Hoe maken watermolens elektriciteit?

Bewegend water is een belangrijke energiebron en mensen hebben die energie door de eeuwen heen benut door waterraderen te bouwen.

Ze waren in de middeleeuwen gebruikelijk in Europa en werden onder meer gebruikt om steen te pletten, balgen voor metaalraffinaderijen te bedienen en vlasbladeren te hameren om er papier van te maken. Waterraderen die graan maalden, stonden bekend als watermolens, en omdat deze functie zo alomtegenwoordig was, werden de twee woorden min of meer synoniem.

Michael Faraday's ontdekking van elektromagnetische inductie maakte de weg vrij voor de uitvinding van de inductiegenerator die uiteindelijk de hele wereld van elektriciteit zou gaan voorzien. Een inductiegenerator zet mechanische energie om in elektrische energie, en bewegend water is een goedkope en overvloedige bron van mechanische energie. Het was daarom natuurlijk om watermolens om te zetten in waterkrachtgeneratoren.

Om te begrijpen hoe een waterradgenerator werkt, helpt het om de principes van elektromagnetische inductie te begrijpen. Als je dat eenmaal hebt gedaan, kun je proberen je eigen mini-waterwielgenerator te bouwen, met behulp van de motor van een kleine elektrische ventilator of een ander apparaat.

Faraday (1791 - 1867) ontdekte inductie door een geleidingsdraad meerdere keren om een ​​cilindrische kern te wikkelen om een ​​solenoïde te maken. Hij verbond de uiteinden van de draden met een galvanometer, een apparaat dat stroom meet (en de voorloper van de multimeter). Toen hij een permanente magneet in de solenoïde bewoog, ontdekte hij dat de meter stroom registreerde.

Faraday merkte op dat de stroom van richting veranderde wanneer hij de richting veranderde waarin hij de magneet bewoog, en de sterkte van de stroom hing af van hoe snel hij de magneet bewoog.

Deze waarnemingen werden later geformuleerd in de wet van Faraday, die E, de elektromotorische kracht (emf) in een geleider, ook bekend als spanning, relateert aan de snelheid van verandering van magnetische fluxϕervaren door de dirigent. Deze relatie wordt meestal als volgt geschreven:

​neeis het aantal windingen in de geleiderspoel. Het symbool∆(delta) geeft een verandering aan in de hoeveelheid die erop volgt. Het minteken geeft aan dat de richting van de elektromotorische kracht tegengesteld is aan de richtingen van de magnetische flux.

De wet van Faraday specificeert niet of de spoel of de magneet moet bewegen om een ​​stroom te induceren, en in feite maakt het niet uit. Een ervan moet echter in beweging zijn, omdat de magnetische flux, het deel van het magnetische veld dat loodrecht door de geleider gaat, moet veranderen. In een statisch magnetisch veld wordt geen stroom opgewekt.

Een inductiegenerator heeft meestal een draaiende permanente magneet of een geleidende spoel die wordt gemagnetiseerd door een externe stroombron, de rotor genoemd. Het draait vrij rond op een wrijvingsarme as (anker) in een spoel, die de stator wordt genoemd, en wanneer het draait, genereert het een spanning in de statorspoel.

De geïnduceerde spanning verandert cyclisch van richting met elke draai van de rotor, dus de resulterende stroom verandert ook van richting. Het staat bekend als wisselstroom (AC).

In een watermolen wordt de energie om de rotor te laten draaien geleverd door bewegend water, en voor eenvoudige molens is het mogelijk om de opgewekte elektriciteit rechtstreeks te gebruiken om lampen en apparaten van stroom te voorzien. Vaker echter is de generator aangesloten op het elektriciteitsnet en levert deze stroom terug aan het net.

In dit scenario wordt de permanente magneet in de rotor vaak vervangen door een elektromagneet en levert het net wisselstroom om deze te magnetiseren. Om in dit scenario een netto-output van de generator te krijgen, moet de rotor een frequentie draaien die groter is dan die van het inkomende vermogen.

Wanneer u water gebruikt om werk te doen, vertrouwt u in feite op de zwaartekracht, wat het water in de eerste plaats laat stromen. De hoeveelheid energie die u uit vallend water kunt halen, hangt af van hoeveel water er valt en hoe snel. Je krijgt meer energie per eenheid water van een waterval dan van een stromende beek, en je krijgt natuurlijk meer energie van een grote beek of waterval dan van een kleine.

Over het algemeen wordt de energie die beschikbaar is om het werk van het draaien van het waterrad te doen, gegeven door:mgh, waarbij "m" de massa van het water is, "h" de hoogte is waardoor het valt en "g" de versnelling door de zwaartekracht is. Om de beschikbare energie te maximaliseren, moet het waterrad zich onderaan de helling of waterval bevinden, waardoor de afstand die het water moet afleggen zo groot mogelijk is.

U hoeft de massa van het water dat door de beek stroomt niet te meten. Het enige wat u hoeft te doen is het volume inschatten. Omdat de dichtheid van water een bekende hoeveelheid is en de dichtheid gelijk is aan de massa gedeeld door het volume, is het gemakkelijk om de conversie uit te voeren.

Een waterrad zet de potentiële energie om in een stromende beek of waterval (mgh) in tangentiële kinetische energie op het punt waar het water contact maakt met het wiel. Dit genereert kinetische rotatie-energie, gegeven doorik ²/2, waarωis de hoeksnelheid van het wiel enikis het traagheidsmoment. Het traagheidsmoment van een punt dat rond een centrale as roteert, is evenredig met het kwadraat van de rotatiestraalr​: (​ik = mr²), waar?mis de massa van het punt.

Om de omzetting van energie te optimaliseren, wil je de hoeksnelheid maximaliseren,ω, maar om dat te doen, moet je minimaliserenik, wat betekent dat de rotatiestraal wordt geminimaliseerd,r. Een waterrad moet een kleine straal hebben om ervoor te zorgen dat het snel genoeg draait om een ​​netto stroom te genereren. Dan zijn de oude molens waar Nederland bekend om staat buiten beschouwing gelaten. Ze zijn goed voor mechanisch werk, maar niet voor het opwekken van elektriciteit.

Een van de eerste grootschalige inductiegeneratoren met waterrad, en de bekendste, kwam in 1895 online bij Niagara Falls, New York. De elektriciteitscentrale van Edward Dean Adams, bedacht door Nikola Tesla en gefinancierd en ontworpen door George Westinghouse, was de eerste van een aantal centrales die elektriciteit leverde aan consumenten in de Verenigde Staten.

De eigenlijke energiecentrale is ongeveer anderhalve kilometer stroomopwaarts van de Niagara-watervallen gebouwd en krijgt water via een systeem van leidingen. Het water stroomt in een cilindrische behuizing waarin een groot waterrad is gemonteerd. De kracht van het water laat het wiel draaien, en het laat op zijn beurt de rotor van een grotere generator draaien om elektriciteit te produceren.

De generator in de Adams-krachtcentrale maakt gebruik van 12 grote permanente magneten, die elk een magnetisch veld van ongeveer 0,1 Tesla produceren. Ze zijn bevestigd aan de rotor van de generator en draaien in een grote draadspoel. De generator levert zo'n 13.000 volt en daarvoor moeten er minimaal 300 windingen in de spoel zitten. Ongeveer 4.000 ampère AC-elektriciteit stroomt door de spoel wanneer de generator draait.

Er zijn maar heel weinig watervallen ter wereld zo groot als de Niagarawatervallen, daarom wordt de Niagarawaterval beschouwd als een van 's werelds natuurlijke wonderen. Veel waterkrachtcentrales zijn op dammen gebouwd. Tegenwoordig wordt ongeveer 16 procent van de elektriciteit in de wereld geleverd door dergelijke waterkrachtcentrales, waarvan de grootste zich in China, Brazilië, Canada, de Verenigde Staten en Rusland bevinden. De grootste fabriek staat in China, maar degene die de meeste elektriciteit produceert, staat in Brazilië.

Als een dam eenmaal is gebouwd, zijn er geen kosten meer verbonden aan de opwekking van energie. maar er zijn enkele kosten voor het milieu.

• De bouw van een dam verandert de stroom van natuurlijke waterwegen, en dit heeft een impact op het leven van planten, dieren en mensen die afhankelijk waren van de natuurlijke waterstroom. Bij de bouw van de Drieklovendam in China moesten 1,2 miljoen mensen verhuizen.
• Dammen veranderen de natuurlijke levenscyclus van vissen die in de beken leven. In de Pacific Northwest hebben dammen naar schatting 40 procent van de zalm en steelhead beroofd van hun natuurlijke habitat.
• Water dat uit een dam komt, heeft een verlaagd gehalte aan opgeloste zuurstof, en dit beïnvloedt vissen, planten en dieren in het wild die afhankelijk zijn van het water.
• De productie van waterkracht wordt beïnvloed door droogte. Als het water bijna op is, is het vaak nodig om de elektriciteitsproductie stop te zetten om het beschikbare water te behouden.

Wetenschappers zijn op zoek naar manieren om de nadelen van grote elektriciteitscentrales te verminderen. Een oplossing is om kleinere systemen te bouwen die minder impact hebben op het milieu. Een andere is het ontwerpen van inlaatkleppen en turbines om ervoor te zorgen dat het water dat vrijkomt uit de plant op de juiste manier wordt geoxygeneerd. Zelfs met nadelen behoren hydro-elektrische dammen tot de schoonste, goedkoopste bronnen van elektriciteit ter wereld.

Een goede manier om uzelf te helpen de principes van de opwekking van waterkracht te begrijpen, is door zelf een kleine elektrische generator te bouwen. U kunt dit doen met de motor van een goedkope elektrische ventilator of ander apparaat. Zolang de rotor in de motor een permanente magneet gebruikt, kan de motor "omgekeerd" worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. De motor van een heel oude ventilator of een heel oud apparaat is een betere kandidaat dan een motor van een nieuwere, omdat motoren van oudere apparaten vaker permanente magneten gebruiken.

Als u een ventilator gebruikt, kunt u dit project mogelijk uitvoeren zonder deze zelfs maar te demonteren, omdat de ventilatorbladen als waaiers kunnen fungeren. Ze zijn hier echter niet echt voor ontworpen, dus misschien wilt u ze afknippen en vervangen door een efficiënter waterrad dat u zelf bouwt. Als u besluit dit te doen, kunt u de kraag gebruiken als basis voor uw verbeterde waterrad, omdat het al aan de motoras is bevestigd.

Om te bepalen of uw mini-waterradgenerator daadwerkelijk elektriciteit produceert, moet u een meter over de uitgangsspoel aansluiten. Dit is gemakkelijk te doen als je een oude ventilator of apparaat gebruikt, omdat deze een stekker heeft. Sluit gewoon de sondes van een multimeter aan op de stekkerpennen en stel de meter in om wisselspanning (VAC) te meten. Als de motor die u gebruikt geen stekker heeft, sluit u de metersondes gewoon aan op de draden die aan de uitgangsspoel zijn bevestigd, wat in de meeste gevallen de enige twee draden zijn die u zult vinden.

Je kunt voor dit project een natuurlijke bron van vallend water gebruiken of je kunt er zelf een bouwen. Het water dat uit de tuit van uw badkuip valt, moet voldoende energie opwekken om een ​​waarneembare stroom te produceren. Als je met je project op pad gaat om het aan andere mensen te laten zien, wil je misschien water uit een kan gieten of een tuinslang gebruiken.