تصميم دولاب مائي لمشروع الطاقة الكهرومائية

تصميم عجلة مائية للطاقة الكهرومائية
الطاقة الكهرومائية هي تقنية تحول الطاقة الحركية للمياه المتحركة إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية، وكان تصميم دولاب الماء أحد أقدم الأجهزة المستخدمة لتحويل طاقة المياه المتحركة إلى عمل قابل للاستخدام.
لقد تطور تصميم عجلات المياه بمرور الوقت، حيث توجد 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 دورانية يمكن استخدامها لتشغيل أي قطعة من الآلات المتصلة بها عبر عمود دوار".

تصميم نموذجي لعجلة مائية
كانت تصميمات دواليب المياه المبكرة عبارة عن آلات بدائية وبسيطة للغاية تتكون من عجلة خشبية رأسية مزودة بشفرات أو دلاء خشبية مثبتة بالتساوي حول محيطها، وكلها مدعومة على عمود أفقي، حيث تدفع قوة الماء المتدفق أسفلها العجلة في اتجاه مماس للشفرات.
كانت هذه الدواليب المائية العمودية متفوقة بشكل كبير على تصميم الدواليب المائية الأفقية السابقة التي استخدمها الإغريق والمصريون القدماء، لأنها كانت تعمل بكفاءة أعلى في تحويل زخم الماء المتحرك إلى طاقة. ثم تم تركيب بكرات وتروس على الدواليب المائية، مما سمح بتغيير اتجاه دوران العمود من أفقي إلى رأسي لتشغيل أحجار الطحن، ونشر الخشب، وسحق الخامات، والختم، والقطع، وما إلى ذلك.

أنواع تصميمات عجلات المياه
معظم الدواليب المائية، والمعروفة أيضًا باسم الطواحين المائية أو ببساطة الدواليب المائية، هي عجلات مثبتة رأسيًا تدور حول محور أفقي، وتُصنف هذه الأنواع من الدواليب المائية حسب طريقة ضخ الماء إليها، نسبةً إلى محورها. وكما هو متوقع، فإن الدواليب المائية آلات كبيرة نسبيًا تدور بسرعات زاوية منخفضة، وتتميز بكفاءة منخفضة، نظرًا لفقدان الطاقة بسبب الاحتكاك وعدم امتلاء الدلاء بالكامل، وغير ذلك.
يُولّد دفع الماء لعجلات أو دلاء أو مجاديف العجلة عزم دوران على المحور، ولكن بتوجيه الماء نحو هذه المجاديف والدلاء من مواقع مختلفة على العجلة، يُمكن تحسين سرعة الدوران وكفاءتها. أكثر أنواع تصميمات عجلات الماء شيوعًا هما "عجلة الماء ذات الدفع السفلي" و"عجلة الماء ذات الدفع العلوي".

تصميم عجلة مائية سفلية
كان تصميم عجلة المياه السفلية، والمعروف أيضًا باسم "عجلة التيار"، هو النوع الأكثر شيوعًا من عجلات المياه التي صممها الإغريق والرومان القدماء لأنه أبسط أنواع العجلات وأرخصها وأسهلها في البناء.
في هذا النوع من تصميمات الدواليب المائية، تُوضع العجلة مباشرةً في نهر سريع الجريان وتُدعم من الأعلى. وتُحدث حركة الماء في الأسفل قوة دفع على المجاديف المغمورة في الجزء السفلي من العجلة، مما يسمح لها بالدوران في اتجاه واحد فقط بالنسبة لاتجاه جريان الماء.
يُستخدم هذا النوع من تصميمات الدواليب المائية عادةً في المناطق المستوية التي لا يوجد بها انحدار طبيعي للأرض، أو حيث يكون تدفق المياه سريعًا بما يكفي. وبالمقارنة مع تصميمات الدواليب المائية الأخرى، يُعد هذا النوع غير فعال للغاية، إذ لا يُستغل سوى 20% فقط من طاقة الماء الكامنة لتدوير الدولاب. كما أن طاقة الماء تُستخدم مرة واحدة فقط لتدوير الدولاب، ثم تتلاشى مع باقي الماء.
من عيوب عجلة الماء ذات التدفق السفلي أنها تتطلب كميات كبيرة من المياه المتدفقة بسرعة. لذلك، تُوضع هذه العجلات عادةً على ضفاف الأنهار، لأن الجداول الصغيرة أو السدود لا تملك طاقة كامنة كافية في المياه المتدفقة.
إحدى طرق تحسين كفاءة دولاب الماء السفلي هي تحويل نسبة من مياه النهر عبر قناة ضيقة، بحيث يُستخدم كامل الماء المُحوّل لتدوير الدولاب. ولتحقيق ذلك، يجب أن يكون الدولاب ضيقًا ومناسبًا تمامًا للقناة لمنع تسرب الماء من الجوانب، أو عن طريق زيادة عدد أو حجم المجاديف.

تصميم دولاب مائي علوي
يُعد تصميم دولاب الماء العلوي أكثر أنواع تصميمات دواليب الماء شيوعًا. يتميز دولاب الماء العلوي بتعقيد بنائه وتصميمه مقارنةً بدولاب الماء السفلي السابق، حيث يستخدم دلاءً أو حجرات صغيرة لتجميع الماء وتخزينه.
تمتلئ هذه الدلاء بالماء المتدفق من أعلى العجلة. ويتسبب وزن الماء في الدلاء الممتلئة في دوران العجلة حول محورها المركزي، بينما تصبح الدلاء الفارغة على الجانب الآخر من العجلة أخف وزناً.
يستغل هذا النوع من الدواليب المائية الجاذبية لزيادة الإنتاج، بالإضافة إلى الماء نفسه، ولذلك فإن الدواليب المائية ذات التدفق العلوي أكثر كفاءة من تلك ذات التدفق السفلي، حيث يُستغل معظم الماء ووزنه لإنتاج الطاقة. مع ذلك، وكما في السابق، تُستخدم طاقة الماء مرة واحدة فقط لتدوير الدولاب، ثم يتدفق مع باقي الماء.
تُعلّق الدواليب المائية العلوية فوق نهر أو مجرى مائي، وتُبنى عادةً على سفوح التلال لتوفير المياه من الأعلى بارتفاع منخفض (المسافة الرأسية بين الماء في الأعلى والنهر أو المجرى المائي في الأسفل) يتراوح بين 5 و20 مترًا. ويمكن إنشاء سد صغير أو حاجز مائي لتوجيه المياه وزيادة سرعتها إلى أعلى الدولاب، مما يمنحها طاقة أكبر، ولكن حجم الماء، وليس سرعته، هو ما يُساعد على دوران الدولاب.

عموماً، تُبنى دواليب المياه العلوية بأكبر حجم ممكن لتوفير أقصى مسافة رأسية ممكنة لوزن الماء اللازم لتدويرها. مع ذلك، فإن بناء دواليب المياه ذات الأقطار الكبيرة أكثر تعقيداً وتكلفةً نظراً لوزن العجلة والماء.
عندما تمتلئ الدلاء بالماء، يتسبب وزن الماء بفعل الجاذبية في دوران العجلة في اتجاه تدفق الماء. ومع اقتراب زاوية الدوران من أسفل العجلة، يفرغ الماء الموجود داخل الدلو في النهر أو الجدول أسفله، لكن وزن الدلاء الدوارة خلفه يُبقي العجلة تدور بنفس سرعتها. يستمر الدلو الفارغ في الدوران حول العجلة حتى يعود إلى الأعلى جاهزًا للامتلاء بالماء، وتتكرر الدورة. من عيوب تصميم العجلة المائية العلوية أن الماء يُستخدم مرة واحدة فقط أثناء تدفقه فوق العجلة.

تصميم دولاب الماء المائل
يُعد تصميم دولاب الماء ذو ​​الارتداد الخلفي نوعًا متطورًا من دولاب الماء ذي التدفق العلوي، إذ يعتمد على وزن الماء بفعل الجاذبية لتدوير الدولاب، بالإضافة إلى تدفق مياه الصرف الصحي أسفله لتوفير قوة دفع إضافية. ويستخدم هذا النوع من دواليب الماء نظام تغذية منخفض الارتفاع، حيث يُضخ الماء بالقرب من قمة الدولاب من قناة علوية.
بخلاف دولاب الماء العلوي الذي كان يوجه الماء مباشرة فوق الدولاب مما يجعله يدور في اتجاه تدفق الماء، فإن دولاب الماء المائل يغذي الماء عموديًا إلى أسفل من خلال قمع وإلى الدلو الموجود أسفله مما يجعل الدولاب يدور في الاتجاه المعاكس لتدفق الماء أعلاه.
كما هو الحال في دولاب الماء العلوي السابق، يتسبب وزن الماء في الدلاء بفعل الجاذبية في دوران الدولاب، ولكن في اتجاه عكس عقارب الساعة. وعندما تقترب زاوية الدوران من أسفل الدولاب، يتسرب الماء المحتجز داخل الدلاء إلى الأسفل. وعندما يكون الدلو الفارغ متصلاً بالعجلة، يستمر في الدوران معها كما كان من قبل حتى يعود إلى الأعلى جاهزًا للامتلاء بالمزيد من الماء، وتتكرر الدورة.
يكمن الاختلاف هذه المرة في أن مياه الصرف المتدفقة من الدلو الدوار تتدفق باتجاه العجلة الدوارة (لعدم وجود مسار آخر لها)، على غرار مبدأ دولاب الماء ذي التدفق السفلي. وبالتالي، فإن الميزة الرئيسية لدولاب الماء ذي التدفق العكسي هي أنه يستخدم طاقة الماء مرتين، مرة من الأعلى ومرة ​​من الأسفل، لتدوير العجلة حول محورها المركزي.
نتيجةً لذلك، ترتفع كفاءة تصميم دولاب الماء بشكل كبير لتتجاوز 80% من طاقة الماء، إذ يُدار بواسطة كلٍّ من وزن الماء الداخل وقوة أو ضغط الماء الموجه إلى الدلاء من الأعلى، بالإضافة إلى تدفق مياه الصرف الصحي من الأسفل الذي يدفع الدلاء. مع ذلك، يتمثل عيب دولاب الماء ذي الميلان العكسي في حاجته إلى نظام إمداد مائي أكثر تعقيدًا فوق الدولاب مباشرةً، يتضمن قنوات وممرات.

تصميم عجلة المياه بريستشوت
يُعد تصميم دولاب الماء ذو ​​التدفق الأمامي تصميمًا آخر لدواليب الماء المثبتة رأسيًا، حيث يدخل الماء إلى الدلاء عند منتصف ارتفاعها تقريبًا عند مستوى المحور، أو فوقه بقليل، ثم يتدفق للخارج من الأسفل في اتجاه دوران العجلات. يُستخدم دولاب الماء ذو ​​التدفق الأمامي عادةً في الحالات التي يكون فيها ضغط الماء غير كافٍ لتشغيل تصميم دولاب الماء ذي التدفق العلوي أو المائل من الأعلى.
يتمثل العيب هنا في أن وزن الماء الناتج عن الجاذبية لا يُستغل إلا لربع دورة تقريبًا، على عكس السابق الذي كان يُستغل لنصف الدورة. وللتغلب على هذا الارتفاع المنخفض للماء، صُممت دلاء دواليب المياه بشكل أعرض لاستخلاص الكمية المطلوبة من طاقة الوضع من الماء.
تستخدم دواليب المياه ذات الدفع الأمامي نفس وزن الماء تقريبًا لتدويرها، ولكن نظرًا لأن ارتفاع الماء فيها يبلغ نصف ارتفاع الماء في دواليب المياه التقليدية ذات الدفع العلوي، فإن دلاءها أعرض بكثير من تصاميم دواليب المياه السابقة لزيادة حجم الماء المتجمع فيها. ويتمثل عيب هذا التصميم في زيادة عرض ووزن الماء الذي يحمله كل دلو. وكما هو الحال في تصميم الدفع الخلفي، تستخدم دواليب المياه ذات الدفع الأمامي طاقة الماء مرتين، حيث صُممت لتكون مغمورة في الماء، مما يسمح لمياه الصرف بالمساهمة في دورانها أثناء تدفقها مع التيار.

توليد الكهرباء باستخدام دولاب مائي
استُخدمت الدواليب المائية تاريخيًا لطحن الدقيق والحبوب وغيرها من المهام الميكانيكية. ولكن يمكن استخدامها أيضًا لتوليد الكهرباء، فيما يُعرف بنظام الطاقة الكهرومائية. فمن خلال توصيل مولد كهربائي بعمود دوران الدواليب المائية، إما مباشرةً أو بشكل غير مباشر باستخدام أحزمة وبكرات، يُمكن للدواليب المائية توليد الطاقة بشكل مستمر على مدار الساعة، على عكس الطاقة الشمسية. وإذا صُممت الدواليب المائية بشكل صحيح، يُمكن لنظام كهرومائي صغير أو "متناهي الصغر" إنتاج كمية كافية من الكهرباء لتشغيل الإضاءة والأجهزة الكهربائية في منزل عادي.
ابحث عن مولدات دوارة مائية مصممة لإنتاج طاقتها المثلى عند سرعات منخفضة نسبيًا. بالنسبة للمشاريع الصغيرة، يمكن استخدام محرك تيار مستمر صغير كمولد منخفض السرعة أو مولد تيار متردد للسيارات، ولكن هذه مصممة للعمل بسرعات أعلى بكثير، لذا قد يلزم استخدام نوع من التروس. يُعد مولد توربينات الرياح خيارًا مثاليًا كمولد دوار مائي لأنه 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. وكما هو الحال مع طاقة الرياح والطاقة الشمسية، مع نظام توليد الطاقة المائية صغير الحجم المتصل بشبكة الكهرباء المحلية، يمكنك بيع أي كهرباء تولدها ولا تستخدمها لشركة الكهرباء.
في الدرس التالي حول الطاقة الكهرومائية، سنتناول أنواع التوربينات المختلفة المتاحة التي يمكننا تركيبها على تصميم عجلة المياه لتوليد الطاقة الكهرومائية. لمزيد من المعلومات حول تصميم عجلات المياه وكيفية توليد الكهرباء باستخدام طاقة الماء، أو للحصول على معلومات إضافية حول الطاقة الكهرومائية وتصاميم عجلات المياه المختلفة المتاحة، أو لاستكشاف مزايا وعيوب الطاقة الكهرومائية، انقر هنا لطلب نسختك من أمازون اليوم حول مبادئ وبنية عجلات المياه التي يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء.