Jak działa generowanie elektryczności?
Generatory elektryczne to urządzenia, które przekształcają jedną formę energii w energię elektryczną. Istnieje wiele różnych rodzajów generatorów. Większość generowanych na świecie ilości energii elektrycznej pochodzi z generatorów opartych na odkryciu naukowca Michaela Faradaya z 1831 roku, że poruszanie magnesem wewnątrz cewki powoduje (indukuje) przepływ prądu elektrycznego w przewodzie. Faraday skonstruował pierwszy generator elektryczny, nazywany dyskiem Faradaya, który działał na zasadzie zależności między magnetyzmem a elektrycznością i doprowadził do opracowania generatorów elektromagnetycznych, których używamy dzisiaj.
Generatory elektromagnetyczne wykorzystują elektromagnes - magnes wytwarzany przez prąd elektryczny, a nie tradycyjny magnes. Podstawowy generator elektromagnetyczny składa się z izolowanych cewek z drutu, które tworzą cylindryczną stacjonarną część zwana stojanem, otaczającą wałek elektromagnetyczny zwany wirnikiem. Obracanie wirnikiem powoduje przepływ prądu elektrycznego w każdej sekcji cewki, która staje się oddzielnym przewodnikiem elektrycznym. Prądy w poszczególnych sekcjach łączą się, tworząc jeden duży prąd. Ten prąd to energia elektryczna, która przemieszcza się z generatorów przez linie zasilające do konsumentów. Generatory elektromagnetyczne napędzane przez kinetyczne (mechaniczne) napędy stanowią prawie całą ilość generowanej energii elektrycznej w USA.
Generatory napędzane turbinami
Większość generowanej w USA i na świecie energii elektrycznej pochodzi z elektrowni, które wykorzystują turbinę do napędu generatorów. W generatorze turbinowym płyn w ruchu - woda, para, gazy spalinowe lub powietrze - napędza serie łopatek zamontowanych na wale wirnika. Siła płynu na łopatkach obraca wałek wirnika generatora. Generator z kolei przekształca energię mechaniczną (kinetyczną) wirnika na energię elektryczną. Różne rodzaje turbin obejmują turbiny parowe, turbiny spalinowe (gazowe), turbiny wodne i turbiny wiatrowe.
Turbiny parowe są używane do generowania większości energii elektrycznej na świecie i stanowiły około 45% generowanej energii elektrycznej w USA w 2021 roku. Większość turbin parowych ma kocioł, w którym paliwo jest spalane, aby wytworzyć gorącą wodę i parę w wymienniku ciepła, a para napędza turbinę, która napędza generator. Reaktory jądrowe wykorzystują pręty paliwowe jądrowe do produkcji pary. Elektrownie słoneczne termalne i większość elektrowni geotermalnych wykorzystuje turbiny parowe. Większość największych elektrowni w USA wykorzystuje turbiny parowe.
Turbiny spalinowe, podobne do silników odrzutowych, spalają paliwa gazowe lub ciekłe, aby wytworzyć gorące gazy, które obracają łopatki owej turbiny.
Turbiny parowe i spalinowe mogą być stosowane jako generatory samodzielne w cyklu pojedynczym lub połączone w cyklu kombinowanym. Układy cyklu kombinowanego wykorzystują gazy spalinowe z jednej turbiny do wygenerowania większej ilości energii w innej turbinie. Większość układów cyklu kombinowanego ma oddzielne generatory dla każdej turbiny. W jednoosobowych układach cyklu kombinowanego obie turbiny mogą napędzać jeden generator. Dowiedz się więcej o różnych rodzajach elektrowni cyklu kombinowanego. W 2021 roku elektrownie cyklu kombinowanego dostarczyły około 33% generowanej energii elektrycznej w USA.
Elektrociepłownie (CHP), nazywane też kogeneratorami, wykorzystują ciepło, które nie jest bezpośrednio przekształcane w energię elektryczną w turbinie parowej, turbiny spalinowej lub silniku spalinowym do generowania ciepła procesowego lub do ogrzewania przestrzeni i wody. Większość największych elektrociepłowni w Stanach Zjednoczonych znajduje się w zakładach przemysłowych, takich jak młyny celulozowe i papiernicze, ale są one również stosowane w wielu college'ach, uniwersytetach i obiektach rządowych. Elektrociepłownie i elektrownie cyklu kombinowanego należą do najbardziej wydajnych sposobów przekształcania palnego paliwa w użyteczną energię.
Turbiny hydroelektryczne wykorzystują siłę poruszającej się wody do obracania łopatek turbiny, która napędza generator. Większość elektrowni wodnych wykorzystuje wodę przechowywaną w zbiornikach lub przekierowaną z rzeki lub strumienia. Te konwencjonalne elektrownie wodne stanowiły około 6% generowanej energii elektrycznej w USA w 2021 roku. Elektrownie pompowanej energii wodnej używają tych samych rodzajów turbin wodnych, co konwencjonalne elektrownie wodne, ale są uważane za systemy magazynowania energii (patrz poniżej). Inne rodzaje turbin hydroelektrycznych, zwane turbinami hydrokinetycznymi, są stosowane w elektrowniach pływowych i falowych. Dowiedz się więcej o różnych rodzajach turbin hydroelektrycznych.
Turbiny wiatrowe wykorzystują moc wiatru do poruszania łopatkami wirnika, które napędzają generator. Istnieją dwa ogólne rodzaje turbin wiatrowych: o osi poziomej (najbardziej popularne) i o osi pionowej. Turbiny wiatrowe były źródłem około 9% generowanej energii elektrycznej w USA w 2021 roku.
Systemy konwersji energii oceanicznej (OTEC) wykorzystują różnicę temperatury między wodą oceaniczną na różnych głębokościach do napędu turbiny w celu produkcji energii elektrycznej.
Inne rodzaje generatorów
Istnieje wiele innych rodzajów generatorów elektrycznych, które nie wykorzystują turbin do wytwarzania energii elektrycznej. Najczęściej używane obecnie to instalacje fotowoltaiczne (PV) i silniki spalinowe.
Komórki fotowoltaiczne przekształcają bezpośrednio energię słoneczną na energię elektryczną. Są one stosowane do zasilania urządzeń takich jak zegarki i mogą być połączone w panele, a te z kolei włączone w serie, aby zasilać pojedyncze domy lub tworzyć duże elektrownie. Elektrownie fotowoltaiczne (PV) są obecnie jednym z najszybciej rozwijających się źródeł energii elektrycznej na świecie. W Stanach Zjednoczonych elektrownie PV stanowiły około 3% całkowitej generowanej energii elektrycznej w 2021 roku.
Silniki spalinowe, takie jak silniki diesla, są szeroko stosowane na całym świecie do generowania energii elektrycznej, w tym w wielu odległych wioskach w Alasce. Są również powszechnie stosowane jako mobilne źródła zasilania na placach budowy i jako zasilanie awaryjne lub rezerwowe dla budynków i elektrowni. Generatory z silnikami spalinowymi mogą korzystać z różnych paliw, w tym oleju napędowego, paliw płynnych opartych na biomasy i biogazie, gazu ziemnego i propanu. Małe generatory z silnikami spalinowymi zasilane benzyną, gazem ziemnym lub propanem są często używane przez ekipy budowlane i rzemieślników oraz jako zasilanie awaryjne dla domów.
Inne rodzaje generatorów elektrycznych obejmują ogniwa paliwowe, silniki Stirlinga (stosowane w generatorach parabolicznych systemów termicznych słonecznych) oraz generatory termoelektryczne.
Systemy magazynowania energii elektrycznej obejmują pompowane elektrownie wodne, magazynowanie sprężonym powietrzem, baterie elektrochemiczne i koła zamachowe. Te systemy magazynowania energii używają energii elektrycznej do ładowania instalacji lub urządzenia, a ilość dostarczonej przez nie energii jest mniejsza niż ilość zużywanej do ładowania. Dlatego generowana przez systemy magazynowania energia elektryczna jest uważana za ujemną, aby uniknąć podwójnego uwzględnienia zużycia energii do ładowania systemu magazynowania.
Perpetuum mobile i przeróbka alternatora na prądnice na magnesach stałych.
Zejdźmy na ziemię: Perpetuum mobile nie istnieje. I i II zasada termodynamiki są nieubłagane – nie da się wyprodukować energii "z niczego", a każda maszyna ma straty (ciepło, tarcie). Jeśli jednak szukasz sposobu na niezależność energetyczną, zamiast walczyć z fizyką, wykorzystaj ją.
Przeróbka alternatora na prądnicę (PMG):
To jeden z najpopularniejszych projektów wśród budowniczych małych elektrowni wiatrowych. Standardowy alternator samochodowy potrzebuje prądu do wytworzenia pola magnetycznego (elektromagnes). Przeróbka polega na usunięciu tego uzwojenia i zastąpieniu go silnymi magnesami neodymowymi. Dzięki temu prądnica generuje napięcie już przy niskich obrotach i nie wymaga akumulatora do wzbudzenia.
O czym musisz wiedzieć przed startem?
Pamiętaj, że taka modyfikacja to ingerencja w konstrukcję, która wiąże się z utratą gwarancji i ryzykiem mechanicznym. Jeśli nie czujesz się na siłach, by wyliczyć cewki i dobrać szczelinę powietrzną, skonsultuj projekt na forach branżowych lub z elektrykiem.
Jak przerobić alternator na prądnicę na magnesach stałych?
Budowa prądnicy wolnoobrotowej (PMG) z alternatora to klasyk w świecie DIY. Proces polega na zastąpieniu uzwojenia wirnika magnesami neodymowymi, co pozwala na generowanie prądu bez zasilania wzbudzenia. Oto sprawdzony schemat działania:
1. Przygotowanie wirnika (Toczenie): Oryginalny wirnik (pazury) należy stoczyć na tokarce, usuwając stare uzwojenie miedziane, aż do uzyskania gładkiego wałka o odpowiedniej średnicy. Wymiar musi uwzględniać grubość magnesów oraz tzw. szczelinę powietrzną (zazwyczaj 0,5 - 1 mm od stojana).
2. Dobór i montaż magnesów: Najczęściej stosuje się magnesy płytkowe (np. 40x10x5 mm) w klasie N38 lub N42. Kluczowe jest ich ułożenie z lekkim skosem względem osi wirnika. Ten zabieg niweluje zjawisko "zaskoków" (cogging), czyli szarpania przy starcie, co jest krytyczne dla słabych wiatrów.
3. Polaryzacja (N-S-N-S): Magnesy muszą być klejone naprzemiennie biegunami. Błąd na tym etapie sprawi, że prądnica nie zadziała. Do klejenia używaj wyłącznie mocnych klejów epoksydowych (dwuskładnikowych) odpornych na wibracje i temperaturę.
4. Przezwajanie stojana (Opcjonalnie): Fabryczne uzwojenie alternatora jest projektowane pod wysokie obroty. Aby uzyskać napięcie ładowania (12V/24V) przy niskich obrotach wiatraka (np. 200-400 obr./min), często konieczne jest przewinięcie stojana cieńszym drutem, ale o większej liczbie zwojów.
Wskazówka eksperta: Gotowy wirnik z magnesami warto owinąć bandażem z włókna szklanego i żywicy. Zabezpieczy to magnesy przed oderwaniem siłą odśrodkową przy silnym wietrze.
Filtry magnetyczne
Pytania i odpowiedzi
Źródła:
Tagi:
poniedziałek 2023-06-12T18:00:00