Съдържание
- Принципът на електромагнитната индукция
- Как работи индукцията в електрически генератор
- Енергията във водата
- Преобразуване на водната мощност в електричество
- Проучване на случая: водноелектрически генератор на Ниагарския водопад
- Въздействието на водната енергия от околната среда
- Научен проект за генератор на водни колела
Подвижната вода е важен източник на енергия и хората са я използвали през вековете, като са изграждали водни колела.
Те бяха често срещани в Европа през Средновековието и бяха свикнали, наред с други неща, да раздробяват скали, да експлоатират духалки за метални рафинерии и чукови ленени листа, за да ги превърнат в хартия. Водни колела, които смилаха зърно, бяха известни като воденички и тъй като тази функция беше толкова повсеместна, двете думи станаха повече или по-малко синоними.
Откриването на Майкъл Фарадайс за електромагнитна индукция проправи пътя към изобретението на индукционния генератор, който в крайна сметка дойде да снабдява целия свят с електричество. Индукционният генератор преобразува механичната енергия в електрическа, а движещата се вода е евтин и обилен източник на механична енергия. Поради това беше естествено да се приспособяват водни мелници към водноелектрически генератори.
За да разберете как работи генератор на водно колело, помага да се разберат принципите на електромагнитната индукция. След като го направите, може да опитате да изградите свой собствен мини генератор на водни колела, като използвате двигателя от малък електрически вентилатор или друг уред.
Принципът на електромагнитната индукция
Фарадей (1791 - 1867) открива индукция чрез увиване на проводящ проводник многократно около цилиндрично ядро, за да направи соленоид. Той свърза краищата на проводниците към галванометър, устройство, което измерва ток (и предшественик на мултицета). Когато премества постоянен магнит вътре в соленоида, той установява, че електромерът регистрира ток.
Фарадей отбеляза, че токът променя посоката всеки път, когато променя посоката, в която движи магнита, а силата на тока зависи от това колко бързо се движи магнита.
Тези наблюдения по-късно са формулирани в Закона на Фарадей, който отнася Е, електромоторната сила (емф) в проводник, известен също като напрежение, със скоростта на промяна на магнитния поток ϕ преживян от диригента. Тази връзка обикновено се пише по следния начин:
E = - N • ∆ ϕ / ∆t
н е броят на завоите в проводника намотка. Символът ∆ (делта) показва промяна в количеството, което го следва. Знакът минус показва, че посоката на електромоторната сила е противоположна на посоките на магнитния поток.
Как работи индукцията в електрически генератор
Законът на Фарадей не уточнява дали намотката или магнитът трябва да се движат, за да предизвикат ток, и всъщност това няма значение. Един от тях обаче трябва да се движи, защото магнитният поток, който е частта от магнитното поле, преминаваща перпендикулярно през проводника, трябва да се променя. Не се генерира ток в статично магнитно поле.
Индукционният генератор обикновено има въртящ се постоянен магнит или проводяща намотка, намагнетизирана от външен източник на енергия, наречен ротор. Той се върти свободно върху вал с ниско триене (арматура) вътре в намотката, която се нарича статор, а когато се върти, генерира напрежение в намотката на статора.
Индуцираното напрежение променя посоката циклично с всяко завъртане на ротора, така че полученият ток също променя посоката. Известен е като променлив ток (променлив ток).
Във водна мелница енергията за въртене на ротора се подава чрез преместваща се вода, а за обикновените е възможно да се използва генерираното електричество директно за електрически светлини и уреди. По-често обаче генераторът е свързан към електрическата мрежа и доставя енергия обратно към мрежата.
В този сценарий постоянният магнит в ротора често се заменя с електромагнит и мрежата доставя променлив ток, за да го намагнетизира. За да получи нетен изход от генератора в този сценарий, роторът трябва да завърти честота, по-голяма от тази на входящата мощност.
Енергията във водата
Когато използвате вода, за да вършите работа, вие основно разчитате на силата на гравитацията, което е това, което прави потока на водата на първо място. Количеството енергия, което можете да получите от падащата вода, зависи от това колко вода пада и колко бързо. Ще получите повече енергия за единица вода от водопад, отколкото ще сте от течащ поток и очевидно ще получите повече енергия от голям поток или водопад, отколкото ще сте от малък.
Като цяло, наличната енергия за вършене на водното колело се дава от MGH, където "m" е масата на водата, "h" е височината, през която тя пада, а "g" е ускорението поради гравитацията. За да увеличите максимално наличната енергия, водното колело трябва да бъде в долната част на склона или водопада, което максимизира разстоянието, което водата трябва да падне.
Не е нужно да измервате масата на водата, която тече през потока. Всичко, което трябва да направите, е да оцените обема. Тъй като плътността на водата е известно количество и плътността е равна на масата, разделена на обем, е лесно да се превърне.
Преобразуване на водната мощност в електричество
Водно колело преобразува потенциалната енергия в течащ поток или водопад (MGH) в тангенциална кинетична енергия в точката, в която водата осъществява контакт с колелото. Това генерира ротационна кинетична енергия, дадена от I ω 2/2, където ω е ъгловата скорост на колелото и аз е инерционният момент. Инерционният момент на точка, въртяща се около централна ос, е пропорционален на квадрата на радиуса на въртене R: (I = mr2), където m е масата на точката.
За да оптимизирате преобразуването на енергия, искате да увеличите максимално ъгловата скорост, ω, но за да направите това, трябва да сведете до минимум аз, което означава минимизиране на радиуса на въртене, R, Водното колело трябва да има малък радиус, за да се гарантира, че се върти достатъчно бързо, за да генерира нетен ток. Това изключва старите вятърни мелници, с които Холандия е известна. Те са добри за извършване на механична работа, но не и за производство на електричество.
Проучване на случая: водноелектрически генератор на Ниагарския водопад
Един от първите широкомащабни индукционни генератори на водни колела и най-известният, се появи онлайн в Ниагарския водопад, Ню Йорк, през 1895 г. Замислен от Никола Тесла и финансиран и проектиран от Джордж Уестингхаус, електроцентралата на Едуард Дийн Адамс беше първата на няколко централи за доставка на електроенергия на потребителите в Съединените щати.
Действителната електроцентрала е построена на около миля нагоре по течението на Ниагарския водопад и получава вода чрез система от тръби. Водата се влива в цилиндричен корпус, в който е монтирано голямо водно колело. Силата на водата завърта колелото, а то от своя страна върти ротора на по-голям генератор, за да произвежда електричество.
Генераторът на АЕЦ използва 12 големи постоянни магнити, всеки от които произвежда магнитно поле с около 0,1 Тесла. Те са прикрепени към ротора на генераторите и се въртят в голяма серпентина от тел. Генераторът произвежда около 13 000 волта и за целта трябва да има поне 300 оборота в намотката. Около 4000 ампера на променлив ток през електрическата намотка, когато генераторът работи.
Въздействието на водната енергия от околната среда
В света има много малко водопади с размерите на Ниагарския водопад, поради което Ниагарският водопад се счита за едно от световните природни чудеса. Много водноелектрически станции са изградени върху язовири. Днес около 16 процента от световната електроенергия се доставят от такива хидроелектрически станции, най-големите от които са в Китай, Бразилия, Канада, САЩ и Русия. Най-големият завод е в Китай, но този, който произвежда най-много електричество, е в Бразилия.
След изграждането на язовир няма повече разходи, свързани с производството на електроенергия. но има някои разходи за околната среда.
Учените търсят начини да смекчат недостатъците на големите електроцентрали. Едното решение е изграждането на системи от по-малки, които имат по-малко въздействие върху околната среда. Друго е да се проектират всмукателни вентили и турбини, за да се гарантира, че водата, отделена от централата, е правилно кислородна. Дори и с недостатъци, водноелектрическите язовири са сред най-чистите, най-евтини източници на електроенергия на планетата.
Научен проект за генератор на водни колела
Добър начин да си помогнете да разберете принципите в производството на водноелектрическа енергия е сами да изградите малък електрически генератор. Можете да направите това с мотора от евтин електрически вентилатор или друг уред. Докато роторът вътре в двигателя използва постоянен магнит, моторът може да се използва "на заден ход" за генериране на електричество.Двигателят от много стар вентилатор или уред е по-добър кандидат от мотор от по-нов, тъй като по-старите двигатели на уреди са по-склонни да използват постоянни магнити.
Ако използвате вентилатор, може да успеете да осъществите този проект, без дори да го разглобите, защото лопатките на вентилатора могат да действат като работните колела. Те обаче наистина не са проектирани за това, така че може да искате да ги отрежете и да ги замените с по-ефективно водно колело, което сами конструирате. Ако решите да направите това, можете да използвате нашийник като основа за подобреното си водно колело, тъй като той вече е прикрепен към вала на двигателя.
За да определите дали вашият мини генератор на водни колела всъщност произвежда електричество, трябва да свържете метър през изходната намотка. Това е лесно да направите, ако използвате стар вентилатор или уред, защото има щепсел. Просто свържете сондите на мултицет към винтовете на щепсела и настройте глюкомера за измерване на променливо напрежение (VAC). Ако моторът, който използвате, няма щепсел, просто свържете измервателните сонди към проводниците, прикрепени към изходната намотка, които в повечето случаи са единствените два проводника, които ще намерите.
Можете да използвате естествен източник на падаща вода за този проект или можете да изградите свой собствен. Водата, падаща от чучура на вашата вана, трябва да генерира достатъчно енергия, за да произведе детектируем ток. Ако вземате проекта си на път, за да покажете на други хора, може да искате да излеете вода от стомна или да използвате градински маркуч.