Jak vodní mlýny vyrábějí elektřinu?

Pohybující se voda je důležitým zdrojem energie a lidé tuto energii využívají po celé věky stavěním vodních kol.

Během středověku byli v Evropě běžní a byli zvyklí mimo jiné drtit skály, provozovat měchy pro kovové rafinerie a kladivové lněné listy, aby se z nich stal papír. Vodní kola, která mlela obilí, byla známá jako vodní mlýny, a protože tato funkce byla tak všudypřítomná, stala se tato dvě slova víceméně synonymem.

Objev elektromagnetické indukce Michaela Faradaye připravil cestu pro vynález indukčního generátoru, který nakonec přišel k zásobování celého světa elektřinou. Indukční generátor přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii a pohybující se voda je levným a bohatým zdrojem mechanické energie. Bylo proto přirozené přizpůsobovat vodní mlýny do generátorů vodní energie.

Abychom pochopili, jak generátor vodního kola funguje, pomáhá pochopit principy elektromagnetické indukce. Jakmile to uděláte, můžete zkusit postavit vlastní mini vodní vodní generátor pomocí motoru z malého elektrického ventilátoru nebo jiného zařízení.

Faraday (1791 - 1867) objevil indukci obalením vodivého drátu několikrát kolem válcového jádra, aby vytvořil solenoid. Připojil konce vodičů k galvanometru, zařízení, které měří proud (a předchůdce multimetru). Když pohyboval permanentním magnetem uvnitř solenoidu, zjistil, že měřič registruje proud.

Faraday poznamenal, že proud změnil směr, kdykoli změnil směr, kterým pohyboval magnetem, a síla proudu závisela na tom, jak rychle pohyboval magnetem.

Tato pozorování byla později formulována do Faradayova zákona, který se týká E, elektromotorické síly (emf) ve vodiči, známé také jako napětí, s rychlostí změny magnetického tokuϕzkušený dirigentem. Tento vztah je obvykle psán takto:

​Nje počet závitů ve vodičové cívce. Symbol∆(delta) označuje změnu množství, které následuje. Znaménko mínus znamená, že směr elektromotorické síly je opačný ke směru magnetického toku.

Faradayův zákon neurčuje, zda se musí cívka nebo magnet pohybovat, aby indukovaly proud, a ve skutečnosti to nevadí. Jeden z nich se však musí pohybovat, protože magnetický tok, který je součástí magnetického pole procházejícího kolmo vodičem, se musí měnit. Ve statickém magnetickém poli není generován žádný proud.

Indukční generátor má obvykle rotující permanentní magnet nebo vodivou cívku magnetizovanou externím zdrojem energie, který se nazývá rotor. Volně se točí na hřídeli (armatuře) s nízkým třením uvnitř cívky, která se nazývá stator, a když se točí, generuje napětí ve statorové cívce.

Indukované napětí mění směr cyklicky s každým otáčením rotoru, takže výsledný proud také mění směr. Je známý jako střídavý proud (AC).

Ve vodním mlýně je energie pro otáčení rotoru dodávána pohybující se vodou a pro jednoduché je možné generovanou elektřinu použít přímo k napájení světel a spotřebičů. Častěji je však generátor připojen k elektrické síti a dodává energii zpět do sítě.

V tomto scénáři je permanentní magnet v rotoru často nahrazen elektromagnetem a mřížka dodává střídavý proud k jeho magnetizaci. Chcete-li v tomto scénáři získat čistý výstup z generátoru, musí rotor otáčet frekvenci větší, než je frekvence příchozí energie.

Když využíváte vodu k práci, spoléháte se v zásadě na gravitační sílu, což je to, co v první řadě dělá vodu. Množství energie, které můžete odvodit z padající vody, závisí na tom, kolik vody klesá a jak rychle. Z vodopádu získáte více energie na jednotku vody než z tekoucího proudu a samozřejmě získáte více energie z velkého proudu nebo vodopádu než z malého.

Obecně je energie dostupná pro práci při otáčení vodního kola dána vztahemmgh, kde „m“ je hmotnost vody, „h“ je výška, přes kterou klesá, a „g“ je gravitační zrychlení. Chcete-li maximalizovat dostupnou energii, vodní kolo by mělo být ve spodní části svahu nebo vodopádu, což maximalizuje vzdálenost, kterou musí voda klesnout.

Nemusíte měřit hmotnost vody protékající potokem. Jediné, co musíte udělat, je odhadnout objem. Protože hustota vody je známé množství a hustota se rovná hmotnosti dělené objemem, je snadné provést převod.

Vodní kolo převádí potenciální energii v tekoucím proudu nebo vodopádu (mgh) na tangenciální kinetickou energii v bodě, ve kterém voda přichází do styku s kolem. To generuje rotační kinetickou energii danouJá ω ²/2, kdeωje úhlová rychlost kola aJáje moment setrvačnosti. Moment setrvačnosti bodu rotujícího kolem středové osy je úměrný druhé mocnině poloměru otáčenír​: (​I = pan²), kdemje hmotnost bodu.

Chcete-li optimalizovat přeměnu energie, chcete maximalizovat úhlovou rychlost,ω, ale k tomu je potřeba minimalizovatJá, což znamená minimalizaci poloměru otáčení,r. Vodní kolo by mělo mít malý poloměr, aby se zajistilo, že se točí dostatečně rychle, aby generovalo čistý proud. Tím jsou vynechány staré větrné mlýny, kterými je Nizozemsko proslulé. Jsou dobré pro mechanické práce, ale ne pro výrobu elektřiny.

Jeden z prvních a nejznámějších indukčních generátorů vodního kola ve velkém měřítku byl online v Niagarských vodopádech v New Yorku v roce 1895. Elektrárna Edwarda Deana Adamse, kterou zkonstruoval Nikola Tesla a byla financována a navržena Georgem Westinghouseem, byla první z několika elektráren dodávajících elektřinu spotřebitelům ve Spojených státech.

Skutečná elektrárna je postavena asi míli před Niagarskými vodopády a získává vodu systémem potrubí. Voda proudí do válcového pouzdra, ve kterém je namontováno velké vodní kolo. Síla vody roztočí kolo, a to zase roztočí rotor většího generátoru k výrobě elektřiny.

Generátor v Adamsově elektrárně používá 12 velkých permanentních magnetů, z nichž každý produkuje magnetické pole asi 0,1 Tesla. Jsou připojeny k rotoru generátoru a točí se uvnitř velké cívky drátu. Generátor produkuje přibližně 13 000 voltů a k tomu musí být v cívce alespoň 300 otáček. Cívkou za chodu generátoru prochází asi 4 000 ampérů střídavé elektřiny.

Na světě je velmi málo vodopádů o velikosti Niagarských vodopádů, a proto jsou Niagarské vodopády považovány za jeden z přírodních divů světa. Mnoho vodních elektráren je postaveno na přehradách. Dnes je asi 16 procent světové elektřiny dodáváno z těchto vodních elektráren, z nichž největší jsou v Číně, Brazílii, Kanadě, Spojených státech a Rusku. Největší závod je v Číně, ale ten, který vyrábí nejvíce elektřiny, je v Brazílii.

Jakmile je přehrada postavena, s výrobou energie již nejsou spojeny žádné další náklady. ale pro životní prostředí existují určité náklady.

• Stavba přehrady mění tok přirozených vodních cest, což má dopad na život rostlin, zvířat a lidí, kteří se spoléhali na přirozený tok vody. Stavba přehrady Tři soutěsky v Číně zahrnovala přemístění 1,2 milionu lidí.
• Přehrady mění přirozený životní cyklus ryb žijících v potocích. Na severozápadě Pacifiku přehrady připravily odhadem 40 procent lososů a ocelových hlav o jejich přirozená stanoviště.
• Voda, která pochází z přehrady, má sníženou hladinu rozpuštěného kyslíku, což ovlivňuje ryby, rostliny a divokou zvěř, které jsou na vodě závislé.
• Výroba vodní energie je ovlivněna suchem. Když dochází voda, je často nutné zastavit výrobu energie, aby se zachovala voda.

Vědci hledají způsoby, jak zmírnit nevýhody velkých závodů na výrobu energie. Jedním z řešení je vybudovat systémy menších systémů, které mají menší dopad na životní prostředí. Dalším úkolem je navrhnout sací ventily a turbíny, které zajistí, že voda uvolněná z elektrárny bude správně okysličena. I s nevýhodami však vodní přehrady patří mezi nejčistší a nejlevnější zdroje elektřiny na planetě.

Dobrým způsobem, jak si pomoci porozumět principům výroby vodní energie, je postavit si malý elektrický generátor sami. Můžete to udělat s motorem z levného elektrického ventilátoru nebo jiného zařízení. Pokud rotor uvnitř motoru používá permanentní magnet, může být motor použit „obráceně“ k výrobě elektřiny. Motor z velmi starého ventilátoru nebo zařízení je lepším kandidátem než motor z novějšího, protože u starších motorů spotřebičů je větší pravděpodobnost použití permanentních magnetů.

Pokud používáte ventilátor, můžete tento projekt uskutečnit, aniž byste ho museli demontovat, protože lopatky ventilátoru mohou fungovat jako oběžná kola. Ve skutečnosti k tomu však nejsou určeny, takže je možná budete chtít odříznout a nahradit efektivnějším vodním kolem, které si sami vyrobíte. Pokud se rozhodnete to udělat, můžete použít límec jako základnu pro vaše vylepšené vodní kolo, protože je již připojeno k hřídeli motoru.

Chcete-li zjistit, zda váš mini vodní vodní generátor skutečně vyrábí elektřinu, budete muset připojit měřič přes výstupní cívku. To lze snadno udělat, pokud používáte starý ventilátor nebo zařízení, protože má zástrčku. Stačí připojit sondy multimetru k zástrčkám a nastavit měřič na měření střídavého napětí (VAC). Pokud motor, který používáte, nemá zástrčku, stačí připojit měřicí sondy k vodičům připojeným k výstupní cívce, což jsou ve většině případů jediné dva vodiče, které najdete.

Pro tento projekt můžete použít přírodní zdroj padající vody nebo si můžete postavit vlastní. Voda padající z hubice vaší vany by měla generovat dostatek energie k produkci zjistitelného proudu. Pokud se chystáte ukázat svůj projekt ostatním lidem, možná budete chtít nalít vodu z džbánu nebo použít zahradní hadici.