Un generatore elettrico è un dispositivo che converte una forma di energia in elettricità. Ci sono molti diversi tipi di generatori di energia elettrica. La maggior parte della generazione mondiale di elettricità proviene da generatori basati sulla scoperta dello scienziato Michael Faraday nel 1831 che lo spostamento di un magnete all’interno di una bobina di filo fa (induce) una corrente elettrica a fluire nel filo., Ha realizzato il primo generatore di elettricità chiamato disco di Faraday, che opera su questa relazione tra magnetismo ed elettricità e che ha portato alla progettazione dei generatori elettromagnetici che usiamo oggi.
I generatori elettromagnetici utilizzano un elettromagnete-un magnete prodotto dall’elettricità-non un magnete tradizionale. Un generatore elettromagnetico di base ha una serie di bobine isolate di filo che formano un cilindro stazionario-chiamato statore-che circonda un albero elettromagnetico—chiamato rotore., La rotazione del rotore produce un flusso di corrente elettrica in ciascuna sezione della bobina del filo, che diventa un conduttore elettrico separato. Le correnti nelle singole sezioni si combinano per formare una grande corrente. Questa corrente è l’elettricità che si muove dai generatori attraverso le linee elettriche ai consumatori. I generatori elettromagnetici azionati da motori cinetici (meccanici) rappresentano quasi tutta la produzione di elettricità negli Stati Uniti.
Generatori a turbina
La maggior parte della produzione di elettricità negli Stati Uniti e nel mondo proviene da centrali elettriche che utilizzano una turbina per azionare generatori di elettricità., In un generatore a turbina, un fluido in movimento—acqua, vapore, gas di combustione o aria-spinge una serie di pale montate su un albero del rotore. La forza del fluido sulle lame gira / ruota l’albero del rotore di un generatore. Il generatore, a sua volta, converte l’energia meccanica (cinetica) del rotore in energia elettrica. Diversi tipi di turbine includono turbine a vapore, turbine a combustione (gas), turbine idroelettriche e turbine eoliche.,
Le turbine a vapore sono utilizzate per generare la maggior parte dell’elettricità mondiale e hanno rappresentato circa il 48% della produzione di elettricità negli Stati Uniti nel 2019. La maggior parte delle turbine a vapore ha una caldaia in cui viene bruciato un combustibile per produrre acqua calda e vapore in uno scambiatore di calore, e il vapore alimenta una turbina che aziona un generatore. I reattori nucleari utilizzano barre di combustibile nucleare per produrre vapore. Le centrali solari termiche utilizzano l’energia solare per produrre vapore. Tra i primi 10 Stati Uniti, centrali elettriche nel 2019, 9 hanno turbine a vapore alimentate da energia nucleare, carbone e gas naturale.
Le turbine a gas a combustione, che sono simili ai motori a reazione, bruciano combustibili gassosi o liquidi per produrre gas caldi per girare le pale nella turbina.
Le turbine a vapore e a combustione possono essere azionate come generatori autonomi in un ciclo singolo o combinate in un ciclo combinato sequenziale. I sistemi a ciclo combinato utilizzano i gas di combustione di una turbina per generare più elettricità in un’altra turbina. La maggior parte dei sistemi a ciclo combinato dispone di generatori separati per ciascuna turbina., Nei sistemi a ciclo combinato monoalbero, entrambe le turbine possono azionare un singolo generatore. Scopri di più sui diversi tipi di centrali elettriche a ciclo combinato. Nel 2019, le centrali elettriche a ciclo combinato hanno fornito circa il 33% della produzione di elettricità negli Stati Uniti.
Gli impianti di cogenerazione (cogeneratori), che possono essere definiti cogeneratori, utilizzano il calore non direttamente convertito in elettricità in una turbina a vapore, in una turbina a combustione o in un generatore di motori a combustione interna per il calore di processo industriale o per il riscaldamento dell’ambiente e dell’acqua., La maggior parte dei più grandi impianti di cogenerazione negli Stati Uniti si trovano in strutture industriali come le cartiere e le cartiere, ma sono anche utilizzati in molti college, università e strutture governative. La cogenerazione e le centrali a ciclo combinato sono i modi più efficienti per convertire un singolo combustibile in energia utile.
Le turbine idroelettriche utilizzano la forza dell’acqua in movimento per far girare le pale delle turbine per alimentare un generatore. La maggior parte delle centrali idroelettriche utilizza acqua immagazzinata in un serbatoio o deviata da un fiume o da un torrente. Queste centrali idroelettriche convenzionali rappresentavano circa il 7% degli Stati Uniti., produzione di energia elettrica nel 2019. Le centrali idroelettriche a pompaggio utilizzano gli stessi tipi di turbine idroelettriche utilizzate dalle centrali idroelettriche convenzionali, ma sono considerate sistemi di accumulo di energia elettrica (vedi sotto). Altri tipi di turbine idroelettriche chiamate turbine idrocinetiche sono utilizzati nei sistemi di potenza delle maree e delle onde. Scopri di più sui diversi tipi di turbine idroelettriche.
Le turbine eoliche utilizzano la potenza del vento per spostare le pale di un rotore per alimentare un generatore. Esistono due tipi generali di turbine eoliche: turbine ad asse orizzontale (le più comuni) e turbine ad asse verticale., Le turbine eoliche sono state la fonte di circa il 7% della produzione di elettricità negli Stati Uniti in 2019.
Le centrali geotermiche utilizzano risorse geotermiche per azionare generatori elettrici.
I sistemi OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) utilizzano una differenza di temperatura tra l’acqua dell’oceano a diverse profondità per alimentare una turbina per produrre elettricità. C’è un sistema di dimostrazione OTEC alle Hawaii.
Altri tipi di generatori
Esistono molti tipi diversi di generatori di elettricità che non utilizzano turbine per generare elettricità., I più comuni in uso oggi sono i sistemi solari fotovoltaici (PV) e i motori a combustione interna.
Le celle solari fotovoltaiche convertono la luce solare direttamente in elettricità. Sono utilizzati per alimentare dispositivi piccoli come orologi da polso e possono essere collegati tra loro in pannelli collegati tra loro in array per alimentare singole case o formare grandi centrali elettriche. Le centrali fotovoltaiche sono ora una delle fonti di produzione di elettricità in più rapida crescita in tutto il mondo.,
I motori a combustione interna, come i motori diesel, sono utilizzati in tutto il mondo per la generazione di elettricità, anche in molti villaggi remoti in Alaska. Sono anche ampiamente utilizzati per l’alimentazione elettrica mobile nei cantieri e per l’alimentazione di emergenza o di backup per edifici e centrali elettriche. I generatori di motori diesel possono utilizzare una varietà di combustibili, tra cui diesel di petrolio, combustibili liquidi a base di biomassa e biogas, gas naturale e propano., Piccoli generatori di motori a combustione interna alimentati a benzina, gas naturale o propano sono comunemente usati dagli equipaggi di costruzione e dai commercianti e per l’alimentazione di emergenza per le case.
Altri tipi di generatori di elettricità includono celle a combustibile, motori Stirling (utilizzati nei generatori parabolici solari termici) e generatori termoelettrici .
| Generator | Plant type | Main fuel/energy source | Share of annual electricity generation |
|---|---|---|---|
| Steam turbine | Single cycle | All sources | 47.7% |
| Coal | 23.3% | ||
| Nuclear | 19.6% | ||
| Natural gas | 2.6% | ||
| Biomass (1.1%); Others (1.,1%) | 2.2% | ||
| Multiple | Combined cycle | Natural gas2 | 32.7% |
| Combustion turbine | 20.9% | ||
| Steam turbine | 10.4% | ||
| Dual/single shaft | 1.4% | ||
| Combustion gas turbine | Single cycle | Natural gas2 | 3.3% |
| Wind turbine | All types | Wind | 7.1% |
| Hydroelectric turbine | Conventional | Water | 7.,0% |
| impianti Fotovoltaici | Tutti i tipi | Solare | 1.7% |
| Others3 | Varie | 0.6% | |
| Archiviazione systems4 | Varie | 0,1% e |
1Includes generatori di utilità scala di potenza impianti (impianti con potenza almeno un mw di capacità di generazione elettrica.
2Il gas naturale è la principale fonte di energia (99%) per le centrali elettriche a ciclo combinato.
3Altre fonti includono motori a combustione interna, celle a combustibile e turbine a ciclo binario.,
I sistemi 4Storage includono stoccaggio idro-pompato, batterie elettrochimiche, volani, altri. La generazione da sistemi di accumulo è compensata dalla generazione di elettricità annuale totale per evitare il doppio conteggio delle fonti di ricarica per lo stoccaggio di energia.
Fonte: U. S. Energy Information Administration (EIA), Modulo EIA-923 Power Plant Operations Report, 2019
Ultimo aggiornamento: 9 novembre 2020