Все про генераторы электрической энергии

Чтобы привести в действие разнообразную технику, простую и сложную, обитателям цивилизованного мира необходима электроэнергия и её источники – генераторы.

Определение

Самое общее функциональное описание электрогенератора: это устройство, которое преобразует неэлектрическую энергию (тепловую, световую, химическую или механическую) в электрическую.

В зависимости от вида исходной энергии и конструктивного решения устройства, такой генератор способен создать более или менее высокое напряжение, выдать постоянный или переменный ток разной силы.

История разработки и принципы действия

История электрогенераторов начинается ещё в древней Персии, со знаменитой багдадской батарейки – керамического сосуда с медным цилиндром и железным стержнем внутри него. При заполнении лимонным соком древнеперсидский артефакт способен генерировать напряжение до 4 вольт. Это было, по-видимому, исторически первое устройство, которое преобразовывало химическую энергию в электрическую.

Две тысячи лет спустя, в XVIIIвеке, итальянец Алессандро Вольта изобрёл родоначальник нынешних батареек – «вольтов столб». В нём электрическая энергия получалась за счёт химических процессов в кислотном растворе с цинковым и медным элементами.

В начале XIX века были в ходу электростатические генераторы, заряжавшиеся от трения диэлектриков. Эти устройства давали высокое напряжение, но слабый ток и в промышленных масштабах не применялись.

После того, как Майкл Фарадей открыл связь электричества и магнетизма, европейская техническая революция получила исключительно мощный толчок для развития. Во множестве стали появляться и быстро совершенствоваться генераторы, основанные на одном факте: если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, на его концах возникает разность потенциалов. Таким образом, механическая энергия движения преобразуется в электрическую. В мировой промышленности электрогенераторы с этим принципиальным устройством до сих пор остаются основными, а движение обеспечивают паровые, газовые, водяные турбины.

Разработка в ХХ веке эффективных полупроводниковых материалов, в которых свет Солнца порождает электрическую энергию – солнечных батарей – привела к возникновению экологически чистых электрогенераторов с неисчерпаемым и бесплатным источником первичной энергии.

Успехи физики полупроводников позволили также создать модули Пельтье, основанные на перепаде температур в месте контакта двух веществ с разной проводимостью. Этим модулям-генераторам нужен источник нагрева, тепло которого превращается в электроэнергию с помощью высокопродуктивных полупроводниковых преобразователей.

Основные виды современных генераторов

Самыми распространёнными и особенно хорошо разработанными являются аппараты, использующие электромагнитную индукцию – с вращающимся ротором, неподвижным статором и тонким воздушным зазором между этими основными элементами.

Такие генераторы вырабатывают электрическую энергию, преобразуя её из механической энергии вращения. При этом вращательное движение ротора могут обеспечивать многочисленные устройства – от педалей на велосипеде до мощных турбин, и самые разные силы – от ветра, мускулов и приливных волн до нагретых газов и паров.

Частота вращения ротора может в точности совпадать с частотой вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Так происходит в синхронных генераторах. Для них характерна высокая устойчивость к пиковым нагрузкам вплоть до трёхкратных. Частоту вращения ротора можно плавно регулировать без полной остановки устройства. Выходное напряжение достаточно стабильно – возможные перепады составляют не более 5% номинала. «Слабым местом» синхронных генераторов долгое время оставались щётки для передачи тока на обмотки ротора. Этот элемент конструкции быстро изнашивался. Однако современные технические решения позволяют производить бесщёточные синхронные генераторы, свободные от этого недостатка. Такие установки широко применяют в быту и промышленности.

Если ротор вращается в одном направлении с магнитным полем, но с более высокой скоростью, так что соответствующие частоты не совпадают – это асинхронный генератор. Его устройство проще (ротор не имеет обмоток), надёжность выше, срок службы длительнее, он несложен в обслуживании, устойчив к короткому замыканию, однако из-за технических особенностей такие генераторы используются по большей части в быту, в автономных электростанциях средней и малой мощности, а для сварочных аппаратов. Для питания сложной техники напряжение, выдаваемое асинхронным источником, может быть недостаточно стабильным.

Как синхронные, так и асинхронные устройства производят переменный ток, синусоидальная характеристика которого далека от идеала. Такое питание не подойдёт для точной электроники и компьютерной техники. Чтобы «нарисовать» гладкую синусоиду, применяют инверторные генераторы, в которых первично выработанный «грубый» переменный ток подаётся на выпрямитель, превращающий его в постоянный. При этом пульсации тока сглаживаются мощными фильтрами. Затем этот постоянный ток снова преобразуется в переменный – стабильный, практически идеальный. Инверторные генераторы компактны, работают без шума, но ограничены по мощности.

Предлагаем к ознакомлению большой материал о бензиновых и дизельных генераторах, речь о которых пойдет ниже

По типу первичного двигателя синхронные, асинхронные и инверторные генераторы могут быть турбинными и гидравлическими (на крупных промышленных объектах), а также бензиновыми, дизельными и газовыми, широко применяющимися в быту. В частности:

• Бензиновые электрогенераторы содержат двух- или четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания и собственно генератор на единой раме, снабжённой амортизаторами. Оба блока объединены общим валом, так что двигатель прямо обеспечивает вращение ротора. В качестве топлива применяется высокооктановый бензин. Такие электрогенераторы компактны, недороги, работают не слишком шумно, могут успешно эксплуатироваться при низких температурах. Вместе с тем, у них ограниченный ресурс и существенный расход бензина. Систематическое техобслуживание и топливо должного качества увеличивает срок службы. Генераторы на бензине применяются как резервные и автономные источники питания небольшой мощности.
• Дизельные электрогенераторы состоят из дизельного двигателя и по крайней мере одного генератора. Работа этих мощных устройств, имеющих потенциально высокий ресурс, на холостом ходу или при малых нагрузках нежелательна, так как в этих условиях топливо сгорает не полностью и детали двигателя ускоренно засоряются. В остальном дизельные генераторы долговечны, надёжны в эксплуатации, стабильны по параметрам выдаваемой электроэнергии, экономичны по расходу топлива и менее пожароопасны, чем бензиновые. Вместе с тем, их стоимость выше, чем у бензиновых генераторов, они тяжелее, шумнее, нуждаются в предварительном нагреве в условиях низких температур, сложнее в ремонте, требуют нагрузки не менее 40% от номинальной мощности. Эти устройства намного целесообразнее использовать в качестве основных автономных источников питания.
• Газовые электрогенераторы сходны с бензиновыми по конструктивному решению и принципу действия с той только разницей, что топливным ресурсом для двигателя внутреннего сгорания служит газ. Газовое топливо может быть сжиженным (смесь бутана и пропана) и сетевым (метан). Универсальные газовые электрогенераторы работают как на бензине, так и на сжиженном газе. Ресурс службы газового генератора выше, чем у бензинового, так как продукты сгорания газа меньше изнашивают детали двигателя. Недостатком устройств с газовым питанием является потенциальная взрывоопасность этого топлива и необходимость обязательного подведения сетевого газа либо применения газовых баллонов.

Подробнее про газовые генераторы

Бензиновые, дизельные, газовые генераторы, в свою очередь, подразделяются на трёх- и однофазные. Каждая категория используется в соответствии с фазностью нагрузки, потребляющей электроэнергию.

Кроме двигателей, вращающих роторы генераторов на традиционных видах топлива, механическую энергию могут поставлять:

• Морские волны и приливы. Первые волновые электростанции малой мощности открыты у побережья Португалии и неподалёку от Оркнейских островов. Приливные электростанции построены в шести странах, в том числе, в России.
• Ветер. Ветроэнергетические установки достаточно густо покрывают Западную Европу, а Дания, например, уже обеспечивает 25% потребности в электроэнергии за счёт ветра.
• Мускульная сила. В дополнение к имеющимся велогенераторам миллиардер Манодж Бхаргава активно продвигает общедоступное педальное устройство с аккумулятором, которое, по его замыслу, снабдит индивидуальным электричеством самые отдалённые жилища.

Остановимся подробнее на ветрогенераторах. Предлагаем посмотреть видео об этих устройствах на примере самого большого из них

Развитие прежних генераторных схем и создание новых разработок на базе альтернативных естественных источников обусловлено технологической цивилизацией и будет продолжаться, пока она существует.