Contenu
- Le principe de l'induction électromagnétique
- Comment fonctionne l'induction dans un générateur électrique
- L'énergie dans l'eau
- Conversion de l'énergie hydraulique en électricité
- Étude de cas: le générateur hydroélectrique de Niagara Falls
- L'impact de l'énergie hydroélectrique sur l'environnement
- Projet scientifique sur un générateur de roue à eau
L'eau en mouvement est une source d'énergie importante et les gens ont exploité cette énergie à travers les âges en construisant des roues hydrauliques.
Elles étaient courantes en Europe pendant tout le Moyen Âge et avaient pour habitude, entre autres, d’écraser la roche, d’utiliser des soufflets pour les affineries de métaux et de transformer les feuilles en lin au marteau. Les roues à eau qui moulaient le grain étaient connues sous le nom de moulins à eau, et comme cette fonction était si omniprésente, les deux mots devinrent plus ou moins synonymes.
La découverte par Michael Faradays de l’induction électromagnétique a ouvert la voie à l’invention du générateur à induction, qui a fini par alimenter le monde entier en électricité. Un générateur à induction convertit l'énergie mécanique en énergie électrique, et l'eau en mouvement est une source d'énergie mécanique abondante et bon marché. Il était donc naturel d'adapter les moulins à eau aux générateurs hydroélectriques.
Pour comprendre le fonctionnement d'un générateur de roue hydraulique, il est utile de comprendre les principes de l'induction électromagnétique. Une fois que vous avez fait, vous pouvez essayer de construire votre propre mini-générateur de roue hydraulique, en utilisant le moteur d'un petit ventilateur électrique ou un autre appareil.
Le principe de l'induction électromagnétique
Faraday (1791 - 1867) a découvert l'induction en enroulant plusieurs fois un fil de conduction autour d'un noyau cylindrique pour former un solénoïde. Il a connecté les extrémités des fils à un galvanomètre, un appareil qui mesure le courant (et le précurseur du multimètre). Lorsqu'il a déplacé un aimant permanent à l'intérieur du solénoïde, il a constaté que le compteur enregistrait le courant.
Faraday a noté que le courant changeait de direction chaque fois qu'il changeait la direction dans laquelle il déplaçait l'aimant et que la force du courant dépendait de la vitesse à laquelle il déplaçait l'aimant.
Ces observations ont ensuite été formulées dans la loi de Faradays, qui relie E, la force électromotrice (emf) dans un conducteur, également appelé tension, au taux de variation du flux magnétique ϕ expérimenté par le chef d'orchestre. Cette relation est généralement écrite comme suit:
E = - N • / ∆t
N est le nombre de tours dans la bobine du conducteur. Le symbole ∆ (delta) indique un changement dans la quantité qui suit. Le signe moins indique que la direction de la force électromotrice est opposée à la direction du flux magnétique.
Comment fonctionne l'induction dans un générateur électrique
La loi Faradays ne spécifie pas si la bobine ou l'aimant doit se déplacer pour induire un courant, et en réalité cela n'a pas d'importance. L'un d'entre eux doit cependant être en mouvement car le flux magnétique, qui est la partie du champ magnétique traversant perpendiculairement le conducteur, doit être en train de changer. Aucun courant n'est généré dans un champ magnétique statique.
Un générateur à induction comporte généralement un aimant permanent en rotation ou une bobine conductrice magnétisée par une source d'énergie externe, appelée rotor. Il tourne librement sur un arbre à faible frottement (induit) à l'intérieur d'une bobine, appelée stator, et lorsqu'il tourne, il génère une tension dans la bobine du stator.
La tension induite change de direction cycliquement à chaque rotation du rotor, de sorte que le courant résultant change également de direction. Son connu comme courant alternatif (AC).
Dans un moulin à eau, l’énergie nécessaire pour faire tourner le rotor est fournie par de l’eau en mouvement. Pour les plus simples, il est possible d’utiliser l’électricité générée directement pour alimenter des lumières et des appareils. Le plus souvent, cependant, le générateur est connecté au réseau électrique et lui fournit de l'électricité.
Dans ce scénario, l'aimant permanent du rotor est souvent remplacé par un électroaimant et le réseau fournit du courant alternatif pour le magnétiser. Pour obtenir une sortie nette du générateur dans ce scénario, le rotor doit tourner à une fréquence supérieure à celle de la puissance entrante.
L'énergie dans l'eau
Lorsque vous exploitez de l’eau pour faire un travail, vous comptez essentiellement sur la force de gravité, qui est ce qui fait que l’eau coule en premier lieu. La quantité d’énergie que vous pouvez tirer d’une chute d’eau dépend de la quantité d’eau qui tombe et de sa rapidité. Vous obtiendrez plus d'énergie par unité d'eau d'une cascade que d'un flux de rivière, et vous obtiendrez évidemment plus d'énergie d'un grand ruisseau ou d'une cascade que d'un petit.
En général, l’énergie disponible pour faire le travail de rotation de la roue hydraulique est donnée par mgh, où "m" est la masse de l'eau, "h" est la hauteur par laquelle elle tombe et "g" est l'accélération due à la gravité. Pour maximiser l'énergie disponible, la roue à eau doit se situer au bas de la pente ou de la cascade, ce qui maximise la distance de chute de l'eau.
Vous n'avez pas à mesurer la masse d'eau qui coule dans le ruisseau. Tout ce que vous avez à faire est d’estimer le volume. Comme la densité de l'eau est une quantité connue et que la densité est égale à la masse divisée par le volume, il est facile d'effectuer la conversion.
Conversion de l'énergie hydraulique en électricité
Une roue à eau convertit l’énergie potentielle en un ruisseau ou une cascade (mgh) en énergie cinétique tangentielle au point où l'eau entre en contact avec la roue. Ceci génère une énergie cinétique de rotation, donnée par Je 2/2, où ω est la vitesse angulaire de la roue et je est le moment d'inertie. Le moment d'inertie d'un point tournant autour d'un axe central est proportionnel au carré du rayon de rotation r: (I = mr2), où m est la masse de la pointe.
Pour optimiser la conversion de l'énergie, vous voulez maximiser la vitesse angulaire, ω, mais pour ce faire, vous devez minimiser je, ce qui signifie minimiser le rayon de rotation, r. Une roue à eau doit avoir un petit rayon pour s’assurer qu’elle tourne assez vite pour générer un courant net. Cela laisse de côté les anciens moulins à vent pour lesquels les Pays-Bas sont célèbres. Ils sont bons pour les travaux mécaniques, mais pas pour générer de l'électricité.
Étude de cas: le générateur hydroélectrique de Niagara Falls
L'un des premiers générateurs à induction à roue hydraulique à grande échelle, et le plus connu, a été mis en service à Niagara Falls, à New York, en 1895. Conçu par Nikola Tesla et financé et conçu par George Westinghouse, la centrale Edward Dean Adams a été la première de plusieurs usines pour fournir de l’électricité à des consommateurs américains.
La centrale électrique actuelle est construite à environ un mille en amont de Niagara Falls et est alimentée en eau par un système de canalisations. L'eau s'écoule dans un logement cylindrique dans lequel est montée une grande roue hydraulique. La force de l'eau fait tourner la roue, qui à son tour tourne le rotor d'un générateur plus grand pour produire de l'électricité.
Le générateur de la centrale Adams utilise 12 grands aimants permanents, produisant chacun un champ magnétique d'environ 0,1 Tesla. Ils sont attachés au rotor des générateurs et tournent à l'intérieur d'une grande bobine de fil. Le générateur produit environ 13 000 volts. Pour ce faire, la bobine doit comporter au moins 300 tours. Environ 4 000 ampères de courant alternatif traversent la bobine lorsque le générateur est en marche.
L'impact de l'énergie hydroélectrique sur l'environnement
Il y a très peu de cascades dans le monde de la taille des chutes du Niagara, raison pour laquelle celles-ci sont considérées comme l'une des merveilles naturelles du monde. De nombreuses centrales hydroélectriques sont construites sur des barrages. Aujourd'hui, environ 16% de l'électricité mondiale est fournie par de telles centrales hydroélectriques, dont les plus grandes sont situées en Chine, au Brésil, au Canada, aux États-Unis et en Russie. La plus grande centrale est située en Chine, mais celle qui produit le plus d'électricité se trouve au Brésil.
Une fois qu'un barrage a été construit, il n'y a plus de coûts associés à la production d'électricité. mais il y a des coûts pour l'environnement.
Les scientifiques étudient des moyens d'atténuer les inconvénients des grandes installations de production d'énergie. Une solution consiste à construire des systèmes plus petits qui ont moins d’impact sur l’environnement. Une autre solution consiste à concevoir des vannes d’admission et des turbines pour que l’eau libérée de l’usine soit correctement oxygénée. Malgré leurs inconvénients, les barrages hydroélectriques comptent parmi les sources d’électricité les moins chères et les plus propres de la planète.
Projet scientifique sur un générateur de roue à eau
Un bon moyen de vous aider à comprendre les principes de la production d'énergie hydroélectrique consiste à construire vous-même un petit générateur électrique. Vous pouvez le faire avec le moteur à partir d'un ventilateur électrique peu coûteux ou d'un autre appareil. Tant que le rotor à l'intérieur du moteur utilise un aimant permanent, le moteur peut être utilisé "en sens inverse" pour générer de l'électricité.Le moteur d'un très ancien ventilateur ou appareil est un meilleur candidat qu'un moteur plus ancien, car les moteurs d'appareils plus anciens sont plus susceptibles d'utiliser des aimants permanents.
Si vous utilisez un ventilateur, vous pourrez peut-être réaliser ce projet sans même le démonter, car les pales du ventilateur peuvent jouer le rôle de roue. Cependant, ils ne sont pas vraiment conçus pour cela, vous pouvez donc les couper et les remplacer par une roue hydraulique plus efficace que vous construisez vous-même. Si vous décidez de le faire, vous pouvez utiliser le collier comme base de votre roue hydraulique améliorée, car il est déjà fixé à l’arbre du moteur.
Pour déterminer si votre mini-générateur à roue hydraulique produit réellement de l'électricité, vous devez connecter un compteur à la bobine de sortie. C'est facile à faire si vous utilisez un ancien ventilateur ou appareil, car il est muni d'une fiche. Connectez simplement les sondes d’un multimètre aux fiches et réglez-le pour mesurer la tension alternative (VAC). Si le moteur que vous utilisez n'a pas de fiche, connectez simplement les sondes du compteur aux fils reliés à la bobine de sortie, qui sont dans la plupart des cas les deux seuls fils que vous trouverez.
Vous pouvez utiliser une source naturelle de chutes d’eau pour ce projet ou construire le vôtre. L'eau qui tombe du bec de votre baignoire devrait générer suffisamment d'énergie pour produire un courant détectable. Si vous projetez votre projet sur la route pour le montrer à d'autres personnes, vous pouvez verser de l'eau d'un pichet ou utiliser un tuyau d'arrosage.