Generator elektryczny to urządzenie, które przekształca formę energii w energię elektryczną. Istnieje wiele różnych rodzajów generatorów energii elektrycznej. Większość światowej produkcji energii elektrycznej pochodzi z generatorów opartych na odkryciu naukowca Michaela Faradaya z 1831 roku, że poruszanie magnesem wewnątrz cewki drutu powoduje (indukuje) przepływ prądu elektrycznego w przewodzie. Stworzył pierwszy generator elektryczności zwany dyskiem Faradaya , który działa w oparciu o ten związek między magnetyzmem a elektrycznością i który doprowadził do zaprojektowania generatorów elektromagnetycznych, których używamy dzisiaj.
Generatory elektromagnetyczne wykorzystują elektromagnes — magnes wytwarzany przez elektryczność — a nie tradycyjny magnes. Podstawowy generator elektromagnetyczny ma szereg izolowanych cewek drutu, które tworzą nieruchomy cylinder – zwany stojanem – otaczający wał elektromagnetyczny – zwany wirnikiem. Obracanie wirnika powoduje przepływ prądu elektrycznego w każdym odcinku cewki drutu, która staje się oddzielnym przewodnikiem elektrycznym. Prądy w poszczególnych odcinkach łączą się w jeden duży prąd. Ten prąd to energia elektryczna, która przepływa z generatorów przez linie energetyczne do konsumentów. Generatory elektromagnetyczne napędzane kinetycznymi (mechanicznymi) głównymi napędami odpowiadają za prawie całą produkcję energii elektrycznej w USA.
Generatory napędzane turbiną
Większość produkcji energii elektrycznej w USA i na świecie pochodzi z elektrowni, które wykorzystują turbiny do napędzania generatorów energii elektrycznej. W generatorze turbiny poruszający się płyn — woda, para, gazy spalinowe lub powietrze — popycha szereg łopatek zamontowanych na wale wirnika. Siła płynu na łopatki obraca/obraca wał wirnika generatora. Generator z kolei przetwarza energię mechaniczną (kinetyczną) wirnika na energię elektryczną. Różne typy turbin obejmują turbiny parowe, turbiny spalinowe (gazowe), turbiny hydroelektryczne i turbiny wiatrowe.
Schemat generatora turbiny elektrycznej.
Turbiny parowe są wykorzystywane do wytwarzania większości światowej energii elektrycznej i odpowiadały za około 44% produkcji energii elektrycznej w USA w 2020 roku. Większość turbin parowych ma kocioł, w którym spalane jest paliwo w celu wytworzenia gorącej wody i pary w wymienniku ciepła, oraz para napędza turbinę napędzającą generator. Reaktory jądrowe wykorzystują jądrowe pręty paliwowe do wytwarzania pary. Elektrownie słoneczne i większość elektrowni geotermalnych wykorzystuje turbiny parowe. Większość największych elektrowni w USA korzysta z turbin parowych.
Spalinowe turbiny gazowe , które są podobne do silników odrzutowych, spalają paliwa gazowe lub płynne w celu wytworzenia gorących gazów, które obracają łopatkami turbiny.
Turbiny parowe i spalinowe mogą pracować jako samodzielne generatory w jednym cyklu lub połączone w sekwencyjnym cyklu łączonym. Systemy o cyklu kombinowanym wykorzystują gazy spalinowe z jednej turbiny do generowania większej ilości energii elektrycznej w innej turbinie. Większość systemów o cyklu łączonym ma oddzielne generatory dla każdej turbiny. W jednowałowych układach cyklu kombinowanego obie turbiny mogą napędzać jeden generator. Dowiedz się więcej o różnych typach elektrowni w cyklu skojarzonym . W 2020 roku elektrownie pracujące w cyklu skojarzonym dostarczały około 35% produkcji energii elektrycznej netto w USA .
Elektrociepłownie (CHP) , które można nazwać kogeneratorami , wykorzystują ciepło, które nie jest bezpośrednio przekształcane w energię elektryczną w turbinie parowej, turbinie spalinowej lub generatorze silnika spalinowego wewnętrznego spalania do wytwarzania ciepła z procesów przemysłowych lub do ogrzewanie pomieszczeń i wody. Większość największych elektrociepłowni w Stanach Zjednoczonych znajduje się w obiektach przemysłowych, takich jak celulozownie i papiernie, ale są one również wykorzystywane w wielu uczelniach, uniwersytetach i obiektach rządowych. Elektrociepłownie i elektrociepłownie pracujące w cyklu skojarzonym to jedne z najbardziej wydajnych sposobów przekształcania paliw palnych w użyteczną energię.
Turbiny hydroelektryczne wykorzystują siłę poruszającej się wody do obracania łopatek turbiny do zasilania generatora. Większość elektrowni wodnych wykorzystuje wodę zmagazynowaną w zbiorniku lub skierowaną z rzeki lub strumienia. Te konwencjonalne elektrownie wodne odpowiadały za około 7% produkcji energii elektrycznej w USA w 2020 r. Elektrownie szczytowo-pompowe wykorzystują te same typy turbin wodnych, co konwencjonalne elektrownie wodne, ale są one uważane za systemy magazynowania energii elektrycznej (patrz poniżej). Inne typy turbin hydroelektrycznych, zwane turbinami hydrokinetycznymi, są wykorzystywane w systemach energii pływów i fal. Dowiedz się więcej o różnych typach turbin hydroelektrycznych .
Turbiny wiatrowe wykorzystują siłę wiatru do poruszania łopatami wirnika w celu zasilania generatora. Istnieją dwa ogólne typy turbin wiatrowych : turbiny o osi poziomej (najczęściej) i turbiny o osi pionowej. Turbiny wiatrowe były źródłem około 8% produkcji energii elektrycznej w USA w 2020 roku.
Systemy konwersji energii cieplnej oceanów (OTEC) wykorzystują różnicę temperatur między wodami oceanicznymi na różnych głębokościach do napędzania turbiny do produkcji energii elektrycznej.
Inne rodzaje generatorów
Istnieje wiele różnych rodzajów generatorów energii elektrycznej, które nie wykorzystują turbin do wytwarzania energii elektrycznej. Obecnie najczęściej używane są systemy fotowoltaiczne (PV) i silniki spalinowe.
Ogniwa fotowoltaiczne zamieniają światło słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną. Służą do zasilania urządzeń tak małych jak zegarki na rękę i można je łączyć w panele, które są połączone ze sobą w tablice, aby zasilać pojedyncze domy lub tworzyć duże elektrownie. Elektrownie fotowoltaiczne (PV) są obecnie jednym z najszybciej rozwijających się źródeł wytwarzania energii elektrycznej na świecie. W Stanach Zjednoczonych elektrownie fotowoltaiczne były źródłem około 2% całkowitej produkcji energii elektrycznej na skalę użytkową w 2020 roku.
Silniki spalinowe , takie jak silniki Diesla, są używane na całym świecie do wytwarzania energii elektrycznej, w tym w wielu odległych wioskach na Alasce. Są również szeroko stosowane do mobilnego zasilania na placach budowy oraz do zasilania awaryjnego lub awaryjnego dla budynków i elektrowni. Generatory z silnikiem Diesla mogą wykorzystywać różne paliwa, w tym olej napędowy, paliwa płynne na bazie biomasy i biogaz, gaz ziemny i propan. Małe generatory spalinowe zasilane benzyną, gazem ziemnym lub propanem są powszechnie używane przez ekipy budowlane i rzemieślników oraz do awaryjnego zasilania domów.
Inne typy generatorów energii elektrycznej obejmują ogniwa paliwowe , silniki Stirlinga (stosowane w solarnych generatorach z parabolicznymi talerzami) oraz generatory termoelektryczne .
Systemy magazynowania energii do wytwarzania energii elektrycznej obejmują magazynowanie z pompą wodną, magazynowanie sprężonego powietrza, baterie elektrochemiczne i koła zamachowe. Te systemy magazynowania energii wykorzystują energię elektryczną do ładowania magazynu lub urządzenia, a ilość energii elektrycznej, którą mogą dostarczyć, jest mniejsza niż ilość, jaką zużywają do ładowania. W związku z tym produkcja energii elektrycznej netto z systemów magazynowania jest liczona jako ujemna, aby uniknąć podwójnego liczenia zużycia energii elektrycznej do ładowania systemu magazynowania.