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Turbine eines Kernkraftwerks

Kernkraftwerk Cattenon,
Frankreich

Elektrischer Generator

Elektrischer Generator

Der elektrische Generator ist ein wesentliches Element in Kernkraftwerken. Das Ziel von Atomkraftwerken ist die Umwandlung von Kernenergie aus Kernspaltungsreaktionen in elektrische Energie. Die Funktion des elektrischen Generators besteht darin, die mechanische Energie von einer Dampfturbine in elektrischen Strom umzuwandeln.

Was ist ein elektrischer Generator?

Ein elektrischer Generator ist eine Maschine, die in der Lage ist, irgendeine Art von Energie, die chemische Energie, mechanische Energie oder Lichtenergie sein kann, in elektrische Energie umzuwandeln. Mechanische Energiequellen umfassen Dampfturbinen, Gasturbinen, Wasserturbinen, Verbrennungsmotoren und sogar Kurbeln.

Ein elektrischer Generator ist ein Gerät, das eine elektrische Spannungsdifferenz (Spannung) zwischen zwei Punkten aufrechterhalten kann, die als Pole oder Anschlüsse bezeichnet werden. Elektrogeneratoren sind elektrische Maschinen, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.

Bei der Erzeugung von Elektrizität ist ein Generator eine Vorrichtung, die Bewegungsleistung (mechanische Energie) in elektrische Energie umwandelt, um sie in einem externen Stromkreis zu verwenden. Der erste elektromagnetische Generator, die Faradaysche Scheibe, wurde 1831 vom britischen Wissenschaftler Michael Faraday erfunden. Die Generatoren liefern fast die gesamte Energie für die elektrischen Netze.

Betrieb eines elektrischen Generators

Der Betrieb eines elektrischen Generators ähnelt dem eines umgekehrten Elektromotors.

Diese Umwandlung wird durch die Einwirkung eines Magnetfeldes auf die elektrischen Leiter erreicht, die in Spulen auf einem Blechrahmen angeordnet sind. Wenn sich mechanisch eine relative Bewegung zwischen den Leitern und dem Feld ergibt, wird eine elektromotorische Kraft erzeugt, wie der Physiker Michael Faraday entdeckt hat.

Die inverse Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie erfolgt durch einen Elektromotor. Aus diesem Grund weisen Elektromotoren und Elektrogeneratoren viele Ähnlichkeiten auf. Viele Elektromotoren können zur Erzeugung von Elektrizität mechanisch angetrieben werden und machen manuelle Generatoren häufig akzeptabel.

Modellierung eines elektrischen Generators

Ein realer Generator kann auf zwei verschiedene Arten modelliert werden:

  • Ein idealer Spannungsgenerator mit Serienwiderstand.
  • Ein idealer Stromgenerator mit einem parallel geschalteten Widerstand.

Idealer Spannungsgenerator

Der ideale Spannungsgenerator ist ein theoretisches Modell. Es ist ein Dipol, der unabhängig von der an seinen Klemmen angeschlossenen Last eine konstante Spannung auferlegen kann. Es wird auch Spannungsquelle genannt.

In einem offenen Stromkreis ist die Spannung, die an den Anschlüssen vorhanden ist, wenn kein Strom zugeführt wird, die Leerlaufspannung. Daher ist der Spannungsgenerator ein virtueller Dipol, dessen Spannung an seinen Klemmen unabhängig vom Wert des Stromausgangs immer gleich der Leerlaufspannung ist.

Der Spannungsgenerator kann nur ein theoretisches Modell sein, da er aufgrund eines Kurzschlusses einen unendlichen Strom liefern muss und daher eine unendliche Leistung liefern muss, die nicht erreichbar ist.

Idealer Stromgenerator

Für den idealen Stromgenerator ist der erzeugte Strom unabhängig von der erforderlichen Spannung und der zu liefernden Last konstant.

Es ist auch ein theoretisches Modell, da die Öffnung eines Stromkreises, der einen Nicht-Null-Stromgenerator umfasst, unendlich viel Leistung liefern sollte.

Die tatsächlichen Generatoren können einfach durch Kombination eines idealen Stromgenerators und eines parallel geschalteten Widerstands modelliert werden. Ein solches Modell wird als Norton-Modell bezeichnet.

Ein induktiver Dipol ist ein Übergangsstromgenerator, der einer Änderung der Intensität des durch ihn fließenden Stroms entgegenwirkt. Wenn eine Schaltung mit einem induktiven Dipol, der von einem Strom ungleich Null durchzogen wird, geöffnet wird, kann eine hohe Spannung auftreten, die einen elektrischen Lichtbogen auf dem Schalter erzeugen kann.

Ideale Stromerzeugung

Generatoren gelten im theoretischen Studium elektrischer Phänomene und Schaltungen als ideal. Ein idealer Generator kann beliebig viele Spannungen und Ströme erzeugen und ist frei von Innenwiderständen. Der Wert des erzeugten Stroms oder der Spannung ist unabhängig von der angelegten Last.

In der Realität gibt es keine idealen Generatoren, da jedes Gerät über einen inneren Widerstand verfügt und nur in bestimmten Grenzen Spannung und Strom erzeugen kann.

Ein realer Spannungsgenerator kann als idealer Spannungsgenerator mit serialisiertem Innenwiderstand dargestellt werden, während der tatsächliche Stromgenerator als idealer Stromgenerator parallel zum Innenwiderstand dargestellt werden kann.

Theoretisch sollte die Ausgangsspannung auf unendlich steigen, wenn eine Schaltung mit einem idealen Stromgenerator geöffnet wird. In realen Generatoren gibt es jedoch einen Spannungsgrenzwert, oberhalb dessen der Strom auf null zusammenbricht. Theoretisch wird bei der theoretischen Darstellung des realen Generators der Stromausgang des idealen Generators im Innenwiderstand geschlossen.

Stromerzeuger und Kernenergie

Stromerzeuger sind in Kernkraftwerken von entscheidender Bedeutung.

Sobald das Kernkraftwerk mit dem Drehen der Turbine begonnen hat, ist der elektrische Generator für die Umwandlung der mechanischen Energie der Turbine in elektrische Energie zuständig.

Thermoelektrischer Generator für Radioisotope

Ein thermoelektrischer Radioisotopgenerator ist ein einfacher elektrischer Generator. Dieser Generatortyp erhält die Energie der Energie, die durch den radioaktiven Zerfall bestimmter Elemente freigesetzt wird.

In einem thermoelektrischen Generator wird die beim Zerfall eines radioaktiven Materials freigesetzte Wärmeenergie direkt in Elektrizität umgewandelt. Diese Umwandlung beruht auf der Verwendung einer Reihe von Thermoelementen, die dank des Seebeck-Effekts im sogenannten Thermoelectric Heat Generator (oder HTG in Englisch) Wärme in elektrische Energie umwandeln.

Thermoelektrische Generatoren für Radioisotope können als eine Art Batterie angesehen werden, die Strom liefern kann. Sie wurden in Satelliten, unbemannten Weltraumsonden und Remote-Installationen verwendet, die keine andere Art von elektrischer Quelle oder Wärme haben.

Die RTG sind die am besten geeigneten Geräte in Situationen, in denen es keine menschliche Präsenz gibt und Leistungen von mehreren hundert Watt für längere Zeit erforderlich sind. Situationen, in denen herkömmliche Generatoren wie Brennstoffzellen oder Batterien wirtschaftlich nicht vertretbar sind Photovoltaikzellen können nicht genutzt werden, um die Sonnenenergie zu nutzen.

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Geändert am: 19. März 2017