Kako vodenice proizvode električnu energiju?

Pokretanje vode važan je izvor energije i ljudi su je energiju iskoristili kroz vijekove gradeći vodene kotače.

Bili su česti u Europi tijekom srednjeg vijeka, a koristili su se, između ostalog, za usitnjavanje kamena, za obradu mijeha za rafinerije metala i zabijanje lišća od lana kako bi ih pretvorili u papir. Vodeni kotači koji su mljeli žito bili su poznati kao vodeni mlinovi, a budući da je ova funkcija bila tako sveprisutna, te su dvije riječi postale više-manje sinonimne.

Otkriće elektromagnetske indukcije Michaela Faradaya otvorilo je put izumu indukcijskog generatora koji je na kraju cijeli svijet opskrbio električnom energijom. Indukcijski generator pretvara mehaničku energiju u električnu, a voda u pokretu je jeftin i bogat izvor mehaničke energije. Stoga je bilo prirodno vodenice prilagoditi hidroelektranama.

Da bi se razumjelo kako radi generator vodenih kotača, pomaže razumjeti principe elektromagnetske indukcije. Jednom kad pokušate, možete pokušati izraditi vlastiti mini generator vodenih kotača, koristeći motor iz malog električnog ventilatora ili drugog uređaja.

Faraday (1791 - 1867) otkrio je indukciju omotavanjem provodne žice više puta oko cilindrične jezgre kako bi se stvorio solenoid. Krajeve žica povezao je s galvanometrom, uređajem koji mjeri struju (i preteču multimetra). Kad je pomaknuo trajni magnet unutar solenoida, otkrio je da mjerač registrira struju.

Faraday je primijetio da je struja mijenjala smjer kad god je mijenjao smjer kretanja magneta, a jačina struje ovisila je o brzini pomicanja magneta.

Ta su opažanja kasnije formulirana u Faradayev zakon, koji povezuje E, elektromotornu silu (EMS) u vodiču, također poznatu i kao napon, sa brzinom promjene magnetskog tokaϕdoživio dirigent. Ovaj se odnos obično zapisuje na sljedeći način:

​Nje broj zavoja u zavojnici vodiča. Simbol∆(delta) označava promjenu količine koja slijedi. Znak minus ukazuje da je smjer elektromotorne sile suprotan smjeru magnetskog toka.

Faradayev zakon ne određuje da li se zavojnica ili magnet moraju pomicati da bi inducirali struju, a zapravo nije važno. Međutim, jedan od njih mora se kretati, jer se magnetski tok, koji je dio magnetskog polja koji prolazi okomito kroz vodič, mora mijenjati. U statičkom magnetskom polju ne stvara se struja.

Indukcijski generator obično ima trajni magnet koji se vrti ili provodnu zavojnicu, magnetiziranu vanjskim izvorom energije, koji se naziva rotor. Slobodno se vrti na osovini s malim trenjem (armaturi) unutar zavojnice, koja se naziva stator, a kada se zavrti, stvara napon u zavojnici statora.

Inducirani napon ciklički mijenja smjer sa svakim okretajem rotora, pa rezultirajuća struja također mijenja smjer. Poznata je pod nazivom izmjenična struja (AC).

U vodenici se energija za okretanje rotora isporučuje pomičnom vodom, a za one jednostavne moguće je generiranu električnu energiju koristiti izravno za napajanje svjetala i uređaja. Međutim, češće je generator povezan na električnu mrežu i napaja energiju natrag u mrežu.

U ovom scenariju trajni magnet u rotoru često se zamjenjuje elektromagnetom, a mreža opskrbljuje izmjeničnom strujom kako bi ga magnetizirala. Da bi u ovom scenariju dobio neto izlaz od generatora, rotor mora vrtjeti frekvenciju veću od dolazne snage.

Kada iskorištavate vodu za obavljanje posla, u osnovi se oslanjate na silu gravitacije, koja prije svega pokreće vodu. Količina energije koju možete dobiti od pada vode ovisi o tome koliko vode pada i koliko brzo. Iz vodopada ćete dobiti više energije po jedinici vode nego iz tekućeg potoka, a očito ćete iz velikog potoka ili slapa dobiti više energije nego iz malog.

Općenito, energija dostupna za obavljanje posla okretanja vodenog kotača daje semgh, gdje je "m" masa vode, "h" je visina kroz koju pada, a "g" je ubrzanje zbog gravitacije. Da bi se maksimalizirala raspoloživa energija, vodeni kotač trebao bi biti na dnu padine ili slapa, što povećava udaljenost koju voda mora pasti.

Ne morate mjeriti masu vode koja teče kroz potok. Sve što trebate je procijeniti količinu. Budući da je gustoća vode poznata količina, a gustoća jednaka masi podijeljenoj s volumenom, pretvorbu je lako izvršiti.

Vodeni kotač pretvara potencijalnu energiju u tekućem toku ili vodopadu (mgh) u tangencijalnu kinetičku energiju na mjestu na kojem voda dolazi u kontakt s kotačem. To generira rotacijsku kinetičku energiju koju dajeI ω ²/2, gdjeωje kutna brzina kotača iJaje trenutak inercije. Trenutak tromosti točke koja se okreće oko središnje osi proporcionalan je kvadratu radijusa rotacijer​: (​I = mr²), gdjemje masa točke.

Da biste optimizirali pretvorbu energije, želite povećati kutnu brzinu,ω, ali da biste to učinili, morate smanjitiJa, što znači minimaliziranje radijusa rotacije,r. Vodeni kotač trebao bi imati mali radijus kako bi se osiguralo da se okreće dovoljno brzo da generira neto struju. To izostavlja stare vjetrenjače po kojima je Nizozemska poznata. Dobri su za obavljanje mehaničkih poslova, ali ne i za proizvodnju električne energije.

Jedan od prvih velikih indukcijskih generatora vodenih kotača i najpoznatiji, pojavio se na mreži na slapovima Niagara u New Yorku 1895. godine. Zamišljen od strane Nikole Tesle, a financirao ga je i dizajnirao George Westinghouse, elektrana Edward Dean Adams bila je prva od nekoliko elektrana koje su opskrbljivale potrošače u Sjedinjenim Državama.

Stvarna elektrana izgrađena je oko kilometar uzvodno od slapova Niagare, a vodu dobiva sustavom cijevi. Voda teče u cilindrično kućište u kojem je postavljen veliki vodeni kotač. Sila vode vrti kotač, a ona zauzvrat vrti rotor većeg generatora za proizvodnju električne energije.

Generator u Adams-ovoj elektrani koristi 12 velikih trajnih magneta, od kojih svaki stvara magnetsko polje od oko 0,1 Tesla. Oni su pričvršćeni na rotor generatora i vrte se unutar velike zavojnice žice. Generator proizvodi oko 13 000 volti, a za to mora biti najmanje 300 zavoja u zavojnici. Oko 4000 ampera izmjenične struje prolazi kroz zavojnicu dok generator radi.

Na svijetu ima vrlo malo slapova veličine Niagarskih slapova, zbog čega se Niagarski slapovi smatraju jednim od svjetskih prirodnih čuda. Mnoge hidroelektrane izgrađene su na branama. Danas se oko 16 posto električne energije na svijetu isporučuje iz takvih hidroelektrana, od kojih su najveće u Kini, Brazilu, Kanadi, Sjedinjenim Državama i Rusiji. Najveće postrojenje je u Kini, ali ono koje proizvodi najviše električne energije je u Brazilu.

Jednom kada se izgradi brana, nema više troškova povezanih s proizvodnjom električne energije. ali postoje neki troškovi za okoliš.

• Izgradnjom brane mijenja se protok prirodnih plovnih putova, a to utječe na život biljaka, životinja i ljudi koji su se oslanjali na prirodni protok vode. Izgradnja brane Tri klisure u Kini podrazumijevala je preseljenje 1,2 milijuna ljudi.
• Brane mijenjaju prirodni životni ciklus riba koje žive u potocima. Na sjeverozapadu Tihog oceana, brane su lišile približno 40 posto lososa i čeličnih glava svojih prirodnih staništa.
• Voda koja dolazi iz brane ima smanjenu razinu otopljenog kisika, a to utječe na ribu, biljke i divlje životinje koje ovise o vodi.
• Na proizvodnju hidroenergije utječe suša. Kad vode ponestane, često je potrebno zaustaviti proizvodnju energije kako bi se sačuvala voda koja postoji.

Znanstvenici traže načine za ublažavanje nedostataka velikih proizvodnih pogona. Jedno rješenje je izgradnja sustava manjih koji imaju manji utjecaj na okoliš. Druga je izrada usisnih ventila i turbina kako bi se osiguralo da voda koja se ispušta iz postrojenja bude pravilno oksigenirana. Čak i s nedostacima, hidroelektrane su među najčišćim i najjeftinijim izvorima električne energije na planetu.

Dobar način da si pomognete razumjeti principe u proizvodnji hidroelektrične energije je da sami napravite mali električni generator. To možete učiniti s motorom iz jeftinog električnog ventilatora ili drugog uređaja. Sve dok rotor unutar motora koristi trajni magnet, motor se može koristiti "obrnuto" za proizvodnju električne energije. Motor od vrlo starog ventilatora ili uređaja bolji je kandidat od motora od novijeg, jer je vjerojatnije da će stariji motori za uređaje koristiti trajne magnete.

Ako koristite ventilator, ovaj ćete projekt možda uspjeti i bez rastavljanja, jer lopatice ventilatora mogu djelovati kao radna kola. Međutim, oni zapravo nisu dizajnirani za ovo, pa ćete ih možda htjeti odrezati i zamijeniti učinkovitijim vodenim kotačićem koji sami konstruirate. Ako se odlučite za to, ovratnik možete koristiti kao podlogu za vaš poboljšani vodeni kotač, jer je već pričvršćen na osovinu motora.

Da biste utvrdili proizvodi li vaš mini generator vodenih kotača stvarno električnu energiju, morat ćete spojiti brojilo preko izlazne zavojnice. To je lako učiniti ako koristite stari ventilator ili uređaj, jer ima utikač. Dovoljno je spojiti sonde multimetra na utikače i postaviti mjerač za mjerenje izmjeničnog napona (VAC). Ako motor koji koristite nema utikač, samo spojite sonde mjerača na žice pričvršćene na izlaznu zavojnicu, što su u većini slučajeva jedine dvije žice koje ćete pronaći.

Za ovaj projekt možete koristiti prirodni izvor padajuće vode ili možete sami izgraditi svoj. Voda koja pada iz izljeva vaše kade trebala bi generirati dovoljno energije za stvaranje struje koja se može prepoznati. Ako svoj projekt vozite na put kako biste pokazali drugim ljudima, možda ćete htjeti natočiti vodu iz vrča ili upotrijebiti vrtno crijevo.