Su Değirmenleri Nasıl Elektrik Üretir?

Suyu hareket ettirmek önemli bir enerji kaynağıdır ve insanlar çağlar boyunca su çarkları inşa ederek bu enerjiden yararlanmışlardır.

Orta Çağ boyunca Avrupa'da yaygındı ve diğer şeylerin yanı sıra kayaları ezmek, metal rafinerileri için körük çalıştırmak ve onları kağıda dönüştürmek için keten yapraklarını çekiçlemek için kullanıldılar. Tahıl öğüten su çarkları su değirmenleri olarak biliniyordu ve bu işlev çok yaygın olduğu için iki kelime aşağı yukarı eşanlamlı hale geldi.

Michael Faraday'in elektromanyetik indüksiyonu keşfi, sonunda tüm dünyaya elektrik sağlayan indüksiyon jeneratörünün icadının yolunu açtı. Bir endüksiyon jeneratörü, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür ve hareketli su, ucuz ve bol miktarda mekanik enerji kaynağıdır. Bu nedenle, su değirmenlerini hidroelektrik güç jeneratörlerine uyarlamak doğaldı.

Bir su çarkı jeneratörünün nasıl çalıştığını anlamak, elektromanyetik indüksiyon ilkelerini anlamaya yardımcı olur. Bunu yaptıktan sonra, motoru küçük bir elektrikli fan veya başka bir cihazdan kullanarak kendi mini su çarkı jeneratörünüzü yapmayı deneyebilirsiniz.

Faraday (1791 - 1867), bir solenoid yapmak için bir iletken teli silindirik bir çekirdeğin etrafına birçok kez sararak indüksiyonu keşfetti. Tellerin uçlarını, akımı (ve multimetrenin öncüsünü) ölçen bir cihaz olan bir galvanometreye bağladı. Solenoidin içinde kalıcı bir mıknatısı hareket ettirdiğinde, sayacın akımı kaydettiğini buldu.

Faraday, mıknatısı hareket ettirdiği yönü değiştirdiğinde akımın yön değiştirdiğini ve akımın gücünün mıknatısı ne kadar hızlı hareket ettirdiğine bağlı olduğunu kaydetti.

Bu gözlemler daha sonra, voltaj olarak da bilinen bir iletkendeki elektromotor kuvveti (emk) E ile manyetik akının değişim hızıyla ilişkilendiren Faraday Yasasında formüle edildi.ϕşef tarafından deneyimlenir. Bu ilişki genellikle şu şekilde yazılır:

​Niletken bobindeki dönüş sayısıdır. Sembol∆(delta), onu takip eden miktardaki bir değişikliği gösterir. Eksi işareti, elektromotor kuvvetin yönünün manyetik akının yönlerine zıt olduğunu gösterir.

Faraday Yasası, bir akımı indüklemek için bobinin mi yoksa mıknatısın mı hareket etmesi gerektiğini belirtmez ve aslında önemli değildir. Ancak bunlardan birinin hareket etmesi gerekir, çünkü manyetik alanın iletkenden dik olarak geçen kısmı olan manyetik akı değişiyor olmalıdır. Statik bir manyetik alanda akım üretilmez.

Bir indüksiyon jeneratörü genellikle dönen bir kalıcı mıknatısa veya rotor adı verilen harici bir güç kaynağı tarafından manyetize edilen iletken bir bobine sahiptir. Stator adı verilen bir bobin içindeki düşük sürtünmeli bir şaft (armatür) üzerinde serbestçe döner ve döndüğünde stator bobininde bir voltaj üretir.

Endüklenen voltaj, rotorun her dönüşünde döngüsel olarak yön değiştirir, dolayısıyla ortaya çıkan akım da yön değiştirir. Alternatif akım (AC) olarak bilinir.

Bir su değirmeninde, rotoru döndürmek için gereken enerji, hareketli su ile sağlanır ve basit olanlar için, üretilen elektriği doğrudan ışıklara ve cihazlara güç vermek için kullanmak mümkündür. Bununla birlikte, daha sık olarak, jeneratör elektrik şebekesine bağlanır ve şebekeye geri güç sağlar.

Bu senaryoda, rotordaki kalıcı mıknatıs genellikle bir elektromıknatıs ile değiştirilir ve ızgara, onu mıknatıslamak için AC akımı sağlar. Bu senaryoda jeneratörden net bir çıktı elde etmek için rotor, gelen gücünkinden daha büyük bir frekansta dönmelidir.

Suyu iş yapmak için kullanırken, temelde suyun akışını sağlayan yerçekimi kuvvetine güvenirsiniz. Düşen sudan elde edebileceğiniz enerji miktarı, ne kadar suyun düştüğüne ve ne kadar hızlı olduğuna bağlıdır. Bir şelaleden akan bir dereden alacağınızdan daha fazla enerji birimi başına su alacaksınız ve büyük bir nehirden veya şelaleden küçük birinden alacağınızdan daha fazla enerji alacağınız açık.

Genel olarak, su çarkını döndürme işini yapmak için mevcut olan enerji şu şekilde verilir:mghBurada "m" suyun kütlesi, "h" düştüğü yükseklik ve "g" yerçekimi ivmesidir. Kullanılabilir enerjiyi en üst düzeye çıkarmak için, su çarkı, suyun düşmesi gereken mesafeyi en üst düzeye çıkaran eğimin veya şelalenin dibinde olmalıdır.

Dereden akan suyun kütlesini ölçmek zorunda değilsiniz. Tek yapmanız gereken hacmi tahmin etmektir. Suyun yoğunluğu bilinen bir miktar olduğundan ve yoğunluk kütle bölü hacme eşit olduğundan, dönüşümü yapmak kolaydır.

Bir su çarkı, akan bir akarsu veya şelaledeki potansiyel enerjiyi dönüştürür (mgh) suyun çarkla temas ettiği noktada teğetsel kinetik enerjiye dönüşür. Bu, tarafından verilen dönme kinetik enerjisini üretirben ω ²/2, neredeωtekerleğin açısal hızı vebeneylemsizlik momentidir. Merkezi bir eksen etrafında dönen bir noktanın eylemsizlik momenti, dönme yarıçapının karesi ile orantılıdır.r​: (​ben = bay²), neredemnoktanın kütlesidir.

Enerjinin dönüşümünü optimize etmek için açısal hızı maksimize etmek istiyorsunuz,ω, ancak bunu yapmak için en aza indirmeniz gerekirben, yani dönme yarıçapını en aza indirmek,r. Bir su çarkı, net bir akım oluşturacak kadar hızlı dönmesini sağlamak için küçük bir yarıçapa sahip olmalıdır. Bu, Hollanda'nın ünlü olduğu eski yel değirmenlerini dışarıda bırakıyor. Mekanik iş yapmak için iyidirler, ancak elektrik üretmek için değiller.

İlk büyük ölçekli su çarklı indüksiyon jeneratörlerinden biri ve en iyi bilineni, 1895'te New York, Niagara Şelalesi'nde hizmete girdi. Nikola Tesla tarafından tasarlanan ve George Westinghouse tarafından finanse edilen ve tasarlanan Edward Dean Adams elektrik santrali, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki tüketicilere elektrik sağlayan birkaç fabrikadan ilkiydi.

Gerçek enerji santrali, Niagara Şelalesi'nin yaklaşık bir mil yukarısında inşa edilmiş ve suyu bir boru sistemi aracılığıyla alıyor. Su, içine büyük bir su çarkının monte edildiği silindirik bir yuvaya akar. Suyun gücü çarkı döndürür ve daha büyük bir jeneratörün rotorunu elektrik üretmek için döndürür.

Adams elektrik santralindeki jeneratör, her biri yaklaşık 0.1 Tesla'lık bir manyetik alan üreten 12 büyük kalıcı mıknatıs kullanır. Jeneratörün rotoruna bağlıdırlar ve büyük bir tel bobini içinde dönerler. Jeneratör yaklaşık 13.000 volt üretir ve bunun için bobinde en az 300 dönüş olmalıdır. Jeneratör çalışırken bobinden yaklaşık 4.000 amper AC elektrik akımı geçer.

Dünyada Niagara Şelalesi büyüklüğünde çok az şelale vardır, bu yüzden Niagara Şelalesi dünyanın doğal harikalarından biri olarak kabul edilir. Barajların üzerine birçok hidroelektrik üretim istasyonu inşa edilmiştir. Bugün, dünya elektriğinin yaklaşık yüzde 16'sı, en büyükleri Çin, Brezilya, Kanada, Amerika Birleşik Devletleri ve Rusya'da bulunan bu tür hidroelektrik santrallerinden sağlanmaktadır. En büyük tesis Çin'de, ancak en fazla elektrik üreten tesis Brezilya'da.

Bir baraj inşa edildikten sonra, enerji üretimi ile ilgili hiçbir maliyet kalmaz. ancak çevreye bazı maliyetleri vardır.

• Baraj inşa etmek, doğal su yollarının akışını değiştirir ve bu, doğal su akışına bağlı olan bitki, hayvan ve insanların yaşamlarını etkiler. Çin'deki Three Gorges Barajı inşaatı 1,2 milyon insanın yeniden yerleştirilmesini içeriyordu.
• Barajlar, akarsularda yaşayan balıkların doğal yaşam döngülerini değiştirir. Kuzeybatı Pasifik'te barajlar, somon balığı ve çelik kafalıların tahmini yüzde 40'ını doğal yaşam alanlarından mahrum etti.
• Barajdan gelen suyun çözünmüş oksijen seviyesi düşüktür ve bu, suya bağlı balıkları, bitkileri ve vahşi yaşamı etkiler.
• Hidroelektrik üretimi kuraklıktan etkilenir. Su azaldığında, mevcut suyu korumak için genellikle elektrik üretimini durdurmak gerekir.

Bilim adamları, büyük enerji üretim tesislerinin dezavantajlarını azaltmanın yollarını arıyorlar. Çözümlerden biri, daha az çevresel etkiye sahip daha küçük sistemler oluşturmaktır. Bir diğeri, tesisten salınan suyun uygun şekilde oksijenlenmesini sağlamak için emme valfleri ve türbinler tasarlamaktır. Dezavantajlarına rağmen, hidroelektrik barajları gezegendeki en temiz, en ucuz elektrik kaynakları arasındadır.

Hidroelektrik enerji üretimindeki ilkeleri anlamanıza yardımcı olmanın iyi bir yolu, kendiniz küçük bir elektrik jeneratörü inşa etmektir. Bunu ucuz bir elektrikli fandan veya başka bir cihazdan motorla yapabilirsiniz. Motorun içindeki rotor sabit bir mıknatıs kullandığı sürece, motor elektrik üretmek için "ters" olarak kullanılabilir. Çok eski bir fan veya cihazdan gelen motor, daha eski cihaz motorlarının kalıcı mıknatısları kullanma olasılığı daha yüksek olduğundan, daha yeni bir motordan daha iyi bir adaydır.

Bir fan kullanırsanız, bu projeyi sökmeden bile gerçekleştirebilirsiniz, çünkü fan kanatları çark görevi görebilir. Ancak, gerçekten bunun için tasarlanmamışlardır, bu nedenle onları kesip, kendi oluşturduğunuz daha verimli bir su çarkı ile değiştirmek isteyebilirsiniz. Bunu yapmaya karar verirseniz, motor miline zaten bağlı olduğundan, geliştirilmiş su çarkınız için bir taban olarak bileziği kullanabilirsiniz.

Mini su çarklı jeneratörünüzün gerçekten elektrik üretip üretmediğini belirlemek için çıkış bobinine bir sayaç bağlamanız gerekir. Fişi olduğu için eski bir fan veya cihaz kullanıyorsanız bunu yapmak kolaydır. Sadece bir multimetrenin problarını fiş uçlarına bağlayın ve sayacı AC voltajını (VAC) ölçecek şekilde ayarlayın. Kullandığınız motorun fişi yoksa, ölçüm problarını çıkış bobinine bağlı kablolara bağlamanız yeterlidir, çoğu durumda bulacağınız tek iki kablo budur.

Bu proje için doğal bir düşen su kaynağı kullanabilir veya kendinizinkini inşa edebilirsiniz. Küvetinizin musluğundan düşen su, algılanabilir bir akım üretecek kadar enerji üretmelidir. Projenizi diğer insanlara göstermek için yola çıkarıyorsanız, bir sürahiden su dökmek veya bir bahçe hortumu kullanmak isteyebilirsiniz.