Hogyan készítik a vízimalmok az áramot?

A mozgó víz fontos energiaforrás, és az emberek vízkerekek építésével hasznosították ezt az energiát a korok során.

A középkorban általánosak voltak Európában, és megszokták többek között a szikla törését, a fémfinomítók fújtatóinak működtetését és a lenlevelek kalapálását, hogy papírokká váljanak. A gabonát őrlő vízikerékeket vízimalmok néven ismerték, és mivel ez a funkció annyira mindenütt jelen volt, a két szó többé-kevésbé szinonimává vált.

Michael Faraday elektromágneses indukciójának felfedezése utat nyitott az indukciós generátor feltalálásának, amely végül az egész világot ellátta villamos energiával. Az indukciós generátor átalakítja a mechanikai energiát elektromos energiává, és a mozgó víz olcsó és bőséges mechanikai energiaforrás. Ezért természetes volt, hogy a vízimalmokat hidroelektromos áramfejlesztőkhöz alakították.

A vízikerék-generátor működésének megértése segít megérteni az elektromágneses indukció alapelveit. Miután ezt megtette, megpróbálhatja megépíteni saját mini vízikerék-generátorát, egy kis elektromos ventilátor vagy más készülék motorjának felhasználásával.

Faraday (1791 - 1867) felfedezte az indukciót azzal, hogy egy vezetővezetéket többször tekert egy hengeres mag köré, hogy mágnesszelepet készítsen. A vezetékek végeit összekapcsolta egy galvanométerrel, amely az áramot (és a multiméter elődjét) méri. Amikor állandó mágnest mozgatott a mágnesszelep belsejében, megállapította, hogy a mérő regisztrált áramot vett fel.

Faraday megjegyezte, hogy az áram minden irányt megváltoztatott, amikor megváltoztatta a mágnes mozgatásának irányát, és az áram erőssége attól függ, hogy milyen gyorsan mozgatja a mágnest.

Ezeket a megfigyeléseket később Faraday-törvénybe fogalmazták meg, amely az elektromotoros erőt (emf) egy vezetőben, más néven feszültséget kapcsolja a mágneses fluxus változásának sebességéhezϕamelyet a karmester tapasztalt. Ezt a kapcsolatot általában az alábbiak szerint írják:

​Na vezetőtekercsben lévő fordulatok száma. A szimbólum∆(delta) az ezt követő mennyiség változását jelzi. A mínuszjel azt jelzi, hogy az elektromotoros erő iránya ellentétes a mágneses fluxus irányával.

Faraday törvénye nem határozza meg, hogy a tekercsnek vagy a mágnesnek mozognia kell-e az áram indukálásához, és valójában nem számít. Egyiküknek mozognia kell, mert a mágneses fluxusnak, amely a mágneses térnek a vezetőn merőlegesen haladó része, változnia kell. Statikus mágneses térben áram nem keletkezik.

Az indukciós generátornak általában van egy forgó állandó mágnese vagy egy vezető tekercse, amelyet egy külső áramforrás mágnesez, úgynevezett rotor. Szabadon forog egy tekercs belsejében lévő kis súrlódású tengelyen (armatúra), amelyet állórésznek hívnak, és amikor forog, feszültséget generál az állórész tekercsében.

Az indukált feszültség ciklikusan változtatja az irányt a rotor minden centrifugálásakor, így a keletkező áram is irányt vált. Váltakozó áram (AC) néven ismert.

Egy vízimalomban a rotor forgatásához szükséges energiát mozgó víz szolgáltatja, és egyszerűek esetében a keletkezett villamos energiát közvetlenül a lámpák és a készülékek áramellátására lehet felhasználni. Gyakrabban azonban a generátor csatlakozik az elektromos hálózathoz, és energiát szolgáltat vissza a hálózatra.

Ebben a forgatókönyvben a rotor állandó mágnesét gyakran elektromágnes váltja fel, és a hálózat mágnesezéséhez váltakozó áramot szolgáltat. Ahhoz, hogy ebben a forgatókönyvben nettó kimenetet kapjon a generátor, a rotornak nagyobb frekvenciát kell forgatnia, mint a bejövő teljesítmény frekvenciája.

Amikor vizet használ a munka elvégzéséhez, akkor alapvetően a gravitációs erőre hagyatkozik, ami elsősorban a vizet áramolja. A hulló vízből nyerhető energia mennyisége attól függ, hogy mennyi víz hullik és milyen gyorsan. Vízesésenként több energiát kap egy vízesésből, mint egy folyó patakból, és nyilvánvalóan több energiát fog kapni egy nagy patakból vagy vízesésből, mint egy kicsiből.

Általában a vízikerék elforgatásához rendelkezésre álló energiát az adjamgh, ahol "m" a víz tömege, "h" a magasság, amelyen keresztül esik, és "g" a gravitáció miatti gyorsulás. A rendelkezésre álló energia maximalizálása érdekében a vízikeréknek a lejtő vagy a vízesés alján kell lennie, ami maximalizálja a víz leesési távolságát.

Nem kell megmérnie a patakon átfolyó víz tömegét. Mindössze annyit kell tennie, hogy megbecsülje a hangerőt. Mivel a víz sűrűsége ismert mennyiség, és a sűrűség megegyezik a tömeg térfogattal elosztott értékével, könnyen elvégezhető az átalakítás.

A vízikerék a potenciális energiát átalakítja egy folyó patakban vagy vízesésben (mgh) tangenciális mozgási energiává azon a ponton, ahol a víz érintkezik a kerékkel. Ez rotációs kinetikus energiát generál, amelyet aI ω ²/2, holωa kerék szögsebessége éséna tehetetlenség pillanata. A központi tengely körül forgó pont tehetetlenségi nyomatéka arányos a forgási sugár négyzetévelr​: (​I = úr²), holma pont tömege.

Az energia konverziójának optimalizálása érdekében maximalizálni kell a szögsebességet,ω, de ehhez minimalizálnia kellén, ami a forgási sugár minimalizálását jelenti,r. A vízikeréknek kis sugarúnak kell lennie annak biztosításához, hogy elég gyorsan forogjon a nettó áram létrehozásához. Ez elhagyja azokat a régi szélmalmokat, amelyekről Hollandia híres. Jók mechanikai munkára, de nem villamos energia előállítására.

Az egyik első nagyszabású vízikerék-indukciós generátor, és a legismertebb, 1895-ben került a New York-i Niagara Falls-ba. A Nikola Tesla által tervezett és George Westinghouse által finanszírozott és tervezett Edward Dean Adams erőmű volt az első a számos erőmű közül, amely villamos energiát szolgáltatott az Egyesült Államokban a fogyasztóknak.

A tényleges erőmű a Niagara-vízeséstől körülbelül egy mérföldre felfelé épül, és csőrendszeren keresztül jut vízhez. A víz egy hengeres házba áramlik, amelyben egy nagy vízi kerék van felszerelve. A víz ereje megforgatja a kereket, és ez viszont egy nagyobb generátor rotorját forgatja, hogy áramot termeljen.

Az Adams erőmű generátora 12 nagy állandó mágnest használ, amelyek mindegyike körülbelül 0,1 Tesla mágneses teret produkál. A generátor forgórészéhez vannak rögzítve és egy nagy huzaltekercsben forognak. A generátor körülbelül 13 000 V feszültséget termel, és ehhez legalább 300 fordulatnak kell lennie a tekercsben. Körülbelül 4000 amperes váltakozó áramú áram a tekercsen keresztül, amikor a generátor működik.

A világon nagyon kevés vízesés van, amely akkora, mint a Niagara-vízesés, ezért a Niagara-vízesést a világ egyik természetes csodájának tekintik. Számos vízerőművet gátakra építenek. Ma a világ villamos energiájának körülbelül 16 százalékát ilyen hidroelektromos állomások szolgáltatják, amelyek közül a legnagyobbak Kínában, Brazíliában, Kanadában, az Egyesült Államokban és Oroszországban találhatók. A legnagyobb üzem Kínában található, de a legtöbb áramot Brazíliában állítják elő.

A gát felépítése után nincs többé költség az áramtermeléssel kapcsolatban. de vannak bizonyos költségei a környezetnek.

• A gát megépítése megváltoztatja a természetes vízi utak áramlását, és ez hatással van a természetes vízhozamra támaszkodó növények, állatok és emberek életére. A három szoros gátjának megépítése Kínában 1,2 millió ember áthelyezését jelentette.
• A gátak megváltoztatják a patakokban élő halak természetes életciklusát. A Csendes-óceán északnyugati részén a gátak a lazac és az acélfej becsült 40 százalékát megfosztották természetes élőhelyeiktől.
• A gátakból származó vízben az oldott oxigén szintje csökkent, és ez a víztől függő halakat, növényeket és élővilágot érinti.
• A vízenergia-termelést befolyásolja az aszály. Ha kevés a víz, gyakran meg kell szüntetni az áramtermelést, hogy megőrizzük a víz mennyiségét.

A tudósok a nagy erőművek hátrányainak mérséklésének módját vizsgálják. Az egyik megoldás a kisebb rendszerekből álló rendszerek felépítése, amelyeknek kevesebb környezeti hatása van. A másik a szívószelepek és turbinák megtervezése annak biztosítása érdekében, hogy az üzemből felszabaduló víz megfelelő oxigénnel teljen. Még a hátrányai ellenére is a vízgátak a bolygó legtisztább, legolcsóbb áramforrásai közé tartoznak.

Egy jó módszer arra, hogy segítsen magának megérteni a vízerőművek alapelveit, ha saját maga épít egy kis elektromos áramfejlesztőt. Ezt megteheti a motorral egy olcsó elektromos ventilátorból vagy más készülékből. Amíg a motor belsejében lévő rotor állandó mágnest használ, addig a motort "hátramenetben" lehet használni villamos energia előállítására. A nagyon régi ventilátor vagy készülék motorja jobb jelölt, mint egy újabb motor, mivel a régebbi készülékek motorjai nagyobb valószínűséggel alkalmaznak állandó mágneseket.

Ha ventilátort használ, akkor képes lesz megvalósítani ezt a projektet anélkül, hogy szétszerelné, mert a ventilátor lapátjai járókerekekként működhetnek. Ezeket azonban nem igazán erre tervezték, ezért érdemes levágni őket, és helyettesíteni őket egy hatékonyabb vízikerékkel, amelyet maga készít. Ha ezt választja, akkor használhatja a gallért alapjaként a továbbfejlesztett vízikerékének, mivel az már rögzítve van a motor tengelyén.

Annak megállapításához, hogy a mini vízikerék-generátor valóban áramot termel-e, csatlakoztatnia kell egy mérőt a kimeneti tekercsen. Ezt könnyű megtenni, ha régi ventilátort vagy készüléket használ, mert dugóval rendelkezik. Csak csatlakoztassa a multiméter szondáit a dugaszokhoz, és állítsa a mérőt az AC feszültség (VAC) mérésére. Ha az Ön által használt motornak nincs dugója, egyszerűen csatlakoztassa a mérőszondákat a kimeneti tekercshez rögzített vezetékekhez, amelyek a legtöbb esetben az egyetlen két vezeték találhatóak.

Használhat természetes hulló vízforrást ehhez a projekthez, vagy elkészítheti sajátját. A kád kifolyójából leeső víznek elegendő energiát kell termelnie ahhoz, hogy kimutatható áramot termeljen. Ha útnak veszi a projektet, hogy megmutassa másoknak, érdemes vizet önteni egy kancsóból, vagy kerti tömlőt használni.