Hvordan lager vannmøller strøm?

Å flytte vann er en viktig energikilde, og folk har utnyttet den energien gjennom tidene ved å bygge vannhjul.

De var vanlige i Europa gjennom middelalderen og ble vant til blant annet å knuse stein, bruke belger for metallraffinaderier og hamre linblader for å gjøre dem til papir. Vannhjul som malte korn var kjent som vannmøller, og fordi denne funksjonen var så allestedsnærværende, ble de to ordene mer eller mindre synonyme.

Michael Faradays oppdagelse av elektromagnetisk induksjon banet vei for oppfinnelsen av induksjonsgeneratoren som til slutt kom til å forsyne hele verden med strøm. En induksjonsgenerator konverterer mekanisk energi til elektrisk energi, og bevegelig vann er en billig og rikelig kilde til mekanisk energi. Det var derfor naturlig å tilpasse vannmøller til vannkraftgeneratorer.

For å forstå hvordan en vannhjulgenerator fungerer, hjelper det å forstå prinsippene for elektromagnetisk induksjon. Når du har gjort det, kan du prøve å bygge din egen mini vannhjulgenerator ved å bruke motoren fra en liten elektrisk vifte eller annet apparat.

Faraday (1791 - 1867) oppdaget induksjon ved å vikle en ledningstråd flere ganger rundt en sylindrisk kjerne for å lage en solenoid. Han koblet endene til ledningene til et galvanometer, en enhet som måler strøm (og forløperen til multimeteret). Da han flyttet en permanent magnet inne i solenoiden, fant han ut at måleren registrerte strøm.

Faraday bemerket at strømmen endret retning når han endret retningen han beveget magneten, og styrken på strømmen var avhengig av hvor raskt han beveget magneten.

Disse observasjonene ble senere formulert i Faradays lov, som relaterer E, den elektromotoriske kraften (emf) i en leder, også kjent som spenning, til endringshastigheten for magnetisk strømningϕopplevd av dirigenten. Dette forholdet er vanligvis skrevet som følger:

​Ner antall omdreininger i lederspolen. Symbolet∆(delta) indikerer en endring i mengden som følger den. Minustegnet indikerer at retningen til den elektromotoriske kraften er motsatt retningene til den magnetiske strømmen.

Faradays lov spesifiserer ikke om spolen eller magneten må bevege seg for å indusere en strøm, og faktisk spiller det ingen rolle. En av dem må imidlertid bevege seg, fordi magnetstrømmen, som er den delen av magnetfeltet som går vinkelrett gjennom lederen, må endres. Ingen strøm genereres i et statisk magnetfelt.

En induksjonsgenerator har vanligvis en roterende permanentmagnet eller en ledende spole magnetisert av en ekstern strømkilde, kalt rotoren. Den spinner fritt på en lavfriksjonsaksel (anker) inne i en spole, som kalles statoren, og når den spinner, genererer den en spenning i statorspolen.

Den induserte spenningen endrer retning syklisk med hvert rotasjon av rotoren, slik at den resulterende strømmen også endrer retning. Det er kjent som vekselstrøm (AC).

I en vannmølle tilføres energien til å rotere rotoren ved å bevege vann, og for enkle er det mulig å bruke den genererte strømmen direkte til å drive lys og apparater. Oftere er generatoren imidlertid koblet til strømnettet og leverer strøm tilbake til nettet.

I dette scenariet blir den permanente magneten i rotoren ofte erstattet av en elektromagnet, og rutenettet forsyner vekselstrøm for å magnetisere den. For å få et nettoutgang fra generatoren i dette scenariet, må rotoren spinne en frekvens som er større enn den for den innkommende effekten.

Når du bruker vann til å jobbe, stoler du i utgangspunktet på tyngdekraften, og det er det som får vann til å strømme i utgangspunktet. Mengden energi du kan få fra fallende vann, avhenger av hvor mye vann som faller og hvor raskt. Du får mer energi per enhet vann fra en foss enn du får fra en strømme, og du får åpenbart mer energi fra en stor strøm eller foss enn du vil fra en liten strøm.

Generelt er energien som er tilgjengelig for å gjøre arbeidet med å vri på vannhjulet gitt avmgh, hvor "m" er vannmassen, "h" er høyden det faller gjennom og "g" er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften. For å maksimere tilgjengelig energi, bør vannhjulet være i bunnen av skråningen eller fossen, noe som maksimerer avstanden vannet har å falle.

Du trenger ikke å måle massen av vannet som strømmer gjennom bekken. Alt du trenger å gjøre er å estimere volumet. Fordi tettheten av vann er en kjent mengde, og tettheten er lik massen delt på volum, er det enkelt å gjøre konverteringen.

Et vannhjul konverterer den potensielle energien i en strøm eller strøm (mgh) til tangensiell kinetisk energi på det punktet hvor vannet kommer i kontakt med hjulet. Dette genererer kinetisk rotasjonsenergi gitt avJeg ω ²/2, hvorωer hjulets vinkelhastighet ogJeger treghetsmomentet. Treghetsmomentet til et punkt som roterer rundt en sentral akse er proporsjonalt med kvadratet til rotasjonsradiusenr​: (​Jeg = hr²), hvormer poengets masse.

For å optimalisere konvertering av energi, vil du maksimere vinkelhastigheten,ω, men for å gjøre det, må du minimereJeg, som betyr å minimere rotasjonsradiusen,r. Et vannhjul skal ha en liten radius for å sikre at det spinner raskt nok til å generere en nettostrøm. Det utelater de gamle vindmøllene som Nederland er kjent for. De er gode for å gjøre mekanisk arbeid, men ikke for å generere elektrisitet.

En av de første store induksjonsgeneratorene for vannhjul, og den mest kjente, kom online på Niagara Falls, New York, i 1895. Utviklet av Nikola Tesla og finansiert og designet av George Westinghouse, var Edward Dean Adams kraftstasjon det første av flere anlegg som leverte strøm til forbrukere i USA.

Selve kraftverket er bygget omtrent en kilometer oppstrøms Niagara Falls og får vann gjennom et rørsystem. Vannet strømmer inn i et sylindrisk hus der det er montert et stort vannhjul. Vannets kraft spinner hjulet, og det snurrer igjen rotoren til en større generator for å produsere elektrisitet.

Generatoren ved Adams kraftstasjon bruker 12 store permanente magneter, som hver produserer et magnetfelt på ca. 0,1 Tesla. De er festet til generatorens rotor og spinner inne i en stor trådspole. Generatoren produserer ca 13.000 volt, og for å gjøre dette må det være minst 300 omdreininger i spolen. Omtrent 4000 ampere med vekselstrøm strømmer gjennom spolen når generatoren går.

Det er svært få fossefall i verden på størrelse med Niagara Falls, og det er derfor Niagara Falls regnes som et av verdens naturlige underverk. Mange vannkraftverk er konstruert på demninger. I dag leveres omtrent 16 prosent av verdens elektrisitet fra slike vannkraftstasjoner, hvorav den største er i Kina, Brasil, Canada, USA og Russland. Det største anlegget er i Kina, men det som produserer mest strøm er i Brasil.

Når en dam er bygd, er det ikke flere kostnader forbundet med kraftproduksjon. men det er noen kostnader for miljøet.

• Å konstruere en demning endrer strømmen av naturlige vannveier, og dette har en innvirkning på livet til planter, dyr og mennesker som er avhengige av den naturlige vannføringen. Byggingen av Three Gorges Dam i Kina innebar flytting av 1,2 millioner mennesker.
• Dammer endrer de naturlige livssyklusene til fisk som lever i bekkene. I Stillehavet nordvest har dammer fratatt anslagsvis 40 prosent av laks og stålhode sine naturlige habitater.
• Vann som kommer fra en dam har et redusert nivå av oppløst oksygen, og dette påvirker fisk, planter og dyreliv som er avhengig av vannet.
• Vannkraftproduksjon er påvirket av tørke. Når vannet går tomt, er det ofte nødvendig å stanse kraftproduksjonen for å bevare hva vannet det er.

Forskere ser på måter å redusere ulempene ved store kraftproduksjonsanlegg. En løsning er å bygge systemer av mindre som har mindre miljøpåvirkning. En annen er å utforme inntaksventiler og turbiner for å sikre at vann som slippes ut fra anlegget er riktig oksygenert. Selv med ulemper, skjønt, er vannkraftdammer blant de reneste, billigste strømkildene på planeten.

En god måte å hjelpe deg selv med å forstå prinsippene i vannkraftproduksjon er å bygge en liten elektrisk generator selv. Du kan gjøre dette med motoren fra en billig elektrisk vifte eller annet apparat. Så lenge rotoren inne i motoren bruker en permanent magnet, kan motoren brukes "i revers" for å generere elektrisitet. Motoren fra en veldig gammel vifte eller et apparat er en bedre kandidat enn en motor fra en nyere, siden eldre apparatmotorer er mer sannsynlig å bruke permanente magneter.

Hvis du bruker en vifte, kan du kanskje utføre dette prosjektet uten å demontere det, fordi viftebladene kan fungere som løpehjul. Imidlertid er de egentlig ikke designet for dette, så det kan være lurt å kutte dem av og erstatte dem med et mer effektivt vannhjul som du konstruerer selv. Hvis du bestemmer deg for å gjøre dette, kan du bruke krage som underlag for det forbedrede vannhjulet, siden det allerede er festet til motorakselen.

For å avgjøre om din mini vannhjulgenerator faktisk produserer elektrisitet, må du koble en meter over utgangsspolen. Dette er enkelt å gjøre hvis du bruker en gammel vifte eller et apparat, fordi den har en plugg. Bare koble probene til et multimeter til stikkontaktene og sett måleren til å måle vekselstrøm (VAC). Hvis motoren du bruker ikke har en plugg, er det bare å koble målerens prober til ledningene festet til utgangsspolen, som i de fleste tilfeller er de eneste to ledningene du finner.

Du kan bruke en naturlig kilde til fallende vann til dette prosjektet, eller du kan konstruere din egen. Vannet som faller fra badekarets tut, skal generere nok energi til å produsere en påvisbar strøm. Hvis du tar prosjektet med på veien for å vise andre mennesker, kan det være lurt å helle vann fra en mugge eller bruke en hageslange.