Ako vyrábajú elektrinu vodné mlyny?

Pohyblivá voda je dôležitým zdrojom energie a ľudia túto energiu využívali počas vekov stavaním vodných kolies.

V Európe boli bežné počas stredoveku a boli zvyknutí okrem iného drviť horniny, prevádzkovať vlnovce pre kovové rafinérie a kladivové ľanové listy, aby sa z nich stal papier. Vodné kolesá na mletie obilia boli známe ako vodné mlyny, a pretože táto funkcia bola taká všadeprítomná, tieto dve slová sa stali viac-menej synonymami.

Objavenie elektromagnetickej indukcie Michaela Faradaya vydláždilo cestu pre vynález indukčného generátora, ktorý nakoniec začal zásobovať celý svet elektrinou. Indukčný generátor prevádza mechanickú energiu na elektrickú energiu a pohybujúca sa voda je lacný a bohatý zdroj mechanickej energie. Bolo preto prirodzené prispôsobiť vodné mlyny na generátory vodnej energie.

Aby sme pochopili, ako funguje vodný kolesový generátor, pomôže to pochopiť princípy elektromagnetickej indukcie. Akonáhle to urobíte, môžete skúsiť postaviť si vlastný mini vodný kolesový generátor pomocou motora z malého elektrického ventilátora alebo iného spotrebiča.

Faraday (1791 - 1867) objavil indukciu ovinutím vodivého drôtu niekoľkokrát okolo valcového jadra, aby vznikol solenoid. Pripojil konce vodičov k galvanometru, prístroju, ktorý meria prúd (a k predchodcovi multimetra). Keď pohyboval permanentným magnetom vo vnútri solenoidu, zistil, že merač zaznamenal prúd.

Faraday poznamenal, že prúd zmenil smer vždy, keď zmenil smer, ktorým pohyboval magnetom, a sila prúdu závisela od toho, ako rýchlo pohyboval magnetom.

Tieto pozorovania boli neskôr formulované do Faradayovho zákona, ktorý vzťahuje E, elektromotorickú silu (emf) vo vodiči, tiež známu ako napätie, k rýchlosti zmeny magnetického tokuϕzažil dirigent. Tento vzťah sa zvyčajne píše takto:

​Nje počet závitov v cievke vodiča. Symbol∆(delta) označuje zmenu množstva, ktoré nasleduje po nej. Znamienko mínus označuje, že smer elektromotorickej sily je opačný k smerom magnetického toku.

Faradayov zákon nešpecifikuje, či sa cievka alebo magnet musia pohybovať, aby indukovali prúd, a to v skutočnosti nezáleží. Jeden z nich sa však musí pohybovať, pretože magnetický tok, ktorý je časťou magnetického poľa prechádzajúceho kolmo cez vodič, sa musí meniť. V statickom magnetickom poli nevytvára žiadny prúd.

Indukčný generátor má zvyčajne rotujúci permanentný magnet alebo vodivú cievku magnetizovanú externým zdrojom energie, ktorý sa nazýva rotor. Voľne sa točí na hriadeli (armatúre) s nízkym trením vo vnútri cievky, ktorá sa nazýva stator, a keď sa točí, vytvára v statorovej cievke napätie.

Indukované napätie mení smer cyklicky s každým otáčaním rotora, takže výsledný prúd tiež mení smer. Je známy ako striedavý prúd (AC).

Vo vodnom mlyne je energia na rotáciu rotora dodávaná prúdiacou vodou a pre jednoduché je možné vyrobenú elektrinu použiť priamo na napájanie svetiel a spotrebičov. Častejšie je však generátor pripojený k elektrickej sieti a dodáva energiu späť do siete.

V tomto scenári je permanentný magnet v rotore často nahradený elektromagnetom a mriežka dodáva na jeho magnetizáciu striedavý prúd. Na získanie čistého výkonu z generátora v tomto scenári musí rotor točiť o frekvenciu vyššiu ako je frekvencia prichádzajúceho výkonu.

Pri využívaní vody na prácu sa v zásade spoliehate na gravitačnú silu, čo je dôvod, prečo je voda na prvom mieste. Množstvo energie, ktoré môžete odvodiť z padajúcej vody, závisí od toho, koľko vody padá a ako rýchlo. Z vodopádu získate viac energie na jednotku vody ako z tečúceho potoka a evidentne získate viac energie z veľkého potoka alebo vodopádu ako z malého.

Všeobecne je energia dostupná na prácu pri otáčaní vodného kolesa daná symbolommgh, kde „m“ je hmotnosť vody, „h“ je výška, cez ktorú klesá, a „g“ predstavuje gravitačné zrýchlenie. Aby sa maximalizovala dostupná energia, vodné koleso by malo byť v spodnej časti svahu alebo vodopádu, čo maximalizuje vzdialenosť, ktorú musí voda klesnúť.

Nemusíte merať hmotnosť vody pretekajúcej prúdom. Musíte len odhadnúť objem. Pretože hustota vody je známe množstvo a hustota sa rovná hmotnosti vydelenej objemom, je ľahké vykonať prepočet.

Vodné koleso premieňa potenciálnu energiu v tečúcom potoku alebo vodopáde (mgh) na tangenciálnu kinetickú energiu v bode, v ktorom voda prichádza do styku s kolesom. Toto generuje rotačnú kinetickú energiu danú zJa ω ²/2, kdeωje uhlová rýchlosť kolesa aJaje moment zotrvačnosti. Moment zotrvačnosti bodu rotujúceho okolo stredovej osi je úmerný štvorcu polomeru rotácier​: (​I = mr²), kdemje hmotnosť bodu.

Ak chcete optimalizovať premenu energie, chcete maximalizovať uhlovú rýchlosť,ω, ale aby ste to dosiahli, musíte minimalizovaťJa, čo znamená minimalizovanie polomeru otáčania,r. Vodné koleso by malo mať malý polomer, aby sa zabezpečilo, že sa točí dostatočne rýchlo na to, aby generovalo čistý prúd. Vynecháte tak staré veterné mlyny, ktorými je Holandsko známe. Sú dobré na vykonávanie mechanických prác, ale nie na výrobu elektriny.

Jeden z prvých a najznámejších generátorov indukcie vodného kolesa vo veľkom sa pripojil online v Niagarských vodopádoch v New Yorku v roku 1895. Elektráreň Edwarda Deana Adamsa, ktorú vytvoril Nikola Tesla a financoval a navrhol ju George Westinghouse, bola prvou z niekoľkých tovární na dodávku elektriny spotrebiteľom v Spojených štátoch.

Skutočná elektráreň je postavená asi kilometer pred Niagarskými vodopádmi a získava vodu sústavou potrubí. Voda prúdi do valcového krytu, v ktorom je namontované veľké vodné koleso. Sila vody roztáča koleso a následne rotuje rotor väčšieho generátora na výrobu elektriny.

Generátor v elektrárni Adams využíva 12 veľkých permanentných magnetov, z ktorých každý produkuje magnetické pole s veľkosťou asi 0,1 Tesla. Sú pripevnené k rotoru generátora a otáčajú sa vo vnútri veľkej drôtenej cievky. Generátor produkuje asi 13 000 voltov a na to musí byť v cievke minimálne 300 závitov. Keď je generátor v chode, cievkou prechádza okolo 4 000 zosilňovačov striedavého prúdu.

Na svete je veľmi málo vodopádov veľkosti Niagarských vodopádov, a preto sú Niagarské vodopády považované za jeden z prírodných divov sveta. Mnoho vodných elektrární je postavených na priehradách. V súčasnosti asi 16 percent svetovej elektriny dodáva také vodné elektrárne, z ktorých najväčšia je v Číne, Brazílii, Kanade, USA a Rusku. Najväčší závod je v Číne, ale ten, ktorý vyrába najviac elektriny, je v Brazílii.

Po vybudovaní priehrady už nevznikajú žiadne ďalšie náklady spojené s výrobou energie. ale existujú nejaké náklady na životné prostredie.

• Stavba priehrady mení tok prírodných vodných tokov a má to vplyv na život rastlín, zvierat a ľudí, ktorí sa spoliehali na prirodzený tok vody. Stavba priehrady Tri rokliny v Číne zahŕňala premiestnenie 1,2 milióna ľudí.
• Priehrady menia prirodzený životný cyklus rýb, ktoré žijú v potokoch. Na severozápade Tichého oceánu priehrady pripravili odhadom 40 percent lososa a oceliara o prirodzené prostredie.
• Voda pochádzajúca z priehrady má zníženú hladinu rozpusteného kyslíka a ovplyvňuje to ryby, rastliny a divokú zver, ktoré sú od nej závislé.
• Na výrobu vodnej energie má vplyv sucho. Ak dôjde voda, často je potrebné zastaviť výrobu energie, aby sa uchovala voda.

Vedci hľadajú spôsoby, ako zmierniť nevýhody veľkých elektrární. Jedným z riešení je vybudovať systémy menších, ktoré majú menší vplyv na životné prostredie. Ďalším je návrh sacích ventilov a turbín, ktoré zabezpečia správne okysličenie vody uvoľňovanej z elektrárne. Aj napriek nevýhodám však vodné priehrady patria k najčistejším a najlacnejším zdrojom elektrickej energie na planéte.

Dobrým spôsobom, ako si porozumieť princípom pri výrobe vodnej energie, je vlastná výroba malého elektrického generátora. Môžete to urobiť pomocou motora z lacného elektrického ventilátora alebo iného spotrebiča. Pokiaľ rotor vo vnútri motora využíva permanentný magnet, je možné ho na výrobu elektriny použiť „v opačnom smere“. Motor z veľmi starého ventilátora alebo prístroja je lepším kandidátom ako motor z novšieho, pretože u starších motorov prístroja je pravdepodobnejšie použitie permanentných magnetov.

Ak používate ventilátor, je možné, že tento projekt dosiahnete bez toho, aby ste ho museli aj rozobrať, pretože lopatky ventilátora môžu pôsobiť ako obežné kolesá. Nie sú však na to skutočne určené, takže ich možno budete chcieť odrezať a nahradiť efektívnejším vodným kolesom, ktoré si sami skonštruujete. Ak sa rozhodnete urobiť, môžete použiť golier ako základ pre svoje vylepšené vodné koleso, pretože je už pripevnený k hriadeľu motora.

Ak chcete zistiť, či váš mini vodný kolesový generátor skutočne vyrába elektrinu, musíte pripojiť meter cez výstupnú cievku. Toto je ľahké urobiť, ak používate starý ventilátor alebo zariadenie, pretože je vybavené zástrčkou. Stačí pripojiť sondy multimetra k vidličkám a nastaviť merač na meranie striedavého napätia (VAC). Ak motor, ktorý používate, nemá zástrčku, stačí pripojiť meracie sondy k vodičom pripojeným k výstupnej cievke, ktoré sú vo väčšine prípadov jediné dva káble, ktoré nájdete.

Pre tento projekt môžete použiť prírodný zdroj padajúcej vody alebo si môžete postaviť vlastný. Voda padajúca z výtoku z vane by mala generovať dostatok energie na výrobu zistiteľného prúdu. Ak sa chystáte ukázať svoj projekt iným ľuďom, možno budete chcieť vyliať vodu z džbánu alebo použiť záhradnú hadicu.