Kuidas vesiveskid elektrit toodavad?

Vee liikumine on oluline energiaallikas ja inimesed on seda energiat läbi aegade kasutanud veerataste ehitamisega.

Need olid Euroopas levinud kogu keskaja ja olid harjunud muuhulgas kivimit purustama, metallist rafineerimistehaste lõõtsasid käitama ja linalehti haamriga paberiks muutma. Teravilja jahvatavaid vesirattaid tunti vesiveskitena ja kuna see funktsioon oli nii üldlevinud, muutusid need kaks sõna enam-vähem sünonüümseks.

Michael Faraday elektromagnetilise induktsiooni avastamine sillutas teed induktsioonigeneraatori leiutamisele, mis lõpuks tarnis kogu maailma elektriga. Induktsioonigeneraator muundab mehaanilise energia elektrienergiaks ja liikuv vesi on odav ja rikkalik mehaanilise energia allikas. Seetõttu oli loomulik kohandada vesiveskeid hüdroelektrigeneraatoriteks.

Veerataste generaatori töö mõistmiseks aitab see mõista elektromagnetilise induktsiooni põhimõtteid. Kui olete seda teinud, võite proovida ehitada oma mini veeratta generaatori, kasutades väikese elektrilise ventilaatori või muu seadme mootorit.

Faraday (1791 - 1867) avastas induktsiooni, mähkides elektrijuhtme mitu korda ümber silindrilise südamiku, et saada solenoid. Ta ühendas juhtmete otsad galvanomeetriga, seadmega, mis mõõdab voolu (ja multimeetri eelkäijat). Kui ta solenoidi sees püsimagneti liigutas, leidis ta, et arvesti registreeris voolu.

Faraday märkis, et vool muutis suunda alati, kui ta muutis magneti liigutamise suunda, ja voolu tugevus sõltus sellest, kui kiiresti ta magnetti liigutas.

Need vaatlused sõnastati hiljem Faraday seaduseks, mis seob elektromotoorjõu (emf) juhis, mida nimetatakse ka pingeks, magnetvoo muutumise kiirusegaϕkogenud dirigent. See suhe on tavaliselt kirjutatud järgmiselt:

​Non juhimähise pöörete arv. Sümbol∆(delta) näitab sellele järgneva koguse muutust. Miinusmärk näitab, et elektromotoorjõu suund on vastupidine magnetvoo suundadele.

Faraday seadus ei täpsusta, kas mähis või magnet peavad voolu indutseerimiseks liikuma ja tegelikult pole see oluline. Üks neist peab aga liikuma, sest magnetvoog, mis on juhist risti läbiv magnetvälja osa, peab muutuma. Staatilises magnetväljas voolu ei teki.

Induktsioonigeneraatoril on tavaliselt pöörlev püsimagnet või juhtiv mähis, mis on magnetiseeritud välise jõuallika, nimega rootor. See pöörleb vabalt mähise sees oleva väikese hõõrdumisega võllil (armatuuril), mida nimetatakse staatoriks, ja kui see pöörleb, tekitab see staatori mähises pinge.

Indutseeritud pinge muudab rootori iga pöörlemisega tsükliliselt suunda, nii et ka tekkiv vool muudab suunda. Seda nimetatakse vahelduvvooluks (AC).

Vesiveskis varustab rootori pöörlemiseks vajalikku energiat liikuv vesi ja lihtsate puhul on võimalik saadud elektrit kasutada otse tulede ja seadmete toitmiseks. Sagedamini on generaator siiski ühendatud elektrivõrguga ja varustab elektrivõrgu tagasi.

Selle stsenaariumi korral asendatakse rootori püsimagnet sageli elektromagnetiga ja võrk varustab selle magnetiseerimiseks vahelduvvoolu. Selle stsenaariumi korral generaatori netoväljundi saamiseks peab rootor pöörlema ​​sissetuleva võimsuse sagedusest suuremat sagedust.

Kui kasutate vett töö tegemiseks, toetute põhiliselt raskusjõule, mis panebki vee voolama. Vee langemisest saadav energiahulk sõltub sellest, kui palju vett langeb ja kui kiiresti. Kosest saab ühe veeühiku kohta rohkem energiat kui voolavast ojast ja ilmselgelt saate suurest ojast või kosest rohkem energiat kui väikesest.

Üldiselt annab veeratta keeramiseks töö jaoks saadaval oleva energiamgh, kus "m" on vee mass, "h" on kõrgus, mille kaudu see langeb, ja "g" on gravitatsioonist tingitud kiirendus. Kättesaadava energia maksimeerimiseks peaks veeratas olema nõlva või kose põhjas, mis maksimeerib vee langemise vahemaa.

Te ei pea mõõtma oja kaudu voolava vee massi. Piisab vaid helitugevuse hindamisest. Kuna vee tihedus on teadaolev suurus ja tihedus on võrdne massiga jagatud mahuga, on teisendamist lihtne teha.

Veeratas muudab potentsiaalse energia voolavas voos või koses (mgh) tangentsiaalseks kineetiliseks energiaks kohas, kus vesi puutub kokku rattaga. See tekitab pöörlemiskineetilist energiat, mille annabI ω ²/2, kusωon ratta nurkkiirus jaMinaon inertsimoment. Kesktelje ümber pöörleva punkti inertsmoment on võrdeline pöörderaaduse ruudugar​: (​I = hr²), kusmon punkti mass.

Energia muundamise optimeerimiseks soovite maksimeerida nurkkiirust,ω, kuid selleks peate minimeerimaMina, mis tähendab pöörlemisraadiuse minimeerimist,r. Veerattal peaks olema väike raadius, et see pöörleks piisavalt kiiresti, et genereerida netovool. See jätab välja vanad tuulikud, mille poolest Holland on kuulus. Need sobivad hästi mehaanilise töö tegemiseks, kuid mitte elektri tootmiseks.

Üks esimesi suuremahulisi veerataste induktsioonigeneraatoreid ja tuntuim tuli võrgus New Yorgis Niagara Fallsis 1895. aastal. Nikola Tesla loodud ning George Westinghouse'i rahastatud ja projekteeritud Edward Dean Adamsi elektrijaam oli esimene paljudest elektrijaamadest, mis tarnis USA tarbijatele elektrit.

Tegelik elektrijaam on ehitatud umbes miili Niagara joast ülesvoolu ja saab vett torusüsteemi kaudu. Vesi voolab silindrikujulisse korpusesse, kuhu on paigaldatud suur veeratas. Vee jõud keerutab ratast ja see omakorda pöörleb suurema generaatori rootorit elektri tootmiseks.

Adamsi elektrijaama generaator kasutab 12 suurt püsimagnetit, millest igaüks tekitab umbes 0,1 Tesla magnetvälja. Need on kinnitatud generaatori rootori külge ja pöörlevad suure traadimähise sees. Generaator toodab umbes 13 000 volti ja selleks peab mähis olema vähemalt 300 pööret. Ligikaudu 4000 amprit vahelduvvoolu elektrikursust mähise kaudu, kui generaator töötab.

Niagara joa mõõtu juga on maailmas väga vähe, mistõttu peetakse Niagara juga üheks maailma imeks. Paljud hüdroelektrijaamad on ehitatud tammidele. Praegu tarnivad umbes 16 protsenti kogu maailma elektrist sellistest hüdroelektrijaamadest, millest suurimad asuvad Hiinas, Brasiilias, Kanadas, Ameerika Ühendriikides ja Venemaal. Suurim tehas asub Hiinas, kuid kõige rohkem elektrit toodab Brasiilias.

Kui tamm on ehitatud, pole enam energiatootmisega seotud kulusid. kuid keskkonnale on mõned kulud.

• Paisu rajamine muudab looduslike veeteede voolu ja see mõjutab looduslikule veevoolule toetunud taimede, loomade ja inimeste elu. Hiinas kolme kurgu tammi ehitamine hõlmas 1,2 miljoni inimese ümberpaigutamist.
• Paisud muudavad ojades elavate kalade looduslikke elutsükleid. Vaikse ookeani loodeosas on tammid oma looduslikest elupaikadest ilma jätnud hinnanguliselt 40 protsenti lõhest ja terasest.
• Tammist pärinevas vees on vähenenud lahustunud hapniku tase ja see mõjutab veest sõltuvaid kalu, taimi ja elusloodust.
• Hüdroenergia tootmist mõjutab põud. Kui vett on vähe, on sageli vaja elektritootmine lõpetada, et säilitada seal olevat vett.

Teadlased otsivad võimalusi, kuidas leevendada suurte elektrijaamade puudusi. Üks lahendus on ehitada väiksematest süsteemid, millel on vähem keskkonnamõju. Teine on sisselaskeklappide ja turbiinide väljatöötamine, et tagada tehasest eralduva vee korralik hapnikuga varustamine. Isegi puudustega on hüdroelektrijaamad kõige puhtamad ja odavamad elektriallikad kogu planeedil.

Hea viis hüdroelektrijaama põhimõtete mõistmisel on ise väikese elektrigeneraatori ehitamine. Seda saate teha odava elektrilise ventilaatori või muu seadme mootoriga. Seni, kuni mootori sees olev rootor kasutab püsimagnetit, saab mootorit elektri tootmiseks kasutada "tagurpidi". Väga vana ventilaatori või seadme mootor on parem kandidaat kui uuem, kuna vanemate seadmete mootorite puhul on tõenäolisem, et need kasutavad püsimagnetit.

Kui kasutate ventilaatorit, võite selle projekti ellu viia isegi seda lahti võtmata, sest ventilaatori labad võivad olla tiivikutena. Kuid need pole tegelikult selleks mõeldud, nii et võiksite need ära lõigata ja asendada tõhusama veerattaga, mille ise ehitate. Kui otsustate seda teha, võite täiustatud veeratta alusena kasutada krae, kuna see on juba mootori võlli külge kinnitatud.

Et teha kindlaks, kas teie mini-veeratta generaator toodab tegelikult elektrit, peate ühendama loenduri kogu väljundspiraali külge. Seda on lihtne teha, kui kasutate vana ventilaatorit või seadet, kuna sellel on pistik. Lihtsalt ühendage multimeetri sondid pistikuklemmidega ja seadistage arvesti vahelduvpinge (VAC) mõõtmiseks. Kui teie kasutataval mootoril ei ole pistikut, ühendage lihtsalt arvesti sondid väljundspiraalile kinnitatud juhtmetega, mis on enamasti ainsad kaks juhet, mille leiate.

Selle projekti jaoks võite kasutada looduslikku langeva vee allikat või saate ise ehitada. Teie vanni tilast langev vesi peaks genereerima piisavalt energiat tuvastatava voolu saamiseks. Kui võtate oma projekti teistele inimestele näitamiseks teele, võiksite valada kannust vett või kasutada aiavoolikut.