Почему автомобильные генераторы вырабатывают переменный ток? Откуда берется электричество? Источники электроэнергии Кто придумал генератор

Генератор тока преобразует механическую (кинетическую) энергию в электроэнергию. В энергетике пользуются только вращающимися электромашинными генераторами, основанными на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, на который каким-либо образом действует изменяющееся магнитное поле. Ту часть генератора, которая предназначена для создания магнитного поля, называют индуктором, а часть, в которой индуцируется ЭДС – якорем.

Вращающуюся часть машины называют ротором , а неподвижную часть – статором . В синхронных машинах переменного тока индуктором обычно является ротор, а в машинах постоянного тока – статор. В обоих случаях индуктор представляет собой обычно двух- или многополюсную электромагнитную систему, снабженную обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током (током возбуждения), но встречаются и индукторы, состоящие из системы постоянных магнитов. В индукционных (асинхронных) генераторах переменного тока индуктор и якорь не могут четко (конструктивно) различаться друг от друга (можно сказать, что статор и ротор одновременно являются и индуктором и якорем).

Более 95 % электроэнергии на электростанциях мира производится при помощи синхронных генераторов переменного тока . При помощи вращающегося индуктора в этих генераторах создается вращающееся магнитное поле, наводящее в статорной (обычно трехфазной) обмотке переменную ЭДС, частота которой точно соответствует частоте вращения ротора (находится в синхронизме с частотой вращения индуктора). Если индуктор, например, имеет два полюса и вращается с частотой 3000 r/min (50 r/s), то в каждой фазе статорной обмотки индуцируется переменная ЭДС частотой 50 Hz. Конструктивное исполнение такого генератора упрощенно изображено на рис. 1.

Рис. 1. Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-X, V-Y, W-Z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз

Магнитная система статора представляет собой спрессованный пакет тонких стальных листов, в пазах которого располагается статорная обмотка. Обмотка состоит из трех фаз, сдвинутых в случае двухполюсной машины друг относительно друга на 1/3 периметра статора; в фазных обмотках индуцируются, следовательно, ЭДС, сдвинутые друг относительно друга на 120o. Обмотка каждой фазы, в свою очередь, состоит из многовитковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Один из наиболее простых вариантов конструктивного исполнения такой трехфазной обмотки двухполюсного генератора упрощенно представлен на рис. 2 (обычно число катушек в каждой фазе больше, чем показано на этом рисунке). Те части катушек, которые находятся вне пазов, на лобовой поверхности статора, называются лобовыми соединениями.

Рис. 2. Простейший принцип устройства статорной обмотки трехфазного двухполюсного синхронного генератора в случае двух катушек в каждой фазе. 1 развертка поверхности магнитной системы статора, 2 катушки обмотки, U, V, W начала фазных обмоток, X, Y, Z концы фазных обмоток

Полюсов индуктора и, в соответствии с этим, полюсных делений статора, может быть и больше двух. Чем медленнее вращается ротор, тем больше должно быть при заданной частоте тока число полюсов. Если, например, ротор вращается с частотой 300 r/min, то число полюсов генератора, для получения частоты переменного тока 50 Hz, должно быть 20. Например, на одной из крупнейших гидроэлектростанций мира, ГЭС Итайпу (Itaipu, см. рис. 4) генераторы, работающие на частоте 50 Hz, исполнены 66-полюсными, а генераторы, работающие на частоте 60 Hz – 78-полюсными.

Обмотка возбуждения двух- или четырехполюсного генератора размещается, как показано на рис. 1, в пазах массивного стального сердечника ротора. Такая конструкция ротора необходима в случае быстроходных генераторов, работающих при частоте вращения в 3000 или 1500 r/min (особенно для турбогенераторов, предназначенных для соединения с паровыми турбинами), так как при такой скорости на обмотку ротора действуют большие центробежные силы. При большем числе полюсов каждый полюс имеет отдельную обмотку возбуждения (рис. 3.12.3). Такой явнополюсный принцип устройства применяется, в частности, в случае тихоходных генераторов, предназначенных для соединения с гидротурбинами (гидрогенераторов), работающих обычно при частоте вращения от 60 r/min до 600 r/min.

Очень часто такие генераторы, в соответствии с конструктивным исполнением мощных гидротурбин, выполняются с вертикальным валом.

Рис. 3. Принцип устройства ротора тихоходного синхронного генератора. 1 полюс, 2 обмотка возбуждения, 3 колесо крепления, 4 вал

Обмотку возбуждения синхронного генератора обычно питают постоянным током от внешнего источника через контактные кольца на валу ротора. Раньше для этого предусматривался специальный генератор постоянного тока (возбудитель), жестко связанный с валом генератора, а в настоящее время используются более простые и дешевые полупроводниковые выпрямители. Встречаются и системы возбуждения, встроенные в ротор, в которых ЭДС индуцируется статорной обмоткой. Если для создания магнитного поля вместо электромагнитной системы использовать постоянные магниты, то источник тока возбуждения отпадает и генератор становится значительно проще и надежнее, но в то же время и дороже. Поэтому постоянные магниты применяются обычно в относительно маломощных генераторах (мощностью до нескольких сотен киловатт).

Конструкция турбогенераторов, благодаря цилиндрическому ротору относительно малого диаметра, очень компактна. Их удельная масса составляет обычно 0,5…1 kg/kW, и их номинальная мощность можеь достигать 1600 MW. Устройство гидрогенераторов несколько сложнее, диаметр ротора велик и удельная масса их поэтому обычно 3,5…6 kg/kW. До настоящего времени они изготовлялись номинальной мощностью до 800 MW.

При работе генератора в нем возникают потери энергии, вызванные активным сопротивлением обмоток (потери в меди), вихревыми токами и гистерезисом в активных частях магнитной системы (потери в стали) и трением в подшипниках вращающихся частей (потери на трение). Несмотря на то, что суммарные потери обычно не превышают 1…2 % мощности генератора, отвод тепла, освобождающегося в результате потерь, может оказаться затруднительным. Если упрощенно считать, что масса генератора пропорциональна его мощности, то его линейные размеры пропорциональны кубическому корню мощности, а поверхностные размеры – мощности в степени 2/3. С увеличением мощности, следовательно, поверхность теплоотвода растет медленнее, чем номинальная мощность генератора. Если при мощностях порядка нескольких сотен киловатт достаточно применять естественное охлаждение, то при бoльших мощностях необходимо перейти на принудительную вентиляцию и, начиная приблизительно со 100 MW, использовать вместо воздуха водород. При еще больших мощностях (например, более 500 MW) необходимо дополнить водородное охлаждение водным. У крупных генераторах надо специально охлаждать и подшипники, обычно используя для этого циркуляцию масла.

Тепловыделение генератора можно значительно уменьшить путем применения сверхпроводящих обмоток возбуждения. Первый такой генератор (мощностью 4 MVA), предназначенный для применения на судах, изготовила в 2005 году немецкая электротехническая фирма Сименс (Siemens AG) . Номинальное напряжение синхронных генераторов, в зависимости от мощности, находится обычно в пределах от 400 V до 24 kV. Использовались и более высокие номинальные напряжения (до 150 kV), но чрезвычайно редко. Кроме синхронных генераторов сетевой частоты (50 Hz или 60 Hz) выпускаются и высокочастотные генераторы (до 30 kHz) и генераторы пониженной частоты (16,67 Hz или 25 Hz), используемые на электрифицированных железных дорогах некоторых европейских стран. К синхронным генераторам относится, в принципе, и синхронный компенсатор, представляющий собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу и отдающий в высоковольтную распределительную сеть реактивную мощность. При помощи такой машины можно покрыть потребление реактивной мощности местных промышленных электропотребителей и освободить основную сеть энергосистемы от передачи реактивной мощности.

Кроме синхронных генераторов относительно редко и при относительно малых мощностях (до нескольких мегаватт) могут использоваться и асинхронные генераторы . В обмотке ротора такого генератора ток индуцируется магнитным полем статора, если ротор вращается быстрее, чем статорное вращающееся магнитное поле сетевой частоты. Необходимость в таких генераторах возникает обычно тогда, когда невозможно обеспечить неизменную скорость вращения первичного двигателя (например, ветряной турбины, некоторых малых гидротурбин и т. п.).

У генератора постоянного тока магнитные полюсы вместе с обмоткой возбуждения располагаются обычно в статоре, а обмотка якоря – в роторе. Так как в обмотке ротора при его вращении индуцируется переменная ЭДС, то якорь необходимо снабжать коллектором (коммутатором), при помощи которого на выходе генератора (на щетках коллектора) получают постоянную ЭДС. В настоящее время генераторы постоянного тока применяются редко, так как постоянный ток проще получать при помощи полупроводниковых выпрямителей.

К электромашинным генераторам относятся и электростатические генераторы , на вращающейся части которых путем трения (трибоэлектрически) создается электрический заряд высокого напряжения. Первый такой генератор (вращаемый вручную серный шар, который электризовался при трении об руку человека) изготовил в 1663 году мэр города Магдебурга (Magdeburg, Германия) Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686). В ходе своего развития такие генераторы позволяли открывать многие электрические явления и закономерности. Они и сейчас не потеряли своего значения как средств проведения экспериментальных исследований по физике.

Первый изготовил 4 ноября 1831 года профессор Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867). Генератор состоял из подковообразного постоянного магнита и медного диска, вращающегося между магнитными полюсами (рис. 3.12.4). При вращении диска между его осью и краем индуцировалась постоянная ЭДС. По такому же принципу устроены более совершенные униполярные генераторы, находящие применение (хотя относительно редко) и в настоящее время.

Рис. 4. Принцип устройства униполярного генератора Майкла Фарадея. 1 магнит, 2 вращающийся медный диск, 3 щетки. Рукоятка диска не показана

Майкл Фарадей родился в бедной семье и после начальной школы, в возрасте 13 лет, поступил учеником переплетчика книг. По книгам он самостоятельно продолжал свое образование, а по Британской энциклопедии ознакомился с электричеством, изготовил электростатический генератор и лейденскую банку. Для расширения своих знаний он начал посещать публичные лекции по химии директора Королевского института Гемфри Дэви (Humphrey Davy, 1778–1829), а в 1813 году получил должность его ассистента. В 1821 году он стал главным инспектором этого института, в 1824 году – членом Королевского общества (Royal Society) и в 1827 году – профессором химии Королевского института. В 1821 году он начал свои знаменитые опыты по электричеству, в ходе которых предложил принцип действия электродвигателя, открыл явление электромагнитной индукции, принцип устройства магнитоэлектрического генератора, закономерности электролиза и много других основополагающих физических явлений. Спустя год после вышеописанного опыта Фарадея, 3 сентября 1832 года, парижский механик Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835) изготовил по заказу и под руководством основоположника электродинамики Андре Мари Ампера (Andre Marie Ampere, 1775–1836) генератор с вращаемым вручную, как у Фарадея, магнитом (рис. 5). В якорной обмотке генератора Пикси индуцируется переменная ЭДС. Для выпрямления получаемого тока к генератору вначале пристроили открытый ртутный коммутатор, переключающий полярность ЭДС при каждом полуобороте ротора, но вскоре он был заменен более простым и безопасным цилиндрическим щеточным коллектором, изображенным на рис. 5.

Рис. 5. Принцип устройства магнитоэлектрического генератора Ипполита Пикси (a), график индуцируемой ЭДС (b) и график получаемой при помощи коллектора пульсирующей постоянной ЭДС (c). Рукоятка и конусная зубчатая передача не показаны

Генератор, построенный по принципу Пикси, впервые применил в 1842 году на своем заводе в Бирмингеме (Birmingham) для электропитания гальванических ванн английский промышленник Джон Стивен Вульрич (John Stephen Woolrich, 1790–1843), использовав в качестве приводного двигателя паровую машину мощностью 1 л. с. Напряжение его генератора составляло 3 V, номинальный ток – 25 A и кпд – около 10 %. Такие же, но более мощные генераторы быстро начали внедряться и на других гальванических предприятиях Европы. В 1851 году немецкий военный врач Вильгельм Йозеф Зинштеден (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803–1891) предложил использовать в индукторе вместо постоянных магнитов электромагниты и питать их током от меньшего вспомогательного генератора; он же обнаружил, что кпд генератора увеличится, если стальной сердечник электромагнита изготовить не массивным, а из параллельных проволок. Однако идеи Зинштедена стал реально использовать только в 1863 году английский электротехник-самоучка Генри Уайльд (Henry Wilde, 1833–1919), который предложил, среди прочих нововведении, насадить машину-возбудитель (англ. exitatrice) на вал генератора. В 1865 году он изготовил генератор невиданной доселе мощности в 1 kW, при помощи которого он мог демонстрировать даже плавку и сварку металлов.

Важнейшим усовершенствованием генераторов постоянного тока стало их самовозбуждение , принцип которого запатентовал в 1854 году главный инженер государственных железных дорог Дании Сёрен Хьёрт (Soren Hjorth, 1801–1870), но не нашедшее в то время практического применения. В 1866 году этот принцип снова открыли независимо друг от друга несколько электротехников, в том числе уже упомянутый Г. Уайльд, но широко известным он стал в декабре 1866 года, когда немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens, 1816–1892) применил его в своем компактном и высокоэффективном генераторе. 17 января 1867 года в Берлинской академии наук был прочитан его знаменитый доклад о динамоэлектрическом принципе (о самовозбуждении). Самовозбуждение позволило отказатьса от вспомогательных генераторов возбуждения (от возбудителей), что обусловило возможность выработки намного более дешевой электроэнергии в больших количествах. По этой причине год 1866 часто считают годом зарождения электротехники сильного тока. В первых самовозбуждающихся генераторах обмотку возбуждения включали, как у Сименса, последовательно (сериесно) с якорной обмоткой, но в феврале 1867 года английский электротехник Чарлз Уитстон (Charles Wheatstone, 1802–1875) предложил параллельное возбуждение, позволяющее лучше регулировать ЭДС генератора, к которому он пришел еще до сообщений о последовательном возбуждении, открытом Сименсом (рис. 6).

Рис. 6. Развитие систем возбуждения генераторов постоянного тока. a возбуждение при помощи постоянных магнитов (1831), b внешнее возбуждение (1851), c последовательное самовозбуждение (1866), d параллельное самовозбуждение (1867). 1 якорь, 2 обмотка возбуждения. Регулировочные реостаты тока возбуждения не показаны

Необходимость в генераторах переменного тока возникла в 1876 году, когда работающий в Париже русский электротехник Павел Яблочков (1847–1894) стал освещать городские улицы при помощи изготовляемых им дуговых ламп переменного тока (свечей Яблочкова). Первые необходимые для этого генераторы создал парижский изобретатель и промышленник Зеноб Теофиль Грамм (Zenobe Theophile Gramme, 1826–1901). С началом массового производства ламп накаливания в 1879 году переменный ток на некоторое время потерял свое значение, но снова обрел актуальность в связи с ростом дальности передачи электроэнергии в середине 1880-х годов. В 1888–1890 годах владелец собственной научно-исследовательской лаборатории Тесла-Электрик (Tesla-Electric Co., Нью-Йорк, США) эмигрировавший в США сербский электротехник Никола Тесла (Nikola Tesla, 1856–1943) и главный инженер фирмы АЭГ (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) эмигрировавший в Германию русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский (1862–1919) разработали трехфазную систему переменного тока. В результате началось производство все более мощных синхронных генераторов для сооружаемых тепло- и гидроэлектростанций.

Важным этапом в развитии турбогенераторов может считаться разработка в 1898 году цилиндрического ротора совладельцем швейцарского электротехнического завода Браун, Бовери и компания (Brown, Boveri & Cie., BBC) Чарлзом Эженом Ланселотом Брауном (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863–1924). Первый генератор с водородным охлаждением (мощностью 25 MW) выпустила в 1937 году американская фирма Дженерал Электрик (General Electric), а с внутрипроводным водяным охлаждением – в 1956 году английская фирма Метрополитен Виккерс (Metropolitan Vickers).

Жизнь современного человека организована таким образом, что ее инфраструктурное обеспечение задействует множество компонентов с разными технико-функциональными свойствами. К таким относится и электроэнергия. Рядовой потребитель не видит и не ощущает, как именно она выполняет свои задачи, но конечный результат вполне заметен в работе бытовой техники, да и не только. При этом вопросы, касающиеся того, откуда берется электричество, в представлении многих пользователей тех же домашних приборов остаются нераскрытыми. Для расширения знаний в этой области стоит начать с понятия об электроэнергии как таковой.

Что такое электричество?

Сложность данного понятия вполне объяснима, так как энергию невозможно обозначить как обычный предмет или явление, доступное визуальному восприятию. При этом существуют два подхода к ответу на вопрос о том, что такое электричество. Определение ученых гласит, что электричество является потоком заряженных частиц, который характеризуется направленным движением. Как правило, под частицами понимаются электроны.

В самой же отрасли энергетики чаще рассматривают электроэнергию как продукт, вырабатываемый подстанциями. С этой точки зрения имеют значение и элементы, которые непосредственно участвуют в процессе формирования и передачи тока. То есть в данном случае рассматривается энергетическое поле, создаваемое вокруг проводника или другого заряженного тела. Чтобы приблизить такое понимание энергии к реальному наблюдению, следует разобраться с таким вопросом: откуда берется электричество? Существуют разные технические средства для производства тока, и все они подчинены одной задаче — снабжению конечных потребителей. Впрочем, до момента, когда пользователи смогут обеспечить свои приборы энергией, она должна пройти несколько этапов.

Выработка электричества

На сегодняшний день в сфере энергетики применяется порядка 10 видов станций, которые обеспечивают генерацию электричества. Это процесс, в результате которого происходит преобразование определенного вида энергии в токовый заряд. Иными словами, электричество формируется в ходе переработки другой энергии. В частности, на специализированных подстанциях используют в качестве основного рабочего ресурса тепловую, ветреную, приливную, геотермальную и другие Отвечая на вопрос относительно того, откуда приходит электричество, стоит отметить инфраструктуру, которой обеспечена каждая подстанция. Любой электрогенератор обеспечен сложной системой функциональных узлов и сетей, которые позволяют аккумулировать вырабатываемую энергию и готовить ее для дальнейшей передачи на узлы распределения.

Традиционные электростанции

Хотя за последние годы тенденции в энергетике меняются быстрыми темпами, можно выделить основные работающих по классическим принципам. В первую очередь это объекты тепловой генерации. Выработка ресурса производится в результате сгорания и последующего преобразования выделяемой При этом существуют разные виды таких станций, в числе которых теплофикационные и конденсационные. Главным отличием между ними является возможность объектов второго типа также генерировать и тепловые потоки. То есть при ответе на вопрос о том, откуда берется электричество, можно отметить и станции, которые параллельно производят и другие виды энергии. Кроме тепловых объектов выработки, достаточно распространены гидро- и атомные станции. В первом случае предполагается от движения воды, а во втором — в результате деления атомов в специальных реакторах.

Альтернативные источники энергии

К данной категории источников энергии принято относить солнечные лучи, ветер, земельные недра и т. д. Особенно распространены различные генераторы, ориентированные на аккумуляцию и преобразование в электричество солнечной энергии. Подобные установки привлекательны тем, что их может использовать любой потребитель в объемах, требуемых для снабжения его дома. Впрочем, широкому распространению подобных генераторов мешает высокая стоимость оборудования, а также нюансы в эксплуатации, обусловленные зависимостью рабочих фотоэлементов от

На уровне крупных энергетических компаний активно развиваются ветряные альтернативные источники электричества. Уже сегодня целый ряд стран использует программы постепенного перехода на этот вид энергообеспечения. Впрочем, и в данном направлении есть свои препятствия, обусловленные маломощностью генераторов при высокой стоимости. Относительно новым альтернативным источником энергии является естественное тепло Земли. В данном случае станции преобразуют тепловую энергию, полученную из глубин подземных каналов.

Распределение электроэнергии

После выработки электроэнергии начинается этап ее передачи и распределения, который обеспечивается энергосбытовыми компаниями. Поставщики ресурса организуют соответствующую инфраструктуру, основу которой составляют электрические сети. Существует два вида каналов, по которым реализуется передача электричества, — воздушные и подземные кабельные линии. Данные сети являются конечным источником и главным ответом на вопрос о том, откуда берется электричество для разных нужд пользователей. Организации-поставщики прокладывают специальные трассы для распределения электроэнергии, используя при этом разные виды кабелей.

Потребители электричества

Электроэнергия требуется для самых разных задач как в бытовом хозяйстве, так и в промышленном секторе. Классическим примером использования данного носителя энергии является освещение. Однако в наши дни электричество в доме служит для обеспечения работы более широкого спектра приборов и оборудования. И это лишь небольшая часть потребностей общества в энергоснабжении.

Данный ресурс также требуется для поддержания работы транспортной инфраструктуры: для обслуживания линий троллейбусов, трамваев и метро и т. д. Отдельно стоит отметить промышленные предприятия. Заводы, комбинаты и перерабатывающие комплексы зачастую требуют подключения огромных мощностей. Можно сказать, это самые крупные потребители электроэнергии, использующие данный ресурс для обеспечения работы технологического оборудования и местной инфраструктуры.

Управление объектами электроэнергетики

Помимо организации электросетевого хозяйства, которое технически обеспечивает возможность передачи и распределения энергии для конечных потребителей, работа данного комплекса невозможна без систем управления. Для реализации этих задач поставщики используют оперативно-диспетчерские пункты, сотрудники которых реализуют централизованный контроль и управление работой вверенных им объектов электроэнергетики. В частности, подобные службы контролируют параметры сетей, к которым подключаются потребители электроэнергии на разных уровнях. Отдельно стоит отметить и отделы которые выполняют техобслуживание сетей, предотвращая износы и восстанавливая повреждения на отдельных участках линий.

Заключение

За все время существования энергетическая отрасль претерпела несколько этапов своего развития. В последнее время наблюдаются новые перемены, обусловленные активным освоением альтернативных источников энергии. Успешное развитие этих направлений уже сегодня дает возможность использовать электричество в доме, полученное от индивидуальных бытовых генераторов независимо от центральных сетей. Впрочем, и в этих отраслях есть определенные сложности. В первую очередь они связаны с финансовыми затратами на закупку и монтаж соответствующего оборудования — тех же солнечных панелей с аккумуляторами. Но поскольку энергия, вырабатываемая от альтернативных источников, является полностью бесплатной, то перспективы дальнейшего продвижения этих областей сохраняют актуальность для разных категорий потребителей.

Генератор превращает механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки {рисунок справа). Электроны {голубые шарики) перемещаются по направлению к положительному полюсу магнита, а электрический ток течет от положительного полюса к отрицательному. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают катушку (проводник), в проводнике индуцируется электрический ток.

Аналогичный принцип работает и при перемещении проволочной рамки относительно магнита {дальний рисунок справа), т. е. когда рамка пересекает силовые линии магнитного поля. Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.

Принцип действия генератора переменного тока

Простейший генератор переменного тока состоит из проволочной рамки, вращающейся между полюсами неподвижного магнита. Каждый конец рамки соединен со своим контактным кольцом, скользящим по электропроводной угольной щетке (рисунок над текстом). Индуцированный электрический ток течет к внутреннему контактному кольцу, когда соединенная с ним половина рамки проходит мимо северного полюса магнита, и, наоборот, к внешнему контактному кольцу, когда мимо северного полюса проходит другая половина рамки.

Трехфазный генератор переменного тока

Одним из наиболее экономически выгодных способов выработки сильного переменного тока является использование одного магнита, вращающегося относительно нескольких обмоток. В типичном трехфазном генераторе три катушки расположены равноудалено от оси магнита. Каждая катушка вырабатывает переменный ток, когда мимо нее проходит полюс магнита (правый рисунок).

Изменение направления электрического тока

Когда магнит вдвигается в проволочную катушку, он индуцирует в ней электрический ток. Этот ток заставляет стрелку гальванометра отклоняться в сторону от нулевого положения. Когда магнит вынимается из катушки, электрический ток изменяет свое направление на противоположное, и стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону от нулевого положения.

Переменный ток

Магнит не будет индуцировать электрический ток до тех пор, пока его силовые линии не начнут пересекать проволочную петлю. Когда полюс магнита вдвигается в проволочную петлю, в ней индуцируется электрический ток. Если магнит прекращает движение, электрический ток (голубые стрелки) также прекращается (средняя диаграмма). Когда магнит вынимается из проволочной петли, в ней индуцируется электрический ток, текущий в противоположном направлении.

Генерирование собственного электричества – лучшее, что вы можете сделать в борьбе за энергонезависимость. Это электричество вы можете использовать чтобы открывать ворота или гараж, включать наружное освещение, продавать в сеть и уменьшить свои расходы, заряжать автомобиль или даже полностью отключиться от общей сети. В этой статье описаны несколько отличных идей как этого добиться.

Шаги

Часть 1

Узнайте о солнечных панелях. Солнечные панели это общераспространенное решение с большим количеством преимуществ. Они работают во многих частях света и модульный вариант может быть расширен, чтобы соответствовать вашим потребностям. Существует много хорошо проработанных продуктов.

• Панели должны быть направлены на юг к солнечному свету (на север в южном полушарии, вверх вблизи экватора). Угол наклона следует установить в зависимости от широты, на которой вы находитесь. Вы можете использовать панели в районах, которые солнечны большую часть года, а также в условиях сплошной облачности.
• Фиксированные опоры можно устанавливать на отдельной структуре (в которой можно разместить аккумуляторы и контроллер заряда) или на существующей крыше. Их просто установить и обслуживать, если они расположены у земли и у них нет движущихся частей. Следящие опоры поворачиваются вслед за солнцем и более эффективны, но могут стоить дороже, чем просто добавить еще пару панелей на фиксированных опорах, чтобы компенсировать разницу. Это хитроумные механические приспособления, которые легко сломать и у них есть движущие части, которые изнашиваются со временем.
• Только потому, что заявленная мощность солнечной панели 100 Ватт, это не означает, что она способна вырабатывать ее все время. Мощность будет определена тем как вы установите панель, погодой, или тем что сейчас зима и солнце не поднимается высоко надо горизонтом.

1. Начните с малого. Купите одну или две солнечные панели для начала. Их можно устанавливать поэтапно, так что вам не надо с самого начала тратить огромные суммы. Большинство систем для крыш могут быть расширены – вам надо обратить на это внимание при покупке. Купите систему, которая может расти вместе с вашими потребностями.

   Разберитесь с обслуживанием вашей системы. Как и все остальное, если вы не будете о ней заботиться, она развалится. Определитесь, как долго она должна прослужить. Небольшая экономия сейчас может стоить вам гораздо больше в будущем. Инвестируйте в заботу о вашей системе и она позаботится о вас.

   • Постарайтесь составить бюджет расходов, связанных с поддержанием работоспособности системы в течение длительного периода времени. Вам следует избегать ситуаций, которые оставят вас без средств посреди проекта.

2. Выберите тип системы. Решите, хотите ли вы отдельностоящее решение для выработки электричества или решение, которое можно подсоединить к распределительной системе. Отдельностоящим системам нет равных в автономности, вам известен источник каждого использованного ватта. Системы, которые можно подключать в общую сеть дают вам стабильность и избыточность, а также возможность перепродавать электричество поставляющей компании. Если ваша система подключена в общую сеть, а вы следите за расходом энергии так, как будто у вас автономная система, то у вас даже получится зарабатывать небольшой дополнительный доход.

   • Свяжитесь с вашей энергопоставляющей компанией и спросите о системах, которые можно подключать в общую сеть. Возможно, они смогут предоставить льготы и подскажут, кого следует нанять, чтобы разместить ваш надежный источник электричества.

Часть 2

1. Узнайте о ветряных турбинах. Это тоже отличное решение для многих районов. Иногда оно может быть даже более экономически эффективным, чем солнечная энергия.

   • Вы можете использовать самодельную ветряную турбину, сделанную из старого автомобильного генератора при помощи чертежей доступных в Сети. Хоть это и не рекомендуется делать новичкам, но достижение приемлемых результатов возможно. Существуют недорогие готовые решения.
   • У ветровой энергии, однако, есть несколько недостатков. Возможно, вам придется установить турбины слишком высоко, чтобы они работали эффективно, и ваши соседи посчитают их неприятной частью пейзажа. Птицы могут их совсем не замечать ….. до момента, когда будет слишком поздно.
   • Для ветровой энергии нужен более-менее постоянный ветер. Открытые, пустые пространства подходят лучше всего, потому что на них находится минимальное количество препятствий для ветра. Ветровая энергия часто эффективна при использовании в качестве дополнения к системам солнечной и гидро энергии.

   • Изучите гидроэлектрические минигенераторы. Существуют различные виды технических решений от самодельного пропеллера, подсоединенного к автомобильному генератору, до запутанных инженерных систем повышенной надежности. Если у вас есть выход к воде, это может стать эффективным и автономным решением.

     Попробуйте комбинированную систему. Вы всегда можете объединить любые из этих систем, чтобы получать энергию круглый год и в достаточном количестве для вашего дома.

     Подумайте об автономном генераторе. Если распределяющей сети нет или вы хотите запасной источник на случай отключения/катастрофы, вам может пригодиться генератор. Они могут работать на разных видах топлива и доступны разных размеров и мощности.

     • Многие генераторы очень медленно реагируют на изменения в нагрузке (подключение мощных приборов заставляет питание колебаться).
       • Маленькие, повсеместно доступные в строительных магазинах генераторы предназначены для нечастого использования в чрезвычайных ситуациях. Если их использовать в качестве основного источника энергии они чаще всего ломаются.
     • Большие бытовые генераторы стоят дорого. Они работают на бензине, дизельном топливе или сжиженном газе и обычно оснащены системой автоматического старта, которая запускает их в момент прекращения подачи электричества из распределительной сети. Если вы решили установить такой, убедитесь, что у вас работает дипломированный электрик и строительные нормы соблюдаются. При неправильной установке он может убить электриков, которые отключают основное электропитание не зная, что есть еще и аварийный генератор.
     • Генераторы для автодач, трейлеров или лодок небольшого размера, тихие, предназначены для продолжительного использования и гораздо более доступны. Они работают на бензине, дизельном топливе или сжиженном газе и могут работать по нескольку часов в день в течение нескольких лет.

   • Избегайте теплоэлектрогенераторов. Теплоэлектрогенераторы (ТЭГ) или совмещенные генераторы, которые производят электроэнергию из тепла – обычно пара – старомодны и неэффективны. Несмотря на то, что у них есть много поклонников, вам следует воздержаться от их использования.

Часть 3

Пройдитесь по магазинам. Множество производителей предлагают различные товары и услуги на рынке экологически чистой электроэнергии и некоторые из их решений подходят вам лучше, чем другие.

Исследуйте. Если вы заинтересованы в конкретном товаре проведите сравнение цен перед тем как будете говорит с поставщиком.

Спросите совета у профессионала. Найдите кого-то кому вы доверяете, чтобы помог принять вам решение. Есть поставщики, которым интересен ваш проект, и есть которым не интересен. Найдите в Интернете сообщество домашних мастеров или ему подобное чтобы получить совет, который исходит от кого-то, кто не собирается вам ничего продавать.

Разузнайте о льготах. Не забудьте узнать о местных, региональных и федеральных программах льгот, когда будете делать свои покупки. Существует много программ по которым ваши затраты по монтажу могут быть просубсидированы, либо же вам предоставят налоговые льготы за переход на экологически чистую электроэнергию.

Вам нужна квалифицированная помощь. Не каждый подрядчик или рабочий квалифицирован для установки таких систем. Работайте только с опытными поставщиками и монтажниками, у которых есть разрешение на работу с вашим оборудованием.

Часть 4

Узнайте о страховым покрытии для более крупных объектов. Ваш текущий полис на домовладение может не покрывать разрушение вашей системы при катастрофе, что может очень сильно вас разочаровать.

Познакомьтесь со специалистом по обслуживанию систем альтернативной энергии. Если уж вы за это взялись, не стесняйтесь просить о помощи.

Спланируйте запасной источник энергии. Естественные источники, которые используют автономные энергетические системы не всегда надежны. Солнце светит не всегда, как и ветер не всегда дует, вода тоже не всегда течет.

• Использование системы подключенной в распределительную сеть - самое недорогое решение для большинства людей, особенно для тех, кто уже является клиентом энергопоставляющих компаний. Они устанавливают один тип системы (например, солнечные панели) и подключают ее к распределительной сети. Когда поступление электроэнергии недостаточно, сеть покрывает недостаток, а когда электроэнергии в избытке – сеть выкупает излишек. Крупные системы могут постоянно крутить счетчик электроэнергии в обратную сторону.
• Если распределительной сети по близости нет, может быть гораздо дороже подключиться к ней (или даже подсоединить пристройку к дому), чем производить и хранить свою собственную электроэнергию.

1. Узнайте о хранении электричества. Распространенное решение для автономного хранения электричества это свинцово-кислотные аккумуляторы глубокой зарядки. Каждый вид аккумуляторов нуждается в разных циклах зарядки, поэтому убедитесь, что ваш контроллер заряда может работать с вашим типом аккумуляторов и правильно для этого настроен.

Часть 5

Используйте аккумуляторы одного типа. Аккумуляторы нельзя мешать между собой и обычно новые аккумуляторы не очень хорошо работают, когда смешаны с более старыми.

Подсчитайте сколько аккумуляторов вам понадобится. Их емкость исчисляется в ампер-часах. Для грубого подсчета киловатт-часов умножьте ампер-часы на количество вольт (12 или 24 вольта) и разделите на 1000. Чтобы получить ампер-часы из киловатт-часов просто умножьте на 1000 и разделите на 12. Если ваше дневное потребление будет 1 киловатт-час вам понадобится примерно 83 ампера емкости 12-вольтового хранилища, но вам надо будет 5-кратное количество от рассчитанного (считая, что вы не хотите разряжать аккумуляторы более чем на 20%) или примерно 400 ампер-часов, чтобы получить требуемую мощностью.

1. Выберите тип аккумулятора. Существует много видов аккумуляторов и очень важно выбрать наиболее подходящий. Понимание что вам пойдет, а что нет, очень важно для снабжения вашего дома электроэнергией.

   • Самые распространенные это кислотные аккумуляторы. Их необходимо обслуживать (верхушки снимаются, чтобы можно было долить дистиллированной воды) и время от времени они нуждаются в «компенсационной» перезарядке, чтобы убрать серу с пластин и поддерживать банки в более-менее одинаковом состоянии. У некоторых высококачественных аккумуляторов банки в 2,2 вольта можно заменять независимо от других, если они испортились. «Необслуживаемые» аккумуляторы теряют жидкость по мере выпускания газа и, в конце концов, высыхают.
   • Гелиевые аккумуляторы не надо обслуживать и они не прощают проблем с зарядкой. Зарядное устройство, предназначенное для кислотных аккумуляторов, испарит гель с пластин и между электролитом и пластинами образуются зазоры. Как только одна банка пришла в состояние перезаряда (из-за неравномерного износа), весь аккумулятор становится негодным. Такие аккумуляторы хороши как часть небольшой системы, но не подходят для крупных систем.
   • Аккумуляторы с абсорбированным электролитом более дорогие, чем аккумуляторы любого другого типа, и не нуждаются в обслуживании. Они сохраняют работоспособность на протяжении долгого времени при условии, что их правильно заряжают и не позволяют слишком сильно разряжаться. Кроме того, они не могут дать протечку – даже если вы разобьете их кувалдой (мы правда не уверены, зачем вам это вообще может понадобиться). При перезаряде также они выпускают газ.
   • Автомобильные аккумуляторы – они для автомобилей. Автомобильные аккумуляторы не подходят для случаев, в которых требуются аккумуляторы глубокой зарядки.
   • Лодочные аккумуляторы это гибрид стартового аккумулятора и аккумулятора глубокой зарядки. В качестве компромиссного решения они хорошо подходят для лодок, но не очень хороши в качестве источника электроэнергии для дома.
2. Советы
   • В любом месте, где энергетические системы не подведены прямо к крыльцу, стоимость подключения нового строения к распределительной сети может превысить стоимость установки собственной системы генерирования электроэнергии.
   • Аккумулятор глубокого заряда не работают хорошо, если они часто разряжаются более чем на 20% своей емкости. Если такое происходит, их срок службы существенно уменьшится. Если вы большую часть времени разряжаете их не сильно или сильно, но не часто, их срок службы будет продлен.
   • Существует много возможностей профинансировать установку системы, а также налоговых/эксплуатационных льгот для некоторых источников электроэнергии.
   • Возможно объединиться с соседями по удаленному району и совместно оплатить систему генерации электроэнергии. О чем бы ни договорились заинтересованные стороны, в будущем это может стать источником некоторых сложностей. Возможно, придется создать кооператив домовладельцев или подобную организацию.
   • Если это не оправдывает себя в рублях и копейках оправдает ли это себя в:
     • Срочной необходимости (отсутствие систем обеспечения электроэнергией)?
     • Внутреннее спокойствие?
     • Кабель не проходит по вашей собственности?
     • Как повод для хвастовства?
   • В Сети есть много статей с большим количеством хорошей информации, но большая часть из нее сосредоточена на продаже оборудования определенного поставщика.
   • Если у вас есть доступ к проточной воде, микро-гидроэлектростанция возможно подойдет лучше, чем комбинированное решение из солнечных панелей и ветровых турбин.
   • Сборка элементов системы не является сложной задачей при условии, что вы умеете обращаться с электричеством.

   Предупреждения

   • Если вы не знакомы с теорией электричества и у вас нет познаний в технике безопасности, считайте что это список вещей, которые вам надо узнать или передать другому человеку для выполнения.
     • Вы можете нанести непоправимый урон собственности (сжечь проводку, повредить крышу или сжечь дом дотла)
     • Вы можете причинить телесные повреждения или даже смерть (удар электрическим током, падение с крыши, падение незакрепленных деталей на людей)
     • Аккумуляторы при коротком замыкании или в невентилируемом помещении могут стать причиной взрыва.
     • Разбрызганная аккумуляторная кислота может привести к серьезным ожогам и слепоте.
     • Даже постоянный ток такой мощности может остановить ваше сердце или причинить серьезные ожоги, если пройдет по украшениям надетым на вас.
     • Если дополнительный источник электропитания подключен через панель предохранителей (инвертор или генератор), убедитесь что есть очень заметный знак, предупреждающий об этом обслуживающий персонал энергопоставляющей компании. В противном случае они могут отключить основной ввод электричества и, считая, что цепь обесточена, быть убитыми электрическим током от резервного источника.
     • Вот это интересно. Вон те невинные крутящиеся колесики и красные панельки могут вас убить совсем насмерть.
   • Что бы вы ни устанавливали, убедитесь, что страховка на домовладение покроет это. Не надо надеяться на авось.
   • Сверьтесь с местными строительными нормами и правилами (СНиП).
     • Некоторые люди на самом деле считают солнечные панели «не привлекательными».
     • Некоторые люди считают ветровые турбины «шумными» И «не привлекательными».
     • Если у вас не прав на использование водных ресурсов для вас могут сделать исключение в этом случае.
   • Существую системы «все-в-одном», но обычно они или невелики, или дорогие, или и то и другое.