เนื้อหา
- หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
- การเหนี่ยวนำทำงานอย่างไรในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
- พลังงานในน้ำ
- แปลงพลังงานน้ำเป็นไฟฟ้า
- กรณีศึกษา: เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำจากน้ำตกไนแองการ่า
- ผลกระทบสิ่งแวดล้อมของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ
- โครงงานวิทยาศาสตร์เครื่องกำเนิดกังหันน้ำ
น้ำที่กำลังเคลื่อนที่เป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญและผู้คนได้ควบคุมพลังงานนั้นตลอดยุคสมัยด้วยการสร้างกังหันน้ำ
พวกเขาพบเห็นได้ทั่วไปในยุโรปตลอดยุคกลางและเคยถูกใช้ในการบดขยี้สูบลมสำหรับโรงกลั่นโลหะและค้อนใบลินินเพื่อเปลี่ยนเป็นกระดาษ Waterwheels ที่เมล็ดข้าวเป็นที่รู้จักกันในชื่อ watermills และเนื่องจากฟังก์ชั่นนี้แพร่หลายดังนั้นคำสองคำจึงมีความหมายเหมือนกันมากขึ้นหรือน้อยลง
Michael ค้นพบทุกวันนี้เกี่ยวกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งปูทางไปสู่การคิดค้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ในที่สุดก็มาเพื่อผลิตไฟฟ้าทั้งโลก เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าและน้ำที่เคลื่อนที่เป็นแหล่งพลังงานกลที่มีราคาถูกและอุดมสมบูรณ์ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องธรรมดาที่จะปรับใช้โรงผลิตน้ำเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ
เพื่อให้เข้าใจถึงการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยน้ำมันช่วยให้เข้าใจหลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อคุณทำแล้วคุณอาจลองสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันน้ำขนาดเล็กของคุณเองโดยใช้มอเตอร์จากพัดลมไฟฟ้าขนาดเล็กหรืออุปกรณ์อื่น ๆ
หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
ฟาราเดย์ (1791 - 1867) ค้นพบการเหนี่ยวนำโดยการพันลวดการนำรอบแกนทรงกระบอกเพื่อทำโซลินอยด์ เขาเชื่อมต่อปลายสายกับเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดกระแสไฟฟ้า (และเครื่องตั้งต้นกับมัลติมิเตอร์) เมื่อเขาย้ายแม่เหล็กถาวรภายในโซลินอยด์เขาพบว่ามิเตอร์ที่ลงทะเบียนในปัจจุบัน
ฟาราเดย์ตั้งข้อสังเกตว่ากระแสเปลี่ยนทิศทางเมื่อใดก็ตามที่เขาเปลี่ยนทิศทางที่เขากำลังเคลื่อนที่แม่เหล็กและความแรงของกระแสขึ้นอยู่กับความเร็วในการเคลื่อนที่ของแม่เหล็ก
การสังเกตเหล่านี้ถูกกำหนดเป็นกฎต่อไปนี้ซึ่งเกี่ยวข้องกับ E ซึ่งเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) ในตัวนำหรือที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าต่ออัตราการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก ϕ มีประสบการณ์โดยตัวนำ ความสัมพันธ์นี้มักจะเขียนดังนี้:
E = - N • ∆ ϕ / ∆t
ยังไม่มีข้อความ คือจำนวนรอบในขดลวดตัวนำ สัญลักษณ์ ∆ (เดลต้า) หมายถึงการเปลี่ยนแปลงของปริมาณที่ตามมา เครื่องหมายลบแสดงว่าทิศทางของแรงเคลื่อนไฟฟ้าตรงข้ามกับทิศทางของฟลักซ์แม่เหล็ก
การเหนี่ยวนำทำงานอย่างไรในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
กฎหมายในปัจจุบันไม่ได้ระบุว่าขดลวดหรือแม่เหล็กต้องเคลื่อนที่เพื่อเหนี่ยวนำกระแสและในความเป็นจริงมันไม่สำคัญ อย่างไรก็ตามหนึ่งในนั้นต้องเคลื่อนที่เนื่องจากฟลักซ์แม่เหล็กซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสนามแม่เหล็กที่ผ่านฉากตั้งฉากผ่านตัวนำจะต้องเปลี่ยน ไม่มีการสร้างกระแสในสนามแม่เหล็กคงที่
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำมักจะมีแม่เหล็กถาวรหมุนหรือคอยล์นำแม่เหล็กโดยแหล่งพลังงานภายนอกที่เรียกว่าโรเตอร์ มันหมุนอย่างอิสระบนเพลาแรงเสียดทานต่ำ (เกราะ) ภายในขดลวดซึ่งเรียกว่าสเตเตอร์และเมื่อมันหมุนจะสร้างแรงดันในขดลวดสเตเตอร์
แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะเปลี่ยนทิศทางไปเรื่อย ๆ ในแต่ละสปินของโรเตอร์ดังนั้นกระแสไฟฟ้าที่ได้จึงเปลี่ยนทิศทาง มันเรียกว่ากระแสสลับ (AC)
ในโรงสีน้ำพลังงานในการหมุนของโรเตอร์จะถูกส่งโดยการเคลื่อนย้ายน้ำและสำหรับคนที่เรียบง่ายเป็นไปได้ที่จะใช้ไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยตรงไปยังหลอดไฟและเครื่องใช้ไฟฟ้า อย่างไรก็ตามบ่อยครั้งที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชื่อมต่อกับกริดพลังงานและจ่ายพลังงานกลับไปที่กริด
ในสถานการณ์นี้แม่เหล็กถาวรในโรเตอร์มักถูกแทนที่ด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าและกริดจ่ายกระแสไฟฟ้า AC ให้เป็นแม่เหล็ก ในการรับเอาท์พุทสุทธิจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในสถานการณ์นี้ใบพัดจะต้องหมุนความถี่ที่สูงกว่ากำลังไฟฟ้าขาเข้า
พลังงานในน้ำ
เมื่อควบคุมน้ำให้ทำงานคุณต้องพึ่งพาแรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้น้ำไหลได้ตั้งแต่แรก ปริมาณพลังงานที่คุณสามารถได้รับจากน้ำที่ลดลงนั้นขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำที่ตกลงมาและความรวดเร็ว คุณจะได้รับพลังงานต่อหน่วยน้ำจากน้ำตกมากกว่าที่คุณจะได้รับจากกระแสน้ำและแน่นอนว่าคุณจะได้รับพลังงานจากลำธารขนาดใหญ่หรือน้ำตกมากกว่าที่คุณจะได้รับจากน้ำตกขนาดเล็ก
โดยทั่วไปแล้วพลังงานที่มีอยู่ในการหมุนวงล้อน้ำจะได้รับจาก MGHที่ "m" คือมวลของน้ำ "h" คือความสูงที่ตกลงมาและ "g" คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง เพื่อเพิ่มพลังงานที่มีให้มากที่สุดกังหันน้ำควรอยู่ที่ด้านล่างของทางลาดหรือน้ำตกซึ่งจะช่วยเพิ่มระยะทางที่น้ำจะตกลงมา
คุณไม่จำเป็นต้องวัดมวลของน้ำที่ไหลผ่านลำธาร สิ่งที่คุณต้องทำคือประมาณปริมาณ เนื่องจากความหนาแน่นของน้ำเป็นปริมาณที่ทราบและความหนาแน่นเท่ากับมวลหารด้วยปริมาตรจึงง่ายต่อการแปลง
แปลงพลังงานน้ำเป็นไฟฟ้า
กังหันน้ำแปลงพลังงานที่อาจเกิดขึ้นในกระแสน้ำหรือน้ำตก (MGH) เป็นพลังงานจลน์ของวงสัมผัส ณ จุดที่น้ำสัมผัสกับล้อ สิ่งนี้สร้างพลังงานจลน์แบบหมุนได้โดย ฉันω 2/2ที่ไหน ω คือความเร็วเชิงมุมของล้อและ ผม เป็นช่วงเวลาแห่งความเฉื่อย โมเมนต์ความเฉื่อยของจุดที่หมุนรอบแกนกลางนั้นเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของรัศมีการหมุน R: (ฉัน = นาย2) ที่ไหน ม. คือมวลของจุด
เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานคุณต้องการเพิ่มความเร็วเชิงมุมให้ได้มากที่สุด ωแต่หากต้องการทำเช่นนั้นคุณจะต้องย่อเล็กสุด ผมซึ่งหมายถึงการลดรัศมีการหมุนให้น้อยที่สุด R. ล้อน้ำควรมีรัศมีเล็ก ๆ เพื่อให้แน่ใจว่ามันหมุนเร็วพอที่จะสร้างกระแสไฟฟ้าสุทธิ นั่นทำให้กังหันลมเก่าออกมาซึ่งเนเธอร์แลนด์มีชื่อเสียง เหมาะสำหรับการทำงานเชิงกล แต่ไม่เหมาะสำหรับการผลิตไฟฟ้า
กรณีศึกษา: เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำจากน้ำตกไนแองการ่า
หนึ่งในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบล้อน้ำขนาดใหญ่เครื่องแรกและเป็นที่รู้จักกันเป็นอย่างดีมาออนไลน์ที่ Niagara Falls, New York ในปี 1895 กำเนิดโดย Nikola Tesla และได้รับการสนับสนุนทางการเงินและออกแบบโดย George Westinghouse สถานีพลังงาน Edward Dean Adams เป็นคนแรก ของโรงงานหลายแห่งเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับผู้บริโภคในสหรัฐอเมริกา
โรงไฟฟ้าจริงสร้างขึ้นประมาณหนึ่งไมล์เหนือน้ำตกไนแองการาและรับน้ำผ่านระบบท่อ น้ำไหลเข้าสู่ตัวเรือนทรงกระบอกซึ่งติดตั้งกังหันน้ำขนาดใหญ่ พลังของน้ำหมุนวงล้อและหมุนใบพัดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่สถานีพลังงานอดัมส์ใช้แม่เหล็กถาวรขนาดใหญ่ 12 ตัวซึ่งแต่ละตัวสร้างสนามแม่เหล็กประมาณ 0.1 เทสลา พวกเขาจะแนบไปกับโรเตอร์กำเนิดและหมุนภายในขดลวดขนาดใหญ่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตประมาณ 13,000 โวลต์และการทำเช่นนี้จะต้องมีอย่างน้อย 300 รอบในขดลวด กระแสไฟฟ้า AC ประมาณ 4,000 แอมป์ผ่านขดลวดเมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงาน
ผลกระทบสิ่งแวดล้อมของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ
มีน้ำตกเพียงไม่กี่แห่งในโลกที่มีขนาดเท่ากับน้ำตกไนแองการ่าซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมน้ำตกไนแองการ่าจึงถือเป็นหนึ่งในสิ่งมหัศจรรย์ทางธรรมชาติของโลก สถานีผลิตไฟฟ้าพลังน้ำหลายแห่งถูกสร้างบนเขื่อน ทุกวันนี้ประมาณร้อยละ 16 ของกระแสไฟฟ้าของโลกผลิตโดยสถานีไฟฟ้าพลังน้ำซึ่งใหญ่ที่สุดในประเทศจีน, บราซิล, แคนาดา, สหรัฐอเมริกาและรัสเซีย โรงงานที่ใหญ่ที่สุดในประเทศจีน แต่โรงงานที่ผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากที่สุดในประเทศบราซิล
เมื่อสร้างเขื่อนแล้วจะไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับการผลิตกระแสไฟฟ้า แต่มีค่าใช้จ่ายต่อสิ่งแวดล้อม
นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาวิธีที่จะลดข้อเสียของโรงงานผลิตพลังงานขนาดใหญ่ ทางออกหนึ่งคือการสร้างระบบขนาดเล็กที่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยลง อีกประการหนึ่งคือการออกแบบวาล์วไอดีและกังหันเพื่อให้แน่ใจว่าน้ำที่ปล่อยออกมาจากโรงงานมีออกซิเจนอย่างเหมาะสม ถึงแม้จะมีข้อเสีย แต่เขื่อนไฟฟ้าพลังน้ำเป็นหนึ่งในแหล่งพลังงานที่สะอาดและถูกที่สุดในโลก
โครงงานวิทยาศาสตร์เครื่องกำเนิดกังหันน้ำ
วิธีที่ดีที่จะช่วยให้คุณเข้าใจหลักการในการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำคือการสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กด้วยตัวคุณเอง คุณสามารถทำได้ด้วยมอเตอร์จากพัดลมไฟฟ้าราคาไม่แพงหรืออุปกรณ์อื่น ๆ ตราบใดที่ใบพัดภายในมอเตอร์ใช้แม่เหล็กถาวรก็สามารถใช้มอเตอร์ "กลับด้าน" เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้มอเตอร์จากพัดลมหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าเก่า ๆ เป็นตัวเลือกที่ดีกว่ามอเตอร์จากมอเตอร์รุ่นใหม่เนื่องจากมอเตอร์เครื่องเก่ามักจะใช้แม่เหล็กถาวร
หากคุณใช้พัดลมคุณอาจสามารถทำโครงการนี้ได้โดยไม่ต้องถอดแยกชิ้นส่วนออกเนื่องจากใบพัดพัดลมสามารถทำหน้าที่เป็นใบพัด อย่างไรก็ตามพวกเขาไม่ได้ออกแบบมาเพื่อสิ่งนี้จริง ๆ ดังนั้นคุณอาจต้องการที่จะตัดมันออกและแทนที่พวกเขาด้วยกังหันน้ำที่มีประสิทธิภาพมากกว่าที่คุณสร้างขึ้นเอง หากคุณตัดสินใจที่จะทำเช่นนี้คุณสามารถใช้ปลอกเป็นฐานสำหรับล้อน้ำที่ดีขึ้นของคุณเนื่องจากมันติดอยู่กับเพลามอเตอร์แล้ว
เพื่อตรวจสอบว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันน้ำขนาดเล็กของคุณผลิตกระแสไฟฟ้าได้จริงหรือไม่คุณจะต้องเชื่อมต่อมิเตอร์ข้ามขดลวดเอาต์พุต วิธีนี้ทำได้ง่ายถ้าคุณใช้พัดลมหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าเก่าเพราะมีปลั๊ก เพียงเชื่อมต่อโพรบของมัลติมิเตอร์กับปลั๊กง่ามและตั้งมิเตอร์เพื่อวัดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (VAC) หากมอเตอร์ที่คุณใช้ไม่มีปลั๊กให้เชื่อมต่อโพรบมิเตอร์กับสายไฟที่ติดอยู่กับคอยล์เอาท์พุทซึ่งโดยส่วนใหญ่แล้วจะเป็นเพียงสองสายที่คุณจะพบ
คุณสามารถใช้แหล่งน้ำตามธรรมชาติสำหรับโครงการนี้หรือคุณสามารถสร้างของคุณเอง น้ำที่ตกลงมาจากพวยของคุณควรสร้างพลังงานเพียงพอที่จะผลิตกระแสไฟฟ้าที่ตรวจจับได้ หากคุณกำลังทำโครงการของคุณบนถนนเพื่อแสดงให้คนอื่นคุณอาจต้องการเทน้ำจากเหยือกหรือใช้สายยางในสวน