Hvordan producerer vandmøller elektricitet?

Flytning af vand er en vigtig energikilde, og folk har brugt den energi gennem tiderne ved at bygge vandhjul.

De var almindelige i Europa gennem middelalderen og blev brugt til blandt andet at knuse sten, betjene bælge til metalraffinaderier og hamre hørblade for at gøre dem til papir. Vandhjul, der malede korn, blev kendt som vandmøller, og fordi denne funktion var så allestedsnærværende, blev de to ord mere eller mindre synonyme.

Michael Faradays opdagelse af elektromagnetisk induktion banede vejen for opfindelsen af ​​induktionsgeneratoren, der til sidst kom til at forsyne hele verden med elektricitet. En induktionsgenerator konverterer mekanisk energi til elektrisk energi, og vand i bevægelse er en billig og rigelig kilde til mekanisk energi. Det var derfor naturligt at tilpasse vandmøller til vandkraftværker.

For at forstå, hvordan en vandhjulgenerator fungerer, hjælper det med at forstå principperne for elektromagnetisk induktion. Når du har gjort det, kan du prøve at bygge din egen mini-vandhjulgenerator ved hjælp af motoren fra en lille elektrisk ventilator eller andet apparat.

Faraday (1791 - 1867) opdagede induktion ved at vikle en ledningstråd flere gange omkring en cylindrisk kerne for at fremstille en solenoid. Han forbundne enderne af ledningerne til et galvanometer, en enhed, der måler strøm (og forløberen til multimeteret). Da han flyttede en permanent magnet inde i solenoiden, fandt han ud af, at måleren registrerede strøm.

Faraday bemærkede, at strømmen ændrede retning, hver gang han ændrede den retning, han bevægede magneten, og strømens styrke afhængede af, hvor hurtigt han bevægede magneten.

Disse observationer blev senere formuleret i Faradays lov, som vedrører E, den elektromotoriske kraft (emf) i en leder, også kendt som spænding, til hastigheden for ændring af magnetisk fluxϕopleves af dirigenten. Dette forhold er normalt skrevet som følger:

​Ner antallet af omdrejninger i lederspolen. Symbolet∆(delta) angiver en ændring i mængden, der følger efter den. Minustegnet indikerer, at retningen af ​​den elektromotoriske kraft er modsat retningerne for den magnetiske flux.

Faradays lov specificerer ikke, om spolen eller magneten skal bevæge sig for at fremkalde en strøm, og faktisk betyder det ikke noget. En af dem skal imidlertid bevæge sig, fordi den magnetiske flux, som er den del af magnetfeltet, der passerer vinkelret gennem lederen, skal ændre sig. Der genereres ingen strøm i et statisk magnetfelt.

En induktionsgenerator har normalt en roterende permanentmagnet eller en ledende spole magnetiseret af en ekstern strømkilde, kaldet rotoren. Den drejer frit på en aksel med lav friktion (anker) inde i en spole, der kaldes statoren, og når den drejer, genererer den en spænding i statorspolen.

Den inducerede spænding skifter retning cyklisk med hvert drejning af rotoren, så den resulterende strøm skifter også retning. Det er kendt som vekselstrøm (AC).

I en vandmølle leveres energien til at rotere rotoren ved at flytte vand, og for enkle er det muligt at bruge den genererede elektricitet direkte til at tænde lys og apparater. Oftere er generatoren imidlertid forbundet til elnettet og leverer strøm tilbage til nettet.

I dette scenarie erstattes den permanente magnet i rotoren ofte af en elektromagnet, og nettet leverer vekselstrøm for at magnetisere det. For at få et nettoudgang fra generatoren i dette scenarie skal rotoren dreje en frekvens, der er større end for den indgående effekt.

Når du bruger vand til at arbejde, stoler du grundlæggende på tyngdekraften, hvilket er det, der får vand til at strømme i første omgang. Den mængde energi, du kan få fra faldende vand, afhænger af, hvor meget vand der falder, og hvor hurtigt. Du får mere energi pr. Enhed vand fra et vandfald, end du får fra en strøm, og du får naturligvis mere energi fra en stor strøm eller et vandfald, end du får fra en lille strøm.

Generelt er den tilgængelige energi til at udføre arbejdet med at dreje vandhjulet framgh, hvor "m" er vandets masse, "h" er den højde, gennem hvilken det falder, og "g" er accelerationen på grund af tyngdekraften. For at maksimere den tilgængelige energi skal vandhjulet være i bunden af ​​skråningen eller vandfaldet, hvilket maksimerer afstanden vandet har til at falde.

Du behøver ikke måle massen af ​​vandet, der strømmer gennem strømmen. Alt du skal gøre er at estimere lydstyrken. Fordi tætheden af ​​vand er en kendt mængde, og densiteten er lig med massen divideret med volumen, er det let at foretage konverteringen.

Et vandhjul konverterer den potentielle energi i en strøm eller et vandfald (mgh) til tangential kinetisk energi på det punkt, hvor vandet kommer i kontakt med hjulet. Dette genererer roterende kinetisk energi givet afJeg ω ²/2, hvorωer hjulets vinkelhastighed ogjeger inertimomentet. Trægemomentet for et punkt, der roterer omkring en central akse, er proportionalt med kvadratet for rotationsradiusenr​: (​Jeg = hr²), hvormer punktets masse.

For at optimere omdannelsen af ​​energi ønsker du at maksimere vinkelhastigheden,ω, men for at gøre det skal du minimerejeg, hvilket betyder at minimere rotationsradius,r. Et vandhjul skal have en lille radius for at sikre, at det drejer hurtigt nok til at generere en nettostrøm. Det udelader de gamle vindmøller, som Holland er berømt for. De er gode til at udføre mekanisk arbejde, men ikke til at generere elektricitet.

En af de første store generatorer til induktion af vandhjul og den mest kendte kom online i Niagara Falls, New York, i 1895. Udviklet af Nikola Tesla og finansieret og designet af George Westinghouse, var Edward Dean Adams kraftværk det første af flere anlæg, der leverede elektricitet til forbrugere i USA.

Det faktiske kraftværk er bygget omkring en kilometer opstrøms for Niagara Falls og får vand gennem et rørsystem. Vandet strømmer ind i et cylindrisk hus, hvori der er monteret et stort vandhjul. Vandets kraft drejer hjulet, og det drejer igen rotoren på en større generator for at producere elektricitet.

Generatoren ved Adams kraftværk bruger 12 store permanente magneter, som hver især producerer et magnetfelt på ca. 0,1 Tesla. De er fastgjort til generatorens rotor og drejer inde i en stor trådspole. Generatoren producerer omkring 13.000 volt, og for at gøre dette skal der være mindst 300 omdrejninger i spolen. Omkring 4.000 ampere vekselstrøm strømmer gennem spolen, når generatoren kører.

Der er meget få vandfald i verden på størrelse med Niagara Falls, hvorfor Niagara Falls betragtes som et af verdens naturlige vidundere. Mange vandkraftværker er konstrueret på dæmninger. I dag leveres omkring 16 procent af verdens elektricitet fra sådanne vandkraftværker, hvoraf den største er i Kina, Brasilien, Canada, USA og Rusland. Det største anlæg er i Kina, men det, der producerer mest elektricitet, er i Brasilien.

Når en dæmning er bygget, er der ikke flere omkostninger forbundet med elproduktion. men der er nogle omkostninger for miljøet.

• Konstruktion af en dæmning ændrer strømmen af ​​naturlige vandveje, og dette har en indvirkning på livet for planter, dyr og mennesker, der stod på den naturlige vandstrøm. Opførelsen af ​​Three Gorges Dam i Kina involverede flytning af 1,2 millioner mennesker.
• Dæmninger ændrer de naturlige livscyklusser for fisk, der lever i vandløbene. I det nordvestlige Stillehav har dæmninger frataget anslået 40 procent af laks og stålhoved deres naturlige levesteder.
• Vand, der kommer fra en dæmning, har et reduceret niveau af opløst ilt, og dette påvirker fisk, planter og vilde dyr, der er afhængige af vandet.
• Vandkraftproduktion er påvirket af tørke. Når vandet løber tør, er det ofte nødvendigt at stoppe elproduktionen for at bevare, hvad der er vand.

Forskere ser på måder at mindske ulemperne ved store kraftproduktionsanlæg. En løsning er at opbygge systemer af mindre, der har mindre miljøpåvirkning. En anden er at designe indsugningsventiler og turbiner for at sikre, at vand, der frigives fra anlægget, er iltet ordentligt. Selv med ulemper er vandkraftværker dog blandt de reneste, billigste energikilder på planeten.

En god måde at hjælpe dig selv med at forstå principperne i vandkraftproduktion er at bygge en lille elektrisk generator selv. Du kan gøre dette med motoren fra en billig elektrisk blæser eller andet apparat. Så længe rotoren inde i motoren bruger en permanent magnet, kan motoren bruges "omvendt" til at generere elektricitet. Motoren fra en meget gammel ventilator eller et apparat er en bedre kandidat end en motor fra en nyere, da ældre apparatmotorer er mere tilbøjelige til at anvende permanente magneter.

Hvis du bruger en blæser, kan du muligvis udføre dette projekt uden engang at skille det ad, fordi blæserbladene kan fungere som pumpehjul. De er dog ikke rigtig designet til dette, så det kan være en god idé at afskære dem og erstatte dem med et mere effektivt vandhjul, som du selv konstruerer. Hvis du beslutter dig for at gøre dette, kan du bruge krave som base til dit forbedrede vandhjul, da det allerede er fastgjort til motorakslen.

For at afgøre, om din mini-vandhjulgenerator faktisk producerer elektricitet, skal du tilslutte en meter på tværs af udgangsspolen. Dette er let at gøre, hvis du bruger en gammel ventilator eller et apparat, fordi det har et stik. Tilslut bare sonderne på et multimeter til stikkontakterne, og indstil måleren til at måle vekselstrøm (VAC). Hvis den motor, du bruger, ikke har et stik, skal du bare forbinde målersonderne til ledningerne, der er knyttet til udgangsspolen, hvilket i de fleste tilfælde er de eneste to ledninger, du finder.

Du kan bruge en naturlig kilde til faldende vand til dette projekt, eller du kan konstruere din egen. Vandet, der falder ned fra badekarets tud, skal generere nok energi til at producere en detekterbar strøm. Hvis du tager dit projekt med på vejen for at vise andre mennesker, kan du måske hælde vand fra en kande eller bruge en haveslange.