Як водяні млини виробляють електроенергію?

Рух води є важливим джерелом енергії, і люди використовували цю енергію протягом століть, будуючи водяні колеса.

Вони були поширені в Європі протягом Середньовіччя і використовувались, серед іншого, для подрібнення гірських порід, експлуатації сильфонів для металургійних заводів та забивання листя льону для перетворення їх у папір. Водяні колеса, що розмелювали зерно, були відомі як водяні млини, і оскільки ця функція була настільки повсюдною, ці два слова стали більш-менш синонімами.

Відкриття електромагнітною індукцією Майкла Фарадея відкрило шлях для винаходу індукційного генератора, який з часом поставив весь світ електроенергією. Індукційний генератор перетворює механічну енергію в електричну, а вода, що рухається, є дешевим і рясним джерелом механічної енергії. Тому було природно адаптувати водяні млини до гідроелектрогенераторів.

Щоб зрозуміти, як працює генератор водяного колеса, це допомагає зрозуміти принципи електромагнітної індукції. Після цього ви можете спробувати створити власний міні-генератор водяного колеса, використовуючи двигун від маленького електричного вентилятора або іншого приладу.

Фарадей (1791 - 1867) відкрив індукцію, обмотавши провідний дріт кілька разів навколо циліндричного сердечника, щоб зробити соленоїд. Кінці проводів він з’єднав з гальванометром, приладом, що вимірює струм (і попередником мультиметра). Коли він перемістив постійний магніт всередину соленоїда, він виявив, що лічильник реєстрував струм.

Фарадей зазначив, що струм змінював напрямок, коли він змінював напрямок, в якому він рухав магніт, і сила струму залежала від того, наскільки швидко він рухав магніт.

Пізніше ці спостереження були сформульовані в Законі Фарадея, який пов'язує Е, електрорушійну силу (ЕРС) у провіднику, також відому як напруга, зі швидкістю зміни магнітного потокуϕдосвідчений диригентом. Ці відносини зазвичай пишуться так:

​N- кількість витків у котушці провідника. Символ∆(дельта) вказує на зміну кількості, що слідує за нею. Знак мінус означає, що напрямок електрорушійної сили протилежний напрямкам магнітного потоку.

Закон Фарадея не вказує, чи повинна котушка або магніт рухатися, щоб викликати струм, і насправді це не має значення. Однак одна з них повинна рухатися, оскільки магнітний потік, який є частиною магнітного поля, що проходить перпендикулярно через провідник, повинен змінюватися. У статичному магнітному полі струм не генерується.

Індукційний генератор зазвичай має обертовий постійний магніт або провідну котушку, намагнічену зовнішнім джерелом живлення, що називається ротором. Він вільно обертається на валу з низьким тертям (якорі) всередині котушки, який називається статором, і коли він обертається, він створює напругу в котушці статора.

Індукована напруга циклічно змінює напрямок з кожним обертанням ротора, тому результуюча сила струму також змінює напрямок. Він відомий як змінний струм (змінного струму).

У водяному млині енергія для обертання ротора забезпечується рухомою водою, а для простих можна виробляти електроенергію безпосередньо для живлення ліхтарів та приладів. Однак частіше генератор підключається до електромережі та подає електроенергію назад до мережі.

У цьому випадку постійний магніт у роторі часто замінюється електромагнітом, і сітка подає змінний струм для його намагнічування. Для отримання чистої вихідної потужності генератора в цьому сценарії ротор повинен обертати частоту, більшу за частоту вхідної потужності.

Використовуючи воду для виконання роботи, ви в основному покладаєтесь на силу тяжіння, яка в першу чергу змушує воду текти. Кількість енергії, яку ви можете отримати від падаючої води, залежить від того, наскільки вода падає і як швидко. Ви отримаєте більше енергії на одиницю води від водоспаду, ніж від потоку, і ви, очевидно, отримаєте більше енергії від великого потоку або водоспаду, ніж від маленького.

Загалом, енергія, доступна для роботи з повороту водяного колеса, даєтьсяmgh, де "m" - маса води, "h" - висота, на яку вона падає, а "g" - прискорення, обумовлене силою тяжіння. Щоб максимізувати доступну енергію, водяне колесо повинно знаходитися внизу схилу або водоспаду, що максимально збільшує відстань, яку повинна впасти вода.

Не потрібно вимірювати масу води, що протікає через потік. Все, що вам потрібно зробити, це оцінити обсяг. Оскільки щільність води - це відома кількість, а щільність дорівнює масі, поділеній на об’єм, зробити перетворення легко.

Водяне колесо перетворює потенційну енергію в потоці або водоспаді (mgh) у дотичну кінетичну енергію в точці, в якій вода контактує з колесом. Це генерує обертальну кінетичну енергію, задануI ω ²/2, деω- кутова швидкість колеса іЯ- момент інерції. Момент інерції точки, що обертається навколо центральної осі, пропорційний квадрату радіуса обертанняр​: (​Я = пан²), дем- маса точки.

Щоб оптимізувати перетворення енергії, потрібно максимізувати кутову швидкість,ω, але для цього потрібно звести до мінімумуЯ, що означає мінімізацію радіуса обертання,р. Водяне колесо повинно мати невеликий радіус, щоб забезпечити його обертання досить швидко, щоб утворити чистий струм. Це залишає старі вітряки, якими славиться Нідерланди. Вони гарні для виконання механічних робіт, але не для виробництва електроенергії.

Один з перших широкомасштабних індукційних генераторів на водяних колесах, і найвідоміший, з’явився в Інтернеті на Ніагарському водоспаді, штат Нью-Йорк, в 1895 році. Електростанція Едварда Діна Адамса, заснована Ніколою Теслою, фінансована та спроектована Джорджем Вестінгаузом, була першою з кількох установок, що постачала електроенергію споживачам у США.

Фактична електростанція побудована приблизно за милю вище за течією Ніагарського водоспаду і отримує воду через систему труб. Вода стікає в циліндричний корпус, в якому встановлено велике водяне колесо. Сила води обертає колесо, а воно, у свою чергу, обертає ротор великого генератора для виробництва електроенергії.

Генератор електростанції Адамса використовує 12 великих постійних магнітів, кожен з яких створює магнітне поле близько 0,1 Тесла. Вони прикріплені до ротора генератора і обертаються всередині великої котушки дроту. Генератор видає близько 13000 вольт, і для цього в котушці повинно бути не менше 300 витків. При роботі генератора близько 4000 ампер змінного струму проходить через котушку.

У світі дуже мало водоспадів розміром з Ніагарський водоспад, саме тому Ніагарський водоспад вважається одним із природних чудес світу. Багато гідроелектростанцій побудовано на дамбах. На сьогодні близько 16 відсотків електроенергії у світі забезпечується такими гідроелектростанціями, найбільша з яких знаходиться в Китаї, Бразилії, Канаді, США та Росії. Найбільша установка знаходиться в Китаї, але найбільша кількість електроенергії виробляється в Бразилії.

Після побудови дамби більше не буде витрат, пов’язаних з виробництвом електроенергії. але існують певні витрати на навколишнє середовище.

• Будівництво дамби змінює потік природних водних шляхів, і це впливає на життя рослин, тварин і людей, які покладались на природний потік води. Будівництво греблі Три ущелини в Китаї передбачало переселення 1,2 мільйона людей.
• Дамби змінюють природний цикл життя риб, що мешкають у потоках. На північно-заході Тихого океану дамби позбавили приблизно 40 відсотків лосося та металевих головок природних середовищ існування.
• Вода, яка надходить із дамби, має знижений рівень розчиненого кисню, і це впливає на рибу, рослини та дику природу, які залежать від води.
• На виробництво гідроенергії впливає посуха. Коли води закінчується, часто потрібно припинити виробництво електроенергії, щоб зберегти воду.

Вчені шукають шляхи пом'якшення недоліків великих електростанцій. Одним із рішень є побудова систем менших розмірів, які мають менший вплив на навколишнє середовище. Інший - розробити впускні клапани та турбіни, щоб забезпечити належну кисневу воду, що виділяється з установки. Однак, навіть маючи недоліки, гідроелектростанції є одними з найчистіших та найдешевших джерел електроенергії на планеті.

Хороший спосіб допомогти собі зрозуміти принципи виробництва гідроенергії - це побудувати невеликий електричний генератор самостійно. Це можна зробити за допомогою двигуна від недорогого електричного вентилятора або іншого приладу. Поки в роторі всередині двигуна використовується постійний магніт, двигун може використовуватися "у зворотному напрямку" для виробництва електроенергії. Двигун від дуже старого вентилятора або приладу є кращим кандидатом, ніж двигун від більш нового, оскільки в двигунах старих приладів частіше застосовуються постійні магніти.

Якщо ви використовуєте вентилятор, можливо, ви зможете здійснити цей проект, навіть не розбираючи його, оскільки лопаті вентилятора можуть виконувати роль робочих колес. Однак вони насправді не призначені для цього, тому, можливо, ви захочете відрізати їх і замінити на більш ефективне водяне колесо, яке ви сконструюєте самі. Якщо ви вирішите це зробити, ви можете використовувати комір як основу для вашого вдосконаленого водяного колеса, оскільки воно вже прикріплене до валу двигуна.

Щоб визначити, чи виробляє ваш міні-генератор водяного колеса насправді електроенергію, вам доведеться підключити лічильник через вихідну котушку. Це легко зробити, якщо ви використовуєте старий вентилятор або прилад, оскільки він має вилку. Просто підключіть щупи мультиметра до штепсельних штифтів і встановіть вимірювач для вимірювання змінної напруги (VAC). Якщо двигун, який ви використовуєте, не має штекера, просто підключіть щупи лічильника до проводів, прикріплених до вихідної котушки, які в більшості випадків є єдиними двома проводами, які ви знайдете.

Ви можете використовувати для цього проекту природне джерело падаючої води, а можете і власні. Вода, що падає з носика вашої ванни, повинна генерувати достатньо енергії, щоб виробляти відчутний струм. Якщо ви берете свій проект у дорогу, щоб показати інших людей, можливо, ви захочете налити воду з глечика або скористатися садовим шлангом.