Преобразование энергии: определение, виды и процесс передачи

Обеспечение нужд человечества достаточным количеством энергии – одна из ключевых задач, которые стоят перед современной наукой. В связи с повышением энергозатратности процессов, направленных на поддержание базовых условий существования общества, возникают острые проблемы не только генерации больших объемов энергии, но и сбалансированной организации систем ее распределения. И тема преобразования энергии имеет ключевое значение в данном контексте. От этого процесса зависит коэффициент выработки полезного энергетического потенциала, а также уровень затрат на обслуживание технологических операций в рамках используемой инфраструктуры.

Общие сведения о технологии преобразования

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.

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.

Ссылки [ править ]

1. Петрочелли, R. (2015). «Одноквадрантные преобразователи мощности с переключаемым режимом». В Бейли, Р. (ред.). Труды Школы акселераторов CAS – CERN: Преобразователи мощности
   . Женева: ЦЕРН . п. 15. arXiv : 1607.02868 . DOI : 10,5170 / CERN-2015-003 . ISBN 9789290834151 .
2. Electric Power Around the World. Архивировано 6 сентября 2009 г.в Wayback Machine , Kropla.com.

• Авраам И. Прессман (1997). Импульсный источник питания
  . Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-052236-7 .
• Нед Мохан, Торе М. Унделэнд, Уильям П. Роббинс (2002). Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн
  . Вайли. ISBN 0-471-22693-9 .
• Фанг Линь Ло, Хун Е, Мухаммад Х. Рашид (2005). Цифровая силовая электроника и приложения
  . Эльзевир. ISBN 0-12-088757-6 .
• Фанг Линь Ло, Хун Е (2004). Усовершенствованные преобразователи постоянного тока в постоянный
  . CRC Press. ISBN 0-8493-1956-0 .
• Минглян Лю (2006). Демистификация схем с коммутируемыми конденсаторами
  . Эльзевир. ISBN 0-7506-7907-7 .

Виды преобразования электрической энергии

Существуют разные технологические методы извлечения первичной энергии из естественных природных явлений. Но еще больше возможностей для изменения свойств и форм энергии дают аккумулированные энергоресурсы, поскольку они хранятся в удобном для трансформации виде. К наиболее распространенным формам преобразования энергии можно отнести операции излучения, нагрева, механического и химического воздействия. В наиболее сложных системах применяются процессы молекулярного распада и многоуровневые химические реакции, в которых объединяется несколько этапов преобразования.

Выбор конкретного способа трансформации будет зависеть от условий организации процесса, вида изначальной и конечной энергии. Среди самых распространенных видов энергии, которые в принципе участвуют в процессах преобразования можно выделить лучистую, механическую, тепловую, электрическую и химическую энергию. Как минимум, данные ресурсы успешно эксплуатируются в промышленности и бытовом хозяйстве. Отдельного внимания заслуживают косвенные процессы преобразования энергии, которые являются производными той или иной технологической операции. К примеру, в рамках металлургического производства требуется выполнение операций нагрева и охлаждения, в результате которых вырабатывается пар и тепло как производные, но не целевые ресурсы. В сущности, это отходные продукты переработки, которые также находят применение, подвергаются трансформации или использованию в рамках этого же предприятия.

Преобразование энергии тепла

Один из старейших с точки зрения освоения и самых важных для поддержания жизнедеятельности человека энергетических источников, без которых невозможно представить жизнь современного общества. В большинстве случаев тепло преобразуется в электроэнергию, причем простая схема такой трансформации не требует подключения промежуточных этапов. Однако в тепловых и атомных электростанциях в зависимости от условий их работы может применяться этап подготовки с переводом тепловой в механическую энергию, что требует дополнительных затрат. Сегодня все чаще для преобразования тепловой энергии в электричество используются термоэлектрические генераторы прямого действия.

Сам процесс трансформации происходит в специальном веществе, которое сжигается, выделяет тепло и в дальнейшем выступает источником генерации тока. То есть термоэлектрические установки могут рассматриваться как источники электроэнергии с нулевым циклом, так как их работа запускается еще до появления базовой тепловой энергии. В качестве основного ресурса выступают топливные элементы – как правило, газовые смеси. Они сжигаются, в результате чего происходит нагрев теплораспределительной металлической пластины. В процессе отвода тепла через специальный генераторный модуль с полупроводниковыми материалами происходит преобразование энергии. Электрический ток генерируется радиаторной установкой, подключенной к трансформатору или аккумулятору. В первом варианте энергия сразу поступает к потребителю в готовом виде, а во втором – накапливается и отдается по мере надобности.

Преобразование мощности постоянного тока [ править ]

DC в DC [ править ]

Основная статья: преобразователь постоянного тока в постоянный

Следующие устройства могут преобразовывать постоянный ток в постоянный: [ требуется дополнительное объяснение

]

• Линейный регулятор
• Регулятор напряжения
• Мотор-генератор
• Поворотный преобразователь
• Импульсный источник питания

DC в AC [ править ]

Следующие устройства могут преобразовывать постоянный ток в переменный: [ требуется дополнительное объяснение

]

• Инвертор мощности
• Мотор-генератор
• Поворотный преобразователь
• Импульсный источник питания

Генерация тепловой энергии из механической

Также один из самых распространенных способов получения энергии в результате преобразования. Суть его заключается в способности тел отдавать тепловую энергию в процессе совершения работы. В простейшем виде данную схему трансформации энергии демонстрирует пример с трением двух деревянных предметов, в результате чего возникает огонь. Однако для использования данного принципа с ощутимой практической пользой требуются специальные устройства.

В бытовом хозяйстве преобразование механической энергии имеет место в системах отопления и водоснабжения. Это сложные технические конструкции с магнитопроводом и шихтованным сердечником, подключенным к замкнутым электропроводящим контурам. Также внутри рабочей камеры данной конструкции проходят трубы отопления, которые нагреваются под действием совершаемой работы от привода. Недостатком данного решения можно назвать необходимость подключения системы к электросети.

В промышленности используются более мощные преобразователи с жидким теплоносителем. Источник механической работы подключается к замкнутым резервуарам с водой. В процессе движения исполнительных органов (турбин, лопастей или других элементов конструкции) внутри контура создаются условия для вихреобразования. Это происходит в моменты резкого торможения лопастей. Кроме нагрева в данном случае повышается и давление, что облегчает процессы циркуляции воды.

Атомные электростанции

Развитие атомной энергетики обусловлено следующими причинами:

1. исчерпаемость углеводородных источников (разведанные мировые запасы нефти – на 46 лет, газа – на 60 лет, см. п. 1). В то же время ожидается, что глобальное потребление энергоресурсов к 2030 г. увеличится на 60 %).
2. проблема глобального изменения климата, связанная с эмиссией парниковых газов от углеводородных источников энергии.

Тепловые схемы АЭС зависят от типа реактора, вида теплоносителя, состава оборудования, и могут быть одно-, двух-и трехконтурными. При одноконтурной схеме, как видно из рис. 9, пар вырабатывается непосредственно в реакторе и поступает в паровую турбину. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и конденсат подается насосом в реактор.

Рис. 9. Схема одноконтурной АЭС: 1 – атомный реактор; 2 – турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор водяных паров; 5 – питательный насос

Недостатки: пар (рабочее тело) на выходе из реактора становится радиоактивным, что предъявляет повышенные требования к биологической защите и затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.

В двухконтурной схеме (рис. 10) давление в первом контуре (контуре теплоносителя) значительно выше, чем во втором. Полученный в теплогенераторе пар подается в турбину, совершает работу, затем конденсируется, и конденсат питательным насосом подается в парогенератор. Это усложняет установку и уменьшает ее экономичность, но препятствует появлению радиоактивности во втором контуре.

Рис. 10. Схема одноконтурной АЭС: 1 – атомный реактор; 2 – теплообменник-парогенератор; 3 – главный циркуляционный насос; 4 – турбина; 5 – электрогенератор; 6 – конденсатор водяных паров; 7 – питательный насос

В трехконтурной схеме (рис. 11) теплоносителями первого контура служат жидкие металлы (например, натрий). Радиоактивный натрий из реактора поступает в теплообменник промежуточного контура с натрием, которому отдает теплоту и возвращается в реактор. Давление натрия во втором контуре выше, чем в первом, что исключает утечку радиоактивного натрия.

В промежуточном втором контуре натрий отдает теплоту рабочему телу (воде) третьего контура. Образовавшийся пар поступает в турбину, совершает работу, конденсируется и поступает в парогенератор.

Во всем мире самая дешевая энергия вырабатывается на атомных электростанциях. По предварительным оценкам, Белорусской АЭС будет производить около 27–30 % всей потребляемой в республике энергии (Франция – 78 %).

Рис. 11. Схема трехконтурной АЭС: 1 – ядерный реактор с первичной биологической защитой; 2 – вторичная биологическая защита; 3 – турбина; 4 – генератор; 5 – конденсатор; 6 – циркуляционные насосы; 7 – регенеративный теплообменник; 8 – резервуар с водой; 9 – парогенератор; 10 – промежуточный теплообменник; Т – повышающий трансформатор; ТСН – трансформатор собственных нужд; РУ ВН – распределительное устройство высокого напряжения (110 кВ и выше); РУ СН – распределительное устройство собственных нужд

Ввод в эксплуатацию Белорусской АЭС на фоне существующей динамики цен на внешние энергоносители позволит сдержать рост тарифов на электроэнергию. На Белорусской атомной электростанции будет два энергоблока с реакторами типа ВВЭР-1200 (водноводяной) каждый мощностью до 1200 МВт (рис. 12, 28). Проектируемая мощность АЭС составляет 2,4 тыс. МВт (КПД – около 30 %). Срок ввода в эксплуатацию первого энергоблока – 2022 г.

Рис. 12. Схема реактора типа ВВЭР Белорусской АЭС

Рис. 13. Общий вид строительной площадки Белорусской АЭС

Недостатки АЭС:

1. При эксплуатации АЭС образуется большое количество радиоактивных веществ в топливе, теплоносителе, конструкционных материалах, что требует специальных методов их утилизации, и соблюдения требований безопасности для обслуживающего персонала.
2. Требования специальных методов утилизации или переработки отработанного топлива.
3. Опасность аварий. Для решения этой проблемы повышаются требования к надежности и безопасности АЭС.

Преобразование электромеханической энергии

Большинство современных технических агрегатов работает на принципах электромеханики. Синхронные и асинхронные электрические машины и генераторы используются в транспорте, станочном оборудовании, промышленных инженерных узлах и прочих силовых установках разного назначения. То есть электромеханические виды преобразования энергии применимы и к генераторному, и к двигательному режимам работы в зависимости от текущих требований приводной системы.

В обобщенном виде любую электрическую машину можно рассматривать как систему взаимно перемещающихся магнитно-связанных электрических цепей. К подобным явлениям также относят гистерезис, насыщение, высшие гармоники и магнитные потери. Но в классическом представлении относить их к аналогам электрических машин можно лишь в случае, если речь идет о динамических режимах, когда система работает в рамках энергетической инфраструктуры.

В основе системы электромеханического преобразования энергии лежит принцип двух реакций с двухфазными и трехфазными компонентами, а также метод вращающихся магнитных полей. Ротор и статор двигателей выполняют механическую работу под действием магнитного поля. В зависимости от направления движения заряженных частиц устанавливается режим работы – в качестве мотора или генератора.

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.

Преобразование энергии солнечного излучения

Как способ преобразования энергии процесс обработки солнечного света уже в скором будущем может стать самым востребованным в энергетике. Связано это с тем, что даже в наши дни каждый домовладелец теоретически может приобрести оборудование для преобразования солнечной энергии в энергию электрическую. Ключевой особенностью данного процесса является бесплатность аккумулируемого солнечного света. Другое дело, что это не делает процесс полностью лишенным расходов. Во-первых, затраты потребуются на техническое обслуживание солнечных аккумуляторов. Во-вторых, и сами генераторы такого типа стоят недешево, поэтому первичное вложение в организацию собственной мини-энергостанции пока могут себе позволить немногие.

Что же представляет собой солнечный генератор энергии? Это комплект фотоэлектрических панелей, выполняющих преобразование энергии солнечных лучей в электричество. Сам принцип этого процесса во многом схож с работой транзистора. В качестве основного материала для изготовления фотоэлементов используется кремний в разных вариантах. Например, устройство для преобразования энергии Солнца может быть поли- и монокристаллическим. Второй вариант предпочтительнее по рабочим характеристикам, но стоит дороже. В обоих случаях происходит освещение фотоэлемента, при котором активизируются электроды и в процессе их движения вырабатывается электродинамическая сила.

Гидроэнергетика

Гидроэлектроэнергия является традиционным источником энергии с одной стороны и возобновляемым – с другой. В настоящее время гидроэнергия составляет около 4 % от общего мирового потребления энергии.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, посредством которых энергия водных потоков или расположенных на относительно более высоких уровнях водоемов преобразуется в электрическую энергию (рис. 14).

Технологический процесс получения электроэнергии на ГЭС включает:

• создание разных уровней воды с помощью плотины (исключение: мини ГЭС проточного типа);
• превращение энергии потока воды в энергию вращения вала гидравлической турбины;
• превращение гидрогенератором энергии вращения в энергию электрического тока.

Рис. 14. Оборудование ГЭС

Индикаторами мощности гидроэлектростанции являются расход воды и гидростатический напор, зависящий от разности высот между начальной и конечной точками падения воды. Проект станции может основываться на каком-то одном из этих показателей или на обоих.

Преимущества гидроэлектростанций:

• работа ГЭС не сопровождается выделением угарного газа и углекислоты, окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других вредных отходов, тем самым не загрязняет почву;
• вода – возобновляемый источник энергии;
• производительность ГЭС легко контролировать, изменяя скорость водяного потока (объем воды, подводимый к турбинам);
• водохранилища, сооружаемые для гидростанций, можно использовать в качестве зон отдыха, порой вокруг них складывается поистине захватывающий пейзаж;
• вода в искусственных водохранилищах, как правило, чистая, так как примеси осаждаются на дне. Эту воду можно использовать для питья, мытья, купания и ирригации.

Недостатки гидроэлектростанций:

• большие водохранилища затопляют значительные участки земли, которые могли бы использоваться с другими целями;
• разрушение или авария плотины большой ГЭС практически неминуемо вызывает катастрофическое наводнение ниже по течению реки;
• сооружение ГЭС неэффективно в равнинных районах;
• протяженная засуха снижает и может даже прервать производство электроэнергии ГЭС;
• экологические проблемы: плотина снижает уровень растворенного в воде кислорода, поскольку нормальное течение реки практически останавливается, что отрицательно влияет на флору и фауну водохранилища; плотина может нарушить нерестовый цикл рыбы.

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.

Преобразование мощности переменного тока [ править ]

AC в DC [ править ]

Следующие устройства могут преобразовывать переменный ток в постоянный: [ требуется дополнительное объяснение

]

• Выпрямитель
• Блок питания от сети (БП)
• Мотор-генератор
• Поворотный преобразователь
• Импульсный источник питания

AC в AC [ править ]

Основная статья: преобразователь переменного тока в переменный

Следующие устройства могут преобразовывать переменный ток в переменный: [ требуется дополнительное объяснение

]

• Трансформатор или автотрансформатор
• Преобразователь напряжения
• Регулятор напряжения
• Циклоконвертер
• Трансформатор переменной частоты
• Мотор-генератор
• Поворотный преобразователь
• Импульсный источник питания

Способы передачи энергии

Способы трансформации энергии невозможно рассматривать без понятия ее передачи. На сегодняшний день выделяется четыре способа взаимодействия тел, при которых происходит передача энергии, – электрический, гравитационный, ядерный и слабый. Передачу в данном контексте можно рассматривать и как способ обмена, поэтому принципиально разделяют совершение работы при передаче энергии и функцию теплообмена. Какие преобразования энергии предусматривают совершение работы? Типичным примером является механическое усилие, при котором в пространстве происходит перемещение макроскопических тел или отдельных частиц тел. Помимо механической силы также выделяют магнитную и электрическую работу. Ключевым объединяющим свойством практически для всех типов работ является способность к полному количественному преобразованию между собой. То есть электричество трансформируется в механическую энергию, механическая работа в магнитный потенциал и т.д. Теплообмен также является распространенным способом передачи энергии. Он может быть ненаправленным или хаотическим, но в любом случае происходит движение микроскопических частиц. Количество активизированных частиц будет определять объем тепла – полезную теплоту.

Электрические сети. Электрическая изоляция. Потери энергии при транспортировке

Электроэнергетическая (электрическая) система – это совокупность электрических частей станций, сетей и потребителей электроэнергии, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления электроэнергии (рис. 25). Электрическая сеть – совокупность электроустановок для распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, воздушных и кабельных линий электропередачи (рис. 26).

Выбор номинального напряжения ЛЭП определяется передаваемой мощностью и расстоянием.

По величине номинального напряжения сети подразделяются:

• на сети низкого напряжения (НН) – до 1,0 кВ (рис. 27, а);
• среднего напряжения (СН) – 3–35 кВ;
• высокого напряжения (ВН) – 110–220 кВ (рис. 27, б);
• сверхвысокого напряжения (СВН) – 330–750 кВ;
• ультравысокого напряжения (УВН) – свыше 1000 кВ (рис. 27, в).

Рис. 25. Схема магистральных электросетей Беларуси

Рис. 26. Типовые электроустановки электросети

Рис. 27. Общий вид электросетей различного напряжения

Важный элемент электрических сетей – линии электропередач. В настоящее время используются воздушные (см. рис. 27) и кабельные линии электропередач (рис. 28). Воздушные линии электропередач – традиционная, хорошо отработанная технология в электроэнергетике. Они дешевле в монтаже, но подвержены влиянию внешних воздействий (обрывы, повреждения, коррозия и т. п.), кроме этого занимают земельные угодья (особенно с учетом охранной зоны). Этих недостатков лишены кабельные линии электропередач. Однако высоковольтные кабели являются дорогостоящими изделиями, требующими специальных методов изоляции. С развитием технологий стоимость кабелей снижается.

Рис. 28. Общий вид и прокладка кабельных линий электропередач

Электрическая подстанция – электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления, распределительных и вспомогательных устройств (рис. 29).

Рис. 29. Общий вид оборудования подстанций различной мощности

В состав подстанций входит кроме трансформаторов большое количество силового коммутационного оборудования, системы и секции шин, системы защиты и автоматики, заземляющие устройства и др.

В электрических сетях применяются следующие виды изоляции:

• воздушная (обеспечение необходимого расстояния между проводами (рис. 30));
• с помощью керамических изоляторов (см. рис. 30);
• пластмассовая, бумажная (кабельные линии) (рис. 31).

Рис. 30. Воздушная изоляция и изоляция с помощью керамических изоляторов

Рис. 31. Бумажная и пластмассовая изоляция электрических кабелей

1. Потери технического характера. Они возникают при передаче энергии по электросетям и обусловливаются физическими процессами, которые происходят в проводах и оборудовании:
   падение напряжения за счет сопротивления проводов. Закон Ома: U = I · R, P = U · I);
2. реактивные потери (неполного поглощения энергии, ее отражения от нагрузки и циркуляция паразитных токов в проводах при cos f ≠ 1 (обычно 0,3–0,8);
3. увеличение сопротивления контактов (износ контактов переключателей, пускателей и др.;
4. токи утечки (уменьшение сопротивления изоляции). Электрические сооружения и агрегаты могут быть отдельно стоящими или встроенными в основные промышленные объекты и обеспечивать технологические процессы, работу агрегатов, контроль и управление производством.
5. Электроэнергия, которая расходуется на обеспечение работы подстанций и деятельности персонала.
6. Потери, которые обусловлены погрешностями при измерении приборами электроэнергии.
7. Потери коммерческого характера. Это хищения энергии, различия в показаниях счетчиков и произведенной оплаты потребителями.

Международные эксперты определили, что энергетические потери при передаче по электрическим сетям считаются соответствующими требованиям, если их показатель не выше 4–5 %. В том случае, когда они достигают 10 % их нужно считать максимально допустимыми (для стран с большой территорией). Как уже отмечалось выше, в настоящее время энергопотери в электросетях Республики Беларусь не превышают 9 %.