Kuinka vesimyllyt tuottavat sähköä?

Veden liikkuminen on tärkeä energialähde, ja ihmiset ovat hyödyntäneet sitä energiaa kautta aikojen rakentamalla vesipyöriä.

Ne olivat yleisiä Euroopassa koko keskiajan ja niitä käytettiin muun muassa kiven murskaamiseen, metallipuhdistamojen palkeiden käyttämiseen ja pellavanlehtien vasaran muuttamiseen paperiksi. Viljaa jyrsivät vesipyörät tunnettiin vesimyllyinä, ja koska tämä toiminto oli niin läsnä, näistä kahdesta sanasta tuli enemmän tai vähemmän synonyymejä.

Michael Faradayn löytö sähkömagneettisesta induktiosta tasoitti tietä induktiogeneraattorin keksimiselle, joka lopulta tuli toimittamaan sähköä koko maailmalle. Induktiogeneraattori muuntaa mekaanisen energian sähköenergiaksi, ja liikkuva vesi on halpa ja runsas mekaanisen energian lähde. Siksi oli luonnollista mukauttaa vesimyllyt vesivoimaloihin.

Ymmärtää vesipyörän generaattorin toiminta auttaa ymmärtämään sähkömagneettisen induktion periaatteita. Kun olet tehnyt, voit yrittää rakentaa oman pienen vesipyörän generaattorin käyttämällä pienen sähkötuulettimen tai muun laitteen moottoria.

Faraday (1791 - 1867) löysi induktion käärimällä johtojohdon useita kertoja sylinterimäisen ytimen ympärille solenoidin valmistamiseksi. Hän yhdisti johtojen päät galvaanimittariin, laitteeseen, joka mittaa virtaa (ja yleismittarin edeltäjän). Kun hän liikutti kestomagneettia solenoidin sisällä, hän huomasi, että mittari rekisteröi virran.

Faraday totesi, että virta muutti suuntaa aina, kun hän muutti magneettia liikuttavaa suuntaa, ja virran voimakkuus riippui siitä, kuinka nopeasti hän liikutti magneettia.

Nämä havainnot muotoiltiin myöhemmin Faradayn lakiksi, joka liittää E: n, sähköjännitteen (emf) johtimessa, joka tunnetaan myös nimellä jännite, magneettivuon muutosnopeuteen.ϕkapellimestarin kokema. Tämä suhde kirjoitetaan yleensä seuraavasti:

​Non johtokäämin kierrosten määrä. Symboli∆(delta) osoittaa muutoksen sitä seuraavassa määrässä. Miinusmerkki osoittaa, että sähkömoottorin voiman suunta on vastakkainen magneettivuon suuntiin.

Faradayn laki ei täsmennä, onko kelan vai magneetin liikkuttava virran aikaansaamiseksi, ja itse asiassa sillä ei ole väliä. Yhden niistä on kuitenkin oltava liikkeessä, koska magneettivuon, joka on kohtisuoraan johtimen läpi kulkeva magneettikentän osa, täytyy muuttua. Staattisessa magneettikentässä ei synny virtaa.

Induktiogeneraattorissa on yleensä pyörivä kestomagneetti tai johtava kela, joka on magnetoitu ulkoisella virtalähteellä, jota kutsutaan roottoriksi. Se pyörii vapaasti matalan kitkan akselilla (ankkuri) kelan sisällä, jota kutsutaan staattoriksi, ja kun se pyörii, se tuottaa jännitteen staattorin kelaan.

Indusoitu jännite muuttaa suuntaa syklisesti roottorin jokaisen pyörimisen yhteydessä, joten tuloksena oleva virta muuttaa myös suuntaa. Se tunnetaan vaihtovirrana (AC).

Vesimyllyssä energia roottorin pyörimiseksi saadaan liikkuvalla vedellä, ja yksinkertaisille on mahdollista käyttää tuotettua sähköä suoraan valojen ja laitteiden virtalähteeseen. Generaattori kytketään kuitenkin useammin sähköverkkoon ja toimittaa virtaa takaisin verkkoon.

Tässä skenaariossa roottorin kestomagneetti korvataan usein sähkömagneetilla, ja verkko syöttää vaihtovirtaa sen magnetisoimiseksi. Saadakseen nettotehon generaattorilta tässä skenaariossa roottorin on pyöritettävä taajuutta, joka on suurempi kuin tulevan tehon.

Kun valjastat vettä työn tekemiseen, vedot pohjimmiltaan painovoimaan, mikä saa veden virtaamaan ensinnäkin. Veden putoamisesta saatava energiamäärä riippuu siitä, kuinka paljon vettä putoaa ja kuinka nopeasti. Saat enemmän energiaa vesiputoukselta vesiputoukselta kuin virtaavasta virrasta, ja saat tietysti enemmän energiaa suuresta purosta tai vesiputouksesta kuin pienestä.

Yleensä vesipyörän kääntämiseen tarvittavan energian antaamgh, jossa "m" on veden massa, "h" on korkeus, jonka läpi se putoaa, ja "g" on painovoimasta johtuva kiihtyvyys. Käytettävissä olevan energian maksimoimiseksi vesipyörän tulee olla rinteen tai vesiputouksen pohjalla, mikä maksimoi veden pudotettavuuden.

Sinun ei tarvitse mitata virtauksen läpi virtaavan veden massaa. Sinun tarvitsee vain arvioida äänenvoimakkuus. Koska veden tiheys on tunnettu määrä ja tiheys on yhtä suuri kuin massa jaettuna tilavuudella, muunnos on helppo tehdä.

Vesipyörä muuntaa potentiaalisen energian virtaavassa virtauksessa tai vesiputouksessa (mgh) tangentiaaliseen kineettiseen energiaan pisteessä, jossa vesi joutuu kosketukseen pyörän kanssa. Tämä tuottaa kiertokineettistä energiaa, jonka antaaI ω ²/2, missäωon pyörän kulmanopeus jaMinäon hitausmomentti. Keskiakselin ympäri pyörivän pisteen hitausmomentti on verrannollinen pyörimissäteen neliöönr​: (​I = herra²), missämon pisteen massa.

Energian muuntamisen optimoimiseksi haluat maksimoida kulmanopeuden,ω, mutta sinun on tehtävä minimointiMinä, mikä tarkoittaa pyörimissäteen minimointia,r. Vesipyörällä tulisi olla pieni säde, jotta se pyörii riittävän nopeasti nettovirran tuottamiseksi. Tämä jättää pois vanhat tuulimyllyt, joista Alankomaat on kuuluisa. Ne soveltuvat mekaaniseen työhön, mutta eivät sähkön tuottamiseen.

Yksi ensimmäisistä suurimmista vesipyörän induktiogeneraattoreista ja tunnetuin, tuli verkkoon Niagara Fallsiin, New Yorkiin, vuonna 1895. Nikola Teslan suunnittelema ja George Westinghousen rahoittama ja suunnittelema Edward Dean Adamsin voimalaitos oli ensimmäinen monista laitoksista, joka toimitti sähköä Yhdysvaltain kuluttajille.

Varsinainen voimalaitos on rakennettu noin mailin ylävirtaan Niagara Fallsista ja saa vettä putkijärjestelmän kautta. Vesi virtaa sylinterimäiseen koteloon, johon on asennettu suuri vesipyörä. Veden voima pyörittää pyörää, ja se vuorostaan ​​pyörittää suuremman generaattorin roottoria tuottamaan sähköä.

Adamsin voimalaitoksen generaattori käyttää 12 suurta kestomagneettia, joista kukin tuottaa noin 0,1 Teslan magneettikentän. Ne on kiinnitetty generaattorin roottoriin ja pyörivät suuren lankakelan sisällä. Generaattori tuottaa noin 13 000 volttia, ja tämän tekemiseksi kelassa on oltava vähintään 300 kierrosta. Noin 4000 ampeeria vaihtovirtalähdettä kelan läpi generaattorin käydessä.

Niagaran putousten kokoisia vesiputouksia on maailmassa hyvin vähän, minkä vuoksi Niagaran putouksia pidetään yhtenä maailman luonnonihmeistä. Monet vesivoimalaitokset on rakennettu patoille. Nykyään noin 16 prosenttia maailman sähköstä tuottaa tällaiset vesivoimalaitokset, joista suurimmat ovat Kiinassa, Brasiliassa, Kanadassa, Yhdysvalloissa ja Venäjällä. Suurin tehdas on Kiinassa, mutta eniten sähköä tuottaa Brasilia.

Kun pado on rakennettu, sähköntuotantoon ei enää liity kustannuksia. mutta ympäristölle on joitain kustannuksia.

• Paton rakentaminen muuttaa luonnollisten vesiväylien virtausta, ja tällä on vaikutusta luonnolliseen vesivirtaan luottaneiden kasvien, eläinten ja ihmisten elämään. Kolmen rotkon padon rakentaminen Kiinaan sisälsi 1,2 miljoonan ihmisen siirtämisen.
• Patot muuttavat puroissa elävien kalojen luonnollista elinkaarta. Tyynenmeren luoteisosassa padot ovat menettäneet arviolta 40 prosentille lohesta ja teräspäästä luonnollisen elinympäristönsä.
• Patolta tulevassa vedessä on vähentynyt liuenneen hapen määrä, ja tämä vaikuttaa vedestä riippuvaisiin kaloihin, kasveihin ja villieläimiin.
• Kuivuus vaikuttaa vesivoiman tuotantoon. Kun vettä on vähän, on usein tarpeen lopettaa sähköntuotanto veden säilyttämiseksi.

Tutkijat etsivät tapoja lieventää suurten voimalaitosten haittoja. Yksi ratkaisu on rakentaa pienempiä järjestelmiä, joilla on vähemmän ympäristövaikutuksia. Toinen on suunnitella imuventtiilejä ja turbiineja sen varmistamiseksi, että laitoksesta vapautuva vesi hapetetaan asianmukaisesti. Jopa haittojen takia vesivoiman padot ovat maapallon puhtaimpia ja halvimpia sähkönlähteitä.

Hyvä tapa auttaa itseäsi ymmärtämään vesivoiman tuotannon periaatteita on rakentaa itse pieni sähkögeneraattori. Voit tehdä tämän moottorilla edullisesta sähkötuulettimesta tai muusta laitteesta. Niin kauan kuin moottorin sisällä oleva roottori käyttää kestomagneettia, moottoria voidaan käyttää "päinvastoin" sähkön tuottamiseen. Hyvin vanhan tuulettimen tai laitteen moottori on parempi ehdokas kuin uudemman moottori, koska vanhemmat laitemoottorit käyttävät todennäköisemmin kestomagneetteja.

Jos käytät tuuletinta, saatat pystyä toteuttamaan tämän projektin edes purkamatta sitä, koska tuulettimen siivet voivat toimia juoksupyörinä. Niitä ei kuitenkaan ole todella suunniteltu tätä varten, joten voit haluta leikata ne pois ja korvata ne tehokkaammalla vesipyörällä, jonka itse rakennat. Jos päätät tehdä tämän, voit käyttää kaulusta parannetun vesipyörän pohjana, koska se on jo kiinnitetty moottorin akseliin.

Jos haluat selvittää, tuottaako pienvesipyörägeneraattorisi todella sähköä, sinun on liitettävä mittari lähtöpuolan yli. Tämä on helppo tehdä, jos käytät vanhaa tuuletinta tai laitetta, koska siinä on pistoke. Liitä vain yleismittarin anturit pistokkeisiin ja aseta mittari mittaamaan vaihtojännitettä (VAC). Jos käyttämässäsi moottorissa ei ole pistoketta, liitä vain mittapäät antureihin, jotka on kiinnitetty lähtökierukkaan, jotka ovat useimmissa tapauksissa ainoat löydetyt johdot.

Voit käyttää luonnollista putoavan veden lähdettä tähän projektiin tai voit rakentaa oman. Kylpyammeesi nokasta putoavan veden tulisi tuottaa riittävästi energiaa havaittavan virran tuottamiseksi. Jos otat projektisi tiellä näyttämään muille ihmisille, kannattaa ehkä kaataa vettä kannusta tai käyttää puutarhaletkua.