Como os moinhos de água produzem eletricidade?

A água em movimento é uma importante fonte de energia, e as pessoas têm aproveitado essa energia ao longo dos tempos construindo rodas d'água.

Eles eram comuns na Europa durante a Idade Média e costumavam, entre outras coisas, esmagar rochas, operar foles para refinarias de metal e martelar folhas de linho para transformá-las em papel. As rodas d'água que moiam grãos eram conhecidas como moinhos de água e, como essa função era tão onipresente, as duas palavras tornaram-se mais ou menos sinônimos.

A descoberta de Michael Faraday da indução eletromagnética pavimentou o caminho para a invenção do gerador de indução que veio fornecer eletricidade ao mundo inteiro. Um gerador de indução converte energia mecânica em energia elétrica, e a água em movimento é uma fonte barata e abundante de energia mecânica. Era natural, portanto, adaptar moinhos de água a geradores de energia hidrelétrica.

Para entender como funciona um gerador de roda d'água, é útil entender os princípios da indução eletromagnética. Depois de fazer isso, você pode tentar construir seu próprio mini gerador de roda d'água, usando o motor de um pequeno ventilador elétrico ou outro aparelho.

Faraday (1791 - 1867) descobriu a indução enrolando um fio condutor várias vezes em torno de um núcleo cilíndrico para fazer um solenóide. Ele conectou as pontas dos fios a um galvanômetro, um dispositivo que mede corrente (e o precursor do multímetro). Quando ele moveu um ímã permanente dentro do solenóide, ele descobriu que o medidor registrava corrente.

Faraday notou que a corrente mudava de direção sempre que ele mudava a direção em que movia o ímã, e a força da corrente dependia de quão rápido ele estava movendo o ímã.

Essas observações foram posteriormente formuladas na Lei de Faraday, que relaciona E, a força eletromotriz (fem) em um condutor, também conhecida como tensão, à taxa de variação do fluxo magnéticoϕexperimentado pelo maestro. Essa relação geralmente é escrita da seguinte maneira:

​Né o número de voltas na bobina do condutor. O símbolo∆(delta) indica uma mudança na quantidade que o segue. O sinal menos indica que a direção da força eletromotriz é oposta às direções do fluxo magnético.

A Lei de Faraday não especifica se a bobina ou o ímã precisam se mover para induzir uma corrente e, na verdade, isso não importa. Um deles deve estar se movendo, entretanto, porque o fluxo magnético, que é a parte do campo magnético que passa perpendicularmente pelo condutor, deve estar mudando. Nenhuma corrente é gerada em um campo magnético estático.

Um gerador de indução geralmente tem um ímã permanente giratório ou uma bobina condutora magnetizada por uma fonte de energia externa, chamada de rotor. Ele gira livremente em um eixo de baixo atrito (armadura) dentro de uma bobina, que é chamada de estator, e quando gira, gera uma tensão na bobina do estator.

A tensão induzida muda de direção ciclicamente com cada rotação do rotor, de modo que a corrente resultante também muda de direção. É conhecido como corrente alternada (AC).

Em um moinho de água, a energia para girar o rotor é fornecida pela água em movimento e, para os mais simples, é possível usar a eletricidade gerada diretamente para alimentar lâmpadas e eletrodomésticos. Mais frequentemente, no entanto, o gerador é conectado à rede elétrica e fornece energia de volta à rede.

Nesse cenário, o ímã permanente no rotor é frequentemente substituído por um eletroímã e a rede fornece corrente CA para magnetizá-lo. Para obter uma saída líquida do gerador neste cenário, o rotor deve girar a uma frequência maior do que a potência de entrada.

Ao aproveitar a água para o trabalho, você está basicamente contando com a força da gravidade, que é o que faz a água fluir em primeiro lugar. A quantidade de energia que você pode obter da queda de água depende de quanta água está caindo e com que rapidez. Você obterá mais energia por unidade de água de uma cachoeira do que de um riacho e, obviamente, obterá mais energia de um grande riacho ou cachoeira do que de uma pequena.

Em geral, a energia disponível para fazer o trabalho de girar a roda d'água é dada pormgh, onde "m" é a massa da água, "h" é a altura pela qual ela cai e "g" é a aceleração da gravidade. Para maximizar a energia disponível, a roda d'água deve estar na parte inferior da encosta ou cachoeira, o que maximiza a distância que a água tem de cair.

Você não precisa medir a massa da água que flui pelo riacho. Basta estimar o volume. Como a densidade da água é uma quantidade conhecida e a densidade é igual à massa dividida pelo volume, é fácil fazer a conversão.

Uma roda d'água converte a energia potencial em um riacho ou cachoeira (mgh) em energia cinética tangencial no ponto em que a água entra em contato com a roda. Isso gera energia cinética rotacional, dada porEu ω ²/2, Ondeωé a velocidade angular da roda eeué o momento de inércia. O momento de inércia de um ponto girando em torno de um eixo central é proporcional ao quadrado do raio de rotaçãor​: (​I = senhor²), Ondemé a massa do ponto.

Para otimizar a conversão de energia, você deseja maximizar a velocidade angular,ω, mas para fazer isso, você precisa minimizareu, o que significa minimizar o raio de rotação,r. Uma roda d'água deve ter um raio pequeno para garantir que gira rápido o suficiente para gerar uma corrente líquida. Isso deixa de fora os velhos moinhos de vento pelos quais a Holanda é famosa. Eles são bons para fazer trabalhos mecânicos, mas não para gerar eletricidade.

Um dos primeiros geradores de indução de roda d'água em grande escala, e o mais conhecido, entrou em operação nas Cataratas do Niágara, Nova York, em 1895. Concebida por Nikola Tesla e financiada e projetada por George Westinghouse, a usina Edward Dean Adams foi a primeira de várias usinas a fornecer eletricidade a consumidores nos Estados Unidos.

A usina real é construída cerca de um quilômetro a montante das Cataratas do Niágara e obtém água por meio de um sistema de canos. A água flui para uma caixa cilíndrica na qual está montada uma grande roda d'água. A força da água gira a roda, que por sua vez gira o rotor de um gerador maior para produzir eletricidade.

O gerador na estação de energia de Adams usa 12 grandes ímãs permanentes, cada um dos quais produz um campo magnético de cerca de 0,1 Tesla. Eles são presos ao rotor do gerador e giram dentro de uma grande bobina de fio. O gerador produz cerca de 13.000 volts e, para isso, deve haver pelo menos 300 voltas na bobina. Cerca de 4.000 amperes de eletricidade CA percorrem a bobina quando o gerador está funcionando.

Existem muito poucas cachoeiras no mundo do tamanho das Cataratas do Niágara, e é por isso que as Cataratas do Niágara são consideradas uma das maravilhas naturais do mundo. Muitas usinas hidrelétricas são construídas em barragens. Hoje, cerca de 16% da eletricidade mundial é fornecida por essas usinas hidrelétricas, as maiores das quais estão na China, Brasil, Canadá, Estados Unidos e Rússia. A maior usina fica na China, mas a que mais produz eletricidade fica no Brasil.

Depois de construída uma barragem, não há mais custos associados à geração de energia. mas existem alguns custos para o meio ambiente.

• A construção de uma barragem altera o fluxo dos cursos de água naturais, e isso tem um impacto na vida das plantas, animais e humanos que dependiam do fluxo natural da água. A construção da Barragem das Três Gargantas na China envolveu a realocação de 1,2 milhão de pessoas.
• As barragens alteram os ciclos naturais de vida dos peixes que vivem nos riachos. No noroeste do Pacífico, as barragens privaram cerca de 40% dos salmões e truta prateada de seus habitats naturais.
• A água que vem de uma barragem tem um nível reduzido de oxigênio dissolvido e isso afeta peixes, plantas e animais selvagens que dependem da água.
• A produção de energia hidrelétrica é afetada pela seca. Quando o nível de água está acabando, geralmente é necessário interromper a produção de energia para preservar a quantidade de água existente.

Os cientistas estão procurando maneiras de mitigar as desvantagens de grandes usinas de produção de energia. Uma solução é construir sistemas menores que tenham menos impacto ambiental. Outra é projetar válvulas de admissão e turbinas para garantir que a água liberada da planta seja oxigenada adequadamente. Mesmo com desvantagens, porém, as barragens hidrelétricas estão entre as fontes de eletricidade mais limpas e mais baratas do planeta.

Uma boa maneira de se ajudar a entender os princípios da geração de energia hidrelétrica é construir você mesmo um pequeno gerador elétrico. Você pode fazer isso com o motor de um ventilador elétrico barato ou outro aparelho. Desde que o rotor dentro do motor use um ímã permanente, o motor pode ser usado "ao contrário" para gerar eletricidade. O motor de um ventilador ou aparelho muito antigo é um candidato melhor do que um motor de um mais novo, uma vez que os motores de aparelhos mais antigos têm maior probabilidade de empregar ímãs permanentes.

Se você usar um ventilador, poderá realizar este projeto sem nem mesmo desmontá-lo, pois as pás do ventilador podem atuar como impulsores. No entanto, eles não foram realmente projetados para isso, então você pode querer cortá-los e substituí-los por uma roda d'água mais eficiente que você mesmo construiu. Se você decidir fazer isso, você pode usar o colar como base para sua roda d'água aprimorada, uma vez que já está presa ao eixo do motor.

Para determinar se o seu mini gerador de roda d'água está realmente produzindo eletricidade, você terá que conectar um medidor na bobina de saída. Isso é fácil de fazer se você usar um ventilador ou aparelho antigo, porque ele tem um plugue. Basta conectar as pontas de prova de um multímetro aos pinos do plugue e configurar o medidor para medir a tensão CA (VAC). Se o motor que você usar não tiver um plugue, basta conectar as pontas de prova do medidor aos fios presos à bobina de saída, que na maioria dos casos são os únicos dois fios que você encontrará.

Você pode usar uma fonte natural de queda d'água para este projeto ou pode construir a sua própria. A água que cai da bica de sua banheira deve gerar energia suficiente para produzir uma corrente detectável. Se você estiver levando seu projeto para a estrada para mostrar a outras pessoas, você pode despejar água de um jarro ou usar uma mangueira de jardim.