Kaip vandens malūnai gamina elektrą?

Judantis vanduo yra svarbus energijos šaltinis, ir žmonės visą amžių tą energiją panaudojo statydami vandens ratus.

Jie buvo paplitę Europoje per viduramžius ir buvo naudojami, be kita ko, smulkinti uolas, valdyti silfoną metalų perdirbimo įmonėms ir plaktukų linų lapams paversti juos popieriumi. Grūdus malę vandens ratai buvo žinomi kaip vandens malūnai, ir kadangi ši funkcija buvo visur paplitusi, šie du žodžiai tapo daugiau ar mažiau sinonimais.

Michaelo Faraday atradimas apie elektromagnetinę indukciją atvėrė kelią išradimui indukcijos generatorių, kuris galiausiai tiekė visą pasaulį elektra. Indukcinis generatorius mechaninę energiją paverčia elektros energija, o judantis vanduo yra pigus ir gausus mechaninės energijos šaltinis. Todėl buvo natūralu vandens malūnus pritaikyti hidroelektriniams.

Norint suprasti, kaip veikia vandens ratų generatorius, tai padeda suprasti elektromagnetinės indukcijos principus. Kai tai padarysite, galite pabandyti sukurti savo mini vandens ratų generatorių, naudodami variklį iš mažo elektrinio ventiliatoriaus ar kito prietaiso.

Faradėjus (1791 - 1867) atrado indukciją, kelis kartus apvyniodamas laidų laidą aplink cilindrinę šerdį, kad gautų solenoidą. Jis sujungė laidų galus su galvanometru, prietaisu, kuris matuoja srovę (ir multimetro pirmtaką). Pajudinęs nuolatinį magnetą solenoido viduje, jis nustatė, kad skaitiklis registravo srovę.

Faradėjus pažymėjo, kad srovė pakeitė kryptį, kai tik pakeitė magneto judėjimo kryptį, o srovės stiprumas priklausė nuo to, kaip greitai jis judino magnetą.

Šie pastebėjimai vėliau buvo suformuluoti į Faradėjaus dėsnį, kuris sieja laidininko, dar vadinamo įtampa, elektromotorinę jėgą (emf) su magnetinio srauto kitimo greičiu.ϕpatyrė dirigentas. Šis santykis paprastai rašomas taip:

​Nyra laidininko ritės posūkių skaičius. Simbolis∆(delta) rodo po jo einančio kiekio pokytį. Minuso ženklas rodo, kad elektromotorinės jėgos kryptis yra priešinga magnetinio srauto kryptims.

Faradėjaus įstatymas nenurodo, ar ritė, ar magnetas turi judėti, kad sukeltų srovę, ir iš tikrųjų tai nesvarbu. Tačiau vienas iš jų turi judėti, nes magnetinis srautas, kuris yra magnetinio lauko dalis, einanti statmenai laidininku, turi kisti. Statiniame magnetiniame lauke srovė nesusidaro.

Indukciniame generatoriuje paprastai yra besisukantis nuolatinis magnetas arba laidi ritė, įmagnetinta išoriniu energijos šaltiniu, vadinamu rotoriumi. Jis laisvai sukasi ant mažos trinties veleno (armatūros) ritės viduje, kuri vadinama statoriumi, o sukdamasi sukuria įtampą statoriaus ritėje.

Sukelta įtampa cikliškai keičiasi su kiekvienu rotoriaus sukimu, todėl gaunama srovė keičia ir kryptį. Tai žinoma kaip kintama srovė (AC).

Vandens malūne energija rotoriui sukti tiekiama iš judančio vandens, o paprastiems - pagamintą elektrą galima tiesiogiai naudoti žibintams ir prietaisams maitinti. Tačiau dažniau generatorius yra prijungtas prie elektros tinklo ir tiekia energiją atgal į tinklą.

Pagal šį scenarijų nuolatinis magnetas rotoriuje dažnai pakeičiamas elektromagnetu, o tinklelis jį įmagnetina tiekia kintamą srovę. Norėdami gauti neto generatoriaus išėjimą pagal šį scenarijų, rotorius turi sukti dažnį, didesnį už gaunamos galios dažnį.

Kai naudojate vandenį darbui atlikti, iš esmės remiatės gravitacijos jėga, kuri pirmiausia priverčia vandenį tekėti. Energijos kiekis, kurį galite gauti krentant vandeniui, priklauso nuo to, kiek vandens krinta ir kaip greitai. Iš krioklio gausite daugiau energijos vienam vandens vienetui nei iš tekančio upelio, be abejo, gausite daugiau energijos iš didelio srauto ar krioklio nei iš mažo.

Apskritai energiją, kurią galima atlikti vandens rato sukimo darbams atlikti, suteikiamgh, kur „m“ yra vandens masė, „h“ yra aukštis, per kurį jis krinta, o „g“ - pagreitis dėl sunkio jėgos. Norėdami maksimaliai išnaudoti turimą energiją, vandens ratas turėtų būti šlaito ar krioklio apačioje, o tai maksimaliai padidina vandens kritimo atstumą.

Jums nereikia matuoti upeliu tekančio vandens masės. Jums tereikia įvertinti apimtį. Kadangi vandens tankis yra žinomas kiekis, o tankis yra lygus masės dalijimui iš tūrio, konversiją lengva atlikti.

Vandens ratas paverčia potencialią energiją tekančia srove ar kriokliu (mgh) į tangentinę kinetinę energiją taške, kuriame vanduo liečiasi su ratu. Tai sukuria sukimosi kinetinę energiją, kurią suteikiaAš ω ²/2, kurωyra rato kampinis greitis irAšyra inercijos momentas. Aplink centrinę ašį besisukančio taško inercijos momentas yra proporcingas sukimosi spindulio kvadratuir​: (​Aš = p²), kurmyra taško masė.

Norėdami optimizuoti energijos konversiją, norite maksimaliai padidinti kampinį greitį,ω, bet norint tai padaryti, reikia sumažintiAš, o tai reiškia sukimosi spindulio sumažinimą iki minimumo,r. Vandens rato spindulys turėtų būti mažas, kad jis suktųsi pakankamai greitai, kad sukurtų grynąją srovę. Tai palieka senus vėjo malūnus, kuriais garsėja Nyderlandai. Jie yra tinkami dirbti mechaninį darbą, bet ne elektrai gaminti.

Vienas pirmųjų didelio masto vandens ratų indukcinių generatorių ir geriausiai žinomas internete pasirodė Niagaros krioklyje, Niujorke, 1895 m. Nikola Tesla sumanyta ir George'o Westinghouse finansuota bei suprojektuota Edwardo Deano Adamso elektrinė buvo pirmoji iš kelių elektrinių, tiekiančių elektrą JAV vartotojams.

Tikroji elektrinė yra pastatyta maždaug už mylios prieš Niagaros krioklį ir gauna vandenį per vamzdžių sistemą. Vanduo teka į cilindrinį korpusą, kuriame sumontuotas didelis vandens ratas. Vandens jėga sukasi ratą, o ji savo ruožtu suka didesnio generatoriaus rotorių, kad pagamintų elektrą.

Adamso elektrinės generatoriuje naudojami 12 didelių nuolatinių magnetų, kurių kiekvienas sukuria apie 0,1 Tesla magnetinį lauką. Jie pritvirtinti prie generatoriaus rotoriaus ir sukasi didelės vielos ritės viduje. Generatorius sukuria apie 13 000 voltų, o tai padaryti ritėje turi būti bent 300 apsisukimų. Apie 4000 amperų kintamosios srovės elektros kursų per ritę, kai veikia generatorius.

Pasaulyje yra labai mažai Niagaros krioklio dydžio krioklių, todėl Niagaros kriokliai laikomi vienu iš gamtos stebuklų. Daugelis hidroelektrinių stočių pastatytos ant užtvankų. Šiandien maždaug 16 procentų visos pasaulio elektros energijos tiekia tokios hidroelektrinės, iš kurių didžiausios yra Kinijoje, Brazilijoje, Kanadoje, JAV ir Rusijoje. Didžiausia gamykla yra Kinijoje, tačiau daugiausia elektros gamina Brazilijoje.

Pastačius užtvanką, nebėra jokių išlaidų, susijusių su elektros gamyba. tačiau yra tam tikrų išlaidų aplinkai.

• Pastačius užtvanką, pasikeičia natūralių vandens kelių srautas, ir tai turi įtakos natūraliam vandens srautui pasikliovusių augalų, gyvūnų ir žmonių gyvenimams. Kinijoje pastačius Trijų tarpeklių užtvanką, perkelta 1,2 mln.
• Užtvankos keičia natūralius upeliuose gyvenančių žuvų gyvenimo ciklus. Ramiojo vandenyno šiaurės vakaruose užtvankos iš natūralių buveinių atėmė maždaug 40 proc. Lašišos ir plieninių galvučių.
• Iš užtvankos gaunamame vandenyje yra sumažėjęs ištirpusio deguonies kiekis, ir tai veikia žuvis, augalus ir laukinius gyvūnus, kurie priklauso nuo vandens.
• Hidroenergijos gamybą veikia sausra. Kai vandens trūksta, dažnai reikia nutraukti energijos gamybą, kad būtų išsaugotas vanduo.

Mokslininkai ieško būdų, kaip sušvelninti didelių jėgainių jėgainių trūkumus. Vienas iš sprendimų yra sukurti mažesnių sistemų, turinčių mažesnį poveikį aplinkai, sistemas. Kitas dalykas yra suprojektuoti įleidimo vožtuvus ir turbinas, kad būtų užtikrinta, jog iš gamyklos išsiskiriantis vanduo būtų tinkamai aprūpintas deguonimi. Nors ir turint trūkumų, hidroelektrinės užtvankos yra vieni švariausių ir pigiausių elektros energijos šaltinių planetoje.

Geras būdas padėti suprasti hidroelektrinės gamybos principus yra pats pastatyti mažą elektros generatorių. Tai galite padaryti su varikliu iš nebrangaus elektrinio ventiliatoriaus ar kito prietaiso. Kol variklio viduje esantis rotorius naudoja nuolatinį magnetą, variklis gali būti naudojamas "atvirkščiai" elektros energijai gaminti. Labai seno ventiliatoriaus ar prietaiso variklis yra geresnis kandidatas nei naujesnio, nes senesnių prietaisų varikliuose dažniausiai naudojami nuolatiniai magnetai.

Jei naudosite ventiliatorių, galbūt galėsite įgyvendinti šį projektą jo net neišardydami, nes ventiliatoriaus mentės gali veikti kaip sparnuotės. Tačiau jie tikrai nėra tam skirti, todėl galbūt norėsite juos nupjauti ir pakeisti efektyvesniu vandens ratu, kurį patys sukonstruojate. Jei nuspręsite tai padaryti, galite naudoti apykaklę kaip patobulinto vandens rato pagrindą, nes jis jau pritvirtintas prie variklio veleno.

Norėdami nustatyti, ar jūsų mini vandens ratų generatorius iš tikrųjų gamina elektrą, per išvesties ritę turėsite prijungti skaitiklį. Tai lengva padaryti, jei naudojate seną ventiliatorių ar prietaisą, nes jis turi kištuką. Tiesiog prijunkite multimetro zondus prie kištukinių kamščių ir nustatykite matuoklį matuoti kintamą įtampą (VAC). Jei naudojamame variklyje nėra kištuko, tiesiog prijunkite skaitiklio zondus prie laidų, pritvirtintų prie išėjimo ritės, kurie dažniausiai yra vieninteliai du laidai.

Šiam projektui galite naudoti natūralų krintančio vandens šaltinį arba susikurti savo. Vanduo, krentantis nuo jūsų vonios snapelio, turėtų generuoti pakankamai energijos, kad būtų sukurta aptikta srovė. Jei imatės savo projekto, kad parodytumėte kitiems žmonėms, galbūt norėsite pilti vandenį iš ąsočio arba naudoti sodo žarną.