Watermills ผลิตไฟฟ้าได้อย่างไร?

น้ำที่เคลื่อนตัวเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญ และผู้คนได้ควบคุมพลังงานนั้นมาโดยตลอดด้วยการสร้างกังหันน้ำ

พวกเขาพบเห็นได้ทั่วไปในยุโรปตลอดยุคกลาง และเคยชินกับการบดหิน ใช้เครื่องเป่าลมสำหรับโรงกลั่นโลหะ และค้อนใบแฟลกซ์เพื่อเปลี่ยนเป็นกระดาษ กังหันน้ำที่โม่เมล็ดพืชเรียกว่า watermills และเนื่องจากฟังก์ชันนี้แพร่หลายมาก คำทั้งสองจึงมีความหมายเหมือนกันไม่มากก็น้อย

การค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของ Michael Faraday ปูทางสำหรับการประดิษฐ์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ในที่สุดก็มาเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับทั้งโลก เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า และน้ำเคลื่อนที่เป็นแหล่งพลังงานกลราคาถูกและมีอยู่มากมาย ดังนั้นจึงเป็นเรื่องธรรมชาติที่จะปรับโรงสีให้เป็นเครื่องผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ

เพื่อให้เข้าใจว่าเครื่องกำเนิดกังหันน้ำทำงานอย่างไร จะช่วยให้เข้าใจหลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อคุณทำเสร็จแล้ว คุณอาจลองสร้างเครื่องกำเนิดกังหันน้ำขนาดเล็กของคุณเอง โดยใช้มอเตอร์จากพัดลมไฟฟ้าขนาดเล็กหรืออุปกรณ์อื่นๆ

ฟาราเดย์ (พ.ศ. 2334 - พ.ศ. 2410) ค้นพบการเหนี่ยวนำโดยการพันลวดนำไฟฟ้าหลาย ๆ ครั้งรอบแกนทรงกระบอกเพื่อสร้างโซลินอยด์ เขาเชื่อมต่อปลายสายไฟเข้ากับกัลวาโนมิเตอร์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดกระแส (และสารตั้งต้นของมัลติมิเตอร์) เมื่อเขาย้ายแม่เหล็กถาวรภายในโซลินอยด์ เขาพบว่ามิเตอร์ลงทะเบียนกระแส

ฟาราเดย์ตั้งข้อสังเกตว่ากระแสน้ำเปลี่ยนทิศทางเมื่อใดก็ตามที่เขาเปลี่ยนทิศทางที่เขากำลังเคลื่อนที่แม่เหล็ก และความแรงของกระแสจะขึ้นอยู่กับความเร็วที่เขาเคลื่อนที่แม่เหล็ก

ข้อสังเกตเหล่านี้ต่อมาได้กำหนดเป็นกฎของฟาราเดย์ ซึ่งสัมพันธ์กับ E ซึ่งเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) ในตัวนำหรือที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้า กับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กϕประสบการณ์โดยตัวนำ ความสัมพันธ์นี้มักจะเขียนดังนี้:

​นู๋คือ จำนวนรอบของขดลวดตัวนำ สัญลักษณ์∆(เดลต้า) หมายถึงการเปลี่ยนแปลงในปริมาณที่ตามมา เครื่องหมายลบแสดงว่าทิศทางของแรงเคลื่อนไฟฟ้าอยู่ตรงข้ามกับทิศทางของฟลักซ์แม่เหล็ก

กฎของฟาราเดย์ไม่ได้ระบุว่าขดลวดหรือแม่เหล็กจะต้องเคลื่อนที่เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟหรือไม่ และที่จริงแล้วมันไม่สำคัญ อย่างไรก็ตามหนึ่งในนั้นต้องเคลื่อนที่เพราะฟลักซ์แม่เหล็กซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสนามแม่เหล็กที่ผ่านในแนวตั้งฉากผ่านตัวนำจะต้องเปลี่ยนแปลง ไม่มีการสร้างกระแสในสนามแม่เหล็กสถิต

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำมักจะมีแม่เหล็กถาวรแบบหมุนหรือขดลวดนำไฟฟ้าที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กโดยแหล่งพลังงานภายนอกที่เรียกว่าโรเตอร์ มันหมุนได้อย่างอิสระบนเพลาแรงเสียดทานต่ำ (กระดอง) ภายในคอยล์ ซึ่งเรียกว่าสเตเตอร์ และเมื่อมันหมุน มันจะสร้างแรงดันไฟฟ้าในคอยล์สเตเตอร์

แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะเปลี่ยนทิศทางเป็นวงกลมด้วยการหมุนแต่ละครั้งของโรเตอร์ ดังนั้นกระแสที่ได้จะเปลี่ยนทิศทางด้วย เรียกว่ากระแสสลับ (AC)

ในโรงสีน้ำ พลังงานในการหมุนโรเตอร์นั้นมาจากน้ำที่เคลื่อนที่ และสำหรับแบบง่ายๆ ก็สามารถใช้ไฟฟ้าที่ผลิตได้โดยตรงไปยังหลอดไฟและเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ อย่างไรก็ตาม บ่อยครั้งที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าและจ่ายไฟกลับไปยังกริด

ในสถานการณ์สมมตินี้ แม่เหล็กถาวรในโรเตอร์มักจะถูกแทนที่ด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า และกริดจะจ่ายกระแสไฟ AC เพื่อทำให้แม่เหล็กเป็นแม่เหล็ก เพื่อให้ได้ผลลัพธ์สุทธิจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในสถานการณ์นี้ โรเตอร์ต้องหมุนความถี่ที่มากกว่ากำลังไฟฟ้าขาเข้า

เมื่อควบคุมน้ำเพื่อทำงาน คุณกำลังอาศัยแรงโน้มถ่วงเป็นหลัก ซึ่งทำให้น้ำไหลได้ตั้งแต่แรก ปริมาณพลังงานที่คุณจะได้รับจากการตกน้ำขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำที่ตกลงมาและความเร็ว คุณจะได้รับพลังงานต่อหน่วยน้ำจากน้ำตกมากกว่าที่คุณจะได้รับจากกระแสน้ำที่ไหล และเห็นได้ชัดว่าคุณจะได้รับพลังงานจากลำธารขนาดใหญ่หรือน้ำตกมากกว่าที่ได้รับจากลำธารเล็กๆ

โดยทั่วไปแล้ว พลังงานที่มีให้สำหรับหมุนกังหันน้ำได้มาจากmghโดยที่ "m" คือมวลของน้ำ "h" คือความสูงที่น้ำตกลงมา และ "g" คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง เพื่อให้ได้พลังงานสูงสุด กังหันน้ำควรอยู่ที่ด้านล่างของทางลาดหรือน้ำตก ซึ่งจะเป็นการเพิ่มระยะทางที่น้ำต้องตกลงมามากที่สุด

ไม่ต้องวัดมวลน้ำที่ไหลผ่านลำธาร สิ่งที่คุณต้องทำคือประมาณปริมาณ เนื่องจากความหนาแน่นของน้ำเป็นปริมาณที่ทราบ และความหนาแน่นเท่ากับมวลหารด้วยปริมาตร การแปลงจึงเป็นเรื่องง่าย

กังหันน้ำแปลงพลังงานศักย์ในกระแสน้ำหรือน้ำตก (mgh) เป็นพลังงานจลน์ในแนวสัมผัส ณ จุดที่น้ำสัมผัสกับล้อ สิ่งนี้สร้างพลังงานจลน์ในการหมุน ให้โดยฉัน ω ²/2ที่ไหนωคือความเร็วเชิงมุมของล้อและผมคือโมเมนต์ความเฉื่อย โมเมนต์ความเฉื่อยของจุดที่หมุนรอบแกนกลางเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของรัศมีการหมุนr​: (​ฉัน = นาย²) โดยที่มคือมวลของจุด

ในการเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน คุณต้องการเพิ่มความเร็วเชิงมุมให้สูงสุดωแต่การจะทำเช่นนั้นได้ คุณต้องย่อให้เล็กสุดผมซึ่งหมายถึงการลดรัศมีการหมุนr. กังหันน้ำควรมีรัศมีขนาดเล็กเพื่อให้แน่ใจว่าหมุนเร็วพอที่จะสร้างกระแสสุทธิ ที่ทิ้งกังหันลมเก่าที่เนเธอร์แลนด์มีชื่อเสียง เหมาะสำหรับงานเครื่องกล แต่ไม่ใช่สำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้า

หนึ่งในเครื่องกำเนิดกังหันน้ำขนาดใหญ่เครื่องแรกและที่รู้จักกันเป็นอย่างดีมาออนไลน์ที่น้ำตกไนแองการ่านิวยอร์กในปี 2438 คิดโดยนิโคลา เทสลา และได้รับทุนและออกแบบโดยจอร์จ เวสติงเฮาส์ โรงไฟฟ้าเอ็ดเวิร์ด ดีน อดัมส์ เป็นโรงไฟฟ้าแห่งแรกในหลายแห่งที่จำหน่ายไฟฟ้าให้กับผู้บริโภคในสหรัฐอเมริกา

โรงไฟฟ้าจริงสร้างขึ้นที่ต้นน้ำของน้ำตกไนแองการ่าประมาณ 1 ไมล์ และรับน้ำผ่านระบบท่อ น้ำไหลเข้าสู่ตัวเรือนทรงกระบอกซึ่งติดตั้งกังหันน้ำขนาดใหญ่ แรงของน้ำหมุนวงล้อ และหมุนโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้า Adams ใช้แม่เหล็กถาวรขนาดใหญ่ 12 ตัว ซึ่งแต่ละตัวสร้างสนามแม่เหล็กประมาณ 0.1 เทสลา พวกเขาจะแนบกับโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหมุนภายในขดลวดขนาดใหญ่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 13,000 โวลต์ และในการทำเช่นนี้จะต้องมีขดลวดอย่างน้อย 300 รอบ กระแสไฟฟ้ากระแสสลับประมาณ 4,000 แอมป์ผ่านขดลวดเมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงาน

มีน้ำตกน้อยมากในโลกที่มีขนาดเท่ากับน้ำตกไนแองการ่า ซึ่งเป็นสาเหตุที่น้ำตกไนแองการ่าถือเป็นหนึ่งในสิ่งมหัศจรรย์ทางธรรมชาติของโลก สถานีผลิตไฟฟ้าพลังน้ำหลายแห่งสร้างขึ้นบนเขื่อน ทุกวันนี้ ไฟฟ้าประมาณ 16 เปอร์เซ็นต์ของโลกจ่ายโดยสถานีไฟฟ้าพลังน้ำดังกล่าว ซึ่งใหญ่ที่สุดคือจีน บราซิล แคนาดา สหรัฐอเมริกา และรัสเซีย โรงงานที่ใหญ่ที่สุดอยู่ในประเทศจีน แต่โรงงานที่ผลิตไฟฟ้าได้มากที่สุดคือในบราซิล

เมื่อสร้างเขื่อนแล้ว จะไม่มีค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับการผลิตไฟฟ้าอีกต่อไป แต่มีค่าใช้จ่ายต่อสิ่งแวดล้อมอยู่บ้าง

• การสร้างเขื่อนเปลี่ยนแปลงการไหลของน้ำตามธรรมชาติ และสิ่งนี้มีผลกระทบต่อชีวิตของพืช สัตว์ และมนุษย์ที่อาศัยการไหลของน้ำตามธรรมชาติ การก่อสร้างเขื่อน Three Gorges ในประเทศจีนเกี่ยวข้องกับการย้ายถิ่นฐานของผู้คน 1.2 ล้านคน
• เขื่อนเปลี่ยนวงจรชีวิตตามธรรมชาติของปลาที่อาศัยอยู่ในลำธาร ในแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือ เขื่อนได้กีดกันปลาแซลมอนและหัวเหล็กประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์จากแหล่งที่อยู่อาศัยตามธรรมชาติ
• น้ำที่มาจากเขื่อนมีระดับออกซิเจนละลายน้ำลดลง ซึ่งส่งผลต่อปลา พืช และสัตว์ป่าที่ต้องพึ่งพาน้ำ
• การผลิตไฟฟ้าพลังน้ำได้รับผลกระทบจากภัยแล้ง เมื่อน้ำลด มักจำเป็นต้องหยุดการผลิตไฟฟ้าเพื่อรักษาน้ำที่มีอยู่

นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาวิธีที่จะบรรเทาข้อเสียของโรงงานผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ ทางออกหนึ่งคือการสร้างระบบที่มีขนาดเล็กกว่าซึ่งมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่า อีกประการหนึ่งคือการออกแบบวาล์วไอดีและเทอร์ไบน์เพื่อให้แน่ใจว่าน้ำที่ปล่อยออกมาจากโรงงานจะได้รับออกซิเจนอย่างเหมาะสม แม้ว่าจะมีข้อเสีย เขื่อนไฟฟ้าพลังน้ำเป็นหนึ่งในแหล่งไฟฟ้าที่สะอาดและถูกที่สุดในโลก

วิธีที่ดีในการช่วยให้ตัวเองเข้าใจหลักการในการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำคือการสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กด้วยตนเอง คุณสามารถทำเช่นนี้กับมอเตอร์จากพัดลมไฟฟ้าราคาถูกหรืออุปกรณ์อื่นๆ ตราบใดที่โรเตอร์ภายในมอเตอร์ใช้แม่เหล็กถาวร มอเตอร์ก็สามารถใช้ "ย้อนกลับ" เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้ มอเตอร์จากพัดลมหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เก่ามากเป็นตัวเลือกที่ดีกว่ามอเตอร์จากมอเตอร์ที่ใหม่กว่า เนื่องจากมอเตอร์รุ่นเก่ามีแนวโน้มที่จะใช้แม่เหล็กถาวรมากกว่า

หากคุณใช้พัดลม คุณอาจทำโปรเจ็กต์นี้ได้สำเร็จโดยไม่ต้องถอดประกอบด้วยซ้ำ เพราะใบพัดลมสามารถทำหน้าที่เป็นใบพัดได้ อย่างไรก็ตาม มันไม่ได้ถูกออกแบบมาสำหรับสิ่งนี้จริงๆ ดังนั้นคุณอาจต้องการตัดมันออกและแทนที่ด้วยกังหันน้ำที่มีประสิทธิภาพมากกว่าที่คุณสร้างขึ้นเอง หากคุณตัดสินใจทำเช่นนี้ คุณสามารถใช้ปลอกคอเป็นฐานสำหรับกังหันน้ำที่ปรับปรุงให้ดีขึ้นได้ เนื่องจากติดไว้กับเพลามอเตอร์แล้ว

ในการพิจารณาว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันน้ำขนาดเล็กของคุณผลิตกระแสไฟฟ้าได้จริงหรือไม่ คุณจะต้องเชื่อมต่อมิเตอร์ข้ามคอยล์เอาต์พุต วิธีนี้ทำได้ง่ายหากคุณใช้พัดลมหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าเก่า เพราะมีปลั๊ก เพียงต่อโพรบของมัลติมิเตอร์เข้ากับขาปลั๊ก และตั้งค่ามิเตอร์ให้วัดแรงดันไฟ AC (VAC) หากมอเตอร์ที่คุณใช้ไม่มีปลั๊ก ให้ต่อหัววัดมิเตอร์กับสายไฟที่ต่อกับคอยล์เอาต์พุต ซึ่งโดยส่วนใหญ่แล้วคุณจะพบสายไฟเพียงสองเส้นเท่านั้น

คุณสามารถใช้แหล่งน้ำธรรมชาติสำหรับโครงการนี้หรือคุณสามารถสร้างของคุณเองได้ น้ำที่ตกลงมาจากรางน้ำของอ่างอาบน้ำควรสร้างพลังงานเพียงพอที่จะผลิตกระแสไฟฟ้าที่ตรวจจับได้ หากคุณกำลังดำเนินโครงการของคุณบนท้องถนนเพื่อแสดงให้คนอื่นเห็น คุณอาจต้องการเทน้ำจากเหยือกหรือใช้สายยางในสวน