تصميم عجلة مائية لمشروع الطاقة الكهرومائية

تصميم عجلة مائية للطاقة الكهرومائية
طاقة المياه هي تكنولوجيا تقوم بتحويل الطاقة الحركية للمياه المتحركة إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية، وكان أحد أقدم الأجهزة المستخدمة لتحويل طاقة المياه المتحركة إلى عمل قابل للاستخدام هو تصميم العجلة المائية.
لقد تطور تصميم عجلة المياه بمرور الوقت مع بعض عجلات المياه الموجهة عموديًا، وبعضها أفقيًا وبعضها مزود ببكرات وتروس معقدة، ولكنها جميعًا مصممة للقيام بنفس الوظيفة وهي أيضًا "تحويل الحركة الخطية للمياه المتحركة إلى حركة دوارة يمكن استخدامها لتشغيل أي قطعة من الآلات المتصلة بها عبر عمود دوار".

تصميم نموذجي لعجلة المياه
كان تصميم عجلة المياه في وقت مبكر عبارة عن آلات بدائية وبسيطة للغاية تتكون من عجلة خشبية عمودية ذات شفرات خشبية أو دلاء مثبتة بالتساوي حول محيطها، وكلها مدعومة على عمود أفقي بقوة الماء المتدفق تحتها مما يدفع العجلة في اتجاه مماس ضد الشفرات.
كانت هذه الدواليب العمودية متفوقة بشكل كبير على تصميم الدواليب الأفقية الأقدم الذي صممه الإغريق والمصريون القدماء، إذ كانت تعمل بكفاءة أكبر، محوّلةً زخم حركة الماء إلى قوة. ثم ثُبّتت البكرات والتروس بالدواليب، مما أتاح تغيير اتجاه عمود الدوران من الأفقي إلى الرأسي لتشغيل أحجار الرحى، ونشر الخشب، وسحق الخام، والختم والقطع، إلخ.

أنواع تصميم عجلة المياه
معظم النواعير المائية، المعروفة أيضًا باسم طواحين المياه أو ببساطة النواعير المائية، هي عجلات مثبتة رأسيًا تدور حول محور أفقي، وتُصنف هذه الأنواع من النواعير المائية حسب طريقة تطبيق الماء على العجلة، نسبةً إلى محور العجلة. وكما هو متوقع، النواعير المائية آلات كبيرة نسبيًا تدور بسرعات زاوية منخفضة، وكفاءتها منخفضة بسبب الخسائر الناتجة عن الاحتكاك وعدم اكتمال ملء الدلاء، وما إلى ذلك.
يُولّد دفع الماء للعجلات (الدلاء أو المجاديف) عزم دوران على المحور، ولكن بتوجيه الماء نحو هذه المجاديف والدلاء من مواضع مختلفة على العجلة، يُمكن تحسين سرعة الدوران وكفاءته. أكثر نوعين شيوعًا لتصميمات الدواليب المائية هما "الدولاب المائي السفلي" و"الدولاب المائي العلوي".

تصميم عجلة المياه السفلية
كان تصميم عجلة المياه Undershot، المعروف أيضًا باسم "عجلة التيار"، هو النوع الأكثر استخدامًا من عجلات المياه التي صممها الإغريق والرومان القدماء لأنه أبسط وأرخص وأسهل نوع من العجلات في البناء.
في هذا النوع من تصميمات الناعورة المائية، توضع الناعورة ببساطة في نهر سريع الجريان، وتُدعَم من الأعلى. تُحدث حركة الماء في الأسفل ضغطًا على المجاديف المغمورة في الجزء السفلي من الناعورة، مما يسمح لها بالدوران في اتجاه واحد فقط بالنسبة لاتجاه جريان الماء.
يُستخدم هذا النوع من تصميمات الناعورة المائية عادةً في المناطق المسطحة ذات المنحدرات الطبيعية، أو حيث يكون تدفق المياه سريعًا بما يكفي. بالمقارنة مع تصاميم الناعورة المائية الأخرى، يُعد هذا النوع من التصميم غير فعال للغاية، حيث لا يُستخدم سوى 20% من طاقة الماء الكامنة لتدوير العجلة. كما تُستخدم طاقة الماء مرة واحدة فقط لتدوير العجلة، ثم تتدفق مع باقي الماء.
من عيوب الدولاب المائي السفلي أنه يتطلب كميات كبيرة من المياه تتحرك بسرعة. لذلك، تُوضع الدولاب المائي السفلي عادةً على ضفاف الأنهار، لأن الجداول أو المجاري المائية الصغيرة لا تمتلك طاقة كامنة كافية في المياه المتحركة.
إحدى طرق تحسين كفاءة دولاب المياه السفلي بشكل طفيف هي تحويل نسبة مئوية من مياه النهر عبر قناة ضيقة أو مجرى مائي، بحيث تُستخدم 100% من المياه المحولة لتدوير الدولاب. ولتحقيق ذلك، يجب أن يكون دولاب المياه السفلي ضيقًا ومُثبّتًا بدقة داخل القناة لمنع تسرب المياه من الجوانب، أو بزيادة عدد أو حجم المجاديف.

تصميم عجلة المياه العلوية
تصميم دولاب الماء العلوي هو الأكثر شيوعًا. يتميز هذا النوع من الدولاب بتركيب وتصميم أكثر تعقيدًا من النوع السابق، إذ يستخدم دلاء أو حجرات صغيرة لجمع الماء وحفظه.
تمتلئ هذه الدلاء بالماء المتدفق من أعلى العجلة. يُسبب وزن جاذبية الماء في الدلاء الممتلئة دوران العجلة حول محورها المركزي، بينما تصبح الدلاء الفارغة على الجانب الآخر أخف وزنًا.
يستخدم هذا النوع من العجلات المائية الجاذبية لتحسين إنتاجية المياه، بالإضافة إلى تحسين تدفق المياه نفسها. وبالتالي، تُعد العجلات المائية ذات الدفعة العلوية أكثر كفاءة من العجلات ذات الدفعة السفلية، حيث يُستخدم كل الماء تقريبًا ووزنه لإنتاج طاقة الإخراج. ومع ذلك، وكما في السابق، تُستخدم طاقة المياه مرة واحدة فقط لتدوير العجلة، ثم تتدفق مع باقي الماء.
تُعلّق دواليب المياه فوق النهر أو المجرى المائي، وتُبنى عادةً على جوانب التلال، لتأمين مصدر مياه من الأعلى بارتفاع منخفض (المسافة الرأسية بين الماء في الأعلى والنهر أو المجرى المائي أسفله) يتراوح بين 5 و20 مترًا. يمكن بناء سد أو حاجز صغير واستخدامه لتوجيه المياه وزيادة سرعتها إلى أعلى الدواليب، مما يمنحها طاقة أكبر. ولكن حجم المياه، وليس سرعتها، هو ما يُساعد على دوران الدواليب.

عادةً ما تُبنى دواليب المياه ذات القطر الكبير قدر الإمكان لتوفير أكبر مسافة رأسية ممكنة لثقل الماء لتدوير العجلة. إلا أن دواليب المياه ذات القطر الكبير أكثر تعقيدًا وتكلفة في البناء نظرًا لوزن العجلة والماء.
عند ملء الدلاء الفردية بالماء، يُسبب وزن جاذبية الماء دوران العجلة في اتجاه تدفق الماء. كلما اقتربت زاوية الدوران من أسفل العجلة، يتدفق الماء داخل الدلو إلى النهر أو المجرى المائي أسفله، لكن وزن الدلاء التي تدور خلفه يُبقي العجلة مستمرة في سرعتها الدورانية. يستمر الدلو الفارغ حول العجلة الدوارة حتى يعود إلى الأعلى جاهزًا لملئه بمزيد من الماء، وتتكرر الدورة. من عيوب تصميم دولاب الماء المتجاوز أن الماء يُستخدم مرة واحدة فقط أثناء تدفقه فوق العجلة.

تصميم عجلة المياه ذات المؤخرة الخلفية
تصميم عجلة المياه ذات المؤخرة الخلفية هو نسخة مُعدّلة من تصميم عجلة المياه السابقة، حيث يستخدم وزن جاذبية الماء للمساعدة في تدوير العجلة، كما يستخدم تدفق مياه الصرف أسفلها لزيادة الدفع. يستخدم هذا النوع من تصميمات عجلات المياه نظام تغذية منخفض الارتفاع، يُزوّد ​​المياه بالقرب من قمة العجلة من حوض علوي.
على عكس دولاب المياه العلوي الذي يوجه الماء مباشرة فوق العجلة مما يتسبب في دورانه في اتجاه تدفق الماء، فإن دولاب المياه المائل يغذي الماء عموديا إلى الأسفل من خلال قمع وإلى الدلو أدناه مما يتسبب في دوران العجلة في الاتجاه المعاكس لتدفق الماء أعلاه.
كما هو الحال في دولاب الماء السابق، فإن وزن الماء في الدلاء بفعل الجاذبية يُسبب دورانها عكس اتجاه عقارب الساعة. ومع اقتراب زاوية الدوران من أسفل الدولاب، يُفرغ الماء المحبوس داخل الدلاء. وبينما يُثبت الدلو الفارغ على الدولاب، يستمر في الدوران معه كما كان من قبل حتى يعود إلى الأعلى مُجددًا جاهزًا لملئه بمزيد من الماء، وتتكرر الدورة.
الفرق هذه المرة هو أن مياه الصرف المُفرّغة من الدلو الدوار تتدفق بعيدًا في اتجاه العجلة الدوارة (لأنها لا تجد مكانًا آخر تذهب إليه)، على غرار مبدأ دولاب الماء ذي القذف السفلي. وبالتالي، فإن الميزة الرئيسية لدولاب الماء ذي القذف الخلفي هي أنه يستخدم طاقة الماء مرتين، مرة من الأعلى ومرة ​​من الأسفل لتدوير العجلة حول محورها المركزي.
النتيجة هي زيادة كفاءة تصميم دولاب المياه بشكل كبير لتتجاوز 80% من طاقة المياه، إذ يعتمد على وزن جاذبية المياه الداخلة، وقوة أو ضغط المياه الموجهة إلى الدلاء من الأعلى، بالإضافة إلى تدفق مياه الصرف أسفلها الذي يدفعها. أما عيب دولاب المياه ذي الانحدار الخلفي، فهو أنه يتطلب نظام إمداد مياه أكثر تعقيدًا بقليل، يقع مباشرة فوق الدولاب، مع مزالق وأحواض.

تصميم عجلة المياه بريستشوت
تصميم عجلة المياه "بريشتوت" هو تصميم آخر لعجلة مياه مثبتة رأسياً، حيث يدخل الماء إلى الدلاء من منتصف ارتفاع المحور تقريباً، أو فوقه بقليل، ثم يتدفق من الأسفل باتجاه دوران العجلات. يُستخدم هذا التصميم عادةً في الحالات التي يكون فيها منسوب الماء غير كافٍ لتشغيل تصميم عجلة مياه "أوفر شوت" ​​أو "بيتك باك" من الأعلى.
العيب هنا هو أن وزن جاذبية الماء يُستخدم لربع دورة فقط، على عكس ما كان عليه سابقًا لنصفها. وللتغلب على هذا الانخفاض في ارتفاع الرأس، تُوسع دلاء الدواليب المائية لاستخراج الكمية المطلوبة من الطاقة الكامنة من الماء.
تستخدم دواليب المياه ذات الدفعة المستعرضة نفس وزن جاذبية الماء تقريبًا لتدوير العجلة، ولكن نظرًا لأن ارتفاع رأس الماء يبلغ حوالي نصف ارتفاع دولاب المياه التقليدي، فإن الدلاء أوسع بكثير من تصاميم الدواليب السابقة لزيادة حجم الماء المحتجز فيها. عيب هذا النوع من التصميم هو زيادة عرض ووزن الماء الذي يحمله كل دلو. وكما هو الحال في تصميم الارتداد، تستهلك دولاب المياه ذات الدفعة المستعرضة طاقة الماء بضعف طاقتها، حيث صُممت الدولاب للبقاء في الماء، مما يسمح لمياه الصرف بالمساعدة في دورانها أثناء تدفقها مع التيار.

توليد الكهرباء باستخدام عجلة مائية
تاريخيًا، استُخدمت النواعير المائية لطحن الدقيق والحبوب وغيرها من المهام الميكانيكية. ولكن يُمكن أيضًا استخدام النواعير المائية لتوليد الكهرباء، وهو ما يُسمى بنظام الطاقة الكهرومائية. بتوصيل مُولّد كهربائي بعمود دوران النواعير المائية، سواءً بشكل مباشر أو غير مباشر باستخدام أحزمة وبكرات، يُمكن استخدام النواعير المائية لتوليد الطاقة باستمرار على مدار الساعة، على عكس الطاقة الشمسية. إذا صُممت النواعير المائية بشكل صحيح، يُمكن لنظام كهرومائي صغير أو "مجهري" إنتاج ما يكفي من الكهرباء لتشغيل الإضاءة و/أو الأجهزة الكهربائية في منزل عادي.
ابحث عن مولدات دوارة مائية مصممة لإنتاج أقصى إنتاجية بسرعات منخفضة نسبيًا. للمشاريع الصغيرة، يمكن استخدام محرك تيار مستمر صغير كمولد منخفض السرعة أو مولد تيار متردد للسيارات، ولكن هذه المحركات مصممة للعمل بسرعات أعلى بكثير، لذا قد يتطلب الأمر استخدام نوع من التروس. يُعد مولد توربينات الرياح مولدًا مثاليًا لدوارة مائية، حيث إنه مصمم للعمل بسرعات منخفضة وإنتاجية عالية.
إذا كان هناك نهر أو جدول سريع الجريان بالقرب من منزلك أو حديقتك يمكنك استخدامه، فقد يكون نظام الطاقة الكهرومائية صغير الحجم بديلاً أفضل من مصادر الطاقة المتجددة الأخرى مثل طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية، نظرًا لتأثيره البصري الأقل بكثير. وكما هو الحال مع طاقة الرياح والطاقة الشمسية، مع نظام توليد طاقة صغير الحجم مصمم على شكل عجلة مائية ومتصل بشبكة الكهرباء المحلية، يمكن بيع أي كهرباء تولّدها ولا تستخدمها إلى شركة الكهرباء.
في الدرس القادم حول الطاقة الكهرومائية، سنتناول أنواع التوربينات المختلفة المتاحة التي يُمكننا ربطها بتصميم العجل المائي لتوليد الطاقة الكهرومائية. لمزيد من المعلومات حول تصميم العجل المائي وكيفية توليد الكهرباء باستخدام طاقة الماء، أو للحصول على مزيد من المعلومات حول تصميمات العجل المائي المختلفة المتاحة، أو لاستكشاف مزايا وعيوب الطاقة الكهرومائية، انقر هنا لطلب نسختك من أمازون اليوم حول مبادئ وتركيب العجل المائي الذي يُمكن استخدامه لتوليد الكهرباء.