Come generano l'elettricità le compagnie elettriche?

In vari modi, di solito, a seconda della regione. La maggior parte è generata dall'induzione magnetica, ma una parte è generata dall'effetto fotoelettrico. Cercherò di essere esauriente in questa risposta.

Prima di tutto, la generazione di elettricità per induzione magnetica:

Il concetto è relativamente semplice, e in pratica è anche sorprendentemente semplice. Mentre il generatore raffigurato sopra è un generatore piuttosto povero, dimostra il concetto. La matematica dietro l'induzione magnetica è, in forma differenziale (più facile da un punto di vista elettromagnetico),

o in forma integrale (più facile da un punto di vista di analisi dei sistemi)

Dove B è la densità di flusso magnetico, phi è il flusso magnetico totale attraverso le bobine, la grande E è il campo elettrico e la E arricciata è la tensione.

Ecco come si fa in pratica.
Di gran lunga il più economico per kilowattora è l'energia idroelettrica.

Piuttosto semplice, utilizza la gravità per far cadere naturalmente l'acqua, e l'acqua in movimento gira una turbina per generare elettricità per induzione magnetica. È economico per kilowatt-ora perché non ci sono problemi di tempo di accelerazione e nessun carburante. Può fornire sia la generazione di base (uso a bassa potenza) che quella di picco (uso ad alta potenza). Finché piove abbastanza nella regione, il serbatoio si riempirà senza alcun input di energia umana.

Molta della nostra elettricità è generata in centrali a carbone.

Questa centrale prende il carbone e lo brucia, usando il calore per far bollire l'acqua e creare vapore ad alta pressione, il quale vapore ad alta pressione viene forzato attraverso una turbina, che genera elettricità per induzione magnetica.

Il carbone è abbastanza disgustoso, comunque, ma è economico a meno che non si faccia pagare per l'inquinamento. Le centrali a carbone di solito forniscono energia di base, dato che richiede sempre più carbone per ogni bit extra di potenza. Il carbone per il picco è più costoso.

Ci sono altri sistemi in una centrale a carbone per rendere il processo più efficiente e avere un output più pulito, ma quelli sono una discussione per un'altra domanda.

Per il picco di potenza, spesso usiamo generatori a gas naturale.

E' simile a come funziona la centrale a carbone, eccetto che arriva a fare un doppio salto nella produzione di energia - in primo luogo, la reazione di combustione fa girare una turbina, e in secondo luogo, lo scarico caldo fa bollire l'acqua per far girare una turbina a vapore.

Il gas è costoso rispetto al carbone, ma la prima turbina si accende molto rapidamente e la seconda in pochi minuti, e può essere accesa e spenta molto facilmente rispetto al carbone. Come tale, è un ottimo generatore di picco.

In alcune aree, l'energia di base è fornita da centrali nucleari.
L'energia nucleare è notevolmente simile alle altre, in quanto è un generatore di energia termica.

La principale differenza concettuale è che il calore viene dal decadimento radioattivo. Il nucleare è un'eccellente e pulita fonte di energia di base, e i problemi principali sono i sistemi di sicurezza (prevenire le fusioni) e dove immagazzinare le barre di combustibile usate (ancora radioattive, ma non abbastanza per funzionare in questa configurazione). Tuttavia, non è molto bravo a fare il "throttling" su e giù, quindi si attacca alla generazione di energia di base per la maggior parte.

Credo che il più grande ostacolo alla diffusione di più energia nucleare sia il NIMBYismo -- "Not In My Back Yard" opposition.

Prossimo, abbiamo l'energia eolica.

In principio, è anche più semplice di un impianto idroelettrico. Per i sistemi più recenti, è piuttosto economico. Il vento fa girare delle grandi pale, che fanno girare un generatore. La parte più costosa dell'energia eolica è probabilmente l'area di terreno che deve occupare per unità di potenza. Un altro problema con il vento è che nella maggior parte dei luoghi può essere piuttosto variabile, il che significa che non si può accelerare a piacimento su e giù, e potrebbe non produrre energia per tutto il tempo. Se si ha una serie molto diversificata di luoghi per i generatori eolici collegati a una rete, può funzionare bene, ma se ci si affida a una singola posizione la generazione è un po' intermittente.

Se volete sapere molto di più sull'energia eolica, chiedete a Michael Barnard.

Per quanto riguarda l'induzione magnetica, alcune aziende hanno utilizzato l'energia solare-termica concentrata. Il concetto è, ancora una volta, un sistema di energia termica, ma invece di bruciare il carburante concentra la luce del sole su un obiettivo per riscaldarlo. Pensate al modo in cui bruciavate le formiche con una lente d'ingrandimento, ma scambiate la lente d'ingrandimento con uno specchio parabolico, e fatelo molto più grande, ed è così che funziona il solare-termico. Si presenta in forme diverse, ma il concetto è lo stesso in tutti i casi.

I sistemi moderni hanno un bersaglio di sale che si scioglie e immagazzina il calore, permettendo al processo di generazione di energia di continuare per diverse ore dopo il tramonto del sole.

Infine, parlerò brevemente dell'energia fotovoltaica, che utilizza l'effetto fotoelettrico invece dell'induzione magnetica.

Il concetto di base è che la luce può far uscire i portatori di carica da uno stato legato in un materiale, se i singoli fotoni che compongono la luce hanno abbastanza energia per farlo. In un pannello fotovoltaico, usiamo una giunzione p-n a semiconduttore e facciamo assorbire la luce nella regione di esaurimento di quella giunzione dove non ci sono portatori di carica liberi nativi. La luce "genera" portatori di carica (li sbatte fuori dagli atomi che li trattengono) e questi si diffondono verso gli elettrodi. Genera energia DC.

Personalmente sono molto interessato al fotovoltaico. (Vedi: Efficienza dei pannelli solari per un'interessante lezione sull'efficienza di conversione, Jacob VanWagoner'risposta a L'energia solare sta diventando più efficiente? e molte altre cose a cui ho risposto relative ai pannelli solari). Mentre soffrono della stessa limitazione di non avere il 100% di uptime come l'energia eolica, i due maggiori vantaggi che vedo sono la generazione di energia distribuita che non occupa spazio realmente utilizzabile, e che i pannelli tendono a generare il massimo nel momento di maggiore richiesta - il pomeriggio, quando tutti stanno eseguendo l'aria condizionata.

Quali sono usati di più? Dipende da dove si vive.

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