Inhoud
- Het principe van elektromagnetische inductie
- Hoe inductie werkt in een elektrische generator
- De energie in water
- Waterkracht omzetten in elektriciteit
- Een case study: de Niagara Falls hydro-elektrische generator
- De milieu-impact van waterkracht
- Een Water Wheel Generator Science Project
Water verplaatsen is een belangrijke energiebron en mensen hebben die energie door de eeuwen heen benut door waterraderen te bouwen.
Ze kwamen in de middeleeuwen veel voor in Europa en werden onder meer gebruikt om steen te verpletteren, blaasbalgen te bedienen voor metalen raffinaderijen en hamervlasbladeren om ze in papier te veranderen. Waterwielen die graan vermalen stonden bekend als watermolens, en omdat deze functie zo alomtegenwoordig was, werden de twee woorden min of meer synoniem.
De ontdekking van Michael Faradays van elektromagnetische inductie heeft de weg geëffend voor de uitvinding van de inductiegenerator die uiteindelijk de hele wereld van elektriciteit heeft voorzien. Een inductiegenerator zet mechanische energie om in elektrische energie en bewegend water is een goedkope en overvloedige bron van mechanische energie. Het was daarom vanzelfsprekend om watermolens aan te passen in waterkrachtcentrales.
Om te begrijpen hoe een waterradgenerator werkt, helpt het om de principes van elektromagnetische inductie te begrijpen. Als je dat eenmaal hebt gedaan, kun je proberen je eigen mini-waterradgenerator te bouwen, met behulp van de motor van een kleine elektrische ventilator of een ander apparaat.
Het principe van elektromagnetische inductie
Faraday (1791 - 1867) ontdekte inductie door een geleidingsdraad meerdere keren rond een cilindrische kern te wikkelen om een solenoïde te maken. Hij verbond de uiteinden van de draden met een galvanometer, een apparaat dat de stroom meet (en de voorloper van de multimeter). Toen hij een permanente magneet in de solenoïde bewoog, ontdekte hij dat de meter stroom registreerde.
Faraday merkte op dat de stroom van richting veranderde wanneer hij de richting veranderde waarin hij de magneet bewoog, en de sterkte van de stroom hing af van hoe snel hij de magneet bewoog.
Deze observaties werden later geformuleerd in de wet van Faradays, die E, de elektromotorische kracht (emf) in een geleider, ook bekend als spanning, relateert aan de snelheid van verandering van magnetische flux ϕ ervaren door de dirigent. Deze relatie is meestal als volgt geschreven:
E = - N • ∆ ϕ / ∆t
N is het aantal windingen in de geleiderspoel. Het symbool ∆ (delta) geeft een verandering aan in de hoeveelheid die erop volgt. Het minteken geeft aan dat de richting van de elektromotorische kracht tegengesteld is aan de richtingen van de magnetische flux.
Hoe inductie werkt in een elektrische generator
De wet van Faradays geeft niet aan of de spoel of de magneet moet bewegen om een stroom te induceren, en in feite doet het er niet toe. Een daarvan moet echter bewegen, omdat de magnetische flux, het gedeelte van het magnetische veld dat loodrecht door de geleider loopt, moet veranderen. Er wordt geen stroom gegenereerd in een statisch magnetisch veld.
Een inductiegenerator heeft meestal een draaiende permanente magneet of een geleidende spoel die wordt gemagnetiseerd door een externe voedingsbron, de rotor. Het draait vrij op een as met lage wrijving (armatuur) in een spoel, die de stator wordt genoemd, en wanneer het draait, genereert het een spanning in de statorspoel.
De geïnduceerde spanning verandert cyclisch van richting met elke rotatie van de rotor, dus de resulterende stroom verandert ook van richting. Het staat bekend als wisselstroom (AC).
In een watermolen wordt de energie om de rotor te laten draaien geleverd door bewegend water, en voor eenvoudige is het mogelijk om de opgewekte elektriciteit rechtstreeks te gebruiken om lichten en apparaten aan te drijven. Vaker echter is de generator verbonden met het elektriciteitsnet en levert het vermogen terug aan het net.
In dit scenario wordt de permanente magneet in de rotor vaak vervangen door een elektromagneet en levert het net wisselstroom om deze te magnetiseren. Om in dit scenario een netto-uitgangssignaal van de generator te krijgen, moet de rotor een frequentie draaien die groter is dan die van het binnenkomende vermogen.
De energie in water
Wanneer u water gebruikt om te werken, vertrouwt u in feite op de zwaartekracht, waardoor water in de eerste plaats stroomt. De hoeveelheid energie die u uit vallend water kunt halen, is afhankelijk van hoeveel water er valt en hoe snel. Je krijgt meer energie per eenheid water uit een waterval dan uit een stromende stroom, en je krijgt uiteraard meer energie uit een grote stroom of waterval dan je uit een kleine stroom haalt.
Over het algemeen wordt de energie die beschikbaar is om het waterwiel te draaien gegeven door mgh, waar "m" de massa van het water is, is "h" de hoogte waardoor het valt en is "g" de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht. Om de beschikbare energie te maximaliseren, moet het waterrad zich onderaan de helling of waterval bevinden, waardoor de afstand tot het water maximaal is.
U hoeft de massa van het water dat door de stroom stroomt niet te meten. Het enige wat u hoeft te doen is het volume schatten. Omdat de dichtheid van water een bekende hoeveelheid is en de dichtheid gelijk is aan massa gedeeld door volume, is het gemakkelijk om de conversie te maken.
Waterkracht omzetten in elektriciteit
Een waterrad zet de potentiële energie om in een stromende stroom of waterval (mgh) in tangentiële kinetische energie op het punt waar het water contact maakt met het wiel. Dit genereert rotatiekinetische energie, gegeven door Ik ω 2/2waar ω is de hoeksnelheid van het wiel en ik is het traagheidsmoment. Het traagheidsmoment van een punt dat rond een centrale as roteert, is evenredig met het kwadraat van de rotatiestraal r: (I = dhr2), waar m is de massa van het punt.
Om de conversie van energie te optimaliseren, wil je de hoeksnelheid maximaliseren, ω, maar om dat te doen, moet je minimaliseren ik, wat betekent het minimaliseren van de rotatie straal, r. Een waterrad moet een kleine straal hebben om ervoor te zorgen dat het snel genoeg ronddraait om een netto stroom te genereren. Dat laat de oude windmolens weg waarvoor Nederland beroemd is. Ze zijn goed voor mechanisch werk, maar niet voor het opwekken van elektriciteit.
Een case study: de Niagara Falls hydro-elektrische generator
Een van de eerste grootschalige waterradinductiegeneratoren, en de bekendste, kwam online in Niagara Falls, New York, in 1895. Bedacht door Nikola Tesla en gefinancierd en ontworpen door George Westinghouse, was de Edward Dean Adams krachtcentrale de eerste van verschillende fabrieken om elektriciteit te leveren aan consumenten in de Verenigde Staten.
De eigenlijke energiecentrale is ongeveer anderhalve kilometer stroomopwaarts van de Niagara-watervallen gebouwd en krijgt water door een systeem van pijpen. Het water stroomt in een cilindrische behuizing waarin een groot waterwiel is gemonteerd. De kracht van het water draait het wiel, en het draait op zijn beurt de rotor van een grotere generator om elektriciteit te produceren.
De generator bij de centrale van Adams gebruikt 12 grote permanente magneten, die elk een magnetisch veld van ongeveer 0,1 Tesla produceren. Ze zijn bevestigd aan de rotor van de generator en draaien in een grote draadspiraal. De generator produceert ongeveer 13.000 volt, en om dit te doen moeten er minimaal 300 omwentelingen in de spoel zijn. Ongeveer 4.000 ampère stroom van wisselstroom door de spoel wanneer de generator draait.
De milieu-impact van waterkracht
Er zijn maar weinig watervallen ter wereld ter grootte van Niagara Falls, en daarom wordt Niagara Falls beschouwd als een van de natuurlijke wonderen van de wereld. Veel waterkrachtcentrales zijn gebouwd op dammen. Vandaag wordt ongeveer 16 procent van 's werelds elektriciteit geleverd door dergelijke waterkrachtcentrales, waarvan de grootste zich in China, Brazilië, Canada, de Verenigde Staten en Rusland bevinden. De grootste fabriek bevindt zich in China, maar degene die de meeste elektriciteit produceert, bevindt zich in Brazilië.
Zodra een dam is gebouwd, zijn er geen kosten meer verbonden aan de opwekking van energie. maar er zijn enkele kosten voor het milieu.
Wetenschappers zoeken naar manieren om de nadelen van grote energieproductiefabrieken te verminderen. Een oplossing is om kleinere systemen te bouwen met minder impact op het milieu. Een andere is het ontwerpen van inlaatkleppen en turbines om ervoor te zorgen dat het water dat uit de fabriek vrijkomt goed wordt geoxygeneerd. Zelfs met nadelen behoren hydro-elektrische dammen tot de schoonste, goedkoopste elektriciteitsbronnen op de planeet.
Een Water Wheel Generator Science Project
Een goede manier om uzelf te helpen de principes van waterkrachtopwekking te begrijpen, is om zelf een kleine elektrische generator te bouwen. U kunt dit doen met de motor van een goedkope elektrische ventilator of ander apparaat. Zolang de rotor in de motor een permanente magneet gebruikt, kan de motor "omgekeerd" worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.De motor van een zeer oude ventilator of apparaat is een betere kandidaat dan een motor van een nieuwere, omdat oudere apparaatmotoren vaker permanente magneten gebruiken.
Als u een ventilator gebruikt, kunt u dit project mogelijk uitvoeren zonder het zelfs te demonteren, omdat de ventilatorbladen kunnen fungeren als de waaiers. Ze zijn echter niet echt hiervoor ontworpen, dus misschien wilt u ze afsnijden en vervangen door een efficiënter waterwiel dat u zelf bouwt. Als u besluit dit te doen, kunt u de kraag gebruiken als basis voor uw verbeterde waterwiel, omdat deze al aan de motoras is bevestigd.
Om te bepalen of uw mini-waterradgenerator daadwerkelijk elektriciteit produceert, moet u een meter aansluiten op de uitgangsspoel. Dit is gemakkelijk te doen als u een oude ventilator of apparaat gebruikt, omdat deze een stekker heeft. Sluit gewoon de sondes van een multimeter aan op de stekkerpinnen en stel de meter in op AC-spanning (VAC). Als de motor die u gebruikt geen stekker heeft, sluit u de meetsondes gewoon aan op de draden die zijn aangesloten op de uitgangsspoel, in de meeste gevallen de enige twee draden die u zult vinden.
U kunt voor dit project een natuurlijke bron van vallend water gebruiken of u kunt uw eigen bron bouwen. Het water dat uit de tuit van uw badkuip valt, moet voldoende energie opwekken om een detecteerbare stroom te produceren. Als je met je project op pad gaat om andere mensen te laten zien, wil je misschien water uit een kruik gieten of een tuinslang gebruiken.