Innhold
- Prinsippet om elektromagnetisk induksjon
- Hvordan induksjon fungerer i en elektrisk generator
- Energien i vann
- Konvertering av vannkraft til elektrisitet
- En casestudie: Niagara Falls vannkraftgenerator
- Miljøeffekten av vannkraft
- Et vitenskapsprosjekt for vannhjulgenerator
Flytting av vann er en viktig energikilde, og folk har utnyttet denne energien gjennom tidene ved å bygge vannhjul.
De var vanlige i Europa i hele middelalderen og var vant til blant annet å knuse stein, betjene belg for metallraffinaderier og hammer linblader for å gjøre dem om til papir. Vannhjul som kvernet korn ble kjent som vannmøller, og fordi denne funksjonen var så allestedsnærværende, ble de to ordene mer eller mindre synonyme.
Michael Faradays oppdagelse av elektromagnetisk induksjon banet vei for oppfinnelsen av induksjonsgeneratoren som til slutt kom til å forsyne hele verden med strøm. En induksjonsgenerator konverterer mekanisk energi til elektrisk energi, og bevegelig vann er en billig og rikelig kilde til mekanisk energi. Det var derfor naturlig å tilpasse vannmøller til vannkraftgeneratorer.
For å forstå hvordan en vannhjulsgenerator fungerer, hjelper det å forstå prinsippene for elektromagnetisk induksjon. Når du har gjort det, kan du prøve å bygge din egen mini-vannhjulgenerator ved å bruke motoren fra en liten elektrisk vifte eller annet apparat.
Prinsippet om elektromagnetisk induksjon
Faraday (1791 - 1867) oppdaget induksjon ved å pakke en ledningstråd flere ganger rundt en sylindrisk kjerne for å lage en magnetventil. Han koblet endene av ledningene til et galvanometer, et apparat som måler strøm (og forløperen til multimeteret). Da han flyttet en permanent magnet inne i magnetventilen, fant han ut at måleren registrerte strøm.
Faraday bemerket at strømmen endret retning når han endret retningen han beveget magneten, og strømstyrken var avhengig av hvor raskt han beveget magneten.
Disse observasjonene ble senere formulert i Faradays Law, som forholder E, elektromotorisk kraft (emf) i en leder, også kjent som spenning, til endringshastigheten for magnetisk flux ϕ opplevd av konduktøren. Dette forholdet er vanligvis skrevet som følger:
E = - N • ∆ ϕ / ∆t
N er antall svinger i lederspolen. Symbolet ∆ (delta) indikerer en endring i mengden som følger den. Minustegnet indikerer at retningen på elektromotorisk kraft er motsatt av magnetfluksens retning.
Hvordan induksjon fungerer i en elektrisk generator
Faradays Law spesifiserer ikke om spolen eller magneten må bevege seg for å indusere en strøm, og faktisk spiller det ingen rolle. En av dem må imidlertid bevege seg fordi magnetfluksen, som er den delen av magnetfeltet som passerer vinkelrett gjennom lederen, må endre seg. Ingen strøm genereres i et statisk magnetfelt.
En induksjonsgenerator har vanligvis en roterende permanentmagnet eller en ledende spole magnetisert av en ekstern kraftkilde, kalt rotoren. Den snurrer fritt på en lavfriksjonsaksel (anker) inne i en spole, som kalles statoren, og når den snurrer, genererer den en spenning i statorspolen.
Den induserte spenningen endrer retning syklisk med hver rotor i rotoren, så den resulterende strømmen endrer også retning. Det er kjent som vekselstrøm (AC).
På en vannmølle tilføres energien til å snurre rotoren ved å bevege vann, og for enkle er det mulig å bruke den genererte strømmen direkte til strømlys og apparater. Oftere er imidlertid generatoren koblet til strømnettet og leverer strøm tilbake til nettet.
I dette scenariet blir permanentmagneten i rotoren ofte erstattet av en elektromagnet, og nettet forsyner vekselstrøm for å magnetisere den. For å få en nettoeffekt fra generatoren i dette scenariet, må rotoren snurre en frekvens som er større enn frekvensen for den innkommende kraften.
Energien i vann
Når du utnytter vann for å utføre arbeid, er du i utgangspunktet avhengig av tyngdekraften, som er det som får vann til å strømme i utgangspunktet. Hvor mye energi du kan hente fra fallende vann, avhenger av hvor mye vann som faller og hvor raskt. Du får mer energi per enhet vann fra et fossefall enn du vil fra en rennende strøm, og du vil tydeligvis få mer energi fra en stor bekk eller fossefall enn fra en liten.
Generelt er energien tilgjengelig for å gjøre arbeidet med å vri vannhjulet gitt av MGH, der "m" er vannmassen, "h" er høyden det faller gjennom og "g" er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften. For å maksimere tilgjengelig energi, bør vannhjulet være i bunnen av skråningen eller fossen, noe som maksimerer avstanden vannet må falle.
Du trenger ikke å måle massen på vannet som strømmer gjennom bekken. Alt du trenger å gjøre er å estimere volumet. Fordi tettheten av vann er en kjent mengde, og tettheten er lik massen delt på volum, er det lett å gjøre omdannelsen.
Konvertering av vannkraft til elektrisitet
Et vannhjul konverterer den potensielle energien i en rennende strøm eller foss (MGH) til tangentiell kinetisk energi på det tidspunktet vannet tar kontakt med hjulet. Dette genererer kinetisk rotasjonsenergi gitt Jeg ω 2/2, hvor ω er hjulets vinkelhastighet og Jeg er treghetsøyeblikket. Treghetsmomentet til et punkt som roterer rundt en sentralakse, er proporsjonalt med kvadratet av rotasjonsradiusen r: (I = mr2), hvor m er massens punkt.
For å optimalisere konvertering av energi, vil du maksimere vinkelhastigheten, ω, men for å gjøre det, må du minimere Jeg, som betyr å minimere rotasjonsradiusen, r. Et vannhjul bør ha en liten radius for å sikre at det snurrer raskt nok til å generere en nettstrøm. Som utelater de gamle vindmøllene som Nederland er kjent for. De er gode for å utføre mekanisk arbeid, men ikke for å generere strøm.
En casestudie: Niagara Falls vannkraftgenerator
En av de første storskala induksjonsgeneratorene for vannhjul, og den mest kjente, kom online i Niagara Falls, New York, i 1895. Tunget av Nikola Tesla og finansiert og designet av George Westinghouse, var Edward Dean Adams kraftstasjon den første av flere anlegg for å levere strøm til forbrukere i USA.
Selve kraftverket er bygget omtrent en kilometer oppstrøms for Niagara Falls og får vann gjennom et rørsystem. Vannet renner inn i et sylindrisk hus der det er montert et stort vannhjul. Kraften i vannet snurrer hjulet, og det snur igjen rotoren til en større generator for å produsere strøm.
Generatoren ved Adams kraftstasjon bruker 12 store permanente magneter, som hver produserer et magnetfelt på omtrent 0,1 Tesla. De er festet til generatorens rotor og snurrer inni en stor trådspole. Generatoren produserer omtrent 13 000 volt, og for å gjøre dette må det være minst 300 omdreininger i spolen. Cirka 4000 ampere vekselstrøm går gjennom spolen når generatoren kjører.
Miljøeffekten av vannkraft
Det er veldig få fossefall i verden på størrelse med Niagara Falls, og det er grunnen til at Niagara Falls blir ansett som et av verdens naturlige underverker. Mange vannkraftproduksjonsstasjoner er bygget på demninger. I dag tilføres omtrent 16 prosent av verdens strøm fra slike vannkraftstasjoner, hvorav den største er i Kina, Brasil, Canada, USA og Russland. Det største anlegget er i Kina, men det som produserer mest strøm er i Brasil.
Når en dam er blitt bygget, er det ikke flere kostnader forbundet med kraftproduksjon. men det er noen kostnader for miljøet.
Forskere ser på måter å dempe ulempene ved store kraftproduksjonsanlegg. En løsning er å bygge systemer av mindre som har mindre miljøpåvirkning. En annen er å designe inntaksventiler og turbiner for å sikre at vann som frigjøres fra anlegget er riktig oksygenert. Selv med ulemper er vannkraftdammer blant de reneste og billigste strømkilder på planeten.
Et vitenskapsprosjekt for vannhjulgenerator
En god måte å hjelpe deg med å forstå prinsippene i vannkraftproduksjon er å bygge en liten elektrisk generator selv. Du kan gjøre dette med motoren fra en billig elektrisk vifte eller annet apparat. Så lenge rotoren inne i motoren bruker en permanent magnet, kan motoren brukes "i revers" for å generere strøm.Motoren fra en veldig gammel vifte eller apparat er en bedre kandidat enn en motor fra en nyere, siden eldre apparater motorer er mer sannsynlig å bruke permanente magneter.
Hvis du bruker en vifte, kan du være i stand til å gjennomføre dette prosjektet uten engang å demontere det, fordi viftebladene kan fungere som løpehjulene. Imidlertid er de ikke virkelig designet for dette, så det kan være lurt å kutte dem av og erstatte dem med et mer effektivt vannhjul som du konstruerer selv. Skulle du bestemme deg for å gjøre dette, kan du bruke krage som base for det forbedrede vannhjulet, siden det allerede er festet til motorakselen.
For å finne ut om minihjulgeneratoren din faktisk produserer strøm, må du koble en meter over utgangsspolen. Dette er enkelt å gjøre hvis du bruker en gammel vifte eller et apparat, fordi det har en plugg. Bare koble probene til et multimeter til pluggstengene og sett måleren til å måle vekselstrøm (VAC). Hvis motoren du bruker ikke har en plugg, er det bare å koble målerne til ledningene som er festet til utgangsspolen, som i de fleste tilfeller er de eneste to ledningene du finner.
Du kan bruke en naturlig kilde til fallende vann til dette prosjektet, eller du kan konstruere din egen. Vannet som faller fra tuten til badekaret ditt, bør generere nok energi til å produsere en detekterbar strøm. Hvis du tar prosjektet ditt på veien for å vise andre mennesker, kan det hende du vil helle vann fra en krukke eller bruke en hageslange.