Как работает генератор

Панели солнечных батарей и водородные топливные элементы генерируют электричество, но чаще всего, если речь идет о генераторах, имеется в виду двигатель, который преобразует механическую энергию, полученную от внешнего источника, в электроэнергию. Эти генераторы могут быть достаточно компактными, чтобы обеспечивать электроэнергией одно устройство или достаточно большими, чтобы запитать целый город.

ГенераторИстория

Механические генераторы как крупные, так и малые основаны на явлении электромагнитной индукции, которое открыл английский физик Майкл Фарадей в 1831 году. Первый известный генератор был построен Ипполитом Пикси в 1832 году из двух катушек и подковообразного магнита. В том же году Майкл Фарадей сконструировал униполярный генератор. В нем вращающийся по оси униполярной индукции цилиндрический магнит генерировал постоянный ток.

Первым генератором, который нашел широкое применение в промышленности, был генератор компании Alliance, разработанный профессором Нолле в 1849 году. Последующим, промышленно значимым развитием генераторов, стало изобретение в 1866 году Вернером фон Сименсом генератора без постоянных магнитов, основанным на принципе динамо-электрики.

В 1891 году на Международной выставке электротехники во Франкфурте была представлена машина для производства многофазного переменного тока. Это стало основой для изобретения многофазных генераторов. Один из первых таких генераторов был создан Францем Пихлером в 1892 году в Австро-Венгрии. Машина успешно была введена в эксплуатацию, в дальнейшем был усовершенствован до трехфазного и использовался вплоть до второй половины 20-го века.

В последующие годы были построены многочисленные генераторные электростанции. В основном это были электростанции источником механической энергии, которых была гидроэнергия, реже – энергия пара. Первая крупномасштабная гидроэлектростанция в мире была построена на Ниагарском водопаде в 1895 году, паровая электростанция была запущена в том же году в Будапеште.

Принцип действия и виды генераторов

Все электрические генераторы, которые работают на основе электромагнитной индукции, преобразуют механическую мощность в электрическую энергию. Механическая энергия подается к генератору в виде вращения механического вала. Преобразование энергии основано на силе Лоренца, действующей на перемещение электрических зарядов в магнитном поле. Изменение магнитного поля направлено перпендикулярно к проводнику. Сила Лоренца действует на заряды в проводнике, приводя их в движение. Это приводит к образованию разницы потенциалов между концами проводника и создает электрическое напряжение. Для увеличения напряжения используются последовательно соединенные катушки с проводником.

Генератор устройствоБольшинство генераторов состоят из двух основных компонентов. Ток генерируется в статоре, твердое металлическое ядро, вокруг которого намотан проводник (проволока). Концы обмотки статора подключены к выходным клеммам генератора. Ротор или якорь вращается вокруг статора и производит переменное магнитное поле. В небольших генераторах ротор, как правило, имеет постоянные магниты, но в более крупных генераторах, таких как на электростанциях, магнитное поле создается с помощью магнитных катушек индуктивности.

Диапазон источников внешней энергии достаточно широкий, от ручного привода до силы воды. В генераторах личного пользования привод ротора обычно осуществляется от бензинового двигателя, а в более мощных, способных вырабатывать 10 кВт и более применяются дизельные двигатели. В генераторах, применяемых на электростанциях, для вращения ротора используют паровые турбины. Тепловая энергия для получения пара, вырабатывается от сжигания ископаемого топлива, например уголь, или из ядерного деления. На гидроэлектростанциях для вращения турбины используется сила воды естественного водопада или искусственно направляемого течения.

__Линейный генератор в своей простейшей форме представляет собой двигатель Штельцера. Это двухтактный поршневой двигатель прямолинейной симметричной конструкции. Поршневая пара, соединенная между собой шатуном, помещена в цилиндры. На шатуне, который свободно колеблется, вместе с поршнями, расположен магнитопровод, выполняющий функцию якоря. Главное отличие линейного генератора от роторного – использование не вращательного движения подвижной части, а возвратно-поступательного.

Гидроэлектростанции в ветряные турбины – два примера использования возобновляемых источников энергии. Их работа не полагается на ресурс, который может быть исчерпан, таких как ископаемое топливо. Еще один пример – геотермальные генераторы, используют тепло земли для создания пара, который вращает турбину ротора. Солнечные генераторы не полагаются на явление электромагнитной индукции. В основу их работы положен фотоэлектрический эффект, благодаря которому солнечный свет, попадая на полупроводниковую поверхность, создает электроэнергию. Солнечные панели производят постоянный ток, поэтому для работы в обычных электросетях в их конструкцию включают инвертор для преобразования постоянного тока в переменный.