Περιεχόμενο
- Η αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής
- Πώς λειτουργεί η επαγωγή σε ηλεκτρική γεννήτρια
- Η Ενέργεια στο Νερό
- Μετατροπή της παροχής νερού στην ηλεκτρική ενέργεια
- Μελέτη περίπτωσης: Υδροηλεκτρική Γεννήτρια Καταρράκτη Νιαγάρα
- Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της υδροηλεκτρικής ενέργειας
- Έργο επιστήμης γεννήτριας τροχών νερού
Το μετακινούμενο νερό είναι μια σημαντική πηγή ενέργειας και οι άνθρωποι έχουν αξιοποιήσει αυτή την ενέργεια καθ 'όλη τη διάρκεια των ηλικιών, κατασκευάζοντας τροχούς νερού.
Ήταν συνηθισμένοι στην Ευρώπη καθ 'όλη τη διάρκεια του Μεσαίωνα και συνηθούσαν, μεταξύ άλλων, να συνθλίβουν βράχους, να λειτουργούν φυσητήρες για μεταλλικά διυλιστήρια και σφυρήλατα φύλλα λινάρι για να τα μετατρέψουν σε χαρτί. Οι υδραυλικοί τροχοί που είχαν αλέσει τους κόκκους ήταν γνωστοί ως νερόμυλοι και επειδή αυτή η λειτουργία ήταν τόσο πανταχού παρούσα, οι δύο λέξεις έγιναν σχεδόν συνώνυμες.
Η ανακάλυψη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής Michael Faradays άνοιξε το δρόμο για την εφεύρεση της γεννήτριας επαγωγής που τελικά ήρθε να τροφοδοτήσει ολόκληρο τον κόσμο με ηλεκτρισμό. Μια γεννήτρια επαγωγής μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και το κινούμενο νερό είναι μια φθηνή και άφθονη πηγή μηχανικής ενέργειας. Ως εκ τούτου, ήταν φυσικό να προσαρμόζονται οι νερόμυλοι σε γεννήτριες υδροηλεκτρικής ενέργειας.
Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί μια γεννήτρια νερού, βοηθάει στην κατανόηση των αρχών της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Μόλις το κάνετε, μπορείτε να δοκιμάσετε να φτιάξετε τη δική σας γεννήτρια μικρών τροχών νερού, χρησιμοποιώντας τον κινητήρα από μικρό ηλεκτρικό ανεμιστήρα ή άλλη συσκευή.
Η αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής
Ο Faraday (1791 - 1867) ανακάλυψε την επαγωγή περιτυλίγοντας ένα σύρμα αγωγιμότητας πολλές φορές γύρω από έναν κυλινδρικό πυρήνα για να δημιουργήσει ένα σωληνοειδές. Συνδέθηκε τα άκρα των συρμάτων σε ένα γαλβανόμετρο, μια συσκευή που μετράει το ρεύμα (και τον πρόδρομο του πολυμέτρου). Όταν μετακινήθηκε ένας μόνιμος μαγνήτης μέσα στο ηλεκτρομαγνήσιο, διαπίστωσε ότι ο μετρητής σημείωσε ρεύμα.
Ο Faraday σημείωσε ότι η τρέχουσα αλλαγή κατεύθυνσης κάθε φορά που άλλαξε την κατεύθυνση που κινεί το μαγνήτη και η δύναμη του ρεύματος εξαρτάται από το πόσο γρήγορα κινούταν ο μαγνήτης.
Αυτές οι παρατηρήσεις αργότερα διατυπώθηκαν στον Νόμο Faradays, ο οποίος αναφέρεται στην Ε, την ηλεκτρομαγνητική δύναμη (emf) σε έναν αγωγό, επίσης γνωστό ως τάση, στον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής ϕ εμπειρία του αγωγού. Αυτή η σχέση είναι συνήθως γραμμένη ως εξής:
E = - N • Δ φ / Δt
Ν είναι ο αριθμός των στροφών στο πηνίο του αγωγού. Το σύμβολο ∆ (δέλτα) υποδεικνύει μια αλλαγή στην ποσότητα που ακολουθεί. Το σύμβολο μείον δείχνει ότι η κατεύθυνση της ηλεκτροκινητικής δύναμης είναι αντίθετη προς τις κατευθύνσεις της μαγνητικής ροής.
Πώς λειτουργεί η επαγωγή σε ηλεκτρική γεννήτρια
Το Faradays Law does not διευκρινίζει αν το πηνίο ή ο μαγνήτης πρέπει να κινηθεί για να προκαλέσει ρεύμα, και στην πραγματικότητα δεν έχει σημασία. Ένας από αυτούς πρέπει να κινηθεί, ωστόσο, επειδή η μαγνητική ροή, που είναι το μέρος του μαγνητικού πεδίου που περνάει κάθετα μέσα από τον αγωγό, πρέπει να αλλάζει. Δεν παράγεται ρεύμα σε ένα στατικό μαγνητικό πεδίο.
Μια γεννήτρια επαγωγής έχει συνήθως έναν περιστρεφόμενο μόνιμο μαγνήτη ή ένα αγώγιμο πηνίο μαγνητισμένο από μια εξωτερική πηγή ισχύος, που ονομάζεται ρότορα. Περιστρέφεται ελεύθερα σε έναν άξονα χαμηλής τριβής (οπλισμό) μέσα σε ένα πηνίο, ο οποίος ονομάζεται στάτορας και όταν περιστρέφεται παράγει μια τάση στο σπείρα του στάτη.
Η επαγόμενη τάση μεταβάλλει την κατεύθυνση κυκλικά με κάθε περιστροφή του ρότορα, έτσι ώστε το ρεύμα που προκύπτει επίσης να αλλάζει κατεύθυνση. Είναι γνωστό ως εναλλασσόμενο ρεύμα (AC).
Σε έναν νερόμυλο, η ενέργεια για την περιστροφή του ρότορα τροφοδοτείται με τη μετακίνηση του νερού, και για απλούς, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια απευθείας στα φώτα και τις συσκευές τροφοδοσίας. Πιο συχνά, όμως, η γεννήτρια συνδέεται στο ηλεκτρικό δίκτυο και τροφοδοτεί ενέργεια στο δίκτυο.
Σε αυτό το σενάριο, ο μόνιμος μαγνήτης στο ρότορα αντικαθίσταται συχνά από έναν ηλεκτρομαγνήτη και το πλέγμα παρέχει ρεύμα AC για να το μαγνητίσει. Για να πάρει μια καθαρή έξοδο από τη γεννήτρια σε αυτό το σενάριο, ο ρότορας πρέπει να περιστρέψει μια συχνότητα μεγαλύτερη από αυτή της εισερχόμενης ισχύος.
Η Ενέργεια στο Νερό
Όταν χρησιμοποιείτε το νερό για να δουλέψετε, βασικά βασίζεστε στη δύναμη της βαρύτητας, η οποία καθιστά την ροή του νερού στην πρώτη θέση. Η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αντληθεί από την πτώση του νερού εξαρτάται από το πόσο νερό πέφτει και πόσο γρήγορα. Θα έχετε περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα νερού από έναν καταρράκτη από ό, τι θα κάνετε από ένα ρέον ρεύμα και θα έχετε προφανώς περισσότερη ενέργεια από ένα μεγάλο ρεύμα ή καταρράκτη απ 'ότι θα πάρετε από ένα μικρό.
Σε γενικές γραμμές, η διαθέσιμη ενέργεια για να κάνει το έργο της περιστροφής του τροχού νερού δίνεται από mgh, όπου "m" είναι η μάζα του νερού, "h" είναι το ύψος με το οποίο πέφτει και "g" είναι η επιτάχυνση λόγω βαρύτητας. Για να μεγιστοποιήσετε τη διαθέσιμη ενέργεια, ο τροχός νερού πρέπει να βρίσκεται στο κάτω μέρος της πλαγιάς ή του καταρράκτη, πράγμα που μεγιστοποιεί την απόσταση που πρέπει να πέσει το νερό.
Δεν χρειάζεται να μετρήσετε τη μάζα του νερού που ρέει μέσα από το ρεύμα. Το μόνο που έχετε να κάνετε είναι να υπολογίσετε την ένταση. Επειδή η πυκνότητα του νερού είναι μια γνωστή ποσότητα και η πυκνότητα είναι ίση με τη μάζα διαιρούμενη με τον όγκο, είναι εύκολο να γίνει η μετατροπή.
Μετατροπή της παροχής νερού στην ηλεκτρική ενέργεια
Ένας τροχός νερού μετατρέπει τη δυνητική ενέργεια σε ρέον ρεύμα ή καταρράκτη (mgh) σε εφαπτομενική κινητική ενέργεια στο σημείο στο οποίο το νερό έρχεται σε επαφή με τον τροχό. Αυτό παράγει την περιστροφική κινητική ενέργεια, που δίνεται από I ω 2/2, που ω είναι η γωνιακή ταχύτητα του τροχού και Εγώ είναι η στιγμή της αδράνειας. Η στιγμή αδράνειας ενός σημείου που περιστρέφεται γύρω από έναν κεντρικό άξονα είναι ανάλογος προς το τετράγωνο της ακτίνας περιστροφής r: (I = mr2), που Μ είναι η μάζα του σημείου.
Για να βελτιστοποιήσετε τη μετατροπή της ενέργειας, θέλετε να μεγιστοποιήσετε τη γωνιακή ταχύτητα, ω, αλλά για να το κάνετε αυτό, πρέπει να ελαχιστοποιήσετε Εγώ, πράγμα που σημαίνει ελαχιστοποίηση της ακτίνας περιστροφής, r. Ένας τροχός νερού πρέπει να έχει μικρή ακτίνα για να εξασφαλίσει ότι γυρίζει αρκετά γρήγορα για να δημιουργήσει ένα καθαρό ρεύμα. Αυτό αφήνει έξω τους παλιούς ανεμόμυλους για τους οποίους οι Κάτω Χώρες είναι διάσημοι. Είναι καλό για να κάνουν μηχανικές εργασίες, αλλά όχι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Μελέτη περίπτωσης: Υδροηλεκτρική Γεννήτρια Καταρράκτη Νιαγάρα
Μία από τις πρώτες μεγάλες γεννήτριες επαγωγής των τροχών νερού, και η πιο γνωστή, ήρθε ηλεκτρονικά στο Niagara Falls της Νέας Υόρκης το 1895. Σχεδιάστηκε από τον Nikola Tesla και χρηματοδοτήθηκε και σχεδιάστηκε από τον George Westinghouse, ο σταθμός Edward Dean Adams ήταν ο πρώτος πολλών εγκαταστάσεων για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Το πραγματικό εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας είναι χτισμένο περίπου ένα μίλι ανάντη των Καταρράκτες του Νιαγάρα και παίρνει νερό μέσω ενός συστήματος σωλήνων. Το νερό ρέει σε ένα κυλινδρικό περίβλημα στο οποίο τοποθετείται ένας μεγάλος τροχός νερού. Η δύναμη του νερού περιστρέφει τον τροχό και με τη σειρά του περιστρέφει τον ρότορα μιας μεγαλύτερης γεννήτριας για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια.
Η γεννήτρια στο σταθμό παραγωγής Adams χρησιμοποιεί 12 μεγάλους μόνιμους μαγνήτες, καθένας από τους οποίους παράγει ένα μαγνητικό πεδίο περίπου 0,1 Tesla. Συνδέονται με το ρότορα των γεννητριών και περιστρέφονται μέσα σε ένα μεγάλο πηνίο σύρματος. Η γεννήτρια παράγει περίπου 13.000 βολτ και για να γίνει αυτό πρέπει να υπάρχουν τουλάχιστον 300 στροφές στο πηνίο. Περίπου 4000 ενισχυτές εναλλασσόμενου ρεύματος μέσω του πηνίου όταν λειτουργεί η γεννήτρια.
Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της υδροηλεκτρικής ενέργειας
Υπάρχουν λίγοι λίγοι καταρράκτες στον κόσμο με το μέγεθος των καταρράκτες του Νιαγάρα, γι 'αυτό οι καταρράκτες του Νιαγάρα θεωρούνται ένα από τα φυσικά θαύματα του κόσμου. Πολλοί υδροηλεκτρικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής κατασκευάζονται σε φράγματα. Σήμερα, περίπου το 16% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας παρέχεται από τέτοιους υδροηλεκτρικούς σταθμούς, οι μεγαλύτεροι από τους οποίους είναι στην Κίνα, τη Βραζιλία, τον Καναδά, τις Ηνωμένες Πολιτείες και τη Ρωσία. Το μεγαλύτερο εργοστάσιο είναι στην Κίνα, αλλά αυτό που παράγει το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας είναι στη Βραζιλία.
Μόλις κατασκευαστεί ένα φράγμα, δεν υπάρχει πλέον κόστος που συνδέεται με την παραγωγή ενέργειας. αλλά υπάρχει κάποιο κόστος για το περιβάλλον.
Οι επιστήμονες αναζητούν τρόπους για να μετριάσουν τα μειονεκτήματα των μονάδων μεγάλης ισχύος. Μια λύση είναι να δημιουργηθούν συστήματα μικρότερων που έχουν μικρότερο περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Ένας άλλος είναι ο σχεδιασμός βαλβίδων εισαγωγής και στροβίλων για να διασφαλιστεί ότι το νερό που απελευθερώνεται από το φυτό είναι οξυγονωμένο σωστά. Ακόμη και με μειονεκτήματα, τα υδροηλεκτρικά φράγματα είναι από τις καθαρότερες, φθηνότερες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας στον πλανήτη.
Έργο επιστήμης γεννήτριας τροχών νερού
Ένας καλός τρόπος να βοηθήσετε τον εαυτό σας να κατανοήσετε τις αρχές της παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας είναι να κατασκευάσετε τον εαυτό σας μια μικρή ηλεκτρική γεννήτρια. Μπορείτε να το κάνετε αυτό με τον κινητήρα από έναν οικονομικό ανεμιστήρα ή άλλη συσκευή. Όσο ο ρότορας στο εσωτερικό του κινητήρα χρησιμοποιεί μόνιμο μαγνήτη, ο κινητήρας μπορεί να χρησιμοποιηθεί "αντίστροφα" για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια.Ο κινητήρας από έναν πολύ παλιό ανεμιστήρα ή συσκευή είναι καλύτερος υποψήφιος από έναν κινητήρα από έναν νεότερο, καθώς οι παλαιότεροι κινητήρες των συσκευών είναι πιο πιθανό να χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες.
Εάν χρησιμοποιείτε ανεμιστήρα, ίσως μπορείτε να ολοκληρώσετε αυτό το έργο χωρίς να το αποσυναρμολογήσετε, επειδή οι λεπίδες των ανεμιστήρων μπορούν να λειτουργήσουν ως οι πτερωτές. Ωστόσο, δεν έχουν σχεδιαστεί πραγματικά γι 'αυτό, έτσι μπορείτε να θελήσετε να τα κόψετε και να τα αντικαταστήσετε με έναν πιο αποτελεσματικό τροχό νερού που κατασκευάζετε τον εαυτό σας. Αν αποφασίσετε να το κάνετε αυτό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το περιλαίμιο ως βάση για τον βελτιωμένο τροχό του νερού σας, αφού ήδη έχει συνδεθεί στον άξονα του κινητήρα.
Για να προσδιορίσετε αν η γεννήτρια τροχών μικρού νερού σας παράγει στην πραγματικότητα ηλεκτρική ενέργεια, θα πρέπει να συνδέσετε ένα μετρητή σε όλο το πηνίο εξόδου. Αυτό γίνεται εύκολα αν χρησιμοποιείτε παλιό ανεμιστήρα ή συσκευή, επειδή διαθέτει πρίζα. Απλώς συνδέστε τους αισθητήρες ενός πολυμέτρου με τους πείρους βύσματος και ρυθμίστε το μετρητή για να μετρήσετε την τάση εναλλασσόμενου ρεύματος (VAC). Εάν ο κινητήρας που χρησιμοποιείτε doesnt έχει ένα βύσμα, απλά συνδέστε τους ανιχνευτές μέτρησης με τα καλώδια που συνδέονται με την πηνίο εξόδου, τα οποία στις περισσότερες περιπτώσεις είναι τα μόνα δύο καλώδια που θα βρείτε.
Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια φυσική πηγή πτώσης νερού για αυτό το έργο ή μπορείτε να κατασκευάσετε το δικό σας. Το νερό που πέφτει από το στόμιο της μπανιέρας σας πρέπει να παράγει αρκετή ενέργεια για να παράγει ένα ανιχνεύσιμο ρεύμα. Αν παίρνετε το σχέδιό σας στο δρόμο για να δείξετε άλλους ανθρώπους, μπορεί να θέλετε να ρίξετε νερό από μια κανάτα ή να χρησιμοποιήσετε έναν σωλήνα κήπου.