In che modo i mulini ad acqua producono elettricità?

L'acqua in movimento è un'importante fonte di energia e le persone hanno sfruttato quell'energia nel corso dei secoli costruendo ruote idrauliche.

Erano comuni in Europa per tutto il Medioevo e venivano usati, tra le altre cose, per frantumare la roccia, azionare i mantici per le raffinerie di metalli e martellare le foglie di lino per trasformarle in carta. Le ruote idrauliche che macinavano il grano erano conosciute come mulini ad acqua, e poiché questa funzione era così onnipresente, le due parole divennero più o meno sinonimi.

La scoperta di Michael Faraday dell'induzione elettromagnetica ha aperto la strada all'invenzione del generatore di induzione che alla fine è arrivato a fornire elettricità al mondo intero. Un generatore a induzione converte l'energia meccanica in energia elettrica e l'acqua in movimento è una fonte economica e abbondante di energia meccanica. Era naturale, quindi, adattare i mulini ad acqua in generatori di energia idroelettrica.

Per capire come funziona un generatore di ruota idraulica, aiuta a comprendere i principi dell'induzione elettromagnetica. Una volta fatto, potresti provare a costruire il tuo mini generatore di ruota idraulica, usando il motore di un piccolo ventilatore elettrico o di un altro apparecchio.

Faraday (1791 - 1867) scoprì l'induzione avvolgendo più volte un filo conduttore attorno a un nucleo cilindrico per creare un solenoide. Ha collegato le estremità dei fili a un galvanometro, un dispositivo che misura la corrente (e il precursore del multimetro). Quando ha spostato un magnete permanente all'interno del solenoide, ha scoperto che il misuratore registrava corrente.

Faraday ha notato che la corrente cambiava direzione ogni volta che cambiava la direzione in cui stava spostando il magnete e la forza della corrente dipendeva dalla velocità con cui muoveva il magnete.

Queste osservazioni sono state successivamente formulate nella legge di Faraday, che mette in relazione E, la forza elettromotrice (fem) in un conduttore, nota anche come tensione, alla velocità di variazione del flusso magnetico.ϕvissuta dal conduttore. Questa relazione è solitamente scritta come segue:

​noè il numero di spire della bobina del conduttore. Il simbolo∆(delta) indica un cambiamento nella quantità che lo segue. Il segno meno indica che la direzione della forza elettromotrice è opposta alle direzioni del flusso magnetico.

La legge di Faraday non specifica se la bobina o il magnete debbano muoversi per indurre una corrente, e infatti poco importa. Uno di questi deve essere in movimento, tuttavia, perché il flusso magnetico, che è la parte del campo magnetico che passa perpendicolarmente attraverso il conduttore, deve cambiare. Nessuna corrente viene generata in un campo magnetico statico.

Un generatore di induzione di solito ha un magnete permanente rotante o una bobina conduttrice magnetizzata da una fonte di alimentazione esterna, chiamata rotore. Ruota liberamente su un albero a basso attrito (armatura) all'interno di una bobina, chiamata statore, e quando ruota genera una tensione nella bobina dello statore.

La tensione indotta cambia direzione ciclicamente ad ogni rotazione del rotore, quindi anche la corrente risultante cambia direzione. È noto come corrente alternata (AC).

In un mulino ad acqua, l'energia per far girare il rotore è fornita dall'acqua in movimento e, per quelli più semplici, è possibile utilizzare l'elettricità generata direttamente per alimentare luci ed elettrodomestici. Più spesso, tuttavia, il generatore è collegato alla rete elettrica e fornisce energia alla rete.

In questo scenario, il magnete permanente nel rotore viene spesso sostituito da un elettromagnete e la rete fornisce corrente alternata per magnetizzarlo. Per ottenere un'uscita netta dal generatore in questo scenario, il rotore deve girare a una frequenza maggiore di quella della potenza in ingresso.

Quando si sfrutta l'acqua per fare lavoro, si fa fondamentalmente affidamento sulla forza di gravità, che è ciò che fa scorrere l'acqua in primo luogo. La quantità di energia che puoi ricavare dall'acqua che cade dipende da quanta acqua sta cadendo e quanto velocemente. Otterrai più energia per unità d'acqua da una cascata che da un ruscello che scorre, e ovviamente otterrai più energia da un grande ruscello o cascata che da uno piccolo.

In generale, l'energia disponibile per compiere il lavoro di rotazione della ruota idraulica è data damgh, dove "m" è la massa dell'acqua, "h" è l'altezza attraverso la quale cade e "g" è l'accelerazione di gravità. Per massimizzare l'energia disponibile, la ruota idraulica dovrebbe trovarsi in fondo al pendio o alla cascata, il che massimizza la distanza che l'acqua deve cadere.

Non è necessario misurare la massa dell'acqua che scorre attraverso il torrente. Tutto quello che devi fare è stimare il volume. Poiché la densità dell'acqua è una quantità nota e la densità è uguale alla massa divisa per il volume, è facile effettuare la conversione.

Una ruota idraulica converte l'energia potenziale in un ruscello o cascata (mgh) in energia cinetica tangenziale nel punto in cui l'acqua entra in contatto con la ruota. Questo genera energia cinetica rotazionale, data daio ²/2, doveωè la velocità angolare della ruota eioè il momento d'inerzia. Il momento d'inerzia di un punto rotante attorno ad un asse centrale è proporzionale al quadrato del raggio di rotazioner​: (​io = mr²), dovemè la massa del punto.

Per ottimizzare la conversione dell'energia, si vuole massimizzare la velocità angolare,ω, ma per farlo, devi minimizzareio, che significa minimizzare il raggio di rotazione,r. Una ruota idraulica dovrebbe avere un raggio ridotto per garantire che ruoti abbastanza velocemente da generare una corrente netta. Ciò esclude i vecchi mulini a vento per i quali i Paesi Bassi sono famosi. Vanno bene per fare lavori meccanici, ma non per generare elettricità.

Uno dei primi generatori a induzione a ruota idraulica su larga scala, e il più noto, è entrato in funzione alle Cascate del Niagara, New York, nel 1895. Concepita da Nikola Tesla e finanziata e progettata da George Westinghouse, la centrale elettrica di Edward Dean Adams è stata la prima di una serie di impianti per fornire elettricità ai consumatori negli Stati Uniti.

L'attuale centrale elettrica è costruita circa un miglio a monte delle cascate del Niagara e riceve l'acqua attraverso un sistema di tubi. L'acqua scorre in un alloggiamento cilindrico in cui è montata una grande ruota idraulica. La forza dell'acqua fa girare la ruota, che a sua volta fa girare il rotore di un generatore più grande per produrre elettricità.

Il generatore della centrale elettrica di Adams utilizza 12 grandi magneti permanenti, ognuno dei quali produce un campo magnetico di circa 0,1 Tesla. Sono attaccati al rotore del generatore e ruotano all'interno di una grande bobina di filo. Il generatore produce circa 13.000 volt, e per farlo ci devono essere almeno 300 spire nella bobina. Circa 4.000 ampere di corrente alternata attraversano la bobina quando il generatore è in funzione.

Ci sono pochissime cascate al mondo delle dimensioni delle cascate del Niagara, motivo per cui le cascate del Niagara sono considerate una delle meraviglie naturali del mondo. Molte centrali idroelettriche sono costruite su dighe. Oggi, circa il 16% dell'elettricità mondiale è fornita da tali centrali idroelettriche, le più grandi delle quali si trovano in Cina, Brasile, Canada, Stati Uniti e Russia. L'impianto più grande è in Cina, ma quello che produce più elettricità è in Brasile.

Una volta costruita una diga, non ci sono più costi associati alla generazione di energia. ma ci sono alcuni costi per l'ambiente.

• La costruzione di una diga altera il flusso dei corsi d'acqua naturali e questo ha un impatto sulla vita di piante, animali e umani che si affidavano al flusso d'acqua naturale. La costruzione della diga delle Tre Gole in Cina ha comportato il trasferimento di 1,2 milioni di persone.
• Le dighe alterano i cicli di vita naturali dei pesci che vivono nei torrenti. Nel nord-ovest del Pacifico, le dighe hanno privato circa il 40 per cento di salmoni e trote irlandesi dei loro habitat naturali.
• L'acqua che proviene da una diga ha un livello ridotto di ossigeno disciolto e questo colpisce pesci, piante e fauna selvatica che dipendono dall'acqua.
• La produzione di energia idroelettrica è colpita dalla siccità. Quando l'acqua scarseggia, spesso è necessario interrompere la produzione di energia per preservare l'acqua presente.

Gli scienziati stanno cercando modi per mitigare gli svantaggi dei grandi impianti di produzione di energia. Una soluzione è quella di costruire sistemi di più piccoli che abbiano un minore impatto ambientale. Un altro è progettare valvole di aspirazione e turbine per garantire che l'acqua rilasciata dall'impianto sia adeguatamente ossigenata. Nonostante gli svantaggi, le dighe idroelettriche sono tra le fonti di elettricità più pulite ed economiche del pianeta.

Un buon modo per capire i principi della generazione di energia idroelettrica è costruire da soli un piccolo generatore elettrico. Puoi farlo con il motore di un ventilatore elettrico economico o di un altro apparecchio. Finché il rotore all'interno del motore utilizza un magnete permanente, il motore può essere utilizzato "al contrario" per generare elettricità. Il motore di una ventola o di un apparecchio molto vecchio è un candidato migliore rispetto a un motore di uno più recente, poiché i motori degli elettrodomestici più vecchi hanno maggiori probabilità di impiegare magneti permanenti.

Se usi un ventilatore, potresti essere in grado di realizzare questo progetto senza nemmeno smontarlo, perché le pale del ventilatore possono fungere da giranti. Tuttavia, non sono realmente progettati per questo, quindi potresti voler tagliarli e sostituirli con una ruota idraulica più efficiente che costruisci tu stesso. Se decidi di farlo, puoi usare il collare come base per la tua ruota idraulica migliorata, poiché è già attaccato all'albero del motore.

Per determinare se il tuo generatore di mini ruota idraulica sta effettivamente producendo elettricità, dovrai collegare un contatore attraverso la bobina di uscita. Questo è facile da fare se usi un vecchio ventilatore o apparecchio, perché ha una spina. Basta collegare le sonde di un multimetro ai poli della spina e impostare il misuratore per misurare la tensione CA (VAC). Se il motore che usi non ha una spina, basta collegare le sonde del misuratore ai fili attaccati alla bobina di uscita, che nella maggior parte dei casi sono gli unici due fili che troverai.

Puoi usare una fonte naturale di acqua che cade per questo progetto o puoi costruirne una tua. L'acqua che cade dal beccuccio della vasca da bagno dovrebbe generare energia sufficiente per produrre una corrente rilevabile. Se stai portando il tuo progetto sulla strada per mostrare ad altre persone, potresti voler versare acqua da una brocca o usare un tubo da giardino.