Sisu
- Elektromagnetilise induktsiooni põhimõte
- Kuidas induktsioon töötab elektrigeneraatoris
- Energia vees
- Veeenergia muundamine elektrienergiaks
- Juhtumianalüüs: Niagara juga hüdroelektrijaam
- Hüdroelektri keskkonnamõju
- Veeratta generaatori teadusprojekt
Liikuv vesi on oluline energiaallikas ja inimesed on seda energiat läbi aegade veerataste ehitamise kaudu rakendanud.
Need olid Euroopas levinud kogu keskaja ja olid harjunud muu hulgas kivimit purustama, metallitöötlemistehaste jaoks lõõtsa kasutama ja linalehti vasardama, et neid paberiks muuta. Tera jahvatavaid vesirattaid tunti vesiveskidena ja kuna see funktsioon oli nii üldlevinud, muutusid need kaks sõna enam-vähem sünonüümiks.
Michael Faradaysi elektromagnetilise induktsiooni avastus sillutas teed induktsioonigeneraatori leiutamisele, mis lõpuks varustas kogu maailma elektrienergiaga. Induktsioonigeneraator muundab mehaanilise energia elektrienergiaks ning liikuv vesi on odav ja külluslik mehaanilise energia allikas. Seetõttu oli loomulik vesiveskide kohandamine hüdroelektrijaamadeks.
Veeratta generaatori toimimise mõistmiseks aitab see mõista elektromagnetilise induktsiooni põhimõtteid. Kui olete seda teinud, võite proovida ehitada oma väikese veeratta generaatori, kasutades mootorit väikesest elektrifännist või muust seadmest.
Elektromagnetilise induktsiooni põhimõte
Faraday (1791 - 1867) avastas induktsiooni, keerates juhtivjuhtme mitu korda ümber silindrilise südamiku, et moodustada solenoid. Ta ühendas juhtmete otsad galvanomeetriga - seadmega, mis mõõdab voolu (ja multimeetri eelkäijaga). Püsimagneti liigutamisel solenoidi sees leidis ta, et arvesti registreerib voolu.
Faraday märkis, et praegune muutis suunda alati, kui ta muutis magneti liigutamise suunda, ja voolu tugevus sõltus sellest, kui kiiresti ta magneti liigutas.
Need tähelepanekud vormistati hiljem Faraday seaduses, mis seob juhi elektromotoorjõu (emf), tuntud ka kui pinge, magnetilise voo muutumise kiirusega. ϕ kogenud dirigent. See suhe kirjutatakse tavaliselt järgmiselt:
E = - N • ∆ ϕ / ∆t
N on pöördepunktide arv juhtivmähises. Sümbol ∆ (delta) näitab muutust sellele järgnevas koguses. Miinusmärk näitab, et elektromootori jõu suund on vastupidine magnetvoo suundadele.
Kuidas induktsioon töötab elektrigeneraatoris
Faradayseadus ei täpsusta, kas mähis või magnet peab voolu esilekutsumiseks liikuma, ja tegelikult ei oma see tähtsust. Üks neist peab siiski liikuma, kuna magnetvoog, mis on magnetvälja osa, mis kulgeb läbi juhi risti, peab muutuma. Staatilises magnetväljas voolu ei teki.
Induktsioonigeneraatoril on tavaliselt pöörlev püsimagnet või juhtiv mähis, mida on magnetiseeritud väline jõuallikas, mida nimetatakse rootoriks. See pöörleb vabalt mähise sees oleva väikese hõõrdejõuga võllil (armatuuril), mida nimetatakse staatoriks, ja kui see keerutab, tekitab see staatori mähises pinge.
Indutseeritud pinge muudab tsükliliselt rootori iga spinni korral suunda, nii et ka sellest tulenev vool muudab suunda. Seda nimetatakse vahelduvvooluks (AC).
Vesiveskis antakse rootori tsentrifuugimiseks energiat liikuva veega ning lihtsate puhul on võimalik seda toodetud elektrienergiat otse toitetuledele ja seadmetele kasutada. Kuid sagedamini on generaator ühendatud elektrivõrguga ja tarnib elektrienergiat tagasi võrku.
Selle stsenaariumi korral asendatakse rootoris olev püsimagnet sageli elektromagnetiga ja võrk annab selle magnetiseerimiseks vahelduvvoolu. Selle stsenaariumi korral generaatorist netoväljundi saamiseks peab rootor pöörlema sagedusega, mis on suurem kui sissetuleval võimsusel.
Energia vees
Kui kasutate vett töö tegemiseks, siis tuginete põhiliselt gravitatsioonijõule, mis paneb vee esiteks voolama. Energiakogus, mida saate langevast veest saada, sõltub sellest, kui palju vett langeb ja kui kiiresti. Saate juga rohkem vett ühe veeühiku kohta kui voolavat oja ja lisaks saate suurest ojast või juga rohkem energiat kui väikesest.
Üldiselt annab veeratta keeramiseks vajaliku energia energiat mgh, kus "m" on vee mass, "h" on kõrgus, mille kaudu see langeb, ja "g" on gravitatsioonist tulenev kiirendus. Kättesaadava energia maksimeerimiseks peaks veeratas asuma nõlva või juga allosas, mis maksimeerib vee vahemaad.
Te ei pea mõõtma oja kaudu voolava vee massi. Peate vaid hindama helitugevust. Kuna vee tihedus on teadaolev kogus ja tihedus võrdub massiga, mis on jagatud mahuga, on selle muutmine lihtne.
Veeenergia muundamine elektrienergiaks
Veeratas teisendab voolavast voost või juga potentsiaalset energiat (mgh) tangentsiaalseks kineetiliseks energiaks kohas, kus vesi puutub kokku rattaga. See genereerib kineetilist pöörlemisenergiat, mille annab Ma ω 2/2, kus ω on ratta nurkkiirus ja Mina on inertsimoment. Kesktelje ümber pöörleva punkti inertsmoment on võrdeline pöörderaadiuse ruuduga r: (I = hr2), kus m on punkti mass.
Energia muundamise optimeerimiseks soovite maksimeerida nurkkiirust, ω, kuid selleks peate minimeerima Mina, mis tähendab pöörderaadiuse minimeerimist, r. Veeratas peaks olema väikese raadiusega, tagamaks selle pöörlemist piisavalt kiiresti, et tekitada netovoolu. See jätab välja vanad tuulikud, mille kohta Holland on kuulus. Need sobivad hästi mehaaniliste tööde tegemiseks, kuid mitte elektrienergia tootmiseks.
Juhtumianalüüs: Niagara juga hüdroelektrijaam
Üks esimesi suuremahulisi veeratta induktsiooni generaatoreid ja tuntuim jõudis võrku Niagara juga New Yorgis 1895. aastal. Nikolai Tesla poolt välja töötatud ja George Westinghouse'i kavandatud projekti järgi oli Edward Dean Adamsi elektrijaam esimene. mitmest jaamast, mis tarnivad elektrienergiat Ameerika Ühendriikide tarbijatele.
Tegelik elektrijaam on ehitatud umbes miili Niagara jugast ülesvoolu ja saab vett torusüsteemi kaudu. Vesi voolab silindrilisse korpusesse, millesse on paigaldatud suur veeratas. Vee jõud keerutab ratast ja see omakorda keerutab suurema generaatori rootorit elektri tootmiseks.
Adamsi elektrijaama generaator kasutab 12 suurt püsimagneti, millest igaüks tekitab umbes 0,1 Tesla suuruse magnetvälja. Need on kinnitatud generaatori rootori külge ja keerlevad suure traadi mähise sees. Generaator tekitab umbes 13 000 volti ja selleks peab mähises olema vähemalt 300 pööret. Umbes 4000 amprit vahelduvvoolu elektrivoolu läbib mähise kaudu, kui generaator töötab.
Hüdroelektri keskkonnamõju
Niagara juga on maailmas väga vähe jugasid, mistõttu peetakse Niagara juga üheks maailma looduslikust imest. Paljud hüdroelektrijaamad on ehitatud tammidele. Praegu tarnivad sellised hüdroelektrijaamad umbes 16 protsenti maailma elektrienergiast, suurimad neist on Hiinas, Brasiilias, Kanadas, Ameerika Ühendriikides ja Venemaal. Suurim tehas on Hiinas, kuid kõige rohkem elektrit toodab Brasiilias.
Kui tamm on ehitatud, pole elektritootmisega enam mingeid kulusid. kuid keskkonnale on mõned kulud.
Teadlased otsivad võimalusi suurte elektritootmisjaamade puuduste leevendamiseks. Üks lahendus on väiksemate süsteemide ehitamine, millel on vähem keskkonnamõju. Teine on kavandada sisselaskeventiilid ja turbiinid tagamaks, et taimest eralduv vesi oleks korralikult hapndatud. Isegi puudustega on hüdroelektrijaamad planeedi puhtaimate ja odavaimate elektrienergiaallikate hulgas.
Veeratta generaatori teadusprojekt
Hea viis aidata hüdroelektrienergia tootmise põhimõtetest aru saada on ise väikese elektrigeneraatori ehitamine. Seda saate teha odava elektriventilaatori või muu seadme mootoriga. Kuni mootori sees olev rootor kasutab püsimagneti, saab mootorit elektrienergia tootmiseks kasutada "vastupidises" suunas.Väga vanast ventilaatorist või seadmest tulenev mootor on parem kandidaat kui uuema mootor, kuna vanemates seadmetes töötavad mootorid suurema tõenäosusega püsimagnetitega.
Ventilaatori kasutamisel saate selle projekti teostada isegi seda lahti võtmata, sest ventilaatori labad võivad tegutseda tiivikutena. Kuid need pole tegelikult selleks loodud, nii et võiksite need ära lõigata ja asendada need efektiivsema veerattaga, mille ise ehitate. Kui otsustate seda teha, võite oma parema veeratta alusena kasutada krae, kuna see on juba mootori võlli külge kinnitatud.
Et teha kindlaks, kas teie miniveeratta generaator tegelikult elektrit toodab, peate ühendama arvesti väljundmähisega. Seda on lihtne teha, kui kasutate vana ventilaatorit või seadet, kuna sellel on pistik. Ühendage lihtsalt multimeetri proovivõtturid pistikutega ja seadke arvesti vahelduvpinge (VAC) mõõtmiseks. Kui teie kasutataval mootoril pole pistikut, ühendage arvesti sond lihtsalt väljundmähise külge kinnitatud juhtmetega, mis enamasti on ainsad kaks juhtmest.
Selle projekti jaoks võite kasutada looduslikku langevat veeallikat või ise ehitada. Teie vanni otsast langev vesi peaks tekitama piisavalt energiat tuvastatava voolu tekitamiseks. Kui teete oma projekti teistele inimestele näitamiseks, võiksite valada kannu vett või kasutada aiavoolikut.