Làm thế nào để cối xay nước làm cho điện?

NộI Dung

• Nguyên lý cảm ứng điện từ
• Làm thế nào cảm ứng hoạt động trong một máy phát điện
• Năng lượng trong nước
• Chuyển đổi năng lượng nước thành điện
• Một trường hợp nghiên cứu: Máy phát thủy điện Thác Niagara
• Tác động môi trường của thủy điện
• Dự án khoa học máy phát điện bánh xe nước

Nước di chuyển là một nguồn năng lượng quan trọng và mọi người đã khai thác năng lượng đó qua các thời đại bằng cách xây dựng các vòi nước.

Chúng phổ biến ở châu Âu trong suốt thời trung cổ và trong số những thứ khác, nghiền nát đá, vận hành ống thổi cho các nhà máy lọc kim loại và lá cây lanh để biến chúng thành giấy. Waterwheels mà xay ngũ cốc được gọi là cối xay nước, và vì chức năng này rất phổ biến, hai từ trở nên ít nhiều đồng nghĩa.

Phát hiện của Michael Farorrow về cảm ứng điện từ đã mở đường cho việc phát minh ra máy phát điện cảm ứng mà cuối cùng đã cung cấp cho toàn thế giới điện. Một máy phát điện cảm ứng chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện, và nước di chuyển là nguồn năng lượng cơ học rẻ và dồi dào. Do đó, điều tự nhiên là thích ứng các nhà máy nước thành máy phát thủy điện.

Để hiểu làm thế nào một máy phát điện bánh xe nước hoạt động, nó giúp hiểu các nguyên tắc của cảm ứng điện từ. Khi bạn làm như vậy, bạn có thể thử xây dựng máy phát điện bánh xe nước nhỏ của riêng bạn, sử dụng động cơ từ một quạt điện nhỏ hoặc thiết bị khác.

Nguyên lý cảm ứng điện từ

Faraday (1791 - 1867) đã phát hiện ra cảm ứng bằng cách quấn một dây dẫn nhiều lần xung quanh lõi hình trụ để tạo ra một điện từ. Ông đã kết nối các đầu của dây với một điện kế, một thiết bị đo dòng điện (và tiền thân của vạn năng). Khi anh ta di chuyển một nam châm vĩnh cửu bên trong đế điện, anh ta thấy rằng đồng hồ đã được đăng ký.

Faraday lưu ý rằng dòng điện thay đổi hướng bất cứ khi nào anh ta thay đổi hướng anh ta đang di chuyển nam châm, và sức mạnh của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ anh ta di chuyển nam châm.

Những quan sát này sau đó đã được xây dựng thành Định luật Ngày nay, liên quan đến E, lực điện động (emf) trong một dây dẫn, còn được gọi là điện áp, với tốc độ thay đổi của từ thông ϕ có kinh nghiệm của các nhạc trưởng. Mối quan hệ này thường được viết như sau:

E = - N • ∆ / ∆t

VIẾT SAI RỒI là số vòng quay trong cuộn dây dẫn. Biểu tượng ∆ (delta) chỉ ra sự thay đổi về số lượng theo sau nó. Dấu trừ cho thấy hướng của suất điện động ngược với hướng của từ thông.

Làm thế nào cảm ứng hoạt động trong một máy phát điện

Luật ngày nay không chỉ định liệu cuộn dây hoặc nam châm phải di chuyển để tạo ra dòng điện, và thực tế nó không thành vấn đề. Tuy nhiên, một trong số chúng phải chuyển động, vì từ thông, là một phần của từ trường truyền vuông góc qua dây dẫn, phải thay đổi. Không có dòng điện được tạo ra trong một từ trường tĩnh.

Một máy phát điện cảm ứng thường có một nam châm vĩnh cửu quay hoặc một cuộn dây dẫn được từ hóa bởi một nguồn năng lượng bên ngoài, được gọi là rôto. Nó quay tự do trên một trục ma sát thấp (phần ứng) bên trong một cuộn dây, được gọi là stato và khi nó quay, nó tạo ra một điện áp trong cuộn dây stato.

Điện áp cảm ứng thay đổi hướng theo chu kỳ với mỗi vòng quay của rôto, do đó dòng điện kết quả cũng thay đổi hướng. Nó được gọi là dòng điện xoay chiều (AC).

Trong một cối xay nước, năng lượng để quay rôto được cung cấp bằng cách di chuyển nước, và đối với những người đơn giản, có thể sử dụng điện được tạo ra trực tiếp để cung cấp năng lượng cho đèn và các thiết bị. Tuy nhiên, thường xuyên hơn, máy phát được kết nối với lưới điện và cung cấp điện trở lại lưới.

Trong kịch bản này, nam châm vĩnh cửu trong rôto thường được thay thế bằng nam châm điện và lưới cung cấp dòng điện xoay chiều để từ hóa nó. Để có được đầu ra ròng từ máy phát trong kịch bản này, rôto phải quay một tần số lớn hơn tần số của công suất đến.

Năng lượng trong nước

Khi khai thác nước để làm việc, về cơ bản, bạn dựa vào lực hấp dẫn, đó là điều làm cho nước chảy ở nơi đầu tiên. Lượng năng lượng bạn có thể lấy từ nước rơi phụ thuộc vào lượng nước rơi và tốc độ. Bạn sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn trên một đơn vị nước từ một thác nước so với dòng chảy của bạn, và rõ ràng bạn sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn từ một dòng suối lớn hoặc thác nước hơn là từ một con suối nhỏ.

Nói chung, năng lượng có sẵn để làm công việc xoay bánh xe nước được cung cấp bởi mgh, trong đó "m" là khối lượng của nước, "h" là chiều cao mà nó rơi xuống và "g" là gia tốc do trọng lực. Để tối đa hóa năng lượng có sẵn, bánh xe nước phải ở dưới cùng của dốc hoặc thác nước, tối đa hóa khoảng cách mà nước phải rơi.

Bạn không phải đo khối lượng nước chảy qua suối. Tất cả bạn phải làm là ước tính khối lượng. Bởi vì mật độ của nước là một đại lượng đã biết và mật độ bằng khối lượng chia cho thể tích, nên việc chuyển đổi dễ dàng.

Chuyển đổi năng lượng nước thành điện

Một bánh xe nước chuyển đổi năng lượng tiềm năng trong dòng chảy hoặc thác nước (mgh) thành động năng tiếp tuyến tại điểm mà nước tiếp xúc với bánh xe. Điều này tạo ra động năng quay, được đưa ra bởi Tôi ²/2, Ở đâu ω là vận tốc góc của bánh xe và Tôi là thời điểm quán tính. Mô men quán tính của một điểm quay quanh trục trung tâm tỷ lệ với bình phương bán kính quay r: (Tôi = ông²), Ở đâu m là khối lượng của điểm.

Để tối ưu hóa việc chuyển đổi năng lượng, bạn muốn tối đa hóa tốc độ góc, ω, nhưng để làm điều đó, bạn cần giảm thiểu Tôi, có nghĩa là giảm thiểu bán kính quay, r. Một bánh xe nước nên có bán kính nhỏ để đảm bảo nó quay đủ nhanh để tạo ra dòng điện ròng. Điều đó bỏ đi những cối xay gió cũ mà Hà Lan nổi tiếng. Chúng tốt cho làm công việc cơ khí, nhưng không phải để tạo ra điện.

Một trường hợp nghiên cứu: Máy phát thủy điện Thác Niagara

Một trong những máy phát điện cảm ứng bánh xe nước quy mô lớn đầu tiên, và được biết đến nhiều nhất, đã xuất hiện trực tuyến tại Thác Niagara, New York, vào năm 1895. Được Nikola Tesla nghĩ ra và được George Westinghouse tài trợ và thiết kế, nhà máy điện Edward Dean Adams là nhà máy đầu tiên của một số nhà máy để cung cấp điện cho người tiêu dùng ở Hoa Kỳ.

Nhà máy điện thực tế được xây dựng cách thác Niagara khoảng một dặm về phía thượng nguồn và lấy nước thông qua hệ thống đường ống. Nước chảy vào một vỏ hình trụ trong đó được gắn một bánh xe nước lớn. Lực của nước làm quay bánh xe, và đến lượt nó quay rôto của một máy phát lớn hơn để tạo ra điện.

Máy phát điện tại nhà máy điện Adams sử dụng 12 nam châm vĩnh cửu lớn, mỗi nam châm tạo ra từ trường khoảng 0,1 Tesla. Chúng được gắn vào cánh quạt máy phát và quay bên trong một cuộn dây lớn. Máy phát tạo ra khoảng 13.000 volt và để làm được điều này phải có ít nhất 300 vòng trong cuộn dây. Khoảng 4.000 ampe của các dòng điện xoay chiều qua cuộn dây khi máy phát điện đang chạy.

Tác động môi trường của thủy điện

Có rất ít thác nước trên thế giới có kích thước của thác Niagara, đó là lý do tại sao thác Niagara được coi là một trong những kỳ quan thiên nhiên thế giới. Nhiều trạm phát thủy điện được xây dựng trên các đập. Ngày nay, khoảng 16 phần trăm điện thế giới được cung cấp bởi các nhà máy thủy điện như vậy, trong đó lớn nhất là ở Trung Quốc, Brazil, Canada, Hoa Kỳ và Nga. Nhà máy lớn nhất ở Trung Quốc, nhưng nhà máy sản xuất nhiều điện nhất là ở Brazil.

Khi một con đập đã được xây dựng, không còn chi phí liên quan đến sản xuất điện. nhưng có một số chi phí cho môi trường.

Các nhà khoa học đang tìm cách giảm thiểu những nhược điểm của các nhà máy sản xuất điện lớn. Một giải pháp là xây dựng hệ thống của những hệ thống nhỏ hơn có tác động môi trường ít hơn. Một cách khác là thiết kế van nạp và tua bin để đảm bảo nước thoát ra từ nhà máy được oxy hóa đúng cách. Mặc dù có những hạn chế, tuy nhiên, đập thủy điện là một trong những nguồn điện sạch nhất, rẻ nhất trên hành tinh.

Dự án khoa học máy phát điện bánh xe nước

Một cách tốt để giúp bạn hiểu các nguyên tắc trong sản xuất thủy điện là tự mình xây dựng một máy phát điện nhỏ. Bạn có thể làm điều này với động cơ từ một quạt điện rẻ tiền hoặc thiết bị khác. Miễn là rôto bên trong động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu, động cơ có thể được sử dụng "ngược lại" để tạo ra điện.Động cơ từ quạt hoặc thiết bị rất cũ là một ứng cử viên tốt hơn so với động cơ từ một thiết bị mới hơn, vì động cơ thiết bị cũ có nhiều khả năng sử dụng nam châm vĩnh cửu.

Nếu bạn sử dụng quạt, bạn có thể hoàn thành dự án này mà không cần tháo rời nó, bởi vì các cánh quạt có thể hoạt động như các cánh quạt. Tuy nhiên, chúng không thực sự được thiết kế cho việc này, vì vậy bạn có thể muốn cắt chúng đi và thay thế chúng bằng một bánh xe nước hiệu quả hơn mà bạn tự chế tạo. Nếu bạn quyết định làm điều này, bạn có thể sử dụng cổ áo làm đế cho bánh xe nước được cải tiến của mình, vì nó đã được gắn vào trục động cơ.

Để xác định xem máy phát điện bánh xe nước nhỏ của bạn có thực sự sản xuất điện hay không, bạn sẽ phải kết nối một mét trên cuộn dây đầu ra. Điều này rất dễ thực hiện nếu bạn sử dụng quạt hoặc thiết bị cũ, vì nó có phích cắm. Chỉ cần kết nối các đầu dò của đồng hồ vạn năng với các đầu cắm và đặt đồng hồ đo để đo điện áp AC (VAC). Nếu động cơ bạn sử dụng không có phích cắm, chỉ cần kết nối đầu dò công tơ với các dây được gắn vào cuộn dây đầu ra, trong hầu hết các trường hợp là hai dây duy nhất bạn sẽ tìm thấy.

Bạn có thể sử dụng một nguồn nước rơi tự nhiên cho dự án này hoặc bạn có thể tự xây dựng. Nước rơi ra từ vòi của bồn tắm của bạn sẽ tạo ra đủ năng lượng để tạo ra dòng điện có thể phát hiện được. Nếu bạn đang thực hiện dự án của mình trên đường để cho người khác xem, bạn có thể muốn đổ nước từ bình hoặc sử dụng vòi tưới vườn.