Bagaimana Kincir Air Membuat Listrik?

Air yang bergerak adalah sumber energi yang penting, dan orang-orang telah memanfaatkan energi itu selama berabad-abad dengan membangun kincir air.

Mereka umum di Eropa sepanjang Abad Pertengahan dan digunakan untuk, antara lain, menghancurkan batu, mengoperasikan bellow untuk kilang logam dan palu daun rami untuk mengubahnya menjadi kertas. Kincir air yang menggiling biji-bijian dikenal sebagai kincir air, dan karena fungsi ini ada di mana-mana, kedua kata itu kurang lebih sama.

Penemuan induksi elektromagnetik Michael Faraday membuka jalan bagi penemuan generator induksi yang akhirnya memasok listrik ke seluruh dunia. Generator induksi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dan air yang bergerak adalah sumber energi mekanik yang murah dan berlimpah. Oleh karena itu, wajar untuk mengadaptasi kincir air menjadi pembangkit listrik tenaga air.

Untuk memahami cara kerja generator kincir air, ada baiknya memahami prinsip-prinsip induksi elektromagnetik. Setelah Anda melakukannya, Anda dapat mencoba membangun generator kincir air mini Anda sendiri, menggunakan motor dari kipas listrik kecil atau alat lainnya.

Faraday (1791 - 1867) menemukan induksi dengan melilitkan kawat konduksi beberapa kali di sekitar inti silinder untuk membuat solenoida. Dia menghubungkan ujung kabel ke galvanometer, perangkat yang mengukur arus (dan pendahulu multimeter). Ketika dia memindahkan magnet permanen di dalam solenoida, dia menemukan bahwa meteran mencatat arus.

Faraday mencatat bahwa arus berubah arah setiap kali dia mengubah arah dia menggerakkan magnet, dan kekuatan arus bergantung pada seberapa cepat dia menggerakkan magnet.

Pengamatan ini kemudian dirumuskan menjadi Hukum Faraday, yang menghubungkan E, gaya gerak listrik (ggl) dalam konduktor, juga dikenal sebagai tegangan, dengan laju perubahan fluks magnet.ϕdialami oleh konduktor. Hubungan ini biasanya ditulis sebagai berikut:

​tidakadalah jumlah lilitan pada kumparan penghantar. Simbol∆(delta) menunjukkan perubahan besaran yang mengikutinya. Tanda minus menunjukkan bahwa arah gaya gerak listrik berlawanan dengan arah fluks magnet.

Hukum Faraday tidak menentukan apakah kumparan atau magnet harus bergerak untuk menginduksi arus, dan sebenarnya itu tidak masalah. Salah satunya harus bergerak, karena fluks magnet, yang merupakan bagian dari medan magnet yang melewati konduktor secara tegak lurus, harus berubah. Tidak ada arus yang dihasilkan dalam medan magnet statis.

Generator induksi biasanya memiliki magnet permanen yang berputar atau kumparan konduktor yang dimagnetisasi oleh sumber daya eksternal, yang disebut rotor. Ini berputar bebas pada poros gesekan rendah (angker) di dalam kumparan, yang disebut stator, dan ketika berputar, itu menghasilkan tegangan di kumparan stator.

Tegangan induksi berubah arah secara siklis dengan setiap putaran rotor, sehingga arus yang dihasilkan juga berubah arah. Ini dikenal sebagai arus bolak-balik (AC).

Di kincir air, energi untuk memutar rotor disuplai oleh air yang bergerak, dan untuk yang sederhana, dimungkinkan untuk menggunakan listrik yang dihasilkan langsung untuk menyalakan lampu dan peralatan. Lebih sering, bagaimanapun, generator terhubung ke jaringan listrik dan memasok listrik kembali ke jaringan.

Dalam skenario ini, magnet permanen di rotor sering diganti dengan elektromagnet, dan jaringan mensuplai arus AC untuk memagnetkannya. Untuk mendapatkan keluaran bersih dari generator dalam skenario ini, rotor harus memutar frekuensi yang lebih besar daripada daya yang masuk.

Saat memanfaatkan air untuk melakukan pekerjaan, pada dasarnya Anda mengandalkan gaya gravitasi, yang membuat air mengalir di tempat pertama. Jumlah energi yang dapat Anda peroleh dari air yang jatuh tergantung pada seberapa banyak air yang jatuh dan seberapa cepat. Anda akan mendapatkan lebih banyak energi per unit air dari air terjun daripada yang Anda dapatkan dari aliran yang mengalir, dan Anda jelas akan mendapatkan lebih banyak energi dari aliran besar atau air terjun daripada yang Anda dapatkan dari yang kecil.

Secara umum, energi yang tersedia untuk melakukan pekerjaan memutar kincir air diberikan olehmgh, di mana "m" adalah massa air, "h" adalah ketinggian air jatuh dan "g" adalah percepatan gravitasi. Untuk memaksimalkan energi yang tersedia, kincir air harus berada di dasar lereng atau air terjun, yang memaksimalkan jarak jatuhnya air.

Anda tidak perlu mengukur massa air yang mengalir melalui sungai. Yang harus Anda lakukan adalah memperkirakan volumenya. Karena massa jenis air adalah besaran yang diketahui, dan massa jenis sama dengan massa dibagi volume, maka mudah untuk melakukan konversi.

Kincir air mengubah energi potensial dalam aliran atau air terjun yang mengalir (mgh) menjadi energi kinetik tangensial pada titik di mana air melakukan kontak dengan roda. Ini menghasilkan energi kinetik rotasi, diberikan olehsaya ²/2, dimanaωadalah kecepatan sudut roda dansayaadalah momen inersia. Momen inersia suatu titik yang berputar di sekitar sumbu pusat sebanding dengan kuadrat jari-jari rotasir​: (​saya = pak²), dimanasayaadalah massa titik.

Untuk mengoptimalkan konversi energi, Anda ingin memaksimalkan kecepatan sudut,ω, tetapi untuk melakukan itu, Anda perlu meminimalkansaya, yang berarti meminimalkan radius rotasi,r. Kincir air harus memiliki radius kecil untuk memastikannya berputar cukup cepat untuk menghasilkan arus bersih. Itu meninggalkan kincir angin tua yang terkenal di Belanda. Mereka baik untuk melakukan pekerjaan mekanis, tetapi tidak untuk menghasilkan listrik.

Salah satu generator induksi kincir air skala besar pertama, dan yang paling terkenal, online di Air Terjun Niagara, New York, pada tahun 1895. Diciptakan oleh Nikola Tesla dan dibiayai serta dirancang oleh George Westinghouse, pembangkit listrik Edward Dean Adams adalah yang pertama dari beberapa pembangkit yang memasok listrik ke konsumen di Amerika Serikat.

Pembangkit listrik yang sebenarnya dibangun sekitar satu mil di hulu Air Terjun Niagara dan mendapatkan air melalui sistem pipa. Air mengalir ke rumah silinder yang di dalamnya dipasang kincir air besar. Kekuatan air memutar roda, dan pada gilirannya memutar rotor generator yang lebih besar untuk menghasilkan listrik.

Generator di pembangkit listrik Adams menggunakan 12 magnet permanen besar, yang masing-masing menghasilkan medan magnet sekitar 0,1 Tesla. Mereka melekat pada rotor generator dan berputar di dalam gulungan kawat besar. Generator menghasilkan sekitar 13.000 volt, dan untuk melakukan ini harus ada setidaknya 300 putaran di koil. Sekitar 4.000 amp listrik AC mengalir melalui koil saat generator bekerja.

Ada sangat sedikit air terjun di dunia seukuran Air Terjun Niagara, itulah sebabnya Air Terjun Niagara dianggap sebagai salah satu keajaiban alam dunia. Banyak stasiun pembangkit listrik tenaga air dibangun di atas bendungan. Saat ini, sekitar 16 persen listrik dunia dipasok oleh stasiun pembangkit listrik tenaga air tersebut, yang terbesar berada di Cina, Brasil, Kanada, Amerika Serikat, dan Rusia. Pembangkit terbesar ada di China, tapi yang paling banyak menghasilkan listrik ada di Brazil.

Setelah bendungan dibangun, tidak ada lagi biaya yang terkait dengan pembangkit listrik. tetapi ada beberapa biaya untuk lingkungan.

• Membangun bendungan mengubah aliran saluran air alami, dan ini berdampak pada kehidupan tumbuhan, hewan, dan manusia yang mengandalkan aliran air alami. Pembangunan Bendungan Tiga Ngarai di Cina melibatkan relokasi 1,2 juta orang.
• Bendungan mengubah siklus hidup alami ikan yang hidup di sungai. Di Pacific Northwest, bendungan telah menghilangkan sekitar 40 persen salmon dan kepala baja dari habitat alami mereka.
• Air yang berasal dari bendungan memiliki tingkat oksigen terlarut yang berkurang, dan ini mempengaruhi ikan, tumbuhan, dan satwa liar yang bergantung pada air.
• Produksi tenaga air dipengaruhi oleh kekeringan. Ketika air hampir habis, seringkali perlu menghentikan produksi listrik untuk melestarikan air yang ada.

Para ilmuwan sedang mencari cara untuk mengurangi kelemahan pembangkit listrik produksi besar. Salah satu solusinya adalah membangun sistem yang lebih kecil yang memiliki dampak lingkungan yang lebih kecil. Cara lainnya adalah merancang katup masuk dan turbin untuk memastikan bahwa air yang dikeluarkan dari pembangkit teroksigenasi dengan baik. Bahkan dengan kekurangannya, bendungan pembangkit listrik tenaga air adalah salah satu sumber listrik paling bersih dan termurah di planet ini.

Cara yang baik untuk membantu Anda memahami prinsip-prinsip dalam pembangkit listrik tenaga air adalah dengan membangun generator listrik kecil sendiri. Anda dapat melakukan ini dengan motor dari kipas listrik murah atau alat lain. Selama rotor di dalam motor menggunakan magnet permanen, motor dapat digunakan "secara terbalik" untuk menghasilkan listrik. Motor dari kipas atau alat yang sangat tua adalah kandidat yang lebih baik daripada motor dari yang lebih baru, karena motor alat yang lebih tua lebih cenderung menggunakan magnet permanen.

Jika Anda menggunakan kipas angin, Anda mungkin dapat menyelesaikan proyek ini bahkan tanpa membongkarnya, karena bilah kipas dapat bertindak sebagai impeler. Namun, mereka tidak benar-benar dirancang untuk ini, jadi Anda mungkin ingin memotongnya dan menggantinya dengan kincir air yang lebih efisien yang Anda buat sendiri. Jika Anda memutuskan untuk melakukan ini, Anda dapat menggunakan kerah sebagai dasar untuk kincir air Anda yang lebih baik, karena sudah terpasang pada poros motor.

Untuk menentukan apakah generator kincir air mini Anda benar-benar menghasilkan listrik, Anda harus menghubungkan meteran melintasi koil keluaran. Ini mudah dilakukan jika Anda menggunakan kipas atau alat lama, karena memiliki steker. Cukup hubungkan probe multimeter ke cabang steker dan atur meteran untuk mengukur tegangan AC (VAC). Jika motor yang Anda gunakan tidak memiliki steker, cukup sambungkan probe meteran ke kabel yang terpasang pada koil keluaran, yang biasanya hanya dua kabel yang akan Anda temukan.

Anda dapat menggunakan sumber air jatuh alami untuk proyek ini atau Anda dapat membangunnya sendiri. Air yang jatuh dari cerat bak mandi Anda harus menghasilkan energi yang cukup untuk menghasilkan arus yang dapat dideteksi. Jika Anda membawa proyek Anda di jalan untuk ditunjukkan kepada orang lain, Anda mungkin ingin menuangkan air dari kendi atau menggunakan selang taman.