Как водните мелници правят електричество?

Движещата се вода е важен източник на енергия и хората са използвали тази енергия през вековете, като са изграждали водни колела.

Те са били често срещани в Европа през Средновековието и са били използвани, наред с други неща, за раздробяване на скали, за експлоатация на духало за метални рафинерии и за чукване на ленени листа, за да ги превърнат в хартия. Водни колела, които мелеха зърно, бяха известни като воденички и тъй като тази функция беше толкова повсеместна, двете думи станаха повече или по-малко синоними.

Откритието на Майкъл Фарадей за електромагнитната индукция проправи пътя за изобретяването на индукционния генератор, който в крайна сметка дойде да снабди целия свят с електричество. Индукционният генератор преобразува механичната енергия в електрическа, а движещата се вода е евтин и богат източник на механична енергия. Следователно беше естествено водните мелници да се адаптират към водноелектрически генератори.

За да се разбере как работи генераторът на водно колело, това помага да се разберат принципите на електромагнитната индукция. След като го направите, можете да опитате да създадете свой собствен мини генератор на водни колела, като използвате мотора от малък електрически вентилатор или друг уред.

Фарадей (1791 - 1867) открива индукция чрез обвиване на проводящ проводник няколко пъти около цилиндрично ядро, за да се направи соленоид. Той свързва краищата на проводниците с галванометър, устройство, което измерва тока (и предшественика на мултиметъра). Когато премести постоянен магнит вътре в соленоида, установи, че измервателният уред регистрира ток.

Фарадей отбеляза, че токът променя посоката, когато променя посоката, в която движи магнита, и силата на тока зависи от това колко бързо той движи магнита.

По-късно тези наблюдения са формулирани в закона на Фарадей, който свързва Е, електромоторната сила (ЕДС) в проводник, известен също като напрежение, със скоростта на промяна на магнитния потокϕпреживяна от диригента. Тази връзка обикновено се пише по следния начин:

​не броят на завъртанията в проводниковата намотка. Символът∆(делта) показва промяна в количеството, което го следва. Знакът минус показва, че посоката на електромоторната сила е противоположна на посоките на магнитния поток.

Законът на Фарадей не уточнява дали намотката или магнитът трябва да се движат, за да предизвикат ток и всъщност това няма значение. Едно от тях обаче трябва да се движи, тъй като магнитният поток, който е частта от магнитното поле, преминаваща перпендикулярно през проводника, трябва да се променя. В статично магнитно поле не се генерира ток.

Индукционният генератор обикновено има въртящ се постоянен магнит или проводяща намотка, магнетизирана от външен източник на енергия, наречен ротор. Той се върти свободно на вал с ниско триене (котва) вътре в намотка, която се нарича статор, а когато се върти, генерира напрежение в намотката на статора.

Индуцираното напрежение променя посоката циклично с всяко завъртане на ротора, така че полученият ток също променя посоката. Известен е като променлив ток (AC).

Във водна мелница енергията за завъртане на ротора се доставя от движеща се вода, а за прости такива е възможно генерираното електричество да се използва директно за захранване на светлини и уреди. По-често обаче генераторът е свързан към електрическата мрежа и захранва обратно към мрежата.

При този сценарий постоянният магнит в ротора често се заменя с електромагнит и решетката доставя променлив ток, за да го намагнити. За да получи нетна мощност от генератора в този сценарий, роторът трябва да върти честота, по-голяма от тази на входящата мощност.

Когато впрягате вода, за да вършите работа, в основата си разчитате на силата на гравитацията, която на първо място кара водата да тече. Количеството енергия, което можете да получите от падащата вода, зависи от това колко вода пада и колко бързо. Ще получите повече енергия на единица вода от водопад, отколкото от течащ поток, и очевидно ще получите повече енергия от голям поток или водопад, отколкото от малък.

По принцип енергията, която е на разположение за въртене на водното колело, се дава отmgh, където "m" е масата на водата, "h" е височината, през която тя пада, а "g" е ускорението поради гравитацията. За да се увеличи максимално наличната енергия, водното колело трябва да е в дъното на склона или водопада, което увеличава максимално разстоянието, което трябва да падне водата.

Не е нужно да измервате масата на водата, течаща през потока. Всичко, което трябва да направите, е да прецените обема. Тъй като плътността на водата е известно количество и плътността е равна на маса, разделена на обем, лесно е да се направи преобразуването.

Водното колело преобразува потенциалната енергия в течащ поток или водопад (mgh) в тангенциална кинетична енергия в точката, в която водата влиза в контакт с колелото. Това генерира ротационна кинетична енергия, дадена отI ω ²/2, къдетоωе ъгловата скорост на колелото иАзе моментът на инерция. Моментът на инерция на точка, въртяща се около централна ос, е пропорционална на квадрата на радиуса на въртенеr​: (​I = г-н²), къдетоме масата на точката.

За да оптимизирате преобразуването на енергия, искате да увеличите ъгловата скорост,ω, но за да направите това, трябва да минимизиратеАз, което означава минимизиране на радиуса на въртене,r. Водното колело трябва да има малък радиус, за да се гарантира, че се върти достатъчно бързо, за да генерира нетен ток. Това оставя старите вятърни мелници, с които е известна Холандия. Те са добри за извършване на механична работа, но не и за генериране на електричество.

Един от първите широкомащабни индукционни генератори на водни колела и най-известният, дойде онлайн в Ниагарския водопад, Ню Йорк, през 1895 година. Замислена от Никола Тесла и финансирана и проектирана от Джордж Уестингхаус, електроцентралата на Едуард Дийн Адамс е първата от няколко централи, доставяща електричество на потребителите в Съединените щати.

Действителната електроцентрала е построена на около миля нагоре по течението на Ниагарския водопад и получава вода през система от тръби. Водата се влива в цилиндричен корпус, в който е монтирано голямо водно колело. Силата на водата върти колелото, а тя от своя страна върти ротора на по-голям генератор, за да произвежда електричество.

Генераторът в електроцентралата Адамс използва 12 големи постоянни магнита, всеки от които произвежда магнитно поле от около 0,1 Тесла. Те са прикрепени към ротора на генератора и се въртят в голяма намотка от тел. Генераторът произвежда около 13 000 волта и за това трябва да има поне 300 оборота в бобината. Около 4000 ампера променлив ток преминават през бобината, когато генераторът работи.

В света има много малко водопади с размерите на Ниагарския водопад, поради което Ниагарският водопад се смята за едно от световните природни чудеса. Много водноелектрически генериращи станции са изградени върху язовири. Днес около 16 процента от електричеството в света се доставя от такива водноелектрически централи, най-големите от които са в Китай, Бразилия, Канада, САЩ и Русия. Най-голямата централа е в Китай, но тази, която произвежда най-много електричество, е в Бразилия.

След като бъде изграден язовир, няма повече разходи, свързани с производството на електроенергия. но има някои разходи за околната среда.

• Изграждането на язовир променя потока на естествените водни пътища и това оказва влияние върху живота на растенията, животните и хората, които разчитат на естествения воден поток. Изграждането на язовира Трите клисури в Китай включва преместването на 1,2 милиона души.
• Язовирите променят естествения жизнен цикъл на рибите, които живеят в потоците. В тихоокеанския северозапад язовирите са лишили приблизително 40% от сьомгата и стоманената глава от естествените си местообитания.
• Водата, която идва от язовир, има намалено ниво на разтворен кислород и това засяга рибите, растенията и дивата природа, които зависят от водата.
• Производството на водна енергия се влияе от сушата. Когато водата свърши, често е необходимо да се спре производството на енергия, за да се запази това, което има.

Учените търсят начини за смекчаване на недостатъците на големите електроцентрали. Едно от решенията е изграждането на системи от по-малки, които имат по-малко въздействие върху околната среда. Другото е да се проектират всмукателни клапани и турбини, за да се гарантира, че водата, освободена от инсталацията, е правилно кислородна. Дори и с недостатъци, водноелектрическите язовири са сред най-чистите и евтини източници на електроенергия на планетата.

Един добър начин да си помогнете да разберете принципите в производството на водноелектрическа енергия е да изградите сами малък електрически генератор. Можете да направите това с мотора от евтин електрически вентилатор или друг уред. Докато роторът вътре в двигателя използва постоянен магнит, двигателят може да се използва "в обратен ред" за генериране на електричество. Двигателят от много стар вентилатор или уред е по-добър кандидат от двигател от по-нов, тъй като по-старите двигатели на уреда са по-склонни да използват постоянни магнити.

Ако използвате вентилатор, може да успеете да осъществите този проект, без дори да го разглобите, тъй като лопатките на вентилатора могат да действат като работни колела. Те обаче всъщност не са предназначени за това, така че може да искате да ги отрежете и да ги замените с по-ефективно водно колело, което сами конструирате. Ако решите да направите това, можете да използвате яка като основа за вашето подобрено водно колело, тъй като то вече е прикрепено към вала на двигателя.

За да определите дали вашият мини генератор на водни колела всъщност произвежда електричество, ще трябва да свържете метър през изходната намотка. Това е лесно да се направи, ако използвате стар вентилатор или уред, тъй като той има щепсел. Просто свържете сондите на мултицет към щепселите на щепсела и настройте измервателния уред да измерва променливото напрежение (VAC). Ако двигателят, който използвате, няма щепсел, просто свържете сондите на измервателния уред към проводниците, прикрепени към изходната намотка, които в повечето случаи са единствените два проводника, които ще намерите.

За този проект можете да използвате естествен източник на падаща вода или да създадете свой собствен. Водата, падаща от чучура на ваната, трябва да генерира достатъчно енергия, за да произведе откриваем ток. Ако поемате проекта си на път, за да покажете на други хора, може да искате да налеете вода от стомна или да използвате градински маркуч.