Како воденице производе електричну енергију?

Вода која се креће важан је извор енергије и људи су је енергијом користили током векова градећи водене точкове.

Били су уобичајени у Европи током средњег века и били су коришћени за, између осталог, дробљење стена, руковање мехом за рафинерије метала и чекиће лишћа лана да би их претворили у папир. Водени точкови који су млели жито били су познати као водени млинови, а пошто је ова функција била тако свеприсутна, две речи постале су мање-више синонимне.

Откриће електромагнетне индукције Мајкла Фарадеја отворило је пут проналаску индукционог генератора који је на крају цео свет опскрбио електричном енергијом. Индукциони генератор претвара механичку енергију у електричну, а вода у покрету је јефтин и богат извор механичке енергије. Стога је било природно воденице прилагодити хидроелектранама.

Да би се разумело како ради генератор водених точкова, помаже разумевање принципа електромагнетне индукције. Када то учините, можете покушати да направите сопствени мини генератор водених точкова, користећи мотор из малог електричног вентилатора или другог уређаја.

Фарадаи (1791 - 1867) открио је индукцију омотавањем проводне жице више пута око цилиндричног језгра да би се направио соленоид. Крајеве жица повезао је са галванометром, уређајем који мери струју (и претечу мултиметра). Када је померио трајни магнет унутар соленоида, открио је да мерач региструје струју.

Фарадаи је приметио да је струја мењала смер кад год је променио смер кретања магнета, а јачина струје зависила је од брзине кретања магнета.

Ова запажања су касније формулисана у Фарадејев закон, који повезује Е, електромоторну силу (ЕМС) у проводнику, такође познату и као напон, са брзином промене магнетног флуксаϕдоживео диригент. Овај однос се обично пише на следећи начин:

​Н.је број завоја у калему проводника. Симбол∆(делта) означава промену количине која следи. Знак минус указује на то да је смер електромоторне силе супротан правцима магнетног флукса.

Фарадејев закон не прецизира да ли се калем или магнет морају померати да би индуковали струју, а заправо то није важно. Међутим, један од њих мора да се креће, јер се магнетни ток, који је део магнетног поља који пролази окомито кроз проводник, мора мењати. У статичком магнетном пољу не ствара се струја.

Индукциони генератор обично има трајни магнет који се окреће или проводну завојницу, магнетизовану спољашњим извором енергије, који се назива ротор. Слободно се врти на осовини са малим трењем (арматури) унутар завојнице, која се назива статор, а када се заврти, ствара напон у завојници статора.

Индуковани напон циклично мења смер при сваком окретању ротора, па резултујућа струја такође мења смер. Познат је као наизменична струја (АЦ).

У воденици се енергија за окретање ротора испоручује покретном водом, а за једноставне је могуће произведену електричну енергију користити директно за напајање светла и уређаја. Међутим, чешће је генератор повезан на електричну мрежу и напаја енергију назад у мрежу.

У овом сценарију трајни магнет у ротору често се замењује електромагнетом, а мрежа испоручује наизменичну струју да би га магнетизовала. Да би у овом сценарију добио нето излаз од генератора, ротор мора да окреће фреквенцију већу од долазне снаге.

Када користите воду за обављање посла, у основи се ослањате на силу гравитације, која је оно што прво покреће воду. Количина енергије коју можете добити од пада воде зависи од тога колико вода пада и колико брзо. Из водопада ћете добити више енергије по јединици воде него из текућег потока, а очигледно ћете из великог потока или водопада добити више енергије него из малог.

Генерално, енергија која је доступна за обављање послова окретања воденог точка дајемгх, где је „м“ маса воде, „х“ висина кроз коју пада, а „г“ убрзање услед гравитације. Да би се максимално повећала расположива енергија, водени точак треба да се налази на дну косине или водопада, што максимизира удаљеност коју вода мора пасти.

Не морате мерити масу воде која протиче кроз поток. Потребно је само да процените запремину. Пошто је густина воде позната количина, а густина је једнака маси подељеној са запремином, лако је извршити конверзију.

Водени точак претвара потенцијалну енергију у текућем току или водопаду (мгх) у тангенцијалну кинетичку енергију на месту на којем вода долази у контакт са точком. Ово генерише ротацијску кинетичку енергију коју дајеИ ω ²/2, гдеωје угаона брзина точка иЈаје тренутак инерције. Момент инерције тачке која се окреће око централне осе пропорционалан је квадрату полупречника ротацијер​: (​И = мр²), гдемје маса тачке.

Да бисте оптимизовали претворбу енергије, желите да повећате угаону брзину,ω, али да бисте то урадили, потребно је да смањите на минимумЈа, што значи минимизирање радијуса ротације,р. Водени точак треба да има мали радијус како би се осигурало да се окреће довољно брзо да генерише нето струју. То изоставља старе ветрењаче по којима је Холандија позната. Добри су за обављање механичких послова, али не и за производњу електричне енергије.

Један од првих великих индукционих генератора са воденим точковима, и најпознатији, појавио се на мрежи на Нијагариним водопадима у Њујорку 1895. године. Замишљен од стране Николе Тесле, а финансирао и дизајнирао Џорџ Вестингхаус, електрана Едвард Деан Адамс била је прва од неколико електрана које су снабдевале потрошаче електричном енергијом у Сједињеним Државама.

Стварна електрана изграђена је око километар узводно од Нијагариних водопада и воду добија системом цеви. Вода тече у цилиндрично кућиште у којем је постављен велики водени точак. Сила воде окреће точак, а она заузврат окреће ротор већег генератора за производњу електричне енергије.

Генератор у Адамс-овој електрани користи 12 великих трајних магнета, од којих сваки производи магнетно поље од око 0,1 Тесла. Они су причвршћени за ротор генератора и врте се унутар велике завојнице жице. Генератор производи око 13 000 волти, а да би се то постигло мора бити најмање 300 окретаја у калему. Приликом рада генератора око 4.000 ампера наизменичне струје пролази кроз завојницу.

На свету има врло мало водопада величине Нијагариних водопада, због чега се Нијагарини водопади сматрају једним од светских природних чуда. Многе хидроелектране су изграђене на бранама. Данас се око 16 процената светске електричне енергије испоручује из таквих хидроелектрана, од којих су највеће у Кини, Бразилу, Канади, Сједињеним Државама и Русији. Највеће постројење је у Кини, али оно које производи највише електричне енергије је у Бразилу.

Једном када је изграђена брана, нема више трошкова повезаних са производњом електричне енергије. али постоје одређени трошкови за животну средину.

• Изградњом бране мења се проток природних пловних путева, а то утиче на живот биљака, животиња и људи који су се ослањали на природни проток воде. Изградња бране Три клисуре у Кини подразумевала је пресељење 1,2 милиона људи.
• Бране мењају природни животни циклус риба које живе у потоцима. На северозападу Тихог океана, бране су лишиле приближно 40 процената лососа и челичних глава својих природних станишта.
• Вода која долази из бране има смањени ниво раствореног кисеоника, а то утиче на рибу, биљке и дивље животиње које зависе од воде.
• На производњу хидроенергије утиче суша. Када воде понестане, често је потребно зауставити производњу електричне енергије да би се сачувала вода која постоји.

Научници траже начине за ублажавање недостатака великих производних погона. Једно решење је изградња система мањих који имају мањи утицај на животну средину. Друга је конструкција усисних вентила и турбина како би се осигурало да вода која се испушта из постројења буде правилно кисеоником. И поред недостатака, хидроелектране су међу најчистијим и најјефтинијим изворима електричне енергије на планети.

Добар начин да си помогнете да разумете принципе у производњи хидроелектричне енергије је да сами направите мали електрични генератор. То можете учинити мотором из јефтиног електричног вентилатора или другог уређаја. Све док ротор унутар мотора користи трајни магнет, мотор се може користити "уназад" за производњу електричне енергије. Мотор од врло старог вентилатора или уређаја бољи је кандидат од мотора од новијег, јер је вероватно да ће старији мотори за уређаје користити трајне магнете.

Ако користите вентилатор, можда ћете успети да реализујете овај пројекат, а да га ни не раставите, јер лопатице вентилатора могу деловати као радна кола. Међутим, они заправо нису дизајнирани за ово, па ћете их можда желети одсећи и заменити их ефикаснијим воденим точком који сами конструишете. Ако се одлучите за ово, можете користити огрлицу као основу за ваш побољшани водени точак, јер је већ причвршћен на осовину мотора.

Да бисте утврдили да ли ваш мини генератор водених точкова заправо производи електричну енергију, мораћете да повежете мерач преко излазне завојнице. То је лако учинити ако користите стари вентилатор или уређај, јер има утикач. Само повежите сонде мултиметра са утикачима и подесите мерач за мерење наизменичног напона (ВАЦ). Ако мотор који користите нема утикач, само спојите сонде мерила на жице причвршћене за излазну завојницу, које су у већини случајева једине две жице које ћете наћи.

За овај пројекат можете користити природни извор падајуће воде или можете сами конструисати. Вода која пада из отвора ваше каде треба да генерише довољно енергије да произведе струју која се може препознати. Ако свој пројекат возите на пут да покажете другим људима, можда ћете желети да наточите воду из крчага или да користите баштенско црево.