İçerik
- Elektromanyetik İndüksiyon Prensibi
- Bir Jeneratörde İndüksiyon Nasıl Çalışır?
- Sudaki Enerji
- Su Gücünü Elektriğe Dönüştürmek
- Bir Vaka Çalışması: Niagara Şelalesi Hidroelektrik Jeneratörü
- Hidroelektrik Enerjinin Çevresel Etkileri
- Su Çarkı Jeneratörü Bilim Projesi
Suyun taşınması önemli bir enerji kaynağıdır ve insanlar bu enerjiyi çağlar boyunca su çarkları inşa ederek kullanmıştır.
Avrupa'da Ortaçağ boyunca yaygındı ve diğer şeylerin yanı sıra, kayaları ezmek, metal rafinerileri için körükleri çalıştırmak ve onları kağıda dönüştürmek için keten yapraklarını çekiçlemek için kullanılıyorlardı. Tahılları frezeleyen su çarkları, su değirmenleri olarak biliniyordu ve bu fonksiyon her yerde olduğu için, iki kelime aşağı yukarı eşanlamlı hale geldi.
Michael Faradays'ın elektromanyetik indüksiyon keşfi, sonunda tüm dünyaya elektrik sağlamak için gelen indüksiyon jeneratörünün icat edilmesinin önünü açtı. Bir endüksiyon jeneratörü, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür ve hareketli su, ucuz ve bol bir mekanik enerji kaynağıdır. Bu nedenle, su değirmenlerini hidroelektrik enerji jeneratörlerine adapte etmek doğaldı.
Bir su çarkı jeneratörünün nasıl çalıştığını anlamak, elektromanyetik indüksiyon prensiplerini anlamaya yardımcı olur. Bunu yaptığınızda, motoru küçük bir elektrikli fandan veya başka bir cihazdan kullanarak kendi mini su çarkı jeneratörünüzü oluşturmayı deneyebilirsiniz.
Elektromanyetik İndüksiyon Prensibi
Faraday (1791 - 1867), bir solenoidi yapmak için bir iletken teli silindirik bir çekirdek etrafına birçok kez sarmak suretiyle indüksiyon keşfetti. Tellerin uçlarını bir galvanometreye, akımı ölçen bir cihaza (ve öncüyü multimetreye) bağladı. Selenoid içindeki kalıcı bir mıknatısı hareket ettirdiğinde, sayacın akım kaydettiğini buldu.
Faraday, mıknatısı hareket ettirdiği yönü değiştirdiğinde akımın yön değiştirdiğini ve akımın gücünün mıknatısı ne kadar hızlı hareket ettirdiğine bağlı olduğunu belirtti.
Bu gözlemler daha sonra, bir iletkendeki elektromotor kuvveti (emf) olan ve aynı zamanda voltaj olarak da bilinen elektriki gücü (E) olan manyetik akı değişim hızıyla ilişkilendiren Faradays Yasası ile formüle edildi. ϕ iletken tarafından deneyimli. Bu ilişki genellikle şu şekilde yazılır:
E = - N • ∆ ϕ / ∆t
N- iletken bobinindeki sarım sayısıdır. Sembol ∆ (delta), onu takip eden miktardaki bir değişikliği gösterir. Eksi işareti, elektromotor kuvvetinin yönünün, manyetik akının yönünün zıddı olduğunu gösterir.
Bir Jeneratörde İndüksiyon Nasıl Çalışır?
Faradays Yasası, bobinin mi yoksa mıknatısın bir akımı tetiklemek için harekete geçmesi gerekip gerekmediğini ve aslında farketmez. Ancak bunlardan birinin hareket etmesi gerekir, çünkü manyetik alanın iletken boyunca dik olarak geçen kısmı olan manyetik akı değişmelidir. Statik manyetik alanda akım üretilmez.
Bir endüksiyon jeneratörü genellikle dönen bir sabit mıknatısa veya rotor adı verilen harici bir güç kaynağı tarafından mıknatıslanmış olan bir iletken bobine sahiptir. Stator adı verilen bir bobinin içindeki düşük sürtünmeli bir şafta (armatür) serbestçe döner ve döndüğünde stator bobinde bir voltaj oluşturur.
Endüklenen voltaj, rotorun her bir dönüşü ile çevrimsel olarak yön değiştirir, bu nedenle sonuçta ortaya çıkan akım da yön değiştirir. Alternatif akım (AC) olarak bilinir.
Bir su değirmeninde, rotorun dönmesi için enerji hareket eden su ile sağlanır ve basit olanlar için üretilen elektriği doğrudan güç ışıkları ve cihazlara kullanmak mümkündür. Bununla birlikte, daha sık, jeneratör, elektrik şebekesine bağlanır ve şebekeye geri güç sağlar.
Bu senaryoda, rotordaki kalıcı mıknatıs genellikle bir elektromıknatıs ile değiştirilir ve ızgara bunu mıknatıslamak için AC akımı sağlar. Bu senaryoda jeneratörden net çıkış elde etmek için, rotorun gelen gücünkinden daha büyük bir frekans döndürmesi gerekir.
Sudaki Enerji
Suyun çalışması için harmanlandığı zaman, temel olarak yerçekimi kuvvetine güveniyorsunuzdur; bu, su akışını ilk etapta yapan şeydir. Düşen sulardan elde edebileceğiniz enerji miktarı, ne kadar suyun düşeceğine ve ne kadar hızlı olduğuna bağlıdır. Bir birimdeki su başına bir şelalenin akışını akan su kaynağından daha fazla enerji alacaksınız ve büyük bir dereden ya da şelalenin su kaynağındaki kaynağından daha fazla enerji alacaksınız.
Genel olarak, su çarkını çevirme işini yapabilmek için mevcut enerji mghburada "m" suyun kütlesidir, "h" düştüğü yükseklik ve "g" yerçekiminden kaynaklanan ivmedir. Mevcut enerjiyi en üst düzeye çıkarmak için, su çarkı eğimin veya şelalenin dibinde olmalıdır; bu, suyun düşmesi gereken mesafeyi en yükseğe çıkarır.
Akıntıdan akan suyun kütlesini ölçmeniz gerekmez. Tek yapmanız gereken hacmi tahmin etmek. Suyun yoğunluğu bilinen bir miktar olduğundan ve yoğunluğun hacme bölünmesiyle eşit olması nedeniyle dönüştürmenin yapılması kolaydır.
Su Gücünü Elektriğe Dönüştürmek
Bir su çarkı, akan bir dere veya şelale içindeki potansiyel enerjiyi dönüştürür (mgh) suyun tekerleğe temas ettiği noktada teğet kinetik enerjiye dönüşür. Bu, tarafından verilen rotasyonel kinetik enerji üretir. Ben 2/2, nerede ω tekerleğin açısal hızıdır ve ben eylemsizlik momenti. Merkezi bir eksen etrafında dönen bir noktanın atalet momenti, dönme yarıçapı karesi ile orantılıdır r: (Ben = bay2), nerede m noktanın kütlesidir.
Enerjinin dönüşümünü optimize etmek için açısal hızı en üst düzeye çıkarmak istersiniz, ω, ancak bunu yapmak için simge durumuna küçültmeniz gerekir benbu, dönme yarıçapını en aza indirgemek anlamına gelir, r. Bir su çarkı, bir net akım üretecek kadar hızlı dönmesini sağlamak için küçük bir yarıçapa sahip olmalıdır. Bu, Hollanda'nın ünlü olduğu eski yel değirmenlerini dışarıda bırakır. Mekanik işler yapmak için iyidirler, ancak elektrik üretmek için değillerdir.
Bir Vaka Çalışması: Niagara Şelalesi Hidroelektrik Jeneratörü
İlk büyük ölçekli su çarkı endüksiyon jeneratörlerinden biri ve en iyisi, 1895'te New York Niagara Şelalesi'nde çevrimiçi oldu. Nikola Tesla tarafından tasarlanan ve George Westinghouse tarafından finanse edilen ve tasarlanan Edward Dean Adams elektrik santrali ilk Amerika Birleşik Devletleri'ndeki tüketicilere elektrik sağlamak için birkaç tesisin.
Gerçek elektrik santrali Niagara Şelaleleri'nin bir mil yukarısında kuruluyor ve bir boru sisteminden su alıyor. Su, içinde büyük bir su çarkının monte edildiği silindirik bir mahfazaya akar. Suyun kuvveti tekerleği döndürür ve sırayla elektrik üretmek için daha büyük bir jeneratörün rotorunu döndürür.
Adams güç istasyonundaki jeneratör, her biri yaklaşık 0.1 Tesla'lık bir manyetik alan üreten 12 büyük daimi mıknatıs kullanır. Jeneratörlere rotor tutturulur ve büyük bir tel bobininin içinde dönerler. Jeneratör yaklaşık 13.000 volt üretir ve bunu yapmak için bobinde en az 300 tur olmalıdır. Jeneratör çalışırken, bobinden yaklaşık 4.000 amper AC elektrik akışı gerçekleşir.
Hidroelektrik Enerjinin Çevresel Etkileri
Dünyada Niagara Şelalesi'nin büyüklüğünde çok az şelale var, bu yüzden Niagara Şelalesi dünyanın doğal harikalarından biri olarak kabul ediliyor. Barajların üzerine birçok hidroelektrik üretim istasyonu inşa edilmiştir. Bugün, dünya elektriğinin yaklaşık yüzde 16'sı, en büyüklerinin Çin, Brezilya, Kanada, Amerika Birleşik Devletleri ve Rusya'daki olduğu hidroelektrik santralleri tarafından sağlanmaktadır. En büyük fabrika Çin'de, ancak en çok elektrik üreten fabrika Brezilya'da.
Bir baraj yapıldıktan sonra, enerji üretimi ile ilgili daha fazla maliyet yoktur. ancak çevreye bazı maliyetler vardır.
Bilim adamları, büyük enerji üretim tesislerinin sakıncalarını azaltmak için yollar arıyor. Çözümlerden biri, daha az çevresel etkiye sahip olan küçük sistemleri kurmaktır. Bir diğeri, tesisten salınan suyun uygun şekilde oksijenlenmesini sağlamak için giriş valfleri ve türbinleri tasarlamaktır. Dezavantajları olsa bile, hidroelektrik barajları dünyadaki en temiz ve en ucuz elektrik kaynakları arasındadır.
Su Çarkı Jeneratörü Bilim Projesi
Hidroelektrik enerji üretimindeki prensipleri anlamanıza yardımcı olacak iyi bir yol, kendiniz küçük bir elektrik jeneratörü oluşturmaktır. Bunu motorla ucuz bir elektrikli fandan veya başka bir cihazdan yapabilirsiniz. Motorun içindeki rotor kalıcı bir mıknatıs kullandığı sürece, motor elektrik üretmek için "ters" olarak kullanılabilir.Çok eski bir fan veya cihazdan gelen motor, eski cihaz motorlarının kalıcı mıknatıs kullanması daha muhtemel olduğundan, yeni bir motordan daha iyi bir adaydır.
Bir fan kullanıyorsanız, bu projeyi sökmeden bile başarabilirsiniz, çünkü fan kanatları çarklar gibi davranabilir. Bununla birlikte, bunun için gerçekten tasarlanmamışlardır, bu yüzden onları kesmek ve kendiniz inşa ettiğiniz daha verimli bir su çarkı ile değiştirmek isteyebilirsiniz. Buna karar verirseniz, daha önce motor şaftına bağlı olduğundan bileziği gelişmiş su çarkınız için bir taban olarak kullanabilirsiniz.
Mini su çarkı jeneratörünüzün gerçekten elektrik üretip üretmediğini belirlemek için çıkış bobini boyunca bir metre bağlamak zorundasınız. Eski bir fan veya cihaz kullanıyorsanız bunu yapmak kolaydır, çünkü fişi vardır. Sadece bir multimetrenin problarını fiş uçlarına bağlayın ve AC voltajını (VAC) ölçmek için sayacı ayarlayın. Kullandığınız motorun fişi yoksa, sadece ölçüm problarını çıkış bobinine bağlı olan kablolara bağlayın; bu, çoğu durumda bulabileceğiniz iki kablodur.
Bu proje için doğal bir su kaynağını kullanabilir veya kendi projenizi oluşturabilirsiniz. Küvetinizin ağzından düşen su, tespit edilebilir bir akım üretmek için yeterli enerji üretmelidir. Projenizi başkalarına göstermek için yola koyuyorsanız, sürahiden su dökmek veya bir bahçe hortumu kullanmak isteyebilirsiniz.