איך טחנות מים מייצרות חשמל?

העברת מים היא מקור אנרגיה חשוב, ואנשים רתמו אנרגיה זו לאורך הדורות על ידי בניית גלגלי מים.

הם היו נפוצים באירופה לאורך ימי הביניים והיו רגילים בין היתר לריסוק סלעים, הפעלת מפוח לבתי זיקוק מתכתיים ופטיש עלי פשתן כדי להפוך אותם לנייר. גלגלי מים שטחנו תבואה היו ידועים כטחנות מים, ומכיוון שפונקציה זו הייתה כל כך קיימת, שתי המילים הפכו פחות או יותר שם נרדף.

התגלית של מייקל פאראדיי על אינדוקציה אלקטרומגנטית סללה את הדרך להמצאתו של מחולל האינדוקציה שבסופו של דבר סיפק חשמל לכל העולם. מחולל אינדוקציה ממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית, ומים נעים הם מקור זול ושופע של אנרגיה מכנית. זה היה טבעי, אם כן, להתאים טחנות מים למחוללי כוח הידרואלקטריים.

כדי להבין כיצד פועל מחולל גלגלי מים, זה עוזר להבין את עקרונות האינדוקציה האלקטרומגנטית. לאחר שתעשה זאת, תוכל לנסות לבנות גנרטור גלגל מים מיני משלך באמצעות מנוע ממאוורר חשמלי קטן או מכשיר אחר.

פאראדיי (1791 - 1867) גילה אינדוקציה על ידי כריכת חוט הולכה מספר פעמים סביב ליבה גלילית ליצירת סולנואיד. הוא חיבר את קצות החוטים לגלוונומטר, מכשיר שמודד את הזרם (ואת קודמו למולטימטר). כשהעביר מגנט קבוע בתוך הסולנואיד, הוא גילה שהמטר רשם זרם.

פאראדיי ציין כי הזרם שינה כיוון בכל פעם שהוא שינה את הכיוון בו הוא מזיז את המגנט, ועוצמת הזרם תלויה כמה מהר הוא מזיז את המגנט.

תצפיות אלה נוסחו מאוחר יותר בחוק פאראדיי, המתייחס ל- E, הכוח האלקטרו-מנוע (EMF) במוליך, המכונה גם מתח, לקצב השינוי של השטף המגנטי.ϕמנוסה על ידי המנצח. קשר זה נכתב בדרך כלל באופן הבא:

​נהוא מספר הסיבובים בסליל המוליך. הסמל∆(דלתא) מציין שינוי בכמות העוקבת אחריו. סימן המינוס מציין כי כיוון הכוח האלקטרו-מנוע מנוגד לכיווני השטף המגנטי.

החוק של פאראדיי לא מציין אם הסליל או המגנט צריכים לנוע כדי לגרום לזרם, ולמעשה זה לא משנה. אולם אחד מהם צריך לנוע מכיוון שהשטף המגנטי, שהוא החלק של השדה המגנטי העובר בניצב במוליך, חייב להשתנות. לא נוצר זרם בשדה מגנטי סטטי.

לגנרטור אינדוקציה יש בדרך כלל מגנט קבוע מסתובב או סליל מוליך הממוגנט על ידי מקור כוח חיצוני, הנקרא רוטור. הוא מסתובב בחופשיות על פיר (אבזור) בעל חיכוך נמוך בתוך סליל, הנקרא סטאטור, וכאשר הוא מסתובב, הוא מייצר מתח בסליל הסטטור.

המתח המושרה משנה כיוון באופן מחזורי עם כל סיבוב של הרוטור, כך שהזרם שנוצר גם משנה כיוון. זה מכונה זרם חילופין (AC).

בטחנת מים האנרגיה לסובב את הרוטור מסופקת על ידי מים נעים, ועבור פשוטים אפשר להשתמש בחשמל הנוצר ישירות להפעלת אורות ומכשירים. אולם לעתים קרובות יותר הגנרטור מחובר לרשת החשמל ומספק חשמל בחזרה לרשת.

בתרחיש זה, המגנט הקבוע ברוטור מוחלף לעיתים קרובות באמצעות אלקטרומגנט, והרשת מספקת זרם זרם זרם כדי למגנט אותו. כדי לקבל תפוקה נטו מהגנרטור בתרחיש זה, הרוטור חייב להסתובב בתדר גדול מזה של ההספק הנכנס.

כשאתם רותמים מים לעבודה, אתם בעצם מסתמכים על כוח הכבידה, וזה מה שגורם למים לזרום מלכתחילה. כמות האנרגיה שאתה יכול להפיק מנפילת מים תלויה בכמות המים שנופלים ובמהירות. תקבל יותר אנרגיה ליחידת מים ממפל ממה שאתה מקבל מנחל זורם, וברור שתקבל יותר אנרגיה מנחל גדול או מפל ממה שאתה מקבל מנחל קטן.

באופן כללי, האנרגיה הזמינה לבצע את עבודת סיבוב גלגל המים ניתנת על ידיmgh, כאשר "m" הוא מסת המים, "h" הוא הגובה דרכו הם נופלים ו- "g" הוא התאוצה הנובעת מכוח המשיכה. כדי למקסם את האנרגיה הזמינה, גלגל המים צריך להיות בתחתית המדרון או המפל, מה שממקסם את המרחק שיש למים ליפול.

אינך צריך למדוד את מסת המים הזורמת בנחל. כל שעליך לעשות הוא לאמוד את עוצמת הקול. מכיוון שצפיפות המים היא כמות ידועה, והצפיפות שווה למסה מחולקת בנפח, קל לבצע את ההמרה.

גלגל מים ממיר את האנרגיה הפוטנציאלית בזרם או במפל זורם (mgh) לאנרגיה קינטית משיקה בנקודה בה המים יוצרים קשר עם הגלגל. זה מייצר אנרגיה קינטית סיבובית, הניתנת על ידיאני ω ²/2, איפהωהוא המהירות הזוויתית של הגלגל ו-אניהוא רגע האינרציה. רגע האינרציה של נקודה המסתובבת סביב ציר מרכזי הוא פרופורציונלי לריבוע רדיוס הסיבובר​: (​אני = מר²), איפהMהוא המסה של הנקודה.

כדי לייעל את המרת האנרגיה, אתה רוצה למקסם את המהירות הזוויתית,ωאבל כדי לעשות זאת, עליך למזעראני, כלומר למזער את רדיוס הסיבוב,ר. גלגל מים צריך להיות בעל רדיוס קטן כדי להבטיח שהוא מסתובב מספיק מהר כדי לייצר זרם נטו. זה משאיר את טחנות הרוח הישנות בהן הולנד מפורסמת. הם טובים לעבודה מכנית, אך לא לייצור חשמל.

אחד המחוללים הראשונים הגדולים להשראת גלגלי מים, והידוע ביותר, עלה לרשת במפלי הניאגרה, ניו יורק, בשנת 1895. תחנת הכוח אדוארד דין אדמס, שהוקמה על ידי ניקולה טסלה ומומנה ותוכננה על ידי ג'ורג 'ווסטינגהאוס, הייתה הראשונה מבין כמה מפעלים שסיפקו חשמל לצרכנים בארצות הברית.

תחנת הכוח בפועל בנויה כקילומטר במעלה הנחל מפלי הניאגרה ומקבלת מים דרך מערכת צינורות. המים זורמים לתוך בית גלילי בו מותקן גלגל מים גדול. כוח המים מסובב את הגלגל, וזה בתורו מסובב את הרוטור של גנרטור גדול יותר כדי לייצר חשמל.

הגנרטור בתחנת הכוח אדאמס משתמש ב -12 מגנטים קבועים גדולים שכל אחד מהם מייצר שדה מגנטי של כ 0.1 טסלה. הם מחוברים לרוטור הגנרטור ומסתובבים בתוך סליל חוט גדול. הגנרטור מייצר כ- 13,000 וולט, וכדי לעשות זאת חייבים להיות לפחות 300 סיבובים בסליל. כ -4,000 אמפר של מסלולי חשמל AC דרך הסליל כאשר הגנרטור פועל.

ישנם מעט מאוד מפלים בעולם בגודל מפלי הניאגרה, ולכן מפלי הניאגרה נחשבים לאחד מפלאי הטבע בעולם. תחנות ייצור הידרואלקטריות רבות בנויות על סכרים. כיום, כ -16% מהחשמל בעולם מסופק על ידי תחנות הידרואלקטריות כאלה, הגדולה שבהן בסין, ברזיל, קנדה, ארצות הברית ורוסיה. המפעל הגדול ביותר נמצא בסין, אך מי שמייצר הכי הרבה חשמל הוא בברזיל.

לאחר שנבנה סכר, אין עלויות נוספות הקשורות לייצור חשמל. אבל יש כמה עלויות לסביבה.

• בניית סכר משנה את זרימת נתיבי המים הטבעיים, ויש לכך השפעה על חייהם של צמחים, בעלי חיים ובני אדם שהסתמכו על זרימת המים הטבעית. הקמת סכר שלושת הערוצים בסין כללה העברה של 1.2 מיליון בני אדם.
• סכרים משנים את מחזורי החיים הטבעיים של דגים החיים בנחלים. בצפון מערב האוקיאנוס השקט, סכרים שללו את הערכותם של כ 40 אחוזים מהסלמון ומראש הפלדה מבית הגידול הטבעי שלהם.
• במים שמקורם בסכר יש רמה מופחתת של חמצן מומס, וזה משפיע על דגים, צמחים וחיות בר שתלויים במים.
• ייצור אנרגיה מימית מושפע מבצורת. כאשר המים נגמרים, לעתים קרובות יש צורך להפסיק את ייצור החשמל כדי לשמר את המים שיש.

מדענים בוחנים דרכים למתן את החסרונות של מפעלי ייצור חשמל גדולים. אחד הפתרונות הוא בניית מערכות קטנות יותר בעלות השפעה פחותה על הסביבה. דבר נוסף הוא תכנון שסתומי כניסה וטורבינות כדי להבטיח שהמים המשתחררים מהצמח מחומצנים כהלכה. גם עם חסרונות, סכרים הידרואלקטריים הם בין מקורות החשמל הנקיים והזולים ביותר על פני כדור הארץ.

דרך טובה לעזור לעצמך להבין את העקרונות בייצור חשמל הידרואלקטרי היא לבנות גנרטור חשמלי קטן בעצמך. אתה יכול לעשות זאת עם המנוע ממאוורר חשמלי זול או ממכשיר אחר. כל עוד הרוטור שבתוך המנוע משתמש במגנט קבוע, ניתן להשתמש במנוע "ברוורס" לייצור חשמל. המנוע ממאוורר או מכשיר ישן מאוד הוא מועמד טוב יותר מאשר מנוע ממנוע חדש יותר, מכיוון שמנועי מכשיר ישנים נוטים יותר להשתמש במגנטים קבועים.

אם אתה משתמש במאוורר, ייתכן שתוכל לבצע את הפרויקט הזה אפילו בלי לפרק אותו, כי להבי המאוורר יכולים לשמש כמגזים. עם זאת, הם לא באמת מתוכננים לכך, אז אולי כדאי לך לנתק אותם ולהחליף אותם בגלגל מים יעיל יותר שאתה בונה בעצמך. אם תחליט לעשות זאת, תוכל להשתמש בצווארון כבסיס לגלגל המים המשופר שלך, מכיוון שהוא כבר מחובר לפיר המנוע.

כדי לקבוע אם מחולל גלגלי המים המיני שלך אכן מייצר חשמל, יהיה עליך לחבר מטר על סליל היציאה. קל לעשות זאת אם אתה משתמש במאוורר ישן או במכשיר, מכיוון שיש לו תקע. פשוט חבר את הגששים של המולטימטר לשקעי התקע והגדר את המונה למדוד מתח AC (VAC). אם למנוע שבו אתה משתמש אין תקע, פשוט חבר את חיישני המונה לחוטים המחוברים לסליל היציאה, שברוב המקרים הם שני החוטים היחידים שתמצא.

אתה יכול להשתמש במקור טבעי של נפילת מים לפרויקט זה, או לבנות משלך. המים הנופלים מהזרבוב של האמבטיה שלך צריכים לייצר מספיק אנרגיה כדי לייצר זרם הניתן לזיהוי. אם אתה לוקח את הפרויקט שלך לדרך כדי להראות לאנשים אחרים, כדאי לך לשפוך מים מכד או להשתמש בצינור גינה.