Відновлювані джерела енергії стають все більш важливими, оскільки світ прагне зменшити свою залежність від викопного палива та боротися зі зміною клімату. Серед різних технологій відновлюваної енергетики магніти і магнітні поля відіграють вирішальну роль у перетворенні кінетичної енергії з природних джерел у корисну електричну енергію. У цій статті ми дослідимо роль магнітів і магнітних полів у системах відновлюваної енергетики, зосередившись на вітрових турбінах і гідроелектрогенераторах, а також на нових можливостях використання енергії припливів і хвиль.
Вітрогенератори
Вітрові турбіни є одним з найпоширеніших і найвідоміших прикладів систем відновлюваної енергетики, які використовують магніти і магнітні поля. Основний принцип роботи вітрової турбіни полягає в перетворенні кінетичної енергії вітру в механічну енергію, яка потім перетворюється в електричну за допомогою генератора.
Ротор вітрової турбіни складається з лопатей, прикріплених до центральної втулки, яка з'єднана з валом. Коли дме вітер, він чинить силу на лопаті, змушуючи їх обертатися. Обертовий вал з'єднаний з генератором, який зазвичай розташований біля основи вежі турбіни.
Генератор у вітровій турбіні відповідає за перетворення механічної енергії обертового валу в електричну. Існує два основних типи генераторів, що використовуються у вітрогенераторах: асинхронні (або індукційні) та синхронні генератори. Обидва типи генераторів покладаються на магніти і магнітні поля.
Асинхронні генератори, також відомі як індукційні генератори, використовують принцип електромагнітної індукції для перетворення механічної енергії в електричну. Ці генератори складаються зі статора (нерухомої частини) і ротора (обертової частини). Статор має намотані на нього котушки з дроту, тоді як ротор виготовлений з провідного матеріалу, такого як мідь або алюміній.
Коли ротор обертається в магнітному полі статора, він індукує змінний струм в обмотках статора. Потім цей змінний струм перетворюється в придатну для використання форму за допомогою інвертора перед подачею в мережу. Магнітне поле в асинхронних генераторах створюється постійними магнітами або електромагнітами, які збуджуються струмом, що генерується.
Синхронні генератори, з іншого боку, використовують інший принцип перетворення механічної енергії в електричну. Ці генератори мають статор і ротор, подібно до асинхронних генераторів. Однак ротор у синхронному генераторі намотаний на котушки з дроту, і він живиться постійним струмом.
Коли ротор обертається в магнітному полі статора, він генерує змінний струм в обмотках статора. Ключова відмінність між синхронними та асинхронними генераторами полягає в тому, як вони регулюють вихідну напругу і частоту. Синхронні генератори покладаються на систему управління для підтримки постійного постійного струму в котушках ротора, що, в свою чергу, дозволяє їм підтримувати постійну вихідну напругу і частоту.
Магнітні поля в асинхронних і синхронних генераторах необхідні для ефективного перетворення механічної енергії в електричну. Напруженість і спрямованість цих магнітних полів визначають продуктивність генератора, включаючи такі фактори, як вихідна напруга, вихідний струм і коефіцієнт корисної дії (ККД).
Гідроелектрогенератори
Гідроелектрогенератори, як і вітрогенератори, перетворюють кінетичну енергію в електричну. У цьому випадку кінетична енергія отримується з потоку води, як правило, з перегородженої греблею річки або водосховища. Гідроелектрогенератори також можна класифікувати як асинхронні або синхронні, залежно від їхньої специфічної конструкції та роботи.
У типовій гідроелектростанції вода відводиться з джерела, такого як річка або водосховище, через мережу каналів або труб, які називаються гідроагрегатами. Вода, що протікає через водоскиди, володіє кінетичною енергією завдяки своїм