كيف تصنع الطواحين المائية الكهرباء؟

يعد نقل المياه مصدرًا مهمًا للطاقة ، وقد استغل الناس هذه الطاقة على مر العصور من خلال بناء نواجل مائية.

كانت شائعة في أوروبا طوال العصور الوسطى واستخدمت ، من بين أمور أخرى ، لسحق الصخور وتشغيل منفاخ لمصافي المعادن ومطرقة أوراق الكتان لتحويلها إلى ورق. عُرفت النواعير التي تُطحن الحبوب باسم طواحين الماء ، ولأن هذه الوظيفة كانت موجودة في كل مكان ، أصبحت الكلمتان مترادفتان إلى حد ما.

مهد اكتشاف مايكل فاراداي للحث الكهرومغناطيسي الطريق لاختراع المولد الحثي الذي جاء في النهاية لتزويد العالم بأسره بالكهرباء. يحول المولد الحثي الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ، ونقل المياه هو مصدر رخيص ووفير للطاقة الميكانيكية. لذلك كان من الطبيعي تكييف الطواحين المائية في مولدات الطاقة الكهرومائية.

لفهم كيفية عمل مولد عجلة المياه ، من المفيد فهم مبادئ الحث الكهرومغناطيسي. بمجرد القيام بذلك ، قد تحاول بناء مولد عجلة المياه الصغيرة الخاص بك ، باستخدام المحرك من مروحة كهربائية صغيرة أو أي جهاز آخر.

اكتشف فاراداي (1791 - 1867) الحث عن طريق لف سلك توصيل عدة مرات حول قلب أسطواني لصنع ملف لولبي. قام بتوصيل أطراف الأسلاك بجلفانومتر ، وهو جهاز يقيس التيار (والسلائف للمقياس المتعدد). عندما قام بتحريك مغناطيس دائم داخل الملف اللولبي ، وجد أن العداد سجل التيار.

لاحظ فاراداي أن الاتجاه الحالي يغير الاتجاه كلما غير الاتجاه الذي كان يحرك فيه المغناطيس ، وأن قوة التيار تعتمد على مدى سرعته في تحريك المغناطيس.

تمت صياغة هذه الملاحظات لاحقًا في قانون فاراداي ، الذي يربط E ، القوة الدافعة الكهربائية (emf) في الموصل ، المعروف أيضًا باسم الجهد ، بمعدل تغير التدفق المغناطيسيϕمن ذوي الخبرة من قبل موصل. عادة ما تتم كتابة هذه العلاقة على النحو التالي:

​نهو عدد الدورات في ملف الموصل. الرمز∆(دلتا) تشير إلى تغيير في الكمية التي تليها. تشير علامة الطرح إلى أن اتجاه القوة الدافعة الكهربائية هو عكس اتجاهات التدفق المغناطيسي.

لا يحدد قانون فاراداي ما إذا كان يجب أن يتحرك الملف أو المغناطيس لتحفيز تيار ، وفي الحقيقة لا يهم. يجب أن يتحرك أحدهما ، مع ذلك ، لأن التدفق المغناطيسي ، وهو جزء من المجال المغناطيسي الذي يمر بشكل عمودي عبر الموصل ، يجب أن يتغير. لا يوجد تيار يتولد في مجال مغناطيسي ثابت.

عادة ما يحتوي مولد الحث على مغناطيس دائم دوار أو ملف موصل ممغنط بواسطة مصدر طاقة خارجي ، يسمى الدوار. يدور بحرية على عمود منخفض الاحتكاك (المحرك) داخل ملف يسمى الجزء الثابت ، وعندما يدور ، فإنه يولد جهدًا في ملف الجزء الثابت.

يغير الجهد المستحث اتجاهه دوريًا مع كل دوران للعضو الدوار ، وبالتالي فإن التيار الناتج أيضًا يغير الاتجاه. يُعرف باسم التيار المتردد (AC).

في طاحونة مائية ، يتم توفير الطاقة اللازمة لتدوير الدوار عن طريق تحريك المياه ، وبالنسبة للأشكال البسيطة ، من الممكن استخدام الكهرباء المولدة مباشرة لتشغيل الأضواء والأجهزة. ومع ذلك ، في كثير من الأحيان ، يتم توصيل المولد بشبكة الطاقة ويعيد الطاقة إلى الشبكة.

في هذا السيناريو ، غالبًا ما يتم استبدال المغناطيس الدائم في الدوار بمغناطيس كهربي ، وتزود الشبكة تيار التيار المتردد لمغناطيسه. للحصول على ناتج صافٍ من المولد في هذا السيناريو ، يجب أن يدور الدوار ترددًا أكبر من تردد الطاقة الواردة.

عند تسخير الماء للقيام بالعمل ، فأنت تعتمد أساسًا على قوة الجاذبية ، وهو ما يجعل الماء يتدفق في المقام الأول. تعتمد كمية الطاقة التي يمكنك الحصول عليها من المياه المتساقطة على كمية المياه المتساقطة ومدى السرعة. ستحصل على طاقة لكل وحدة مياه من الشلال أكثر مما ستحصل عليه من مجرى متدفق ، ومن الواضح أنك ستحصل على طاقة أكبر من تيار كبير أو شلال أكثر مما ستحصل عليه من تيار صغير.

بشكل عام ، يتم توفير الطاقة المتاحة للقيام بعمل تدوير عجلة المياهmgh، حيث "m" كتلة الماء ، و "h" هو الارتفاع الذي يسقط من خلاله و "g" هو التسارع بسبب الجاذبية. لتحقيق أقصى قدر من الطاقة المتاحة ، يجب أن تكون عجلة المياه في أسفل المنحدر أو الشلال ، مما يزيد من المسافة التي يجب أن يسقطها الماء.

ليس عليك قياس كتلة الماء المتدفق عبر التيار. كل ما عليك فعله هو تقدير الحجم. نظرًا لأن كثافة الماء كمية معروفة ، والكثافة تساوي الكتلة مقسومة على الحجم ، فمن السهل إجراء التحويل.

تقوم عجلة الماء بتحويل الطاقة الكامنة في تيار متدفق أو شلال (mgh) إلى طاقة حركية عرضية عند النقطة التي يتلامس عندها الماء مع العجلة. هذا يولد طاقة حركية دورانية ، معطاة من قبلأنا ω ²/2، أينωهي السرعة الزاوية للعجلة وأناهي لحظة القصور الذاتي. تتناسب لحظة القصور الذاتي لنقطة تدور حول محور مركزي مع مربع نصف قطر الدورانص​: (​أنا = السيد²)، أينمهي كتلة النقطة.

لتحسين تحويل الطاقة ، فأنت تريد تعظيم السرعة الزاوية ،ω، ولكن للقيام بذلك ، تحتاج إلى تقليلأنا، مما يعني تقليل نصف قطر الدوران ،ص. يجب أن يكون نصف قطر عجلة المياه صغيرًا لضمان دورانها بسرعة كافية لتوليد تيار صافي. هذا يترك طواحين الهواء القديمة التي تشتهر بها هولندا. إنها جيدة للقيام بالأعمال الميكانيكية ، ولكن ليس لتوليد الكهرباء.

واحدة من أولى المولدات الحثية لعجلة المياه واسعة النطاق ، والأكثر شهرة ، ظهرت على الإنترنت في شلالات نياجرا ، نيويورك ، في عام 1895. كانت محطة توليد الكهرباء إدوارد دين آدامز ، التي ابتكرها نيكولا تيسلا وبتمويل وتصميم جورج وستنجهاوس ، هي الأولى من بين عدة محطات لتزويد المستهلكين بالكهرباء في الولايات المتحدة.

تم بناء محطة الطاقة الفعلية على بعد ميل من شلالات نياجرا وتحصل على المياه من خلال نظام من الأنابيب. يتدفق الماء إلى مبيت أسطواني يتم تركيب عجلة مائية كبيرة فيه. تقوم قوة الماء بتدوير العجلة ، وهي بدورها تقوم بتدوير العضو الدوار لمولد أكبر لإنتاج الكهرباء.

يستخدم المولد في محطة توليد آدامز 12 مغناطيسًا دائمًا كبيرًا ، ينتج كل منها مجالًا مغناطيسيًا يبلغ حوالي 0.1 تسلا. يتم توصيلها بدوار المولد وتدور داخل ملف كبير من الأسلاك. ينتج المولد حوالي 13000 فولت ، وللقيام بذلك يجب أن يكون هناك 300 دورة على الأقل في الملف. حوالي 4000 أمبير من دورات كهرباء التيار المتردد من خلال الملف عند تشغيل المولد.

يوجد عدد قليل جدًا من الشلالات في العالم بحجم شلالات نياجرا ، ولهذا تعتبر شلالات نياجرا واحدة من عجائب العالم الطبيعية. تم بناء العديد من محطات توليد الطاقة الكهرومائية على السدود. اليوم ، يتم توفير حوالي 16 في المائة من الكهرباء في العالم من خلال هذه المحطات الكهرومائية ، وأكبرها في الصين والبرازيل وكندا والولايات المتحدة وروسيا. يقع أكبر مصنع في الصين ، لكن المصنع الذي ينتج أكبر قدر من الكهرباء موجود في البرازيل.

بمجرد بناء السد ، لا توجد تكاليف أخرى مرتبطة بتوليد الطاقة. ولكن هناك بعض التكاليف على البيئة.

• بناء السد يغير مجرى الممرات المائية الطبيعية ويؤثر ذلك على حياة النباتات والحيوانات والبشر الذين يعتمدون على التدفق الطبيعي للمياه. تضمن بناء سد الخوانق الثلاثة في الصين إعادة توطين 1.2 مليون شخص.
• تغير السدود دورات الحياة الطبيعية للأسماك التي تعيش في الجداول. في شمال غرب المحيط الهادئ ، حرمت السدود ما يقدر بنحو 40 في المائة من سمك السلمون والرأس الفولاذي من موائلها الطبيعية.
• المياه التي تأتي من السد لديها مستوى منخفض من الأكسجين المذاب ، وهذا يؤثر على الأسماك والنباتات والحياة البرية التي تعتمد على الماء.
• يتأثر إنتاج الطاقة الكهرومائية بالجفاف. عندما تنخفض المياه ، غالبًا ما يكون من الضروري إيقاف إنتاج الطاقة للحفاظ على ما هو موجود من المياه.

يبحث العلماء في طرق للتخفيف من عيوب محطات إنتاج الطاقة الكبيرة. أحد الحلول هو بناء أنظمة أصغر ذات تأثير بيئي أقل. آخر هو تصميم صمامات السحب والتوربينات لضمان أن المياه المنبعثة من المحطة مؤكسدة بشكل صحيح. حتى مع وجود عيوب ، فإن السدود الكهرومائية هي من بين أنظف وأرخص مصادر الكهرباء على هذا الكوكب.

طريقة جيدة لمساعدة نفسك على فهم المبادئ في توليد الطاقة الكهرومائية هي بناء مولد كهربائي صغير بنفسك. يمكنك القيام بذلك باستخدام المحرك من مروحة كهربائية غير مكلفة أو أي جهاز آخر. طالما أن الجزء المتحرك داخل المحرك يستخدم مغناطيسًا دائمًا ، يمكن استخدام المحرك "في الاتجاه المعاكس" لتوليد الكهرباء. يعد المحرك من مروحة أو جهاز قديم جدًا مرشحًا أفضل من محرك من أحدث ، حيث من المرجح أن تستخدم محركات الأجهزة القديمة مغناطيس دائم.

إذا كنت تستخدم مروحة ، فقد تتمكن من إنجاز هذا المشروع دون حتى تفكيكه ، لأن ريش المروحة يمكن أن تعمل كدوافع. ومع ذلك ، فهي ليست مصممة حقًا لهذا الغرض ، لذا قد ترغب في قطعها واستبدالها بعجلة مائية أكثر كفاءة تقوم ببنائها بنفسك. إذا قررت القيام بذلك ، يمكنك استخدام ذوي الياقات البيضاء كقاعدة لعجلة المياه المحسّنة ، نظرًا لأنها متصلة بالفعل بعمود المحرك.

لتحديد ما إذا كان مولد عجلة المياه الصغيرة الخاص بك ينتج الكهرباء بالفعل ، يجب عليك توصيل عداد عبر ملف الإخراج. من السهل القيام بذلك إذا كنت تستخدم مروحة أو جهازًا قديمًا ، لأنه يحتوي على قابس. ما عليك سوى توصيل مجسات المتر المتعدد بشوكات القابس وضبط العداد لقياس جهد التيار المتردد (VAC). إذا كان المحرك الذي تستخدمه لا يحتوي على قابس ، فما عليك سوى توصيل مجسات العداد بالأسلاك المتصلة بملف الإخراج ، وهما السلكان الوحيدان اللذان ستجدهما في معظم الحالات.

يمكنك استخدام مصدر طبيعي لتساقط المياه لهذا المشروع أو يمكنك إنشاء مصدر خاص بك. يجب أن يولد الماء المتساقط من فوهة حوض الاستحمام ما يكفي من الطاقة لإنتاج تيار قابل للكشف. إذا كنت تأخذ مشروعك على الطريق لتظهر للآخرين ، فقد ترغب في سكب الماء من إبريق أو استخدام خرطوم الحديقة.