Η μετακίνηση του νερού είναι μια σημαντική πηγή ενέργειας, και οι άνθρωποι έχουν αξιοποιήσει αυτήν την ενέργεια κατά τη διάρκεια των αιώνων με την κατασκευή υδρόβιων τροχών.
Ήταν συνηθισμένα στην Ευρώπη κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα και συνηθίζονταν, μεταξύ άλλων, να συντρίβουν ροκ, να λειτουργούν φυσητήρες για διυλιστήρια μετάλλων και φύλλα σφυριού λίνου για να τα μετατρέψουν σε χαρτί. Οι υδάτινοι τροχοί που αλέστηκαν τα σιτηρά ήταν γνωστοί ως νερόμυλοι και επειδή αυτή η λειτουργία ήταν τόσο πανταχού παρούσα, οι δύο λέξεις έγιναν λίγο πολύ συνώνυμες.
Η ανακάλυψη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Michael Faraday άνοιξε το δρόμο για την εφεύρεση της γεννήτριας επαγωγής που τελικά ήρθε να τροφοδοτήσει ολόκληρο τον κόσμο με ηλεκτρική ενέργεια. Μια γεννήτρια επαγωγής μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και το κινούμενο νερό είναι μια φθηνή και άφθονη πηγή μηχανικής ενέργειας. Ήταν φυσικό, επομένως, να προσαρμοστούν οι νερόμυλοι σε υδροηλεκτρικές γεννήτριες.
Για να καταλάβετε πώς λειτουργεί μια γεννήτρια υδραυλικών τροχών, βοηθά στην κατανόηση των αρχών της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Μόλις το κάνετε, μπορείτε να δοκιμάσετε να δημιουργήσετε τη δική σας μίνι γεννήτρια τροχού νερού, χρησιμοποιώντας τον κινητήρα από έναν μικρό ηλεκτρικό ανεμιστήρα ή άλλη συσκευή.
Η αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής
Ο Faraday (1791 - 1867) ανακάλυψε επαγωγή τυλίγοντας ένα καλώδιο αγωγιμότητας πολλές φορές γύρω από έναν κυλινδρικό πυρήνα για να φτιάξει ένα πηνίο. Συνέδεσε τα άκρα των καλωδίων με ένα γαλβανόμετρο, μια συσκευή που μετρά το ρεύμα (και τον πρόδρομο στο πολύμετρο). Όταν μετακίνησε έναν μόνιμο μαγνήτη μέσα στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, διαπίστωσε ότι ο μετρητής καταγράφει ρεύμα.
Ο Faraday σημείωσε ότι το ρεύμα αλλάζει κατεύθυνση όποτε αλλάζει την κατεύθυνση που κινεί τον μαγνήτη και η ισχύς του ρεύματος εξαρτάται από το πόσο γρήγορα κινεί τον μαγνήτη.
Αυτές οι παρατηρήσεις αργότερα διατυπώθηκαν στο νόμο του Faraday, ο οποίος συσχετίζει το E, την ηλεκτροκινητική δύναμη (emf) σε έναν αγωγό, επίσης γνωστό ως τάση, με τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροήςϕβιώθηκε από τον αγωγό. Αυτή η σχέση γράφεται συνήθως ως εξής:
Νείναι ο αριθμός στροφών στο πηνίο αγωγού. Το σύμβολο∆(δέλτα) δηλώνει μια αλλαγή στην ποσότητα που την ακολουθεί. Το σύμβολο μείον δείχνει ότι η κατεύθυνση της ηλεκτροκινητικής δύναμης είναι αντίθετη από τις κατευθύνσεις της μαγνητικής ροής.
Πώς λειτουργεί η επαγωγή σε ηλεκτρική γεννήτρια
Ο νόμος του Faraday δεν διευκρινίζει εάν το πηνίο ή ο μαγνήτης πρέπει να κινηθεί για να προκαλέσει ένα ρεύμα, και στην πραγματικότητα δεν έχει σημασία. Ένα από αυτά πρέπει να κινείται, ωστόσο, επειδή η μαγνητική ροή, που είναι το μέρος του μαγνητικού πεδίου που διέρχεται κάθετα μέσω του αγωγού, πρέπει να αλλάζει. Δεν δημιουργείται ρεύμα σε στατικό μαγνητικό πεδίο.
Μια γεννήτρια επαγωγής έχει συνήθως έναν περιστρεφόμενο μόνιμο μαγνήτη ή ένα αγώγιμο πηνίο μαγνητισμένο από μια εξωτερική πηγή ισχύος, που ονομάζεται ρότορας. Περιστρέφεται ελεύθερα σε έναν άξονα χαμηλής τριβής (οπλισμός) μέσα σε ένα πηνίο, που ονομάζεται στάτορας, και όταν περιστρέφεται, δημιουργεί τάση στο πηνίο στάτορα.
Η επαγόμενη τάση αλλάζει κατεύθυνση κυκλικά με κάθε περιστροφή του ρότορα, έτσι το προκύπτον ρεύμα αλλάζει επίσης κατεύθυνση. Είναι γνωστό ως εναλλασσόμενο ρεύμα (AC).
Σε έναν νερόμυλο, η ενέργεια περιστροφής του ρότορα τροφοδοτείται με κινούμενο νερό, και για απλούς, είναι δυνατόν να χρησιμοποιήσετε την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια απευθείας για να ανάψετε τα φώτα και τις συσκευές. Τις περισσότερες φορές, ωστόσο, η γεννήτρια συνδέεται στο δίκτυο τροφοδοσίας και τροφοδοτεί ξανά το δίκτυο.
Σε αυτό το σενάριο, ο μόνιμος μαγνήτης στον ρότορα συχνά αντικαθίσταται από έναν ηλεκτρομαγνήτη και το δίκτυο τροφοδοτεί ρεύμα AC για να το μαγνητίσει. Για να αποκτήσετε μια καθαρή έξοδο από τη γεννήτρια σε αυτό το σενάριο, ο ρότορας πρέπει να περιστρέφει μια συχνότητα μεγαλύτερη από αυτή της εισερχόμενης ισχύος.
Η Ενέργεια στο Νερό
Όταν αξιοποιείτε το νερό για να κάνετε δουλειά, βασίζεστε βασικά στη δύναμη της βαρύτητας, κάτι που κάνει τη ροή του νερού στην πρώτη θέση. Η ποσότητα ενέργειας που μπορείτε να αντλήσετε από την πτώση του νερού εξαρτάται από το πόσο νερό πέφτει και πόσο γρήγορα. Θα λάβετε περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα νερού από έναν καταρράκτη από ό, τι από ένα ρέον ρεύμα, και προφανώς θα λάβετε περισσότερη ενέργεια από ένα μεγάλο ρεύμα ή καταρράκτη από ό, τι θα κάνατε από ένα μικρό.
Σε γενικές γραμμές, η διαθέσιμη ενέργεια για την εργασία της περιστροφής του τροχού νερού δίνεται απόκαμ, όπου "m" είναι η μάζα του νερού, το "h" είναι το ύψος από το οποίο πέφτει και το "g" είναι η επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας. Για τη μεγιστοποίηση της διαθέσιμης ενέργειας, ο υδραυλικός τροχός πρέπει να βρίσκεται στο κάτω μέρος της πλαγιάς ή του καταρράκτη, γεγονός που μεγιστοποιεί την απόσταση που πρέπει να πέσει το νερό.
Δεν χρειάζεται να μετρήσετε τη μάζα του νερού που ρέει μέσω του ρέματος. Το μόνο που έχετε να κάνετε είναι να εκτιμήσετε την ένταση. Επειδή η πυκνότητα του νερού είναι μια γνωστή ποσότητα και η πυκνότητα είναι ίση με τη μάζα διαιρεμένη με τον όγκο, είναι εύκολο να γίνει η μετατροπή.
Μετατροπή υδραυλικής ισχύος σε ηλεκτρική ενέργεια
Ένας τροχός νερού μετατρέπει τη δυνητική ενέργεια σε ένα ρέον ρεύμα ή καταρράκτη (καμ) σε εφαπτομενική κινητική ενέργεια στο σημείο όπου το νερό έρχεται σε επαφή με τον τροχό. Αυτό παράγει περιστροφική κινητική ενέργεια, που δίνεται απόΩ 2/2, όπουωείναι η γωνιακή ταχύτητα του τροχού καιΕγώείναι η στιγμή της αδράνειας. Η ροπή αδράνειας ενός σημείου που περιστρέφεται γύρω από έναν κεντρικό άξονα είναι ανάλογη με το τετράγωνο της ακτίνας περιστροφήςρ: (I = κύριε2), όπουΜείναι η μάζα του σημείου.
Για να βελτιστοποιήσετε τη μετατροπή ενέργειας, θέλετε να μεγιστοποιήσετε τη γωνιακή ταχύτητα,ω, αλλά για να το κάνετε αυτό, πρέπει να ελαχιστοποιήσετεΕγώ, που σημαίνει ελαχιστοποίηση της ακτίνας περιστροφής,ρ. Ένας τροχός νερού πρέπει να έχει μικρή ακτίνα για να διασφαλίσει ότι περιστρέφεται αρκετά γρήγορα για να παράγει καθαρό ρεύμα. Αυτό αφήνει τους παλιούς ανεμόμυλους για τους οποίους οι Κάτω Χώρες είναι διάσημες. Είναι καλά για τη μηχανική εργασία, αλλά όχι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Μια μελέτη περίπτωσης: η υδροηλεκτρική γεννήτρια καταρρακτών του Νιαγάρα
Μία από τις πρώτες γεννήτριες επαγωγής τροχού μεγάλης κλίμακας, και οι πιο γνωστές, ήρθε στο Διαδίκτυο στους Καταρράκτες του Νιαγάρα της Νέας Υόρκης το 1895 Δημιουργήθηκε από τον Nikola Tesla και χρηματοδοτήθηκε και σχεδιάστηκε από τον George Westinghouse, ο σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας του Edward Dean Adams ήταν ο πρώτος από αρκετούς σταθμούς που προμήθευαν ηλεκτρικό ρεύμα στους καταναλωτές στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Η πραγματική μονάδα παραγωγής ενέργειας είναι χτισμένη περίπου ένα μίλι πριν από τους καταρράκτες του Νιαγάρα και παίρνει νερό μέσω ενός συστήματος σωλήνων. Το νερό ρέει σε ένα κυλινδρικό περίβλημα στο οποίο είναι τοποθετημένος ένας μεγάλος τροχός νερού. Η δύναμη του νερού περιστρέφει τον τροχό και με τη σειρά του περιστρέφει τον ρότορα μιας μεγαλύτερης γεννήτριας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Η γεννήτρια στο σταθμό παραγωγής ενέργειας Adams χρησιμοποιεί 12 μεγάλους μόνιμους μαγνήτες, καθένας από τους οποίους παράγει μαγνητικό πεδίο περίπου 0,1 Tesla. Συνδέονται στον ρότορα της γεννήτριας 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 4.000 αμπέρ AC τροφοδοτούνται μέσω του πηνίου όταν λειτουργεί η γεννήτρια.
Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της υδροηλεκτρικής ενέργειας
Υπάρχουν πολύ λίγοι καταρράκτες στον κόσμο το μέγεθος των καταρρακτών του Νιαγάρα, γι 'αυτό οι καταρράκτες του Νιαγάρα θεωρείται ένα από τα φυσικά θαύματα του κόσμου. Πολλοί υδροηλεκτρικοί σταθμοί παραγωγής κατασκευάζονται σε φράγματα. Σήμερα, περίπου το 16% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας τροφοδοτείται από τέτοιους υδροηλεκτρικούς σταθμούς, οι μεγαλύτεροι από τους οποίους βρίσκονται στην Κίνα, τη Βραζιλία, τον Καναδά, τις Ηνωμένες Πολιτείες και τη Ρωσία. Το μεγαλύτερο εργοστάσιο βρίσκεται στην Κίνα, αλλά αυτό που παράγει το μεγαλύτερο ηλεκτρικό ρεύμα είναι στη Βραζιλία.
Μόλις κατασκευαστεί ένα φράγμα, δεν υπάρχει πλέον κόστος που σχετίζεται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. αλλά υπάρχουν κάποιες δαπάνες για το περιβάλλον.
- Η κατασκευή ενός φράγματος μεταβάλλει τη ροή των φυσικών υδάτινων οδών και αυτό έχει αντίκτυπο στη ζωή των φυτών, των ζώων και των ανθρώπων που βασίστηκαν στη φυσική ροή του νερού. Η κατασκευή του φράγματος Three Gorges στην Κίνα περιελάμβανε τη μετεγκατάσταση 1,2 εκατομμυρίων ανθρώπων.
- Τα φράγματα αλλάζουν τους φυσικούς κύκλους ζωής των ψαριών που ζουν στα ρέματα. Στο Βορειοδυτικό Ειρηνικό, τα φράγματα έχουν στερήσει περίπου το 40% του σολομού και του χάλυβα από τους φυσικούς τους βιότοπους.
- Το νερό που προέρχεται από ένα φράγμα έχει μειωμένο επίπεδο διαλυμένου οξυγόνου και αυτό επηρεάζει τα ψάρια, τα φυτά και την άγρια φύση που εξαρτώνται από το νερό.
- Η παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας επηρεάζεται από την ξηρασία. Όταν το νερό εξαντλείται, είναι συχνά απαραίτητο να σταματήσει η παραγωγή ενέργειας για να διατηρηθεί το νερό που υπάρχει.
Οι επιστήμονες αναζητούν τρόπους για τον περιορισμό των μειονεκτημάτων των μεγάλων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Μία λύση είναι η δημιουργία συστημάτων μικρότερων που έχουν λιγότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Ένα άλλο είναι ο σχεδιασμός βαλβίδων εισαγωγής και στροβίλων για να διασφαλιστεί ότι το νερό που απελευθερώνεται από το εργοστάσιο έχει οξυγονωθεί σωστά. Ακόμη και με μειονεκτήματα, ωστόσο, τα υδροηλεκτρικά φράγματα συγκαταλέγονται στις πιο καθαρές και φθηνότερες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας στον πλανήτη.
Πρόγραμμα Επιστήμης Γεννήτριας Υδατικών Τροχών
Ένας καλός τρόπος για να κατανοήσετε τις αρχές της παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας είναι να φτιάξετε μόνοι σας μια μικρή ηλεκτρική γεννήτρια. Μπορείτε να το κάνετε με τον κινητήρα από έναν φθηνό ηλεκτρικό ανεμιστήρα ή άλλη συσκευή. Εφόσον ο ρότορας μέσα στον κινητήρα χρησιμοποιεί έναν μόνιμο μαγνήτη, ο κινητήρας μπορεί να χρησιμοποιηθεί «αντίστροφα» για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο κινητήρας από έναν πολύ παλιό ανεμιστήρα ή συσκευή είναι καλύτερος υποψήφιος από έναν κινητήρα από έναν καινούργιο, καθώς οι κινητήρες παλαιότερων συσκευών είναι πιο πιθανό να χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες.
Εάν χρησιμοποιείτε έναν ανεμιστήρα, ενδέχεται να είστε σε θέση να ολοκληρώσετε αυτό το έργο χωρίς καν να το αποσυναρμολογήσετε, επειδή οι λεπίδες των ανεμιστήρων μπορούν να λειτουργήσουν ως πτερωτές. Ωστόσο, δεν είναι πραγματικά σχεδιασμένα για αυτό, οπότε ίσως θελήσετε να τα κόψετε και να τα αντικαταστήσετε με έναν πιο αποτελεσματικό τροχό νερού που κατασκευάζετε εσείς. Εάν αποφασίσετε να το κάνετε αυτό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το κολάρο ως βάση για τον βελτιωμένο τροχό του νερού σας, καθώς είναι ήδη συνδεδεμένο στον άξονα του κινητήρα.
Για να προσδιορίσετε εάν η γεννήτρια μίνι υδραυλικού τροχού παράγει πραγματικά ηλεκτρισμό, θα πρέπει να συνδέσετε έναν μετρητή στο πηνίο εξόδου. Αυτό είναι εύκολο να γίνει αν χρησιμοποιείτε έναν παλιό ανεμιστήρα ή συσκευή, επειδή διαθέτει βύσμα. Απλώς συνδέστε τους ανιχνευτές ενός πολύμετρου με τις προεξοχές του βύσματος και ρυθμίστε το μετρητή να μετρήσει την τάση AC (VAC). Εάν ο κινητήρας που χρησιμοποιείτε δεν διαθέτει βύσμα, απλώς συνδέστε τους αισθητήρες του μετρητή στα καλώδια που είναι συνδεδεμένα στο πηνίο εξόδου, το οποίο στις περισσότερες περιπτώσεις είναι τα μόνα δύο καλώδια που θα βρείτε.
Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια φυσική πηγή νερού που πέφτει για αυτό το έργο ή μπορείτε να φτιάξετε τη δική σας. Το νερό που πέφτει από το στόμιο της μπανιέρας σας πρέπει να παράγει αρκετή ενέργεια για να παράγει ανιχνεύσιμο ρεύμα. Εάν παίρνετε το έργο σας στο δρόμο για να δείξετε σε άλλους ανθρώπους, ίσως θελήσετε να ρίξετε νερό από μια στάμνα ή να χρησιμοποιήσετε έναν σωλήνα κήπου.
