Kā ūdensdzirnavas ražo elektrību?

Ūdens kustība ir svarīgs enerģijas avots, un cilvēki visu laiku ir izmantojuši šo enerģiju, būvējot ūdensratus.

Tie bija izplatīti Eiropā viduslaikos un tika izmantoti, lai, cita starpā, drupinātu akmeni, darbinātu silfonus metāla pārstrādes rūpnīcām un āmura linu lapas, lai tos pārvērstu papīrā. Graudu malšanas ūdensrati bija pazīstami kā ūdensdzirnavas, un, tā kā šī funkcija bija tik visuresoša, šie divi vārdi kļuva vairāk vai mazāk sinonīmi.

Maikla Faradeja atklājums par elektromagnētisko indukciju pavēra ceļu indukcijas ģeneratora izgudrošanai, kas galu galā sāka piegādāt visu pasauli ar elektrību. Indukcijas ģenerators pārveido mehānisko enerģiju elektriskajā enerģijā, un kustīgais ūdens ir lēts un bagātīgs mehāniskās enerģijas avots. Tāpēc bija dabiski pielāgot ūdensdzirnavas hidroelektrostacijās.

Lai saprastu, kā darbojas ūdens riteņu ģenerators, tas palīdz izprast elektromagnētiskās indukcijas principus. Kad esat to izdarījis, varat mēģināt izveidot savu mini ūdensriteņu ģeneratoru, izmantojot motoru no neliela elektriskā ventilatora vai citas ierīces.

Faradejs (1791 - 1867) atklāja indukciju, vairākas reizes aptinot vadīšanas vadu ap cilindrisku serdi, lai izveidotu solenoīdu. Viņš savienoja vadu galus ar galvanometru, ierīci, kas mēra strāvu (un multimetra priekšgājēju). Kad viņš pārvietoja pastāvīgo magnētu solenoīda iekšpusē, viņš atklāja, ka skaitītājs reģistrēja strāvu.

Faradejs atzīmēja, ka strāva mainīja virzienu ikreiz, kad viņš mainīja magnēta kustības virzienu, un strāvas stiprums bija atkarīgs no tā, cik ātri viņš pārvietoja magnētu.

Šie novērojumi vēlāk tika formulēti Faradejas likumā, kas attiecas uz E, elektromotora spēku (emf) vadītājā, kas pazīstams arī kā spriegums, ar magnētiskās plūsmas maiņas ātrumu.ϕpieredzējis diriģents. Šīs attiecības parasti raksta šādi:

​Nir pagriezienu skaits vadītāja spolē. Simbols∆(delta) norāda uz izmaiņām daudzumā, kas seko tam. Mīnus zīme norāda, ka elektromotora spēka virziens ir pretējs magnētiskās plūsmas virzieniem.

Faradejas likums nenosaka, vai spolei vai magnētam ir jāpārvietojas, lai izraisītu strāvu, un patiesībā tam nav nozīmes. Vienam no tiem tomēr jābūt kustīgam, jo ​​magnētiskajai plūsmai, kas ir magnētiskā lauka daļa, kas perpendikulāri iet caur vadītāju, ir jāmainās. Statiskajā magnētiskajā laukā strāva netiek ģenerēta.

Indukcijas ģeneratoram parasti ir vērpšanas pastāvīgais magnēts vai vadoša spole, kuru magnetizē ārējs enerģijas avots, ko sauc par rotoru. Tas brīvi griežas uz zemas berzes vārpstas (armatūras) spoles iekšpusē, ko sauc par statoru, un, kad tā griežas, tā rada spriegumu statora spolē.

Inducētais spriegums cikliski maina virzienu ar katru rotora griezienu, tāpēc iegūtā strāva maina arī virzienu. Tas ir pazīstams kā maiņstrāva (maiņstrāva).

Ūdensdzirnavās rotora griešanās enerģija tiek piegādāta, pārvietojoties ūdenim, un vienkāršiem - radīto elektrību ir iespējams izmantot tieši gaismas un ierīču darbināšanai. Tomēr biežāk ģenerators tiek pievienots elektrotīklam un piegādā enerģiju atpakaļ tīklam.

Šajā scenārijā pastāvīgo magnētu rotorā bieži aizstāj ar elektromagnētu, un režģis piegādā maiņstrāvu, lai to magnetizētu. Lai šajā scenārijā iegūtu neto jaudu no ģeneratora, rotoram jāapgriež frekvence, kas lielāka par ienākošās jaudas frekvenci.

Izmantojot darbu, jūs galvenokārt paļaujaties uz gravitācijas spēku, kas vispirms liek ūdenim plūst. Enerģijas daudzums, ko var iegūt, krītot ūdenim, ir atkarīgs no tā, cik daudz ūdens un cik ātri krīt. Jūs saņemsiet vairāk enerģijas par ūdenskritumu no ūdenskrituma nekā no plūstošās straumes, un acīmredzot vairāk enerģijas iegūsit no lielas straumes vai ūdenskrituma, nekā no mazas.

Parasti ūdens rata pagriešanas darbam pieejamo enerģiju dodmgh, kur "m" ir ūdens masa, "h" ir augstums, caur kuru tas nokrīt, un "g" ir paātrinājums gravitācijas dēļ. Lai maksimāli palielinātu pieejamo enerģiju, ūdens ritenim jābūt nogāzes vai ūdenskrituma apakšā, kas maksimāli palielina attālumu, kādam ūdenim ir jānokrīt.

Jums nav jāmēra caur straumi plūstošā ūdens masa. Viss, kas jums jādara, ir novērtēt apjomu. Tā kā ūdens blīvums ir zināms daudzums, un blīvums ir vienāds ar masu, kas dalīta ar tilpumu, ir viegli veikt konversiju.

Ūdens ritenis pārveido potenciālo enerģiju plūstošā straumē vai ūdenskritumā (mgh) tangenciālā kinētiskā enerģija vietā, kur ūdens nonāk saskarē ar riteni. Tas rada rotācijas kinētisko enerģiju, ko dodI ω ²/2, kurωir riteņa leņķiskais ātrums unEsir inerces moments. Ap in centrālo asi rotējoša punkta inerces moments ir proporcionāls rotācijas rādiusa kvadrātamr​: (​Es = kungs²), kurmir punkta masa.

Lai optimizētu enerģijas pārveidošanu, vēlaties maksimāli palielināt leņķa ātrumu,ω, bet, lai to izdarītu, jums jāsamazinaEs, kas nozīmē samazināt rotācijas rādiusu,r. Ūdens ritenim jābūt ar nelielu rādiusu, lai nodrošinātu, ka tas griežas pietiekami ātri, lai radītu neto strāvu. Tas atstāj vecās vējdzirnavas, ar kurām Nīderlande ir slavena. Tie ir piemēroti mehānisku darbu veikšanai, bet ne elektrības ražošanai.

Viens no pirmajiem liela mēroga ūdensriteņu indukcijas ģeneratoriem un vispazīstamākais tika tiešsaistē Niagāras ūdenskritumā, Ņujorkā, 1895. gadā. Nikola Teslas iecerētā un Džordža Vestinghauza finansētā un projektētā Edvarda Dīna Adamsa elektrostacija bija pirmā no vairākām elektrostacijām, kas piegādāja elektrību patērētājiem ASV.

Faktiskā elektrostacija ir uzbūvēta apmēram jūdzi augšpus straumes no Niagāras ūdenskrituma, un caur cauruļu sistēmu tā iegūst ūdeni. Ūdens ieplūst cilindriskā korpusā, kurā ir uzstādīts liels ūdens ritenis. Ūdens spēks griežas riteni, un tas savukārt pagriež lielāka ģeneratora rotoru, lai ražotu elektrību.

Adamsas elektrostacijas ģeneratorā tiek izmantoti 12 lieli pastāvīgi magnēti, no kuriem katrs rada aptuveni 0,1 Tesla magnētisko lauku. Tie ir piestiprināti pie ģeneratora rotora un griežas lielas stieples spoles iekšpusē. Ģenerators rada apmēram 13 000 voltu, un, lai to izdarītu, spolē jābūt vismaz 300 pagriezieniem. Apmēram 4000 ampēri maiņstrāvas kursu caur spoli, kad darbojas ģenerators.

Pasaulē ir ļoti maz ūdenskritumu, kuru izmērs ir Niagāras ūdenskritums, tāpēc Niagāras ūdenskritumu uzskata par vienu no pasaules dabas brīnumiem. Daudzas hidroelektrostacijas ir uzbūvētas uz aizsprostiem. Mūsdienās apmēram 16 procentus pasaules elektroenerģijas piegādā šādas hidroelektrostacijas, no kurām lielākās ir Ķīnā, Brazīlijā, Kanādā, ASV un Krievijā. Lielākā rūpnīca atrodas Ķīnā, bet visvairāk elektroenerģijas ražo Brazīlijā.

Pēc tam, kad ir uzbūvēts dambis, vairs nav izmaksu, kas saistītas ar enerģijas ražošanu. taču videi ir zināmas izmaksas.

• Dambja uzbūvēšana maina dabisko ūdensceļu plūsmu, un tas ietekmē augu, dzīvnieku un cilvēku dzīvi, kuri paļāvās uz dabisko ūdens plūsmu. Trīs aizu aizsprosta būvniecība Ķīnā bija saistīta ar 1,2 miljonu cilvēku pārvietošanu.
• Dambji maina straumēs dzīvojošo zivju dabisko dzīves ciklu. Klusā okeāna ziemeļrietumos aizsprosti aptuveni 40 procentiem lašu un tērauda galvu ir atņēmuši dabiskās dzīvotnes.
• Ūdenim, kas nāk no aizsprosta, ir samazināts izšķīdušā skābekļa līmenis, un tas ietekmē zivis, augus un savvaļas dzīvniekus, kas ir atkarīgi no ūdens.
• Hidroenerģijas ražošanu ietekmē sausums. Kad ūdens ir mazs, bieži vien ir jāpārtrauc enerģijas ražošana, lai saglabātu ūdens daudzumu.

Zinātnieki meklē veidus, kā mazināt lielu spēkstaciju trūkumus. Viens no risinājumiem ir veidot mazākas sistēmas, kurām ir mazāka ietekme uz vidi. Cits mērķis ir ieplūdes vārstu un turbīnu projektēšana, lai nodrošinātu, ka no iekārtas izdalītais ūdens tiek pienācīgi skābināts. Pat ar trūkumiem hidroelektrostacijas ir vieni no tīrākajiem un lētākajiem elektroenerģijas avotiem uz planētas.

Labs veids, kā palīdzēt sev izprast principus hidroelektroenerģijas ražošanā, ir pašiem izveidot nelielu elektrisko ģeneratoru. To var izdarīt, izmantojot motoru no lēta elektriskā ventilatora vai citas ierīces. Kamēr rotors motora iekšpusē izmanto pastāvīgu magnētu, motoru var izmantot "pretēji" elektrības ražošanai. Ļoti veca ventilatora vai ierīces motors ir labāks kandidāts nekā jaunāka motors, jo vecāku ierīču motoros biežāk tiek izmantoti pastāvīgie magnēti.

Ja izmantojat ventilatoru, jūs, iespējams, varēsit paveikt šo projektu, to pat neizjaucot, jo ventilatora lāpstiņas var darboties kā darbrati. Tomēr tie nav īsti paredzēti šim nolūkam, tāpēc, iespējams, vēlēsities tos nogriezt un aizstāt ar efektīvāku ūdens riteni, kuru pats konstruējat. Ja jūs nolemjat to darīt, varat izmantot apkakli kā pamatu uzlabotajam ūdens ritenim, jo ​​tas jau ir piestiprināts pie motora vārpstas.

Lai noteiktu, vai jūsu mini ūdens riteņu ģenerators patiešām ražo elektrību, jums jāpievieno skaitītājs pāri izejas spolei. To ir viegli izdarīt, ja izmantojat vecu ventilatoru vai ierīci, jo tam ir kontaktdakša. Vienkārši pievienojiet multimetra zondes spraudkontaktiem un iestatiet skaitītāju, lai mērītu maiņstrāvas spriegumu (VAC). Ja jūsu izmantotajam motoram nav kontaktdakšas, vienkārši pievienojiet skaitītāja zondes vadiem, kas piestiprināti pie izejas spoles, kas vairumā gadījumu ir vienīgie divi vadi, kurus atradīsit.

Šajā projektā varat izmantot dabisku ūdens krītošo avotu vai arī pats izveidot. Ūdenim, kas nokrīt no jūsu vannas snīpa, vajadzētu radīt pietiekami daudz enerģijas, lai radītu nosakāmu strāvu. Ja jūs dodaties uz savu projektu uz ceļa, lai parādītu citiem cilvēkiem, varat ieliet ūdeni no krūka vai izmantot dārza šļūteni.