Hur producerar vattenkvarnar elektricitet?

Att flytta vatten är en viktig energikälla, och människor har utnyttjat den energin genom tiderna genom att bygga vattenhjul.

De var vanliga i Europa under hela medeltiden och användes bland annat för att krossa sten, driva bälgar för metallraffinaderier och hamra linblad för att göra dem till papper. Vattenhjul som malde spannmål var kända som vattenkvarnar och eftersom denna funktion var så allestädes närvarande blev de två orden mer eller mindre synonyma.

Michael Faradays upptäckt av elektromagnetisk induktion banade väg för uppfinningen av induktionsgeneratorn som så småningom kom att förse hela världen med elektricitet. En induktionsgenerator omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi, och rörligt vatten är en billig och riklig källa till mekanisk energi. Det var därför naturligt att anpassa vattenkvarnar till vattenkraftgeneratorer.

För att förstå hur en vattenhjulsgenerator fungerar hjälper det att förstå principerna för elektromagnetisk induktion. När du har gjort det kan du försöka bygga din egen mini-vattenhjulgenerator med hjälp av motorn från en liten elektrisk fläkt eller annan apparat.

Faraday (1791 - 1867) upptäckte induktion genom att linda en ledningstråd flera gånger runt en cylindrisk kärna för att skapa en solenoid. Han kopplade trådarnas ändar till en galvanometer, en anordning som mäter ström (och föregångaren till multimetern). När han flyttade en permanentmagnet inuti solenoiden fann han att mätaren registrerade ström.

Faraday noterade att strömmen ändrade riktning närhelst han ändrade riktningen han rörde magneten, och strömens styrka berodde på hur snabbt han rörde magneten.

Dessa observationer formulerades senare i Faradays lag, som relaterar E, den elektromotoriska kraften (emf) i en ledare, även känd som spänning, till förändringshastigheten för magnetiskt flödeϕupplevs av ledaren. Detta förhållande skrivs vanligtvis enligt följande:

​När antalet varv i ledarspolen. Symbolen∆(delta) anger en förändring i kvantiteten som följer den. Minustecknet indikerar att elektromotorikens riktning är motsatt magnetflödets riktningar.

Faradays lag specificerar inte om spolen eller magneten måste röra sig för att inducera en ström, och faktiskt spelar det ingen roll. En av dem måste dock röra sig, för det magnetiska flödet, som är den del av magnetfältet som passerar vinkelrätt genom ledaren, måste förändras. Ingen ström genereras i ett statiskt magnetfält.

En induktionsgenerator har vanligtvis en roterande permanentmagnet eller en ledande spole magnetiserad av en extern kraftkälla, kallad rotorn. Den snurrar fritt på en lågfriktionsaxel (armatur) inuti en spole, som kallas stator, och när den snurrar genererar den en spänning i statorspolen.

Den inducerade spänningen ändrar riktning cykliskt med varje rotering av rotorn, så den resulterande strömmen ändrar också riktning. Det är känt som växelström (AC).

I en vattenkvarn levereras energin för att rotera rotorn genom att flytta vatten, och för enkla är det möjligt att använda den genererade elen direkt för att driva lampor och apparater. Oftare är dock generatorn ansluten till elnätet och levererar ström tillbaka till nätet.

I detta scenario ersätts ofta den permanenta magneten i rotorn med en elektromagnet, och nätet levererar växelström för att magnetisera den. För att få en nettoutgång från generatorn i detta scenario måste rotorn snurra en frekvens som är större än den för den inkommande effekten.

När du utnyttjar vatten för att arbeta, förlitar du dig i grunden på tyngdkraften, vilket är det som får vattnet att strömma i första hand. Mängden energi du kan få från fallande vatten beror på hur mycket vatten som faller och hur snabbt. Du får mer energi per enhet vatten från ett vattenfall än du kommer från en strömmande ström, och du får uppenbarligen mer energi från en stor ström eller vattenfall än du kommer från en liten.

Generellt ges den energi som finns för att göra arbetet med att vrida vattenhjulet avmgh, där "m" är vattenmassan, "h" är höjden genom vilken det faller och "g" är accelerationen på grund av tyngdkraften. För att maximera tillgänglig energi bör vattenhjulet vara längst ner i sluttningen eller vattenfallet, vilket maximerar avståndet vattnet har att falla.

Du behöver inte mäta massan av vattnet som strömmar genom strömmen. Allt du behöver göra är att uppskatta volymen. Eftersom vattentätheten är en känd mängd, och densiteten är lika med massan dividerad med volym, är det enkelt att göra omvandlingen.

Ett vattenhjul omvandlar den potentiella energin i en strömmande ström eller vattenfall (mgh) till tangentiell kinetisk energi vid den punkt där vattnet kommer i kontakt med hjulet. Detta genererar roterande kinetisk energi, ges avJag ω ²/2, varωär hjulets vinkelhastighet ochJagär tröghetsmomentet. Tröghetsmomentet för en punkt som roterar runt en central axel är proportionell mot kvadraten för rotationsradienr​: (​Jag = herr²), varmär massan av punkten.

För att optimera omvandlingen av energi vill du maximera vinkelhastigheten,ω, men för att göra det måste du minimeraJag, vilket innebär att minimera rotationsradien,r. Ett vattenhjul bör ha en liten radie för att säkerställa att det snurrar tillräckligt snabbt för att generera en nätström. Det utelämnar de gamla väderkvarnar som Nederländerna är kända för. De är bra för att göra mekaniskt arbete, men inte för att generera el.

En av de första storskaliga generatorerna för vattenhjulinduktion, och den mest kända, kom online på Niagara Falls, New York, 1895. Utformad av Nikola Tesla och finansierad och designad av George Westinghouse, var Edward Dean Adams kraftverk den första av flera anläggningar som levererade el till konsumenter i USA.

Det verkliga kraftverket är byggt ungefär en mil uppströms Niagara Falls och får vatten genom ett rörsystem. Vattnet rinner in i ett cylindriskt hus i vilket ett stort vattenhjul är monterat. Vattnets kraft snurrar på hjulet och det roterar i sin tur rotorn på en större generator för att producera elektricitet.

Generatorn vid Adams kraftverk använder 12 stora permanentmagneter, som var och en producerar ett magnetfält på cirka 0,1 Tesla. De är fästa vid generatorns rotor och snurrar inuti en stor trådspole. Generatorn producerar cirka 13 000 volt, och för att göra detta måste det vara minst 300 varv i spolen. Cirka 4 000 ampere AC växlar genom spolen när generatorn är igång.

Det finns väldigt få vattenfall i världen som är lika stora som Niagara Falls, varför Niagara Falls anses vara ett av världens naturliga underverk. Många vattenkraftverk är byggda på dammar. Idag levereras cirka 16 procent av världens el från sådana vattenkraftverk, varav den största finns i Kina, Brasilien, Kanada, USA och Ryssland. Den största anläggningen finns i Kina, men den som producerar mest el finns i Brasilien.

När en damm väl har byggts finns det inga fler kostnader i samband med kraftproduktion. men det finns vissa kostnader för miljön.

• Att bygga en damm förändrar flödet av naturliga vattenvägar, och detta har en inverkan på livet för växter, djur och människor som förlitade sig på det naturliga vattenflödet. Byggandet av Three Gorges Dam i Kina innebar omplacering av 1,2 miljoner människor.
• Dammar förändrar de naturliga livscyklerna för fisk som lever i bäckarna. I Stillahavsområdet nordväst har dammar berövat uppskattningsvis 40 procent av laxen och stålhuvudet sina naturliga livsmiljöer.
• Vatten som kommer från en fördämning har en reducerad nivå av upplöst syre, och detta påverkar fisk, växter och vilda djur som är beroende av vattnet.
• Produktionen av vattenkraft påverkas av torka. När vattnet börjar ta slut är det ofta nödvändigt att avbryta kraftproduktionen för att bevara det vatten som finns.

Forskare tittar på sätt att mildra nackdelarna med stora kraftproduktionsanläggningar. En lösning är att bygga mindre system som har mindre miljöpåverkan. Ett annat är att utforma inloppsventiler och turbiner för att säkerställa att vatten som släpps ut från anläggningen är ordentligt syresatt. Även med nackdelar är dock vattenkraftdammar bland de renaste, billigaste energikällorna på planeten.

Ett bra sätt att hjälpa dig själv att förstå principerna för vattenkraftproduktion är att bygga en liten elektrisk generator själv. Du kan göra detta med motorn från en billig elektrisk fläkt eller annan apparat. Så länge rotorn inuti motorn använder en permanentmagnet kan motorn användas "i omvänd ordning" för att generera elektricitet. Motorn från en mycket gammal fläkt eller apparat är en bättre kandidat än en motor från en nyare, eftersom äldre apparater är mer benägna att använda permanentmagneter.

Om du använder en fläkt kan du kanske utföra detta projekt utan att ens ta isär det, eftersom fläktklingorna kan fungera som pumphjul. De är dock inte riktigt utformade för detta, så du kanske vill klippa av dem och ersätta dem med ett mer effektivt vattenhjul som du konstruerar själv. Om du bestämmer dig för att göra detta kan du använda kragen som bas för ditt förbättrade vattenhjul, eftersom det redan är fäst på motoraxeln.

För att avgöra om din minivattenhjulgenerator faktiskt producerar el måste du ansluta en mätare över utgångsspolen. Det här är lätt att göra om du använder en gammal fläkt eller apparat, eftersom den har en kontakt. Anslut bara sonderna på en multimeter till stickpropparna och ställ in mätaren för att mäta växelspänning (VAC). Om den motor du använder inte har en kontakt, ansluter du bara mätproberna till ledningarna som är anslutna till utgångsspolen, vilket i de flesta fall är de enda två ledningarna du hittar.

Du kan använda en naturlig källa för fallande vatten för detta projekt eller så kan du konstruera din egen. Vattnet som faller från badkarets pip ska generera tillräckligt med energi för att producera en detekterbar ström. Om du tar ditt projekt på väg för att visa andra människor kanske du vill hälla vatten från en kanna eller använda en trädgårdsslang.