Kako vodne mline proizvajajo elektriko?

Premikanje vode je pomemben vir energije in ljudje so jo skozi stoletja izkoriščali z gradnjo vodnih koles.

V Evropi so bili pogosti v srednjem veku in so jih med drugim drobili kamenje, upravljali z mehom za kovinske rafinerije in kovali lanene liste, da so jih spremenili v papir. Vodna kolesa, ki so mlela žito, so bila znana kot vodni mlin, in ker je bila ta funkcija tako vseprisotna, sta besedi postali bolj ali manj sopomenki.

Odkritje elektromagnetne indukcije Michaela Faradaya je utrlo pot iznajdbi indukcijskega generatorja, ki je sčasoma oskrbel ves svet z električno energijo. Indukcijski generator pretvarja mehansko energijo v električno energijo, gibljiva voda pa je poceni in bogat vir mehanske energije. Zato je bilo naravno, da vodne mline prilagodimo hidroelektrarnam.

Da bi razumeli, kako deluje generator vodnega kolesa, pomaga razumeti načela elektromagnetne indukcije. Ko boste to storili, lahko poskusite zgraditi svoj lastni generator z vodnim kolesom z uporabo motorja iz majhnega električnega ventilatorja ali druge naprave.

Faraday (1791 - 1867) je odkril indukcijo tako, da je večkrat ovil prevodno žico okoli valjastega jedra, da je naredil magnet. Konce žic je povezal z galvanometrom, napravo, ki meri tok (in predhodnik multimetra). Ko je premaknil trajni magnet v magnetni magnet, je ugotovil, da števec registrira tok.

Faraday je opozoril, da je tok spreminjal smer, kadar koli je spreminjal smer premikanja magneta, moč toka pa je bila odvisna od tega, kako hitro je magnet premikal.

Ta opažanja so bila kasneje oblikovana v Faradayev zakon, ki povezuje E, elektromotorno silo (EMS) v vodniku, znano tudi kot napetost, s hitrostjo spremembe magnetnega pretokaϕdoživel dirigent. To razmerje je običajno zapisano na naslednji način:

​Nje število zavojev v vodniku tuljave. Simbol∆(delta) označuje spremembo količine, ki ji sledi. Znak minus pomeni, da je smer elektromotorne sile nasprotna smeri magnetnega pretoka.

Faradayev zakon ne določa, ali se mora tuljava ali magnet premikati, da sproži tok, in pravzaprav ni pomembno. Eden od njih pa se mora premikati, ker se mora magnetni tok, ki je del magnetnega polja, ki poteka pravokotno skozi vodnik, spreminjati. V statičnem magnetnem polju ne nastaja tok.

Indukcijski generator ima običajno predilni trajni magnet ali prevodno tuljavo, ki jo magnetizira zunanji vir energije, imenovan rotor. Prosto se vrti na gredi z nizkim trenjem (armaturi) znotraj tuljave, ki se imenuje stator, in ko se zavrti, ustvari napetost v tuljavi statorja.

Inducirana napetost ciklično spreminja smer z vsakim vrtljajem rotorja, zato s tem spreminja tudi smer nastali tok. Znan je kot izmenični tok (AC).

V vodni mlin se energija za vrtenje rotorja dovaja z gibljivo vodo, pri preprostih pa je mogoče proizvedeno elektriko porabiti neposredno za napajanje luči in naprav. Pogosteje pa je generator priključen na električno omrežje in napaja električno omrežje nazaj.

V tem primeru trajni magnet v rotorju pogosto nadomesti elektromagnet, mreža pa napaja izmenični tok, da ga magnetizira. Če želite v tem primeru dobiti ročno moč generatorja, mora rotor vrteti frekvenco, večjo od frekvence dohodne moči.

Ko izkoriščate vodo za delo, se v osnovi zanašate na silo gravitacije, zaradi katere voda najprej teče. Količina energije, ki jo lahko pridobite iz padajoče vode, je odvisna od tega, koliko vode pada in kako hitro. Iz slapa boste dobili več energije na enoto vode kot iz tekočega potoka, iz velikega potoka ali slapa pa boste očitno dobili več energije kot iz majhnega.

Na splošno je energija, ki je na voljo za vrtenje vodnega kolesa, dana zmgh, kjer je "m" masa vode, "h" višina, skozi katero pade, in "g" pospešek zaradi gravitacije. Da bi povečali razpoložljivo energijo, mora biti vodno kolo na dnu pobočja ali slapa, kar poveča razdaljo, ki jo mora pasti.

Ni vam treba meriti mase vode, ki teče skozi potok. Vse kar morate storiti je, da ocenite količino. Ker je gostota vode znana količina in je gostota enaka masi, deljeni s prostornino, je pretvorbo enostavno.

Vodno kolo pretvori potencialno energijo v tekočem toku ali slapu (mgh) v tangencialno kinetično energijo na mestu, kjer voda pride v stik s kolesom. To ustvarja rotacijsko kinetično energijo, ki jo dajeI ω ²/2, kjeωje kotna hitrost kolesa injazje vztrajnostni trenutek. Vztrajnostni moment točke, ki se vrti okoli osrednje osi, je sorazmeren kvadratu polmera vrtenjar​: (​I = g²), kjemje masa točke.

Če želite optimizirati pretvorbo energije, želite povečati kotno hitrost,ω, vendar za to morate zmanjšatijaz, kar pomeni zmanjšanje polmera vrtenja,r. Vodno kolo mora imeti majhen radij, da se zagotovi dovolj hitro vrtenje, da ustvari neto tok. To izpusti stare vetrnice, po katerih slovi Nizozemska. Dobre so za mehansko delo, ne pa tudi za proizvodnjo električne energije.

Eden prvih in najbolj znanih generatorjev za indukcijo vodnih koles je bil leta 1895 na spletu na Niagarskih slapovih v New Yorku. Termoelektrarna Edward Dean Adams, ki jo je zasnoval Nikola Tesla, financirala in zasnovala jo je George Westinghouse, je bila prva izmed več obratov, ki je oskrbovala potrošnike z električno energijo v ZDA.

Dejanska elektrarna je zgrajena približno kilometer nad Niagarskim slapom in vodo dovaja po sistemu cevi. Voda teče v valjasto ohišje, v katerem je nameščeno veliko vodno kolo. Sila vode vrti kolo, ta pa vrti rotor večjega generatorja za proizvodnjo električne energije.

Generator v elektrarni Adams uporablja 12 velikih trajnih magnetov, od katerih vsak proizvaja magnetno polje približno 0,1 Tesla. Pritrjeni so na rotor generatorja in se vrtijo znotraj velike žice. Generator proizvede približno 13.000 voltov, za to pa mora biti v tuljavi vsaj 300 obratov. Pri delujočem generatorju skozi tuljavo teče približno 4000 amperov izmeničnega toka.

Na svetu je zelo malo slapov v velikosti Niagarskih slapov, zato Niagarski slapovi veljajo za eno od svetovnih naravnih čudes. Številne hidroelektrarne so zgrajene na jezovih. Danes približno 16 odstotkov svetovne električne energije oskrbujejo takšne hidroelektrarne, med katerimi so največje na Kitajskem, v Braziliji, Kanadi, ZDA in Rusiji. Največja elektrarna je na Kitajskem, toda največ električne energije proizvede v Braziliji.

Ko je jez zgrajen, s proizvodnjo električne energije ni več stroškov. vendar za okolje obstajajo nekateri stroški.

• Gradnja jezu spremeni pretok naravnih vodnih poti, kar vpliva na življenje rastlin, živali in ljudi, ki so se zanašali na naravni pretok vode. Gradnja jezu Three Gorges na Kitajskem je pomenila preselitev 1,2 milijona ljudi.
• Jezovi spreminjajo naravni življenjski cikel rib, ki živijo v potokih. Na pacifiškem severozahodu so jezovi odvzeli približno 40 odstotkov lososa in jeklenih glav naravnih habitatov.
• Voda, ki prihaja iz jezu, ima zmanjšano stopnjo raztopljenega kisika, kar vpliva na ribe, rastline in prostoživeče živali, ki so odvisne od vode.
• Na proizvodnjo hidroelektrarn vpliva suša. Ko vode zmanjkuje, je pogosto treba prenehati s proizvodnjo električne energije, da ohranimo vodo.

Znanstveniki iščejo načine za ublažitev pomanjkljivosti velikih elektrarn. Ena od rešitev je gradnja sistemov manjših, ki imajo manjši vpliv na okolje. Druga oblika je načrtovanje sesalnih ventilov in turbin, ki zagotavljajo, da je voda, ki se sprošča iz rastline, pravilno kisikova. Kljub pomanjkljivostim pa so hidroelektrarne med najčistejšimi in najcenejšimi viri električne energije na planetu.

Dober način, da si pomagate razumeti načela hidroelektrarne, je, da sami zgradite majhen električni generator. To lahko storite z motorjem iz poceni električnega ventilatorja ali druge naprave. Dokler rotor v motorju uporablja trajni magnet, se lahko motor uporablja "vzvratno" za proizvodnjo električne energije. Motor iz zelo starega ventilatorja ali naprave je boljši kandidat kot motor iz novejšega, saj je v starejših motorjih naprav bolj verjetno, da bodo uporabljali trajne magnete.

Če uporabljate ventilator, boste morda lahko izvedli ta projekt, ne da bi ga sploh razstavili, ker lahko lopatice ventilatorja delujejo kot rotorji. Vendar v resnici niso zasnovani za to, zato jih boste morda želeli odrezati in nadomestiti z učinkovitejšim vodnim kolesom, ki si ga ustvarite sami. Če se odločite za to, lahko ovratnik uporabite kot podlago za vaše izboljšano vodno kolo, saj je že pritrjeno na gred motorja.

Če želite ugotoviti, ali vaš mini generator vodnih koles dejansko proizvaja elektriko, boste morali na izhodno tuljavo priključiti števec. To je enostavno narediti, če uporabljate stari ventilator ali aparat, ker ima vtič. Preprosto priključite sonde multimetra na vtične roglje in nastavite merilnik za merjenje izmenične napetosti (VAC). Če motor, ki ga uporabljate, nima vtiča, samo priključite merilne sonde na žice, pritrjene na izhodno tuljavo, ki sta v večini primerov edini dve žici, ki jih boste našli.

Za ta projekt lahko uporabite naravni vir padajoče vode, lahko pa tudi sami. Voda, ki pade iz izliva vaše kopalne kadi, bi morala ustvariti dovolj energije za ustvarjanje zaznavnega toka. Če svoj projekt vozite na pot, da pokažete drugim ljudem, boste morda želeli natočiti vodo iz vrča ali uporabiti vrtno cev.