Jak młyny wodne wytwarzają prąd?

Ruchoma woda jest ważnym źródłem energii, a ludzie od wieków wykorzystywali tę energię, budując koła wodne.

Były one powszechne w Europie przez całe średniowiecze i były używane między innymi do kruszenia skał, obsługi miechów w rafineriach metali i przerabiania liści lnu na papier. Koła wodne mielące ziarno nazywano młynami wodnymi, a ponieważ ta funkcja była tak wszechobecna, te dwa słowa stały się mniej więcej synonimami.

Odkrycie indukcji elektromagnetycznej Michaela Faradaya utorowało drogę do wynalezienia generatora indukcyjnego, który ostatecznie zaopatrywał cały świat w energię elektryczną. Generator indukcyjny przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną, a poruszająca się woda jest tanim i obfitym źródłem energii mechanicznej. Naturalnym więc było przystosowanie młynów wodnych do elektrowni wodnych.

Aby zrozumieć, jak działa generator koła wodnego, pomaga zrozumieć zasady indukcji elektromagnetycznej. Gdy to zrobisz, możesz spróbować zbudować własny mini generator koła wodnego, używając silnika z małego wentylatora elektrycznego lub innego urządzenia.

Faraday (1791 - 1867) odkrył indukcję poprzez wielokrotne owijanie drutu przewodzącego wokół cylindrycznego rdzenia w celu wytworzenia solenoidu. Podłączył końce przewodów do galwanometru, urządzenia mierzącego prąd (i prekursora do multimetru). Kiedy przesunął magnes stały wewnątrz elektromagnesu, stwierdził, że miernik zarejestrował prąd.

Faraday zauważył, że prąd zmieniał kierunek za każdym razem, gdy zmieniał kierunek, poruszał magnesem, a siła prądu zależała od tego, jak szybko poruszał magnesem.

Obserwacje te zostały później sformułowane w prawo Faradaya, które wiąże E, siłę elektromotoryczną (sem) w przewodniku, znaną również jako napięcie, z szybkością zmian strumienia magnetycznegoϕdoświadczany przez dyrygenta. Ten związek jest zwykle pisany w następujący sposób:

​Nto liczba zwojów cewki przewodnika. Symbol∆(delta) wskazuje na następującą po nim zmianę wielkości. Znak minus wskazuje, że kierunek siły elektromotorycznej jest przeciwny do kierunku strumienia magnetycznego.

Prawo Faradaya nie określa, czy cewka, czy magnes musi się poruszać, aby zaindukować prąd, i tak naprawdę nie ma to znaczenia. Jedna z nich musi się jednak poruszać, ponieważ strumień magnetyczny, czyli część pola magnetycznego przechodząca prostopadle przez przewodnik, musi się zmieniać. W statycznym polu magnetycznym nie jest generowany prąd.

Generator indukcyjny zwykle ma wirujący magnes trwały lub cewkę przewodzącą namagnesowaną przez zewnętrzne źródło zasilania, zwane wirnikiem. Obraca się swobodnie na wale o niskim współczynniku tarcia (tworze) wewnątrz cewki, zwanej stojanem, a gdy się kręci, wytwarza napięcie w cewce stojana.

Indukowane napięcie zmienia kierunek cyklicznie z każdym obrotem wirnika, więc wynikowy prąd również zmienia kierunek. Nazywa się to prądem przemiennym (AC).

W młynie wodnym energia do obracania wirnika jest dostarczana przez poruszającą się wodę, a dla prostych można wykorzystać wytworzoną energię elektryczną bezpośrednio do zasilania świateł i urządzeń. Częściej jednak generator jest podłączony do sieci energetycznej i dostarcza energię z powrotem do sieci.

W tym scenariuszu magnes trwały w wirniku jest często zastępowany elektromagnesem, a siatka dostarcza prąd przemienny, aby go namagnesować. Aby uzyskać moc wyjściową netto z generatora w tym scenariuszu, wirnik musi obracać się z częstotliwością większą niż moc przychodząca.

Kiedy wykorzystujesz wodę do pracy, zasadniczo polegasz na sile grawitacji, która przede wszystkim sprawia, że ​​woda płynie. Ilość energii, którą możesz czerpać ze spadającej wody, zależy od tego, ile wody spada i jak szybko. Z wodospadu dostaniesz więcej energii na jednostkę wody niż z płynącego strumienia i oczywiście więcej energii uzyskasz z dużego strumienia lub wodospadu niż z małego.

Ogólnie energia dostępna do wykonania pracy obracania kołem wodnym jest podawana przezmgh, gdzie „m” to masa wody, „h” to wysokość, na którą spada, a „g” to przyspieszenie ziemskie. Aby zmaksymalizować dostępną energię, koło wodne powinno znajdować się na dole zbocza lub wodospadu, co maksymalizuje odległość, na jaką musi spaść woda.

Nie musisz mierzyć masy wody przepływającej przez strumień. Wszystko, co musisz zrobić, to oszacować objętość. Ponieważ gęstość wody jest wielkością znaną, a gęstość jest równa masie podzielonej przez objętość, łatwo jest dokonać przeliczenia.

Koło wodne zamienia energię potencjalną w płynącym strumieniu lub wodospadzie (mgh) na styczną energię kinetyczną w punkcie, w którym woda styka się z kołem. Generuje to obrotową energię kinetyczną, podaną przezja ²/2, gdzieωjest prędkością kątową koła ijato moment bezwładności. Moment bezwładności punktu obracającego się wokół osi centralnej jest proporcjonalny do kwadratu promienia obrotur​: (​ja = mr²), gdziemjest masą punktu.

Aby zoptymalizować konwersję energii, chcesz zmaksymalizować prędkość kątową,ω, ale aby to zrobić, musisz zminimalizowaćja, co oznacza minimalizację promienia obrotu,r. Koło wodne powinno mieć mały promień, aby zapewnić, że kręci się wystarczająco szybko, aby wygenerować prąd sieciowy. Pomija to stare wiatraki, z których słynie Holandia. Nadają się do wykonywania prac mechanicznych, ale nie do wytwarzania energii elektrycznej.

Jeden z pierwszych generatorów indukcyjnych na dużą skalę i najbardziej znany, pojawił się w sieci Niagara Falls w stanie Nowy Jork w 1895 roku. Stworzona przez Nikolę Teslę, sfinansowana i zaprojektowana przez George'a Westinghouse'a, elektrownia Edwarda Deana Adamsa była pierwszą z kilku elektrowni dostarczających energię elektryczną konsumentom w Stanach Zjednoczonych.

Właściwa elektrownia jest zbudowana około mili powyżej wodospadu Niagara i pobiera wodę przez system rur. Woda spływa do cylindrycznej obudowy, w której zamontowane jest duże koło wodne. Siła wody wprawia w ruch koło, a ono z kolei wprawia w ruch wirnik większego generatora, wytwarzając prąd.

Generator w elektrowni Adams wykorzystuje 12 dużych magnesów trwałych, z których każdy wytwarza pole magnetyczne o wartości około 0,1 Tesli. Są one przymocowane do wirnika generatora i wirują wewnątrz dużej cewki drutu. Generator wytwarza około 13 000 woltów, a do tego musi być co najmniej 300 zwojów w cewce. Podczas pracy generatora przez cewkę przepływa prąd o natężeniu około 4000 amperów.

Na świecie jest bardzo niewiele wodospadów wielkości wodospadu Niagara, dlatego wodospad Niagara jest uważany za jeden z cudów natury. Wiele elektrowni wodnych zbudowanych jest na tamach. Dziś około 16 procent światowej energii elektrycznej jest dostarczane przez takie elektrownie wodne, z których największe znajdują się w Chinach, Brazylii, Kanadzie, Stanach Zjednoczonych i Rosji. Największa elektrownia znajduje się w Chinach, ale ta, która produkuje najwięcej energii elektrycznej, znajduje się w Brazylii.

Po wybudowaniu tamy nie ma już kosztów związanych z wytwarzaniem energii. ale są pewne koszty dla środowiska.

• Budowa tamy zmienia przepływ naturalnych dróg wodnych, a to ma wpływ na życie roślin, zwierząt i ludzi, którzy polegali na naturalnym przepływie wody. Budowa Zapory Trzech Przełomów w Chinach wiązała się z przesiedleniem 1,2 mln osób.
• Tamy zmieniają naturalny cykl życia ryb żyjących w strumieniach. W północno-zachodnim Pacyfiku tamy pozbawiły około 40 procent łososi i łososiowatych ich naturalnych siedlisk.
• Woda pochodząca z tamy ma obniżony poziom rozpuszczonego tlenu, co wpływa na ryby, rośliny i dzikie zwierzęta zależne od wody.
• Susza ma wpływ na produkcję energii wodnej. Kiedy woda się kończy, często konieczne jest zaprzestanie produkcji energii, aby zachować wodę.

Naukowcy szukają sposobów na złagodzenie wad dużych elektrowni. Jednym z rozwiązań jest budowanie systemów mniejszych, które mają mniejszy wpływ na środowisko. Innym jest zaprojektowanie zaworów wlotowych i turbin, aby woda uwalniana z elektrowni była odpowiednio natleniona. Mimo wad, zapory hydroelektryczne należą do najczystszych i najtańszych źródeł energii elektrycznej na świecie.

Dobrym sposobem, aby pomóc sobie w zrozumieniu zasad wytwarzania energii hydroelektrycznej, jest samodzielne zbudowanie małego generatora elektrycznego. Możesz to zrobić za pomocą silnika z niedrogiego wentylatora elektrycznego lub innego urządzenia. Dopóki wirnik wewnątrz silnika wykorzystuje magnes trwały, silnik może być używany „odwrotnie” do wytwarzania energii elektrycznej. Silnik z bardzo starego wentylatora lub urządzenia jest lepszym kandydatem niż silnik z nowszego, ponieważ starsze silniki urządzeń częściej wykorzystują magnesy trwałe.

Jeśli używasz wentylatora, możesz wykonać ten projekt nawet bez jego demontażu, ponieważ łopatki wentylatora mogą działać jako wirniki. Jednak tak naprawdę nie są do tego zaprojektowane, więc możesz je odciąć i zastąpić bardziej wydajnym kołem wodnym, które sam zbudujesz. Jeśli zdecydujesz się to zrobić, możesz użyć kołnierza jako podstawy dla ulepszonego koła wodnego, ponieważ jest on już przymocowany do wału silnika.

Aby ustalić, czy twój mini generator koła wodnego faktycznie wytwarza energię elektryczną, będziesz musiał podłączyć miernik przez cewkę wyjściową. Jest to łatwe, jeśli używasz starego wentylatora lub urządzenia, ponieważ ma on wtyczkę. Wystarczy podłączyć sondy multimetru do bolców wtyczki i ustawić miernik na pomiar napięcia AC (VAC). Jeśli używany silnik nie ma wtyczki, wystarczy podłączyć sondy miernika do przewodów podłączonych do cewki wyjściowej, które w większości przypadków są jedynymi przewodami, jakie można znaleźć.

Do tego projektu możesz wykorzystać naturalne źródło spadającej wody lub zbudować własne. Woda spadająca z dziobka wanny powinna generować wystarczającą ilość energii, aby wytworzyć wykrywalny prąd. Jeśli zabierasz swój projekt w drogę, aby pokazać innym ludziom, możesz wylać wodę z dzbanka lub użyć węża ogrodowego.