Cum produc electricitatea moriile cu apă?

Mișcarea apei este o sursă importantă de energie, iar oamenii au valorificat acea energie de-a lungul veacurilor construind roți de apă.

Acestea erau comune în Europa de-a lungul Evului Mediu și erau obișnuite, printre altele, să zdrobească roca, să acționeze burdufuri pentru rafinării metalice și să ciocnească frunzele de in pentru a le transforma în hârtie. Roțile de apă care măcinau cerealele erau cunoscute sub numele de mori de apă și, deoarece această funcție era atât de omniprezentă, cele două cuvinte au devenit mai mult sau mai puțin sinonime.

Descoperirea lui Michael Faraday a inducției electromagnetice a pregătit calea pentru invenția generatorului de inducție care a ajuns în cele din urmă să alimenteze întreaga lume cu electricitate. Un generator de inducție transformă energia mecanică în energie electrică, iar apa în mișcare este o sursă ieftină și abundentă de energie mecanică. Prin urmare, era firesc să adaptăm morile de apă la generatoarele de energie hidroelectrică.

Pentru a înțelege cum funcționează un generator de roți de apă, acesta ajută la înțelegerea principiilor inducției electromagnetice. Odată ce ați făcut-o, ați putea încerca să vă construiți propriul mini generator de roți de apă, folosind motorul de la un ventilator electric mic sau alt aparat.

Faraday (1791 - 1867) a descoperit inducția prin înfășurarea unui fir de conducție de mai multe ori în jurul unui miez cilindric pentru a face un solenoid. El a conectat capetele firelor la un galvanometru, un dispozitiv care măsoară curentul (și precursorul multimetrului). Când a mutat un magnet permanent în interiorul solenoidului, a descoperit că metrul înregistra curent.

Faraday a remarcat că curentul și-a schimbat direcția ori de câte ori a schimbat direcția în care mișca magnetul, iar puterea curentului depindea de cât de repede mișca magnetul.

Aceste observații au fost ulterior formulate în legea lui Faraday, care leagă E, forța electromotivă (emf) într-un conductor, cunoscut și sub numele de tensiune, la rata de schimbare a fluxului magneticϕexperimentat de dirijor. Această relație este de obicei scrisă după cum urmează:

​Neste numărul de ture din bobina conductorului. Simbolul∆(delta) indică o modificare a cantității care o urmează. Semnul minus indică faptul că direcția forței electromotoare este opusă direcțiilor fluxului magnetic.

Legea lui Faraday nu specifică dacă bobina sau magnetul trebuie să se deplaseze pentru a induce un curent și, de fapt, nu contează. Una dintre ele trebuie să se miște, totuși, deoarece fluxul magnetic, care este partea câmpului magnetic care trece perpendicular prin conductor, trebuie să se schimbe. Nu se generează curent într-un câmp magnetic static.

Un generator de inducție are de obicei un magnet permanent care se rotește sau o bobină conductoare magnetizată de o sursă de energie externă, numită rotor. Se rotește liber pe un arbore cu frecare redusă (armătură) în interiorul unei bobine, care se numește stator, iar când se rotește, generează o tensiune în bobina statorului.

Tensiunea indusă schimbă direcția ciclic cu fiecare rotire a rotorului, astfel încât curentul rezultat schimbă și direcția. Este cunoscut sub numele de curent alternativ (AC).

Într-o moară de apă, energia pentru rotirea rotorului este furnizată de apă în mișcare, iar pentru cele simple, este posibil să folosiți electricitatea generată direct pentru a alimenta luminile și aparatele. Cu toate acestea, mai des, generatorul este conectat la rețeaua electrică și alimentează curentul înapoi la rețea.

În acest scenariu, magnetul permanent din rotor este adesea înlocuit cu un electromagnet, iar rețeaua furnizează curent alternativ pentru a-l magnetiza. Pentru a obține o ieșire netă de la generator în acest scenariu, rotorul trebuie să rotească o frecvență mai mare decât cea a puterii de intrare.

Când valorificați apa pentru a lucra, vă bazați practic pe forța gravitațională, ceea ce face ca apa să curgă în primul rând. Cantitatea de energie pe care o puteți obține din căderea apei depinde de câtă apă cade și de cât de repede. Veți obține mai multă energie pe unitate de apă dintr-o cascadă decât veți obține dintr-un curent care curge și, evident, veți obține mai multă energie dintr-un curs sau cascadă mare decât veți obține dintr-un mic.

În general, energia disponibilă pentru a face lucrarea de rotire a roții de apă este dată demgh, unde „m” este masa apei, „h” este înălțimea prin care cade și „g” este accelerația datorată gravitației. Pentru a maximiza energia disponibilă, roata de apă ar trebui să fie în partea de jos a pantei sau a cascadei, ceea ce maximizează distanța pe care trebuie să o cadă apa.

Nu trebuie să măsurați masa apei care curge prin pârâu. Tot ce trebuie să faceți este să estimați volumul. Deoarece densitatea apei este o cantitate cunoscută, iar densitatea este egală cu masa împărțită la volum, este ușor să faceți conversia.

O roată de apă convertește energia potențială dintr-un curent care curge sau o cascadă (mgh) în energie cinetică tangențială în punctul în care apa intră în contact cu roata. Aceasta generează energie cinetică de rotație, dată deEu ω ²/2, Undeωeste viteza unghiulară a roții șiEueste momentul inerției. Momentul de inerție al unui punct care se rotește în jurul unei axe centrale este proporțional cu pătratul razei de rotațier​: (​I = mr²), Undemeste masa punctului.

Pentru a optimiza conversia energiei, doriți să maximizați viteza unghiulară,ω, dar pentru a face acest lucru, trebuie să minimizațiEu, ceea ce înseamnă minimizarea razei de rotație,r. O roată de apă ar trebui să aibă o rază mică pentru a se asigura că se rotește suficient de repede pentru a genera un curent net. Asta lasă deoparte vechile mori de vânt pentru care Olanda este renumită. Sunt buni pentru a face lucrări mecanice, dar nu pentru a genera electricitate.

Unul dintre primii generatori pe scară largă cu inducție a roților de apă și cel mai cunoscut, a venit online la Niagara Falls, New York, în 1895. Concepută de Nikola Tesla și finanțată și proiectată de George Westinghouse, centrala electrică Edward Dean Adams a fost prima dintre mai multe centrale care furnizează energie electrică consumatorilor din Statele Unite.

Centrala electrică reală este construită la aproximativ o milă în amonte de cascada Niagara și primește apă printr-un sistem de țevi. Apa curge într-o carcasă cilindrică în care este montată o roată mare de apă. Forța apei învârte roata și, la rândul ei, rotește rotorul unui generator mai mare pentru a produce electricitate.

Generatorul de la centrala electrică Adams folosește 12 magneți permanenți mari, fiecare dintre aceștia producând un câmp magnetic de aproximativ 0,1 Tesla. Acestea sunt atașate la rotorul generatorului și se rotesc în interiorul unei bobine mari de sârmă. Generatorul produce aproximativ 13.000 de volți și, pentru a face acest lucru, trebuie să existe cel puțin 300 de rotații în bobină. Aproximativ 4.000 de amperi de curent alternativ trec prin bobină când generatorul funcționează.

Există foarte puține cascade în lume de mărimea cascadelor Niagara, motiv pentru care Cascada Niagara este considerată una dintre minunile naturale ale lumii. Multe centrale hidroelectrice sunt construite pe baraje. Astăzi, aproximativ 16% din electricitatea lumii este furnizată de astfel de stații hidroelectrice, dintre care cele mai mari se află în China, Brazilia, Canada, Statele Unite și Rusia. Cea mai mare fabrică este în China, dar cea care produce cea mai mare energie electrică este în Brazilia.

Odată ce a fost construit un baraj, nu mai există costuri asociate cu generarea de energie electrică. dar există unele costuri pentru mediu.

• Construirea unui baraj modifică fluxul căilor navigabile naturale și acest lucru are un impact asupra vieții plantelor, animalelor și oamenilor care s-au bazat pe fluxul natural de apă. Construcția barajului celor trei chei din China a implicat mutarea a 1,2 milioane de oameni.
• Barajele modifică ciclurile naturale de viață ale peștilor care trăiesc în cursuri. În nord-vestul Pacificului, barajele au privat aproximativ 40 la sută din somon și oțel din habitatele lor naturale.
• Apa care provine dintr-un baraj are un nivel redus de oxigen dizolvat, iar acest lucru afectează peștii, plantele și viața sălbatică care depind de apă.
• Producția hidroenergetică este afectată de secetă. Când apa scade, este adesea necesar să se oprească producția de energie pentru a păstra cantitatea de apă care există.

Oamenii de știință caută modalități de a atenua dezavantajele fabricilor mari de producție de energie electrică. O soluție este de a construi sisteme de sisteme mai mici care au un impact mai mic asupra mediului. Un alt lucru este de a proiecta supape de admisie și turbine pentru a se asigura că apa eliberată din centrală este oxigenată corespunzător. Chiar și cu dezavantaje, barajele hidroelectrice se numără printre cele mai curate și mai ieftine surse de electricitate de pe planetă.

O modalitate bună de a vă ajuta să înțelegeți principiile generării de energie hidroelectrică este de a construi singur un generator electric mic. Puteți face acest lucru cu motorul de la un ventilator electric ieftin sau alt aparat. Atâta timp cât rotorul din interiorul motorului folosește un magnet permanent, motorul poate fi folosit „invers” pentru a genera electricitate. Motorul unui ventilator sau aparat foarte vechi este un candidat mai bun decât un motor de la unul mai nou, deoarece motoarele mai vechi ale aparatelor sunt mai susceptibile de a utiliza magneți permanenți.

Dacă utilizați un ventilator, este posibil să puteți realiza acest proiect fără să-l dezasamblați, deoarece palele ventilatorului pot acționa ca rotile. Cu toate acestea, ele nu sunt concepute cu adevărat pentru acest lucru, așa că poate doriți să le întrerupeți și să le înlocuiți cu o roată de apă mai eficientă pe care o construiți singură. Dacă decideți să faceți acest lucru, puteți utiliza gulerul ca bază pentru roata de apă îmbunătățită, deoarece este deja atașată la arborele motorului.

Pentru a determina dacă mini-generatorul dvs. de roți de apă produce de fapt electricitate, va trebui să conectați un contor pe bobina de ieșire. Acest lucru este ușor de făcut dacă utilizați un ventilator sau un aparat vechi, deoarece are o priză. Conectați sondele unui multimetru la mufele și setați contorul să măsoare tensiunea de curent alternativ (VAC). Dacă motorul pe care îl utilizați nu are o priză, conectați sondele contorului la firele atașate la bobina de ieșire, care în majoritatea cazurilor sunt singurele două fire pe care le veți găsi.

Puteți utiliza o sursă naturală de apă care cade pentru acest proiect sau vă puteți construi propria. Apa care cade din gura căzii dvs. ar trebui să genereze suficientă energie pentru a produce un curent detectabil. Dacă luați proiectul pe drum pentru a arăta altor persoane, poate doriți să turnați apă dintr-un ulcior sau să folosiți un furtun de grădină.