Uusiutuvista energialähteistä on tulossa yhä tärkeämpiä, kun maailma pyrkii vähentämään riippuvuuttaan fossiilisista polttoaineista ja torjumaan ilmastonmuutosta. Erilaisista uusiutuvan energian teknologioista magneeteilla ja magneettikentillä on ratkaiseva rooli luonnonlähteistä saatavan liike-energian muuntamisessa käyttökelpoiseksi sähköenergiaksi. Tässä artikkelissa tarkastellaan magneettien ja magneettikenttien roolia uusiutuvan energian järjestelmissä keskittyen tuuliturbiineihin ja vesivoimageneraattoreihin sekä uusiin sovelluksiin vuorovesi- ja aaltoenergiajärjestelmissä.
Tuulivoimalat
Tuulivoimalat ovat yksi yleisimmistä ja tunnetuimmista esimerkeistä uusiutuvan energian järjestelmistä, joissa käytetään magneetteja ja magneettikenttiä. Tuulivoimalan perusperiaatteena on muuntaa tuulen liike-energia mekaaniseksi energiaksi, joka sitten muunnetaan sähköenergiaksi generaattorin avulla.
Tuulivoimalan roottori koostuu lapoista, jotka on kiinnitetty akseliin liitettyyn keskinavaan. Kun tuuli puhaltaa, se vaikuttaa lapoihin ja saa ne pyörimään. Pyörivä akseli on liitetty generaattoriin, joka sijaitsee yleensä turbiinitornin juurella.
Tuulivoimalan generaattori vastaa pyörivän akselin mekaanisen energian muuntamisesta sähköenergiaksi. Tuulivoimaloissa käytettäviä generaattoreita on kahta päätyyppiä: asynkronigeneraattoreita (tai induktiogeneraattoreita) ja synkronigeneraattoreita. Molemmat generaattorityypit toimivat magneettien ja magneettikenttien avulla.
Asynkronigeneraattorit, jotka tunnetaan myös induktiogeneraattoreina, käyttävät sähkömagneettisen induktion periaatetta mekaanisen energian muuntamiseksi sähköenergiaksi. Nämä generaattorit koostuvat staattorista (paikallaan oleva osa) ja roottorista (pyörivä osa). Staattorin ympärille on kiedottu lankakäämejä, kun taas roottori on valmistettu johtavasta materiaalista, kuten kuparista tai alumiinista.
Kun roottori pyörii staattorin magneettikentässä, se indusoi vaihtovirran staattorin käämeihin. Vaihtovirta muunnetaan sitten käyttökelpoiseen muotoon vaihtosuuntaajalla ennen kuin se syötetään verkkoon. Asynkronigeneraattoreiden magneettikenttä luodaan kestomagneeteilla tai sähkömagneeteilla, joita virran tuottaminen herättää.
Synkronigeneraattorit puolestaan käyttävät eri periaatetta mekaanisen energian muuntamiseksi sähköenergiaksi. Näissä generaattoreissa on staattori ja roottori, kuten asynkronisissa generaattoreissa. Synkronigeneraattorin roottori on kuitenkin käämitetty lankakeloilla, ja sitä virtaa tasavirta.
Kun roottori pyörii staattorin magneettikentässä, se tuottaa vaihtovirtaa staattorin käämeihin. Synkroni- ja asynkronigeneraattoreiden keskeinen ero on siinä, miten ne säätelevät lähtöjännitettä ja -taajuutta. Synkronigeneraattorit luottavat ohjausjärjestelmään, joka pitää roottorin käämeissä tasasähkövirran vakiona, minkä ansiosta ne voivat ylläpitää tasaisen lähtöjännitteen ja -taajuuden.
Sekä asynkronisten että synkronisten generaattoreiden magneettikentät ovat välttämättömiä mekaanisen energian tehokkaalle muuntamiselle sähköenergiaksi. Näiden magneettikenttien voimakkuus ja suuntaus määräävät generaattorin suorituskyvyn, mukaan lukien sellaiset tekijät kuin lähtöjännite, lähtövirta ja hyötysuhde.
Vesivoimageneraattorit
Vesivoimageneraattorit, kuten tuuliturbiinit, muuttavat liike-energiaa sähköenergiaksi. Tässä tapauksessa liike-energia saadaan veden virtauksesta, joka on tyypillisesti peräisin padotusta joesta tai altaasta. Vesivoimageneraattorit voidaan myös luokitella joko asynkronisiksi tai synkronisiksi generaattoreiksi, riippuen niiden erityisestä rakenteesta ja toiminnasta.
Tyypillisessä vesivoimalaitoksessa vesi johdetaan vesilähteestä, kuten joesta tai tekojärvestä, kanavien tai putkien verkoston, ns. penstockien, kautta. Vesi, joka virtaa putkistojen läpi, omaa liike-energiaa, joka johtuu sen