Wie machen Wassermühlen Strom?

Bewegtes Wasser ist eine wichtige Energiequelle, und die Menschen haben diese Energie im Laufe der Jahrhunderte durch den Bau von Wasserrädern genutzt.

Sie waren im Mittelalter in Europa weit verbreitet und wurden unter anderem verwendet, um Gestein zu zerkleinern, Blasebälge für Metallraffinerien zu betreiben und Flachsblätter zu Papier zu hämmern. Wasserräder, die Getreide mahlten, wurden als Wassermühlen bezeichnet, und weil diese Funktion so allgegenwärtig war, wurden die beiden Wörter mehr oder weniger synonym.

Michael Faradays Entdeckung der elektromagnetischen Induktion ebnete den Weg für die Erfindung des Induktionsgenerators, der schließlich die ganze Welt mit Strom versorgte. Ein Induktionsgenerator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um, und bewegtes Wasser ist eine billige und reichlich vorhandene mechanische Energiequelle. Es war daher naheliegend, Wassermühlen in Wasserkraftwerke umzuwandeln.

Um zu verstehen, wie ein Wasserradgenerator funktioniert, hilft es, die Prinzipien der elektromagnetischen Induktion zu verstehen. Sobald Sie dies getan haben, können Sie versuchen, Ihren eigenen Mini-Wasserradgenerator zu bauen, indem Sie den Motor eines kleinen elektrischen Ventilators oder eines anderen Geräts verwenden.

Faraday (1791 - 1867) entdeckte die Induktion, indem er einen Leitungsdraht mehrmals um einen zylindrischen Kern wickelte, um ein Solenoid herzustellen. Er verband die Enden der Drähte mit einem Galvanometer, einem Gerät zur Strommessung (und dem Vorläufer des Multimeters). Als er einen Permanentmagneten in das Solenoid bewegte, stellte er fest, dass das Messgerät Strom registrierte.

Faraday bemerkte, dass der Strom seine Richtung änderte, wenn er die Richtung änderte, in der er den Magneten bewegte, und die Stärke des Stroms hing davon ab, wie schnell er den Magneten bewegte.

Diese Beobachtungen wurden später in das Faradaysche Gesetz formuliert, das E, die elektromotorische Kraft (EMK) in einem Leiter, auch als Spannung bekannt, mit der Änderungsrate des magnetischen Flusses in Beziehung setztϕvom Dirigenten erfahren. Diese Beziehung wird normalerweise wie folgt geschrieben:

​Neinist die Anzahl der Windungen in der Leiterspule. Das Symbol∆(Delta) zeigt eine darauf folgende Änderung der Menge an. Das Minuszeichen zeigt an, dass die Richtung der elektromotorischen Kraft den Richtungen des magnetischen Flusses entgegengesetzt ist.

Das Faradaysche Gesetz legt nicht fest, ob sich die Spule oder der Magnet bewegen müssen, um einen Strom zu induzieren, und tatsächlich spielt es keine Rolle. Einer von ihnen muss sich jedoch bewegen, da sich der magnetische Fluss, also der senkrecht durch den Leiter gehende Teil des Magnetfelds, ändern muss. In einem statischen Magnetfeld wird kein Strom erzeugt.

Ein Induktionsgenerator hat normalerweise einen rotierenden Permanentmagneten oder eine leitende Spule, die von einer externen Stromquelle, dem Rotor genannt, magnetisiert wird. Es dreht sich frei auf einer reibungsarmen Welle (Anker) innerhalb einer Spule, die als Stator bezeichnet wird, und wenn es sich dreht, erzeugt es eine Spannung in der Statorspule.

Die induzierte Spannung ändert zyklisch mit jeder Drehung des Rotors die Richtung, so dass auch der resultierende Strom seine Richtung ändert. Es ist als Wechselstrom (AC) bekannt.

In einer Wassermühle wird die Energie zum Drehen des Rotors durch bewegtes Wasser geliefert, und für einfache Zwecke ist es möglich, den erzeugten Strom direkt für den Betrieb von Lampen und Geräten zu verwenden. Häufiger wird der Generator jedoch an das Stromnetz angeschlossen und speist Strom zurück ins Netz.

In diesem Szenario wird der Permanentmagnet im Rotor oft durch einen Elektromagneten ersetzt und das Gitter liefert Wechselstrom, um ihn zu magnetisieren. Um in diesem Szenario eine Nettoleistung des Generators zu erhalten, muss sich der Rotor mit einer Frequenz drehen, die höher ist als die der eingehenden Leistung.

Wenn Sie Wasser für die Arbeit nutzen, verlassen Sie sich im Wesentlichen auf die Schwerkraft, die das Wasser in erster Linie zum Fließen bringt. Die Energiemenge, die Sie aus fallendem Wasser gewinnen können, hängt davon ab, wie viel Wasser fällt und wie schnell. Sie erhalten mehr Energie pro Wassereinheit aus einem Wasserfall als aus einem fließenden Bach, und Sie erhalten offensichtlich mehr Energie aus einem großen Bach oder Wasserfall als aus einem kleinen.

Im Allgemeinen ist die Energie, die zum Drehen des Wasserrades verfügbar ist, gegeben durchmgh, wobei "m" die Masse des Wassers, "h" die Fallhöhe und "g" die Erdbeschleunigung ist. Um die verfügbare Energie zu maximieren, sollte sich das Wasserrad am unteren Rand des Hangs oder Wasserfalls befinden, wodurch die Fallhöhe des Wassers maximiert wird.

Sie müssen nicht die Masse des durch den Bach fließenden Wassers messen. Alles, was Sie tun müssen, ist das Volumen zu schätzen. Da die Dichte von Wasser eine bekannte Größe ist und die Dichte gleich der Masse dividiert durch das Volumen ist, ist die Umrechnung einfach.

Ein Wasserrad wandelt die potentielle Energie in einem fließenden Bach oder Wasserfall (mgh) in tangentiale kinetische Energie an der Stelle, an der das Wasser das Rad berührt. Dies erzeugt kinetische Rotationsenergie, gegeben durchich ²/2, woωist die Winkelgeschwindigkeit des Rades undichist das Trägheitsmoment. Das Trägheitsmoment eines um eine Mittelachse rotierenden Punktes ist proportional zum Quadrat des Rotationsradiusr​: (​ich = Herr²), woichist die Masse des Punktes.

Um die Energieumwandlung zu optimieren, möchten Sie die Winkelgeschwindigkeit maximieren,ω, aber dazu musst du minimierenich, was bedeutet, den Rotationsradius zu minimieren,r. Ein Wasserrad sollte einen kleinen Radius haben, um sicherzustellen, dass es sich schnell genug dreht, um eine Nettoströmung zu erzeugen. Das lässt die alten Windmühlen weg, für die die Niederlande berühmt sind. Sie eignen sich gut für mechanische Arbeiten, aber nicht für die Stromerzeugung.

Einer der ersten großen Wasserrad-Induktionsgeneratoren und der bekannteste ging 1895 an den Niagara Falls, New York, online. Das von Nikola Tesla konzipierte und von George Westinghouse finanzierte und entworfene Kraftwerk Edward Dean Adams war das erste von mehreren Kraftwerken, das Verbraucher in den USA mit Strom versorgte.

Das eigentliche Kraftwerk wird etwa eine Meile stromaufwärts der Niagarafälle gebaut und erhält Wasser durch ein Rohrsystem. Das Wasser fließt in ein zylindrisches Gehäuse, in dem ein großes Wasserrad montiert ist. Die Kraft des Wassers dreht das Rad, und es dreht wiederum den Rotor eines größeren Generators, um Strom zu erzeugen.

Der Generator im Kraftwerk Adams verwendet 12 große Permanentmagnete, die jeweils ein Magnetfeld von etwa 0,1 Tesla erzeugen. Sie sind am Rotor des Generators befestigt und drehen sich in einer großen Drahtspule. Der Generator erzeugt etwa 13.000 Volt, dazu muss die Spule mindestens 300 Windungen haben. Bei laufendem Generator fließen etwa 4.000 Ampere Wechselstrom durch die Spule.

Es gibt weltweit nur sehr wenige Wasserfälle von der Größe der Niagarafälle, weshalb die Niagarafälle als eines der Naturwunder der Welt gelten. Viele Wasserkraftwerke werden auf Dämmen gebaut. Heute werden etwa 16 Prozent des weltweiten Stroms von solchen Wasserkraftwerken geliefert, von denen die größten in China, Brasilien, Kanada, den USA und Russland stehen. Die größte Anlage befindet sich in China, die am meisten Strom produzierte aber in Brasilien.

Sobald ein Damm gebaut wurde, fallen keine Kosten mehr für die Stromerzeugung an. aber es gibt einige Kosten für die Umwelt.

• Der Bau eines Damms verändert den Fluss natürlicher Wasserwege, was sich auf das Leben von Pflanzen, Tieren und Menschen auswirkt, die auf den natürlichen Wasserfluss angewiesen sind. Beim Bau des Drei-Schluchten-Staudamms in China wurden 1,2 Millionen Menschen umgesiedelt.
• Dämme verändern die natürlichen Lebenszyklen der Fische, die in den Bächen leben. Im pazifischen Nordwesten haben Dämme schätzungsweise 40 Prozent der Lachse und Steelheads ihres natürlichen Lebensraums beraubt.
• Wasser, das aus einem Damm kommt, hat einen reduzierten Gehalt an gelöstem Sauerstoff, was sich auf Fische, Pflanzen und Wildtiere auswirkt, die auf das Wasser angewiesen sind.
• Die Wasserkraftproduktion ist von Dürre betroffen. Wenn das Wasser knapp wird, ist es oft notwendig, die Stromproduktion einzustellen, um das vorhandene Wasser zu erhalten.

Wissenschaftler suchen nach Möglichkeiten, die Nachteile großer Kraftwerke zu mildern. Eine Lösung besteht darin, Systeme aus kleineren Systemen zu bauen, die weniger Auswirkungen auf die Umwelt haben. Eine andere besteht darin, Einlassventile und Turbinen zu konstruieren, um sicherzustellen, dass das aus der Anlage abgegebene Wasser richtig mit Sauerstoff angereichert wird. Doch auch mit Nachteilen gehören Staudämme zu den saubersten und günstigsten Stromquellen der Welt.

Eine gute Möglichkeit, die Prinzipien der Stromerzeugung aus Wasserkraft zu verstehen, besteht darin, selbst einen kleinen Stromgenerator zu bauen. Sie können dies mit dem Motor eines billigen Elektrolüfters oder eines anderen Geräts tun. Solange der Rotor im Inneren des Motors einen Permanentmagneten verwendet, kann der Motor "umgekehrt" zur Stromerzeugung verwendet werden. Der Motor eines sehr alten Ventilators oder Geräts ist ein besserer Kandidat als ein Motor eines neueren, da ältere Gerätemotoren eher Permanentmagnete verwenden.

Wenn Sie einen Lüfter verwenden, können Sie dieses Projekt möglicherweise ohne Demontage durchführen, da die Lüfterflügel als Laufräder fungieren können. Sie sind jedoch nicht wirklich dafür ausgelegt, daher möchten Sie sie möglicherweise abschneiden und durch ein effizienteres Wasserrad ersetzen, das Sie selbst bauen. Sollten Sie sich dafür entscheiden, können Sie den Kragen als Basis für Ihr verbessertes Wasserrad verwenden, da dieser bereits auf der Motorwelle befestigt ist.

Um festzustellen, ob Ihr Mini-Wasserrad-Generator tatsächlich Strom erzeugt, müssen Sie einen Zähler über die Ausgangsspule anschließen. Dies ist einfach, wenn Sie einen alten Ventilator oder ein altes Gerät verwenden, da es einen Stecker hat. Schließen Sie einfach die Sonden eines Multimeters an die Steckerstifte an und stellen Sie das Messgerät so ein, dass es Wechselspannung (VAC) misst. Wenn der von Ihnen verwendete Motor keinen Stecker hat, schließen Sie einfach die Messfühler an die an der Ausgangsspule angebrachten Drähte an, die in den meisten Fällen die einzigen beiden Drähte sind, die Sie finden.

Sie können für dieses Projekt eine natürliche Quelle von fallendem Wasser verwenden oder selbst bauen. Das Wasser, das aus dem Auslauf Ihrer Badewanne fällt, sollte genug Energie erzeugen, um einen erkennbaren Strom zu erzeugen. Wenn Sie Ihr Projekt mit auf die Straße nehmen, um es anderen zu zeigen, möchten Sie vielleicht Wasser aus einem Krug gießen oder einen Gartenschlauch verwenden.