Lester Pelton vond een soort free-jet waterturbine uit, het Pelton Wheel of Pelton-turbine. Deze turbine wordt gebruikt voor: opwekking van hydro-elektrische energie. Het is een van de originele groene technologieën, waarbij steenkool of hout wordt vervangen door de kracht van vallend water.
Lester Pelton en de Pelton waterradturbine
Lester Pelton werd geboren in 1829 in Vermillion, Ohio. In 1850 emigreerde hij naar Californië in de tijd van de goudkoorts. Pelton verdiende zijn brood als timmerman en molenmaker.
In die tijd was er een grote vraag naar nieuwe energiebronnen om de machines en molens te laten draaien die nodig waren voor de zich uitbreidende goudmijnen. Veel mijnen waren afhankelijk van stoommachines, maar daarvoor was een uitputtende voorraad hout of steenkool nodig. Wat overvloedig aanwezig was, was de waterkracht van de snelstromende bergbeekjes en watervallen.
Water wielen die was gebruikt om korenmolens aan te drijven, werkte het beste op grotere rivieren en werkte niet goed in de sneller bewegende en minder omvangrijke bergkreken en watervallen. Wat werkte, waren de nieuwere waterturbines die wielen met bekers gebruikten in plaats van platte panelen. Een baanbrekend ontwerp in waterturbines was het zeer efficiënte Pelton Wheel.
W. F. Durand van Stanford University schreef in 1939 dat Pelton zijn ontdekking deed toen hij een verkeerd uitgelijnde waterturbine waarbij de waterstraal de kopjes raakt bij de rand in plaats van in het midden van de beker. De turbine bewoog sneller. Pelton verwerkte dit in zijn ontwerp, met een wigvormige verdeler in het midden van een dubbele beker, die de jet splijt. Nu werkt het water dat uit beide helften van de gesplitste cups wordt uitgeworpen om het wiel sneller voort te stuwen. Hij testte zijn ontwerpen in 1877 en 1878, een patent krijgen in 1880.
In 1883 won de Pelton-turbine een wedstrijd voor de meest efficiënte waterradturbine van de Idaho Mining Company uit Grass Valley, Californië. De turbine van Pelton bleek 90,2% efficiënt te zijn, en de turbine van zijn naaste concurrent was slechts 76,5% efficiënt. In 1888 richtte Lester Pelton de Pelton Water Wheel Company op in San Francisco en begon met de massaproductie van zijn nieuwe waterturbine.
De Pelton-waterradturbine zette de standaard totdat het Turgo-impulswiel in 1920 werd uitgevonden door Eric Crewdson. Het Turgo-impulswiel was echter een verbeterd ontwerp op basis van de Pelton-turbine. De Turgo was kleiner dan de Pelton en goedkoper te vervaardigen. Twee andere belangrijke waterkrachtsystemen zijn de Tyson-turbine en de Banki-turbine (ook wel de Michell-turbine genoemd).
Pelton-wielen werden gebruikt om elektrische energie te leveren aan waterkrachtcentrales over de hele wereld. Eén in Nevada City had 60 jaar lang een vermogen van 18000 pk aan elektriciteit. De grootste eenheden kunnen meer dan 400 megawatt produceren.
Hydro-elektriciteit
Waterkracht zet de energie van stromend water om in elektriciteit of waterkracht. De hoeveelheid opgewekte elektriciteit wordt bepaald door de hoeveelheid water en de hoeveelheid "opvoerhoogte" (de hoogte van de turbines in de krachtcentrale tot het wateroppervlak) die door de dam worden gecreëerd. Hoe groter het debiet en de opvoerhoogte, hoe meer elektriciteit er wordt geproduceerd.
De mechanische kracht van vallend water is een eeuwenoud instrument. Van alle hernieuwbare energiebronnen die elektriciteit opwekken, wordt waterkracht het meest gebruikt. Het is een van de oudste energiebronnen en werd duizenden jaren geleden gebruikt om een schoepenrad te laten draaien voor doeleinden zoals het malen van graan. In de 18e eeuw werd mechanische waterkracht op grote schaal gebruikt voor frezen en pompen.
Het eerste industriële gebruik van waterkracht om elektriciteit op te wekken vond plaats in 1880, toen 16 borstel-booglampen werden aangedreven met behulp van een waterturbine in de Wolverine Chair Factory in Grand Rapids, Michigan. De eerste Amerikaanse waterkrachtcentrale opende op 30 september 1882 in de Fox River in de buurt van Appleton, Wisconsin. Tot die tijd was steenkool de enige brandstof die werd gebruikt om elektriciteit op te wekken. De vroege waterkrachtcentrales waren gelijkstroomstations die werden gebouwd voor het aandrijven van boog- en gloeilampen in de periode van ongeveer 1880 tot 1895.
Omdat de bron van waterkracht water is, moeten waterkrachtcentrales op een waterbron worden geplaatst. Daarom duurde het tot de technologie om elektriciteit over te brengen over lange afstanden werd ontwikkeld dat waterkracht op grote schaal werd gebruikt. Aan het begin van de twintigste eeuw was waterkrachtcentrales goed voor meer dan 40 procent van de elektriciteitsvoorziening van de Verenigde Staten.
In de jaren 1895 tot 1915 vonden er snelle veranderingen plaats in het hydro-elektrische ontwerp en werd er een grote verscheidenheid aan fabrieksstijlen gebouwd. Het ontwerp van waterkrachtcentrales werd daarna redelijk goed gestandaardiseerd Eerste Wereldoorlog waarbij de meeste ontwikkelingen in de jaren 1920 en 1930 verband hielden met thermische installaties en transmissie en distributie.