Как водяные мельницы вырабатывают электричество?

Движущаяся вода - важный источник энергии, и люди веками использовали эту энергию, строя водяные колеса.

Они были распространены в Европе в средние века и использовались, среди прочего, для дробления горных пород, работы с мехами для заводов по переработке металлов и молотка листьев льна, чтобы превратить их в бумагу. Водяные колеса, перемалывающие зерно, были известны как водяные мельницы, и поскольку эта функция была настолько повсеместной, эти два слова стали более или менее синонимами.

Открытие Майклом Фарадеем электромагнитной индукции проложило путь к изобретению индукционного генератора, который в конечном итоге стал снабжать весь мир электричеством. Индукционный генератор преобразует механическую энергию в электрическую, а движущаяся вода - дешевый и обильный источник механической энергии. Поэтому было естественным приспособить водяные мельницы к гидроэлектрическим генераторам.

Чтобы понять, как работает генератор водяного колеса, необходимо понять принципы электромагнитной индукции. Как только вы это сделаете, вы можете попробовать построить свой собственный мини-генератор водяного колеса, используя двигатель от небольшого электрического вентилятора или другого устройства.

Фарадей (1791–1867) открыл индукцию, обернув проводящий провод несколько раз вокруг цилиндрического сердечника, чтобы сделать соленоид. Он подключил концы проводов к гальванометру, устройству, измеряющему ток (и предшественнику мультиметра). Когда он переместил постоянный магнит внутрь соленоида, он обнаружил, что измеритель регистрирует ток.

Фарадей заметил, что ток менял направление всякий раз, когда он менял направление, в котором он двигал магнит, и сила тока зависела от того, насколько быстро он двигал магнит.

Эти наблюдения позже были сформулированы в законе Фарадея, который связывает E, электродвижущую силу (ЭДС) в проводнике, также известную как напряжение, со скоростью изменения магнитного потока.ϕиспытал дирижер. Эти отношения обычно записываются следующим образом:

​N- количество витков в проводящей катушке. Символ∆(дельта) указывает на изменение количества, которое следует за ним. Знак минус указывает на то, что направление электродвижущей силы противоположно направлению магнитного потока.

Закон Фарадея не определяет, должна ли катушка или магнит двигаться, чтобы вызвать ток, и на самом деле это не имеет значения. Однако один из них должен двигаться, потому что магнитный поток, который является частью магнитного поля, проходящего перпендикулярно проводнику, должен изменяться. В статическом магнитном поле ток не генерируется.

Индукционный генератор обычно имеет вращающийся постоянный магнит или проводящую катушку, намагничиваемую внешним источником энергии, называемым ротором. Он свободно вращается на валу (якоре) с низким коэффициентом трения внутри катушки, который называется статором, и когда он вращается, он генерирует напряжение в катушке статора.

Индуцированное напряжение циклически меняет направление при каждом вращении ротора, поэтому результирующий ток также меняет направление. Он известен как переменный ток (AC).

В водяной мельнице энергия для вращения ротора поступает от движущейся воды, а в простых мельницах можно использовать произведенную электроэнергию непосредственно для питания ламп и приборов. Однако чаще генератор подключается к электросети и подает электроэнергию обратно в сеть.

В этом случае постоянный магнит в роторе часто заменяется электромагнитом, и сеть подает переменный ток для его намагничивания. Чтобы получить чистый выходной сигнал от генератора в этом сценарии, ротор должен вращаться с частотой, превышающей частоту поступающей мощности.

Когда вы используете воду для работы, вы в основном полагаетесь на силу тяжести, которая в первую очередь заставляет воду течь. Количество энергии, которое вы можете получить от падающей воды, зависит от того, сколько воды падает и как быстро. Вы получите больше энергии на единицу воды от водопада, чем от текущего ручья, и, очевидно, вы получите больше энергии от большого ручья или водопада, чем от маленького.

В общем, энергия, доступная для выполнения работы по вращению водяного колеса, определяется какmgh, где «m» - масса воды, «h» - высота, на которую она падает, а «g» - ускорение свободного падения. Чтобы максимально использовать доступную энергию, водяное колесо должно находиться у подножия склона или водопада, что увеличивает расстояние, на которое вода должна падать.

Вам не нужно измерять массу воды, протекающей через ручей. Все, что вам нужно сделать, это оценить объем. Поскольку плотность воды является известной величиной, а плотность равна массе, деленной на объем, преобразование легко выполнить.

Водяное колесо преобразует потенциальную энергию в текущий поток или водопад (mgh) в тангенциальную кинетическую энергию в точке контакта воды с колесом. Это генерирует вращательную кинетическую энергию, задаваемуюЯ ω ²/2, гдеω- угловая скорость колеса иямомент инерции. Момент инерции точки, вращающейся вокруг центральной оси, пропорционален квадрату радиуса вращения.р​: (​Я = г-н²), гдеммасса точки.

Чтобы оптимизировать преобразование энергии, вы хотите максимизировать угловую скорость,ω, но для этого вам нужно минимизироватья, что означает минимизацию радиуса вращения,р. Водяное колесо должно иметь небольшой радиус, чтобы оно вращалось достаточно быстро и генерировало чистый ток. При этом не учитываются старые ветряные мельницы, которыми славятся Нидерланды. Они подходят для выполнения механической работы, но не для выработки электроэнергии.

Один из первых крупномасштабных индукционных генераторов с водяным колесом и самый известный из них появился на Ниагарском водопаде, штат Нью-Йорк, в 1895 году. Задуманная Николой Тесла и профинансированная и спроектированная Джорджем Вестингаузом, электростанция Эдварда Дина Адамса стала первой из нескольких станций, поставляющих электроэнергию потребителям в Соединенных Штатах.

Настоящая электростанция построена примерно в миле выше по течению от Ниагарского водопада и получает воду по системе труб. Вода поступает в цилиндрический корпус, в котором установлено большое водяное колесо. Сила воды вращает колесо, а оно, в свою очередь, вращает ротор более крупного генератора для производства электроэнергии.

Генератор на электростанции Адамса использует 12 больших постоянных магнитов, каждый из которых создает магнитное поле примерно 0,1 Тесла. Они прикреплены к ротору генератора и вращаются внутри большой катушки с проволокой. Генератор выдает около 13000 вольт, а для этого в катушке должно быть не менее 300 витков. При работающем генераторе через катушку проходит около 4000 ампер переменного тока.

В мире очень мало водопадов размером с Ниагарский водопад, поэтому Ниагарский водопад считается одним из чудес природы. Многие гидроэлектростанции построены на плотинах. Сегодня около 16 процентов мировой электроэнергии вырабатывается такими гидроэлектростанциями, крупнейшие из которых находятся в Китае, Бразилии, Канаде, США и России. Самый большой завод находится в Китае, но больше всего вырабатывает электричество в Бразилии.

После того, как плотина построена, больше не будет затрат, связанных с выработкой электроэнергии. но есть некоторые издержки для окружающей среды.

• Строительство плотины изменяет поток естественных водных путей, и это оказывает влияние на жизнь растений, животных и людей, которые полагались на естественный поток воды. Строительство плотины «Три ущелья» в Китае повлекло за собой переселение 1,2 миллиона человек.
• Плотины изменяют естественный жизненный цикл рыб, обитающих в ручьях. На северо-западе Тихого океана плотины лишили около 40 процентов лососей и стальных голов их естественной среды обитания.
• Вода, поступающая из плотины, имеет пониженный уровень растворенного кислорода, и это влияет на рыб, растения и диких животных, которые зависят от воды.
• На производство гидроэлектроэнергии влияет засуха. Когда вода иссякает, часто необходимо прекратить производство электроэнергии, чтобы сохранить то, что есть воды.

Ученые ищут способы смягчить недостатки крупных электростанций. Одно из решений - создавать системы меньшего размера, оказывающие меньшее воздействие на окружающую среду. Другой вариант - спроектировать впускные клапаны и турбины, чтобы вода, выпускаемая заводом, была насыщена кислородом. Тем не менее, даже несмотря на недостатки, плотины гидроэлектростанций являются одними из самых чистых и дешевых источников электроэнергии на планете.

Хороший способ помочь себе понять принципы производства гидроэлектроэнергии - это построить небольшой электрогенератор самостоятельно. Сделать это можно с помощью мотора от недорогого электровентилятора или другого прибора. Пока ротор внутри двигателя использует постоянный магнит, двигатель можно использовать «в обратном направлении» для выработки электроэнергии. Двигатель от очень старого вентилятора или устройства является лучшим кандидатом, чем двигатель от нового, поскольку в двигателях старых устройств с большей вероятностью будут использоваться постоянные магниты.

Если вы используете вентилятор, вы можете выполнить этот проект, даже не разбирая его, потому что лопасти вентилятора могут действовать как крыльчатки. Однако на самом деле они не предназначены для этого, поэтому вы можете отрезать их и заменить более эффективным водяным колесом, которое вы сами сконструируете. Если вы решите сделать это, вы можете использовать хомут в качестве основы для улучшенного водяного колеса, поскольку он уже прикреплен к валу двигателя.

Чтобы определить, действительно ли ваш мини-генератор с водяным колесом вырабатывает электроэнергию, вам нужно подключить счетчик к выходной катушке. Это легко сделать, если вы используете старый вентилятор или прибор, потому что у него есть вилка. Просто подключите щупы мультиметра к штырям вилки и настройте измеритель на измерение переменного напряжения (VAC). Если у используемого двигателя нет вилки, просто подключите щупы измерителя к проводам, прикрепленным к выходной катушке, которые в большинстве случаев являются единственными двумя проводами, которые вы найдете.

Для этого проекта вы можете использовать естественный источник падающей воды или построить свой собственный. Вода, падающая из носика ванны, должна генерировать достаточно энергии, чтобы произвести заметный ток. Если вы берете свой проект в дорогу, чтобы показать другим людям, вы можете налить воду из кувшина или использовать садовый шланг.