Есть ли в генераторе «свободная» энергия?

Это зависит от транспортного средства и от того, как осуществляется регулирование.

A) Это «бесплатно», если регулятор потребляет 100 % мощности 100 % времени и сбрасывает излишки на землю. Вы потребляете энергию, которая была потеряна.

Это очень распространённая проблема на старых мотоциклах, которая может сократить срок службы обмоток статора. С другой стороны, можно свободно использовать фару.

Б) В противном случае он не будет свободным, и при нагрузке сопротивление будет выше. Для проверки генератора можно использовать вентилятор отопителя, но не кондиционер, так как при включении сцепления компрессора может сработать дроссельная заслонка.

Некоторые специализированные альтернаторы/генераторы оснащены редукторами, а некоторые очень современные системы — системами понижения/повышения напряжения или Split-Pi, которые намного эффективнее традиционного регулирования и помогают снизить потери.

Нет, это не бесплатно. Просто по сравнению со всем остальным, что происходит в машине, мощность, необходимая для зарядки телефона, незначительна. Вы могли бы задать похожий вопрос: «Откуда берётся энергия для работы динамиков, когда я увеличиваю громкость в автомобильной стереосистеме?» В обоих случаях ответ таков: при прочих равных условиях дополнительная мощность поступает от генератора, который создаёт дополнительную нагрузку на двигатель, из-за чего тот либо сжигает немного больше топлива (при тех же оборотах), либо немного замедляется (тем самым теряя меньше мощности на холостом ходу из-за всех факторов, которые снижают мощность двигателя на холостом ходу).

Иногда это можно заметить. Когда автомобиль работает на холостом ходу, например на светофоре (автоматическая коробка передач в режиме Drive, автомобиль удерживается тормозами) или, возможно, в режиме Park (или в нейтральном режиме, если коробка передач механическая). Включите указатель поворота и внимательно прислушайтесь к звуку двигателя. Вы можете заметить, что он слегка повышается и понижается в такт указателю поворота. Это происходит потому, что дополнительная мощность, необходимая для освещения всех ламп указателя поворота, создаёт дополнительную нагрузку на генератор, который, в свою очередь, создаёт дополнительную нагрузку на двигатель. Эта демонстрация может не сработать, если в указателях поворота используются светодиоды, а не лампы накаливания (они потребляют меньше энергии, поэтому эффект может быть слишком незначительным, чтобы его заметить).

Суть в том, что «бесплатных обедов не бывает». Энергия для зарядки вашего мобильного телефона должна откуда-то поступать — в конечном счёте для этого потребовалось бы немного больше топлива, которое в противном случае было бы использовано для чего-то другого.

Учитывая все недостатки, можно ли сказать, что «подключить, скажем,
смартфон к автомобильной зарядке во время движения — это бесплатно»?

Короткий ответ: нет (но измерить влияние настолько сложно, что вам будет трудно сказать).

Помните, что генератор должен обеспечивать питанием всё, что подключено к электрической системе. Зарядка аккумулятора — это большая нагрузка, которая снижается по мере того, как аккумулятор полностью заряжается. Ваша мощная стереосистема также потребляет много энергии. Освещение — ещё одна удивительно большая нагрузка: помните все эти ужасно неэффективные лампы накаливания, которые все меняют в своих домах? При определённых обстоятельствах я могу заметить, что обороты двигателя на холостом ходу немного снижаются, если я включаю только фары (если я переключаюсь с ближнего света на дальний).

Что ещё хуже, сам генератор не отличается особой эффективностью. Давайте посмотрим статью в Википедии, чтобы понять почему:

Эффективность автомобильных генераторов ограничена потерями на охлаждение вентилятором,
потерями в подшипниках, потерями в железе, потерями в меди и падением напряжения в
диодных мостах. При частичной нагрузке эффективность составляет от 50 до 62 % в зависимости
от размера генератора и меняется в зависимости от частоты вращения генератора.[6] Это
аналогично очень маленьким высокопроизводительным генераторам с постоянными магнитами,
например тем, что используются в велосипедных системах освещения, где достигается
эффективность около 60 %.

Таким образом, ещё до того, как вы подключите телефон к сети, генератор уже будет справляться с гораздо более высокими нагрузками, включая собственную внутреннюю неэффективность. Поэтому, если вы подключите зарядное устройство на 2,1 ампера к генератору, рассчитанному на 50–70 ампер, да, вы будете потреблять больше тока. Кроме того, вы увеличиваете индуктивную нагрузку на генератор, что, в свою очередь, увеличивает нагрузку на всю механическую систему.

Сможете ли вы это определить? Без тщательной экспериментальной процедуры — нет.

Если это не бесплатно, то откуда конкретно берётся энергия? Повышает ли
генератор физическую нагрузку на двигатель?

Да (но это далеко не такая большая нагрузка, как при перемещении автомобиля). Опять же, в качестве отправной точки возьмём статью в Википедии:

Генераторы переменного тока вырабатывают электроэнергию по тому же принципу, что и
генераторы постоянного тока, а именно, когда магнитное поле вокруг проводника
изменяется, в проводнике индуцируется ток. Как правило, вращающийся
магнит, называемый ротором, вращается внутри неподвижного набора проводников,
намотанных катушками на железный сердечник, называемый статором. Поле проходит
по проводникам, генерируя наведенную ЭДС (электродвижущую
силу), поскольку механическое воздействие заставляет ротор вращаться.

Итак, если сильно упростить, то можно представить себе генератор переменного тока как нечто похожее на водяной насос, только вместо того, чтобы создавать поток воды, он создаёт электрический ток.

Затем этот ток очень быстро меняет направление, чего никогда не происходит с водяным насосом, так как это может привести к кавитации. Аналогия довольно быстро сходит на нет, но давайте не будем заострять на этом внимание...

Все электрические устройства, подключенные к системе, нуждаются в этом токе. Если вы увеличите нагрузку на электрическую систему, это в конечном итоге приведет к тому, что генератору придется выполнять больше механической работы для создания исходного тока. По мере того как двигатель вращает генератор, в конечном итоге двигатель выполняет больше работы.

Генератор предназначен для зарядки аккумулятора. Аккумулятор обеспечивает питание электрических компонентов в салоне. Регулятор напряжения определяет, полностью ли заряжен аккумулятор, и позволяет генератору заряжать его, если это необходимо. Таким образом, если вы не используете энергию, регулятор будет отводить энергию, поступающую от генератора. Вероятно, в виде тепловой энергии.

Генератор приводится в действие ремнём, идущим от двигателя, поэтому возникает паразитное сопротивление, которое несколько снижает эффективность двигателя. Именно поэтому многие гоночные автомобили оснащены системой зажигания от вращения коленчатого вала, которая устраняет необходимость в генераторе. Они всё равно могут быть оснащены аккумулятором для питания фар и/или системы управления. Эти аккумуляторы необходимо заряжать перед каждой гонкой.