Otáčením hřídele rotoru se v generátoru díky elektromagnetické indukci vyrábí elektrický proud.
Otáčením hřídele rotoru se v generátoru díky elektromagnetické indukci vyrábí elektrický proud.
Elektrický generátor je velký točivý elektrický stroj převádějící energii otáčejícího se rotoru na univerzálně použitelnou elektrickou energii. Je to těžký ocelový válec plný elektrických drátů, důmyslně propojených v jeden celek, ze kterého proudí elektrický proud do přenosové soustavy. Elektrický generátor pracuje na principu elektromagnetické indukce, zvláštního jevu, využívajícího vzájemné působení magnetického pole na elektrický vodič. Zkusme to vzít pěkně po pořádku.
Vše začalo začátkem 19. století pokusy s novým fenoménem – elektrickým proudem, kdy se zjistilo, že vodičem protékající proud nějakým způsobem ovlivňuje střelku kompasu. To znamená, že elektrický proud vytváří určité magnetické pole, na které střelka reaguje. Zvětšením proudu a zvýšením počtu vodičů s proudem (třeba ve formě závitů cívky na železném jádru) vzniká silnější magnetické pole. Světlo světa spatřila elektrická náhrada přírodních permanentních magnetů – elektromagnet. Výhradním dodavatelem stejnosměrného proudu byly v té době galvanické články (baterie).
Pokud závitem teče stejnosměrný proud, železná tyčka uvnitř závitu se chová jako magnet.
Pohyb tyčového magnetu uvnitř drátěné cívky vyvolává na koncích vodiče vznik elektrického napětí.
O několik let později anglického fyzika Michaela Faradaye napadlo, že by mohl existovat i jev obrácený, kdy magnetické pole způsobuje vznik elektrického proudu. Sérií pokusů svou domněnku potvrdil a objevil elektromagnetickou indukci, která je dodnes základem celé elektrotechniky i energetiky. Zákon elektromagnetické indukce říká, že pokud se v blízkosti vodiče mění magnetické pole, vzniká (indukuje se) na jeho koncích napětí a uzavřeným obvodem začne procházet proud. Důležité je zde slovo „mění“, samotná přítomnost stálého magnetického pole vznik proudu nevyvolá.
První elektrický generátor Michaela Faradaye otevíral lidstvu slibnou cestu, jak nahradit do té doby používané galvanické články (jejichž množství energie je značně omezené) výkonnějšími zdroji a zpřístupnit tak elektřinu širší oblasti použití. Posuvný vzájemný pohyb magnetu a vodiče nahradil otáčením závitu v poli statických magnetů (zjednodušila se tím změna pole) a prostý závit nahradil cívkou (více závitů v sérii dávalo větší výstupní napětí). Vznikl tak základ pro první generátory stejnosměrného proudu – dynama.
Zjednodušené schéma generátoru stejnosměrného proudu (dynama), tvořeného magnetem, otáčejícím se závitem a mechanickým přepínačem polarity
Postupem času se zvyšoval výkon dynam, a obyčejné magnety musely být nahrazeny silnějšími elektromagnety, jedna cívka více cívkami. Elektrický proud, vyráběný v rotujících cívkách, byl odebírán přes prstenec na hřídeli rotoru – jakýsi mechanický přepínač zvaný komutátor, který pootočením rotoru připojil na výstup vždy cívku s nejvyšším indukovaným napětím. Navenek pak dynamo dávalo stejnosměrné napětí.
Uhlíkové kontakty přiložené z obou stran ke komutátoru (mechanickému přepínači) jsou při každém pootočení rotoru propojeny s cívkou s největším napětím.
Po rozhodnutí, že se energetika dál bude ubírat cestou střídavého proudu, se začala dynama nahrazovat střídavými generátory. Namísto komutátoru zůstaly jen dva plné sběrné prstence, na kterých se v průběhu každé otočky cívky měnila polarita protékajícího proudu. Ve výkonnějších generátorech byly prohozeny role statoru a rotoru. Stejnosměrný proud, přiváděný přes kroužky do pohyblivých cívek rotoru, vytvářel otáčející se magnetické pole a v pevných statorových cívkách se generovalo výstupní střídavé napětí. Ještě vyšší výkony si vyžádaly ztrojnásobit počet statorových cívek a vyrábět třífázové napětí. Všechny generátory dodávající elektrický výkon do stejné přenosové sítě musí splňovat minimálně tři podmínky: stejnou frekvenci, stejnou napěťovou úroveň a stejné pořadí fází.
Pokud je do stejné sítě zapojeno více generátorů, musí všechny splňovat určité parametry.
Elektrické generátory temelínských bloků jsou největšími generátory v ČR. Každý z nich má výkon téměř 1 000 MW, i když všechna vyrobená elektřina se za hranice elektrárny nedostane. Určitou část (asi 70 MW) spotřebuje technologie elektrárny. Tolik energie, kolik jeden blok jaderky potřebuje na svůj provoz, vyrobila v roce 1926 první elektrárna v ČR v Ervěnicích. Mimochodem, je to asi dvakrát větší spotřeba, než jakou vyrobí současná největší česká fotovoltaická elektrárna.
Dohromady vyrobí dva bloky elektrárny Temelín za rok asi 15 TWh (15 terawatthodin – to je číslo 15 a dvanáct nul za ním) elektřiny. Je to hodně energie, která ročně pokryje pětinu české spotřeby. Samotné Praze by tato elektřina stačila na 2,5 roku, jižní Čechy by s ní vydržely 4,5 roku, a kdyby ji odebíraly jenom české domácnosti, stačila by jim na dlouhých 12 let. A milion 100W žárovek by roční výroba Temelína napájela 17 let.
Porovnání výroby elektřiny v JE Temelín se spotřebou některých oblastí
Na výstupu velkých temelínských generátorů je poměrně vysoké elektrické napětí 24 000 voltů. To je 2 000krát víc, než má autobaterie. Řada tužkových baterií, které by dosahovaly stejného napětí, by byla dlouhá 800 m a čítala by 16 000 kusů (pro 9V baterie by to bylo jen 68 metrů a 2 660 ks). Tak vysoké napětí je zvoleno z důvodu velkého přenášeného výkonu (výkon = napětí × proud) a snahy snížit protékající proud kvůli ztrátám. I tak je proud generátoru v řádu desítek tisíc ampérů. Podobných hodnot proudu dosahují například elektrické výboje blesku, ale napětí je při blescích ještě asi 10 000krát větší.
Rotor elektrického generátoru se otáčí stejně jako rotor turbíny rychlostí 3 000 otáček za minutu, tj. 50 otáček za sekundu. Říká se, že generátor pracuje s frekvencí 50 Hertz – 50krát za sekundu se změní polarita napětí nebo proudu na jeho výstupu.
Znázornění průběhu napětí periody střídavého proudu v závislosti na pootočení závitu
Zdá se, že otáčející se kotouč cirkulárky žádné zuby nemá.
To je tak rychlý otáčivý pohyb, že již nedokážeme postřehnout jeho jednotlivé fáze, které splynou dohromady. V domácnosti pracuje dost zařízení, která se otáčejí přibližně stejnou rychlostí (3 000 otáček za minutu) a pohyb jejich rotujících částí splývá. Třeba nevidíme zuby pilového kotouče pracující cirkulárky nebo listy vrtule ventilátoru. Stejně nepostřehnutelná jsou křídla malého kolibříka, který jimi mává podobnou frekvencí.
Velikost výstupního napětí elektrického generátoru lze lehce měnit změnou budícího napětí a proudu rotorových cívek.
Ve velkých alternátorech, které jsou instalovány v uhelných a jaderných elektrárnách, se v rotoru nacházejí cívky elektromagnetů. Stejnosměrné napětí, dodávané malým pomocným generátorem zvaným budič, v nich vybudí magnetické pole a to se společně s rotorem otáčí a umožňuje výrobu elektřiny na principu elektromagnetické indukce. Velikostí budícího napětí a proudu lze plynule regulovat výstupní parametry i výkon elektrického generátoru.
Při práci generátoru se malá část energie (několik procent) nepřemění v elektřinu, ale v neužitečné teplo, a proto je třeba každý generátor chladit. Při malých výkonech postačí proudící vzduch, v Temelíně se na chlazení výkonných generátorů používá voda a vodík. Řeknete si, voda v generátoru? Ano, ale zde protéká jen izolovanými dutými vodiči statorových cívek, takže dovnitř generátoru se samozřejmě nedostane. Rotor a prostor mezi rotorem a statorem je ochlazován cirkulujícím vodíkem. To klade dost velké nároky na těsnost celého generátoru.