающие электричество.

Пар охлаждается, превращаясь в воду в отдельной структуре на силовой установке, называемой градирней, которая использует воду из прудов, рек или океана для охлаждения чистой воды паросилового контура. Затем охлажденную воду повторно используют для получения пара.

Доля выработки электроэнергии на АЭС, по отношению к общему балансу выработки их разных видов ресурсов, в разрезе некоторых стран и в мире — на фото ниже.

Доступный солнечный ресурс

Общий спектр электромагнитных волн, излучаемых Солнцем, определяется как солнечное излучение или инсоляции света. Только небольшая часть этого излучения попадает на Землю. Солнечный свет, который попадает на поверхность Земли содержит видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый свет. Время в пути для солнечного света от Солнца до Земли составляет примерно около 8 минут. Доступный солнечный ресурс в различных местах нашей планеты различен. Тропические регионы предлагают лучший ресурс, чем более умеренные широты. Например, средняя мощность облучения в Европе составляет около 1000 Вт/ч на квадратный метр по сравнению с 1800 Вт/ч на Среднем Востоке. 

Сейчас фотоэлектрические системы могут обеспечить 276 х 106 МВт/ч энергии, что эквивалентно только 1% от глобального спроса. Хотя за свой срок службы типичный фотоэлектрический модуль в солнечном климате будет производить более чем в двадцать раз больше электроэнергии, первоначально используемой для его производства. Использование энергии солнца считается более экологичным, чем обычные способы использования источников, таких как ископаемое топливо и уголь. Солнечная энергия на сегодняшний день является крупнейшим энергетическим ресурсом на Земле.

Альтернативные источники

Солнечная энергия  поступает на Землю от Солнца в виде света. Когда большинство людей думают о свете, они думают о солнечной энергии. Но солнечная – не единственная форма, которая исходит от Солнца. Ветер также является формой, которую солнце помогает сделать. Миллионы лет назад  Энергия Солнца помогала производить ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ. Теперь эти ископаемые виды топлива обеспечивают работающие автомобили, отопление домов и питание компьютеров.

Большая часть энергии в мире используется в виде ископаемого топлива. Эти виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, поступают от Солнца. Солнечная энергия хранится в растениях и животных, которые вымерли миллионы лет назад.

Сжигание ископаемых видов топлива является единственным способом высвобождения накопленных  в них ресурсов. Проблема с ископаемыми видами топлива заключается в том, что они загрязняют окружающую среду, и они занимают очень много времени. Это невозобновляемые источники энергии. После того, как ископаемые виды топлива были использованы, они ушли навсегда.

Возобновляемые источники энергии заканчиваются. Люди во всем мире ищут альтернативные источники, которые являются экологически чистыми, безопасными и возобновляемыми. Некоторые были использованы в течение многих лет. Некоторые все еще находятся на экспериментальной стадии. Большинство из них используются для производства электрической энергии, но некоторые используются в их первоначальном виде.

Альтернативные (возобновляемые) источники энергии включают:

Солнечная

Солнечная энергия поступает от солнца в виде электромагнитных волн. Количество Земли получает в год более чем достаточно, чтобы обеспечить все мировые потребности на этот год.

Ветра

Движение воздуха (ветер) является результатом неравномерного нагрева земной поверхности солнцем. Ветряные турбины превращаются в ветер и вырабатывают электричество.

Гидроэлектрическая

Когда вода, накопленная высоко за плотиной, стекает по трубам в электростанцию, ее гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, которая превращает турбины, генерирующие электричество.

Биомасса

Это органический материал, который преобразуется в том числе и жидкое биотопливо. Древесина – это форма биомассы. Сжигание древесной щепы производит газ, который сжигается, чтобы высвободить ресурсы, которые могут быть использованы для обеспечения отопления или использоваться для производства электроэнергии.

Приливная

Приливы вызваны притяжением Луны. Плотина через лиман может удерживать воду, а затем использовать ее для выработки электроэнергии.

Биогаз

Разлагаемые животные, отходы и нечистоты производят лэндфилл-газ. Когда лэндфилл-газ совмещается  с углекислым газом  производится метан. Процесс происходит в закрытом контейнере, называемом метантенка. В Индии и Китае этот способ используют для получения топлива для приготовления пищи.

Волновая

Волны вызваны ветром, дующим через море. Большие поплавки которые двигают вверх и вниз с волнами теперь используются для генерации электричества.

Водород

Водород используется в топливных элементах. Его можно совместить с кислородом для того чтобы произвести электрический ток. Он горит легко выпуская большое количество тепловой энергии.