¿Cómo producen electricidad los molinos de agua?

El agua en movimiento es una fuente importante de energía y la gente ha aprovechado esa energía a lo largo de los siglos construyendo ruedas hidráulicas.

Eran comunes en Europa a lo largo de la Edad Media y estaban acostumbrados, entre otras cosas, a triturar rocas, operar fuelles para refinerías de metales y martillar hojas de lino para convertirlas en papel. Las ruedas hidráulicas que molían el grano se conocían como molinos de agua, y debido a que esta función era tan omnipresente, las dos palabras se volvieron más o menos sinónimos.

El descubrimiento de Michael Faraday de la inducción electromagnética allanó el camino para la invención del generador de inducción que finalmente llegó a suministrar electricidad al mundo entero. Un generador de inducción convierte la energía mecánica en energía eléctrica, y el agua en movimiento es una fuente abundante y barata de energía mecánica. Por tanto, era natural adaptar los molinos de agua a los generadores de energía hidroeléctrica.

Para comprender cómo funciona un generador de rueda hidráulica, es útil comprender los principios de la inducción electromagnética. Una vez que lo haga, puede intentar construir su propio mini generador de rueda de agua, utilizando el motor de un pequeño ventilador eléctrico u otro aparato.

Faraday (1791-1867) descubrió la inducción enrollando un cable de conducción varias veces alrededor de un núcleo cilíndrico para hacer un solenoide. Conectó los extremos de los cables a un galvanómetro, un dispositivo que mide la corriente (y el precursor del multímetro). Cuando movió un imán permanente dentro del solenoide, descubrió que el medidor registraba corriente.

Faraday notó que la corriente cambiaba de dirección cada vez que cambiaba la dirección en la que movía el imán, y la fuerza de la corriente dependía de qué tan rápido movía el imán.

Estas observaciones se formularon posteriormente en la Ley de Faraday, que relaciona E, la fuerza electromotriz (fem) en un conductor, también conocida como voltaje, con la tasa de cambio del flujo magnético.ϕexperimentado por el director. Esta relación generalmente se escribe de la siguiente manera:

​nortees el número de vueltas en la bobina del conductor. El símbolo∆(delta) indica un cambio en la cantidad que le sigue. El signo menos indica que la dirección de la fuerza electromotriz es opuesta a las direcciones del flujo magnético.

La ley de Faraday no especifica si la bobina o el imán deben moverse para inducir una corriente y, de hecho, no importa. Uno de ellos tiene que estar en movimiento, sin embargo, porque el flujo magnético, que es la parte del campo magnético que pasa perpendicularmente a través del conductor, debe estar cambiando. No se genera corriente en un campo magnético estático.

Un generador de inducción generalmente tiene un imán permanente giratorio o una bobina conductora magnetizada por una fuente de energía externa, llamada rotor. Gira libremente sobre un eje de baja fricción (armadura) dentro de una bobina, que se llama estator, y cuando gira, genera un voltaje en la bobina del estator.

El voltaje inducido cambia de dirección cíclicamente con cada giro del rotor, por lo que la corriente resultante también cambia de dirección. Se conoce como corriente alterna (CA).

En un molino de agua, la energía para hacer girar el rotor es suministrada por agua en movimiento, y para los más simples, es posible usar la electricidad generada directamente para encender luces y electrodomésticos. Sin embargo, más a menudo, el generador está conectado a la red eléctrica y vuelve a suministrar energía a la red.

En este escenario, el imán permanente en el rotor a menudo se reemplaza por un electroimán y la red suministra corriente CA para magnetizarlo. Para obtener una salida neta del generador en este escenario, el rotor debe girar a una frecuencia mayor que la de la potencia entrante.

Al aprovechar el agua para hacer el trabajo, básicamente depende de la fuerza de la gravedad, que es lo que hace que el agua fluya en primer lugar. La cantidad de energía que puede obtener de la caída de agua depende de cuánta agua cae y con qué rapidez. Obtendrá más energía por unidad de agua de una cascada que de un arroyo que fluye, y obviamente obtendrá más energía de un arroyo o cascada grande que de uno pequeño.

En general, la energía disponible para hacer el trabajo de girar la rueda hidráulica viene dada pormgh, donde "m" es la masa del agua, "h" es la altura a través de la cual cae y "g" es la aceleración debida a la gravedad. Para maximizar la energía disponible, la rueda hidráulica debe estar en la parte inferior de la pendiente o cascada, lo que maximiza la distancia que tiene que caer el agua.

No es necesario medir la masa del agua que fluye a través del arroyo. Todo lo que tienes que hacer es estimar el volumen. Debido a que la densidad del agua es una cantidad conocida y la densidad es igual a la masa dividida por el volumen, es fácil realizar la conversión.

Una rueda de agua convierte la energía potencial en una corriente o cascada que fluye (mgh) en energía cinética tangencial en el punto en el que el agua entra en contacto con la rueda. Esto genera energía cinética rotacional, dada porYo ω ²/2, dóndeωes la velocidad angular de la rueda yIes el momento de inercia. El momento de inercia de un punto que gira alrededor de un eje central es proporcional al cuadrado del radio de rotación.r​: (​Yo = señor²), dóndemetroes la masa del punto.

Para optimizar la conversión de energía, desea maximizar la velocidad angular,ω, pero para hacerlo, debe minimizarI, lo que significa minimizar el radio de rotación,r. Una rueda de agua debe tener un radio pequeño para garantizar que gire lo suficientemente rápido como para generar una corriente neta. Eso deja fuera los viejos molinos de viento por los que Holanda es famosa. Son buenos para realizar trabajos mecánicos, pero no para generar electricidad.

Uno de los primeros generadores de inducción de rueda hidráulica a gran escala, y el más conocido, entró en funcionamiento en las Cataratas del Niágara, Nueva York, en 1895. Concebida por Nikola Tesla y financiada y diseñada por George Westinghouse, la central eléctrica Edward Dean Adams fue la primera de varias plantas en suministrar electricidad a los consumidores en los Estados Unidos.

La planta de energía real está construida aproximadamente a una milla río arriba de las Cataratas del Niágara y obtiene agua a través de un sistema de tuberías. El agua fluye hacia una carcasa cilíndrica en la que está montada una gran rueda hidráulica. La fuerza del agua hace girar la rueda y, a su vez, hace girar el rotor de un generador más grande para producir electricidad.

El generador de la central eléctrica de Adams utiliza 12 grandes imanes permanentes, cada uno de los cuales produce un campo magnético de aproximadamente 0,1 Tesla. Están conectados al rotor del generador y giran dentro de una gran bobina de alambre. El generador produce alrededor de 13.000 voltios, y para ello debe haber al menos 300 vueltas en la bobina. Aproximadamente 4.000 amperios de electricidad de CA pasan a través de la bobina cuando el generador está en funcionamiento.

Hay muy pocas cascadas en el mundo del tamaño de las Cataratas del Niágara, razón por la cual las Cataratas del Niágara se consideran una de las maravillas naturales del mundo. Muchas centrales hidroeléctricas se construyen sobre presas. En la actualidad, alrededor del 16 por ciento de la electricidad mundial es suministrada por estas centrales hidroeléctricas, las más grandes de las cuales se encuentran en China, Brasil, Canadá, Estados Unidos y Rusia. La planta más grande está en China, pero la que produce más electricidad está en Brasil.

Una vez que se ha construido una presa, no hay más costos asociados con la generación de energía. pero existen algunos costos para el medio ambiente.

• La construcción de una presa altera el flujo de las vías fluviales naturales, y esto tiene un impacto en la vida de las plantas, los animales y los humanos que dependían del flujo natural del agua. La construcción de la presa de las Tres Gargantas en China supuso la reubicación de 1,2 millones de personas.
• Las presas alteran los ciclos de vida naturales de los peces que viven en los arroyos. En el noroeste del Pacífico, las represas han privado a aproximadamente el 40 por ciento del salmón y la trucha arcoíris de sus hábitats naturales.
• El agua que proviene de una presa tiene un nivel reducido de oxígeno disuelto, y esto afecta a los peces, las plantas y la vida silvestre que dependen del agua.
• La producción de energía hidroeléctrica se ve afectada por la sequía. Cuando el agua se agota, a menudo es necesario detener la producción de energía para preservar la cantidad de agua que hay.

Los científicos están buscando formas de mitigar los inconvenientes de las grandes plantas de producción de energía. Una solución es construir sistemas de sistemas más pequeños que tengan menos impacto ambiental. Otra es diseñar válvulas de admisión y turbinas para garantizar que el agua que sale de la planta se oxigene adecuadamente. Sin embargo, incluso con sus inconvenientes, las represas hidroeléctricas se encuentran entre las fuentes de electricidad más limpias y baratas del planeta.

Una buena forma de ayudarse a sí mismo a comprender los principios de la generación de energía hidroeléctrica es construir usted mismo un pequeño generador eléctrico. Puede hacer esto con el motor de un ventilador eléctrico económico u otro aparato. Siempre que el rotor dentro del motor utilice un imán permanente, el motor se puede utilizar "en reversa" para generar electricidad. El motor de un ventilador o aparato muy antiguo es un mejor candidato que un motor de uno más nuevo, ya que es más probable que los motores de aparatos más antiguos empleen imanes permanentes.

Si usa un ventilador, es posible que pueda realizar este proyecto sin siquiera desarmarlo, porque las aspas del ventilador pueden actuar como impulsores. Sin embargo, en realidad no están diseñados para esto, por lo que es posible que desee cortarlos y reemplazarlos con una rueda hidráulica más eficiente que usted mismo construya. Si decide hacer esto, puede usar el collar como base para su rueda hidráulica mejorada, ya que ya está unida al eje del motor.

Para determinar si su mini generador de rueda hidráulica en realidad está produciendo electricidad, deberá conectar un medidor a través de la bobina de salida. Esto es fácil de hacer si usa un ventilador o electrodoméstico viejo, porque tiene un enchufe. Simplemente conecte las sondas de un multímetro a las clavijas del enchufe y configure el medidor para medir voltaje CA (VCA). Si el motor que usa no tiene un enchufe, simplemente conecte las sondas del medidor a los cables conectados a la bobina de salida, que en la mayoría de los casos son los únicos dos cables que encontrará.

Puede utilizar una fuente natural de caída de agua para este proyecto o puede construir la suya propia. El agua que cae del pico de la bañera debería generar suficiente energía para producir una corriente detectable. Si está llevando su proyecto a la carretera para mostrárselo a otras personas, es posible que desee verter agua de una jarra o usar una manguera de jardín.