물레 방아는 어떻게 전기를 만드는가?

움직이는 물은 에너지의 중요한 원천이며 사람들은 수차를 만들어 오랜 세월 동안 그 에너지를 활용했습니다.

그들은 중세 시대에 걸쳐 유럽에서 흔했으며, 무엇보다도 바위를 부수고 금속 정제소를위한 벨로우즈를 작동하고 아마 잎을 망치로 종이로 만드는 데 사용되었습니다. 곡물을 빻은 물레 방아는 물레 방아 (watermills)로 알려졌고, 이 기능이 너무나 보편적 이었기 때문에 두 단어는 거의 동의어가되었습니다.

Michael Faraday의 전자기 유도 발견은 결국 전 세계에 전기를 공급하게 된 유도 발전기의 발명을위한 길을 열었습니다. 유도 발전기는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하고 움직이는 물은 값 싸고 풍부한 기계 에너지 원입니다. 따라서 물레 방아를 수력 발전소에 적용하는 것은 당연한 일이었습니다.

수차 발생기가 어떻게 작동하는지 이해하려면 전자기 유도 원리를 이해하는 것이 좋습니다. 그런 다음 작은 선풍기 또는 기타 가전 제품의 모터를 사용하여 나만의 미니 물레 방아 발전기를 만들 수 있습니다.

패러데이 (1791-1867)는 솔레노이드를 만들기 위해 원통형 코어 주위에 전도 선을 여러 번 감아 유도를 발견했습니다. 그는 전선의 끝을 전류를 측정하는 장치 인 검류계 (및 멀티 미터의 전구체)에 연결했습니다. 그는 솔레노이드 내부의 영구 자석을 움직였을 때 미터에 전류가 등록되어 있음을 발견했습니다.

패러데이는 자석을 움직이는 방향을 바꿀 때마다 전류의 방향이 바뀌고 전류의 강도는 자석을 얼마나 빨리 움직이는 지에 따라 달라진다고 지적했습니다.

이러한 관찰은 나중에 전압이라고도하는 도체의 기전력 (emf) 인 E를 자속의 변화율과 관련시키는 패러데이의 법칙으로 공식화되었습니다.ϕ지휘자가 경험했습니다. 이 관계는 일반적으로 다음과 같이 작성됩니다.

​엔도체 코일의 회전 수입니다. 상징물∆(델타)는 그 뒤에 오는 수량의 변화를 나타냅니다. 마이너스 기호는 기전력의 방향이 자속의 방향과 반대임을 나타냅니다.

패러데이의 법칙은 전류를 유도하기 위해 코일이나 자석이 움직여야하는지 여부를 지정하지 않으며 실제로는 중요하지 않습니다. 그러나 그 중 하나는 움직여야하는데, 도체를 수직으로 통과하는 자기장의 일부인 자속이 변해야하기 때문입니다. 정적 자기장에서는 전류가 생성되지 않습니다.

유도 발전기에는 일반적으로 회전하는 영구 자석 또는 회전 자라고하는 외부 전원에 의해 자화 된 전도 코일이 있습니다. 고정 자라고하는 코일 내부의 저 마찰 샤프트 (아마추어)에서 자유롭게 회전하며 회전 할 때 고정자 코일에 전압을 생성합니다.

유도 전압은 회 전자의 각 스핀에 따라 주기적으로 방향을 변경하므로 결과 전류도 방향을 변경합니다. 교류 (AC)라고합니다.

물레 방아에서는 물을 이동시켜 로터를 회전시키는 에너지를 공급하고, 간단한 것은 생성 된 전기를 조명과 가전 제품에 직접 사용할 수 있습니다. 그러나 더 자주 발전기는 전력망에 연결되어 전력망에 다시 전력을 공급합니다.

이 시나리오에서 회 전자의 영구 자석은 종종 전자석으로 대체되고 그리드는 AC 전류를 공급하여 자화합니다. 이 시나리오에서 발전기에서 순 출력을 얻으려면 로터가 들어오는 전력보다 더 큰 주파수로 회전해야합니다.

물을 사용하여 작업 할 때 기본적으로 중력에 의존하게되는데, 이것이 처음에 물이 흐르게하는 것입니다. 떨어지는 물에서 얻을 수있는 에너지의 양은 떨어지는 물의 양과 속도에 따라 다릅니다. 흐르는 개울에서보다 폭포에서 물 단위당 더 많은 에너지를 얻을 수 있으며, 작은 개울보다 큰 개울이나 폭포에서 더 많은 에너지를 얻을 수 있습니다.

일반적으로 수차를 돌리는 작업에 사용할 수있는 에너지는 다음과 같습니다.mgh여기서 "m"은 물의 질량, "h"는 물이 떨어지는 높이, "g"는 중력으로 인한 가속도입니다. 가용 에너지를 최대화하려면 물레 방아가 경사면이나 폭포의 바닥에 있어야하므로 물이 떨어지는 거리가 최대화됩니다.

개울을 흐르는 물의 질량을 측정 할 필요가 없습니다. 당신이해야 할 일은 볼륨을 추정하는 것입니다. 물의 밀도는 알려진 양이고 밀도는 질량을 부피로 나눈 것과 같기 때문에 변환하기 쉽습니다.

물레 방아는 흐르는 개울이나 폭포의 위치 에너지를 변환합니다 (mgh) 물이 바퀴와 접촉하는 지점에서 접선 운동 에너지로. 이것은 다음과 같이 주어진 회전 운동 에너지를 생성합니다.나는 ω ²/2, 어디ω바퀴의 각속도이고나는관성 모멘트입니다. 중심 축을 중심으로 회전하는 점의 관성 모멘트는 회전 반경의 제곱에 비례합니다.아르 자형​: (​나는 = 씨²), 어디미디엄점의 질량입니다.

에너지 변환을 최적화하려면 각속도를 최대화하고ω하지만 이렇게하려면 최소화해야합니다.나는, 즉 회전 반경을 최소화하는 것입니다.아르 자형. 수차는 순 전류를 생성 할만큼 충분히 빠르게 회전 할 수 있도록 작은 반경을 가져야합니다. 그것은 네덜란드가 유명한 오래된 풍차를 제외합니다. 기계 작업에는 좋지만 전기 생성에는 적합하지 않습니다.

최초의 대규모 수차 유도 발전기 중 하나이며 가장 잘 알려진 것은 1895 년 뉴욕의 나이아가라 폭포에서 온라인으로 출시되었습니다. Nikola Tesla가 구상하고 George Westinghouse가 자금을 지원하고 설계 한 Edward Dean Adams 발전소는 미국 소비자에게 전기를 공급하는 최초의 발전소였습니다.

실제 발전소는 나이아가라 폭포 상류 약 1 마일에 건설되고 파이프 시스템을 통해 물을 공급받습니다. 물은 큰 물레 방아가 장착 된 원통형 하우징으로 흐릅니다. 물의 힘은 바퀴를 회전시키고, 큰 발전기의 로터를 회전시켜 전기를 생산합니다.

Adams 발전소의 발전기는 12 개의 대형 영구 자석을 사용하며, 각 영구 자석은 약 0.1 테슬라의 자기장을 생성합니다. 그들은 발전기의 회 전자에 부착되어 큰 와이어 코일 내부에서 회전합니다. 발전기는 약 13,000 볼트를 생성하며이를 수행하려면 코일이 최소 300 회 회전해야합니다. 발전기가 작동 중일 때 약 4,000A의 AC 전기가 코일을 통과합니다.

나이아가라 폭포 크기의 폭포는 전 세계에 거의 존재하지 않기 때문에 나이아가라 폭포는 세계 자연의 경이로움 중 하나로 간주됩니다. 많은 수력 발전소가 댐에 건설됩니다. 오늘날 전 세계 전기의 약 16 %가 이러한 수력 발전소에서 공급되며 그중 가장 큰 발전소는 중국, 브라질, 캐나다, 미국 및 러시아입니다. 가장 큰 공장은 중국에 있지만 가장 많은 전기를 생산하는 공장은 브라질에 있습니다.

댐이 건설되면 더 이상 발전과 관련된 비용이 없습니다. 그러나 환경에 약간의 비용이 있습니다.

• 댐을 건설하면 자연 수로의 흐름이 바뀌고 이는 자연 물 흐름에 의존 한 식물, 동물 및 인간의 삶에 영향을 미칩니다. 중국의 삼협댐 건설에는 120 만 명의 이주가 포함되었습니다.
• 댐은 개울에 사는 물고기의 자연적인 생활주기를 변경합니다. 태평양 북서부에서 댐은 자연 서식지에서 연어와 스틸 헤드의 약 40 %를 박탈했습니다.
• 댐에서 나오는 물은 용존 산소 수준이 낮아 물에 의존하는 어류, 식물 및 야생 동물에 영향을 미칩니다.
• 수력 발전은 가뭄의 영향을받습니다. 물이 부족하면 물을 보존하기 위해 전력 생산을 중단해야하는 경우가 많습니다.

과학자들은 대규모 발전소의 단점을 완화하는 방법을 찾고 있습니다. 한 가지 해결책은 환경에 미치는 영향이 적은 소형 시스템을 구축하는 것입니다. 또 다른 하나는 흡기 밸브와 터빈을 설계하여 공장에서 방출 된 물이 적절하게 산소를 공급 받도록하는 것입니다. 단점이 있더라도 수력 발전 댐은 지구상에서 가장 깨끗하고 저렴한 전기 공급원 중 하나입니다.

수력 발전의 원리를 이해하는 데 도움이되는 좋은 방법은 소형 발전기를 직접 만드는 것입니다. 저렴한 선풍기 또는 기타 기기의 모터로이를 수행 할 수 있습니다. 모터 내부의 회전자가 영구 자석을 사용하는 한 모터는 "역방향"으로 사용하여 전기를 생성 할 수 있습니다. 아주 오래된 팬이나 기기의 모터는 새로운 모터보다 더 나은 후보입니다. 오래된 기기 모터는 영구 자석을 사용할 가능성이 더 높기 때문입니다.

팬을 사용하면 팬 블레이드가 임펠러 역할을 할 수 있기 때문에 팬을 분해하지 않고도이 프로젝트를 수행 할 수 있습니다. 그러나 실제로는이를 위해 설계되지 않았으므로 잘라내어 직접 제작 한보다 효율적인 물레 방아로 교체하는 것이 좋습니다. 이것을 결정한다면, 칼라는 이미 모터 샤프트에 부착되어 있기 때문에 개선 된 워터 휠의베이스로 사용할 수 있습니다.

미니 수차 발전기가 실제로 전기를 생산하고 있는지 확인하려면 출력 코일에 미터를 연결해야합니다. 플러그가 있기 때문에 오래된 팬이나 가전 제품을 사용하면 쉽게 할 수 있습니다. 멀티 미터의 프로브를 플러그 단자에 연결하고 미터를 AC 전압 (VAC)을 측정하도록 설정하기 만하면됩니다. 사용하는 모터에 플러그가없는 경우 미터 프로브를 출력 코일에 연결된 와이어에 연결하기 만하면됩니다. 대부분의 경우 두 개의 와이어 만 찾을 수 있습니다.

이 프로젝트를 위해 천연 낙수 원을 사용하거나 직접 만들 수 있습니다. 욕조의 주둥이에서 떨어지는 물은 감지 가능한 전류를 생성하기에 충분한 에너지를 생성해야합니다. 다른 사람들에게 보여주기 위해 길에서 프로젝트를 진행하는 경우 주전자에서 물을 붓거나 정원 호스를 사용할 수 있습니다.