Канструкцыя вадзянога кола для гідраэнергетыкі
значок гідраэнергіі Гідраэнергія — гэта тэхналогія, якая пераўтварае кінетычную энергію рухомай вады ў механічную або электрычную энергію, і адной з самых ранніх прылад, якія выкарыстоўваліся для пераўтварэння энергіі рухомай вады ў карысную працу, была канструкцыя вадзянога кола.
Канструкцыя вадзяных колаў з цягам часу развівалася: некаторыя колы былі арыентаваны вертыкальна, некаторыя гарызантальна, а некаторыя — са складанымі шківамі і шасцярнямі, але ўсе яны прызначаны для выканання адной і той жа функцыі: «пераўтвараць лінейны рух вады ў вярчальны рух, які можна выкарыстоўваць для прывада любой машыны, падлучанай да яе праз верцяльны вал».
Тыповая канструкцыя вадзянога кола
Раннія канструкцыі вадзяных колаў былі даволі прымітыўнымі і простымі машынамі, якія складаліся з вертыкальнага драўлянага кола з драўлянымі лопасцямі або вёдрамі, замацаванымі аднолькава па іх акружнасці, усе яны абапіраліся на гарызантальны вал, прычым сіла вады, якая цякла пад ім, штурхала кола ў тангенцыяльным кірунку да лопасцяў.
Гэтыя вертыкальныя вадзяныя колы значна пераўзыходзілі ранейшыя гарызантальныя вадзяныя колы старажытных грэкаў і егіпцян, бо яны маглі працаваць больш эфектыўна, пераўтвараючы імпульс рухомай вады ў энергію. Затым да вадзянога кола мацавалі шківы і зубчастыя перадачы, якія дазвалялі змяняць кірунак кручэння вала з гарызантальнага на вертыкальны, каб прыводзіць у рух жорны, пілаваць дровы, драбніць руду, штампаваць і рэзаць і г.д.
Тыпы канструкцый вадзяных колаў
Большасць вадзяных колаў, таксама вядомых як вадзяныя млыны або проста вадзяныя колы, — гэта вертыкальна ўсталяваныя колы, якія круцяцца вакол гарызантальнай восі, і гэтыя тыпы вадзяных колаў класіфікуюцца па спосабе падачы вады на кола адносна восі кола. Як і варта было чакаць, вадзяныя колы — гэта адносна вялікія машыны, якія круцяцца з нізкімі вуглавымі хуткасцямі і маюць нізкі ККД з-за страт на трэнне і няпоўнага напаўнення вёдраў і г.д.
Дзеянне вады, якая цісне на колы (вёдры або лапаткі), стварае крутоўны момант на восі, але, накіроўваючы ваду на гэтыя лапаткі і каўшы з розных месцаў на коле, можна палепшыць хуткасць кручэння і яго эфектыўнасць. Два найбольш распаўсюджаныя тыпы канструкцый вадзяных колаў - гэта «недапушчальнае вадзяное кола» і «перапушчанае вадзяное кола».
Канструкцыя вадзянога кола з падсечкай
Канструкцыя вадзянога кола з падсечкай, таксама вядомая як «кола ручая», была найбольш распаўсюджаным тыпам вадзянога кола, распрацаванага старажытнымі грэкамі і рымлянамі, паколькі гэта самы просты, танны і лёгкі ў пабудове тып кола.
У гэтым тыпе канструкцыі вадзянога кола кола проста змяшчаецца непасрэдна ў хуткую раку і падтрымліваецца зверху. Рух вады ўнізе стварае штуршок да пагружаных у ваду лапатак у ніжняй частцы кола, што дазваляе яму круціцца толькі ў адным кірунку адносна кірунку патоку вады.
Гэты тып канструкцыі вадзянога кола звычайна выкарыстоўваецца на раўнінных участках без натуральнага схілу або там, дзе паток вады рухаецца дастаткова хутка. У параўнанні з іншымі канструкцыямі вадзяных колаў, гэты тып канструкцыі вельмі неэфектыўны, бо толькі 20% патэнцыйнай энергіі вады выкарыстоўваецца для фактычнага кручэння кола. Акрамя таго, энергія вады выкарыстоўваецца толькі адзін раз для кручэння кола, пасля чаго яна адцякае разам з астатняй вадой.
Яшчэ адзін недахоп вадзянога кола з недапушчальным цячэннем заключаецца ў тым, што яно патрабуе вялікай колькасці вады, якая рухаецца з хуткасцю. Таму вадзяныя колы з недапушчальным цячэннем звычайна размяшчаюцца на берагах рэк, бо невялікія ручаі або ручаі не маюць дастатковай патэнцыяльнай энергіі ў рухомай вадзе.
Адзін са спосабаў крыху павысіць эфектыўнасць вадзянога кола з непасрэдным накатам — гэта адвесці пэўную частку вады ў рацэ па вузкім канале або пратоцы, каб 100% адведзенай вады выкарыстоўвалася для кручэння кола. Для дасягнення гэтага вадзяное кола з непасрэдным накатам павінна быць вузкім і вельмі дакладна размяшчацца ў канале, каб вада не выцякала па баках, або павялічыць колькасць або памер лапатак.
Канструкцыя вадзянога кола Overshot
Канструкцыя вадзянога кола з авершотам — найбольш распаўсюджаны тып вадзянога кола. Вадзяное кола з авершотам мае больш складаную канструкцыю і дызайн, чым папярэдняе вадзяное кола з авершотам, бо ў ім выкарыстоўваюцца вёдры або невялікія адсекі для збору і ўтрымання вады.
Гэтыя вёдры напаўняюцца вадой, якая паступае ў верхняй частцы кола. Гравітацыйная вага вады ў поўных вёдрах прымушае кола круціцца вакол сваёй цэнтральнай восі, а пустыя вёдры з другога боку кола становяцца лягчэйшымі.
Гэты тып вадзянога кола выкарыстоўвае гравітацыю для паляпшэння прадукцыйнасці, а таксама саму ваду, таму вадзяныя колы з перападам аб'ёму значна больш эфектыўныя, чым канструкцыі з перападам аб'ёму, бо амаль уся вада і яе вага выкарыстоўваюцца для выпрацоўкі выходнай магутнасці. Аднак, як і раней, энергія вады выкарыстоўваецца толькі адзін раз для кручэння кола, пасля чаго яна адцякае разам з астатняй вадой.
Вадзяныя колы з перакідным плацінай падвешваюцца над ракой або ручаём і звычайна будуюцца на схілах пагоркаў, забяспечваючы падачу вады зверху з нізкім напорам (вертыкальная адлегласць паміж вадой уверсе і ракой або ручаём унізе) ад 5 да 20 метраў. Невялікая плаціна або плаціна можа быць пабудавана і выкарыстана як для накіравання, так і для павелічэння хуткасці вады да верху кола, што дае яму больш энергіі, але менавіта аб'ём вады, а не яе хуткасць, дапамагае круціць кола.
Звычайна, вадзяныя колы з перакрыжаваным дыяметрам будуюцца як мага большымі, каб забяспечыць максімальную адлегласць нахілу для кручэння кола пад дзеяннем гравітацыйнай вагі вады. Аднак вадзяныя колы вялікага дыяметра больш складаныя і дарагія ў будаўніцтве з-за вагі кола і вады.
Калі асобныя вёдры напаўняюцца вадой, гравітацыйная вага вады прымушае кола круціцца ў кірунку патоку вады. Па меры набліжэння вугла павароту да ніжняй часткі кола вада ўнутры вядра выцякае ў раку або ручай унізе, але вага вёдраў, якія круцяцца за ім, прымушае кола працягваць кручэнне з той жа хуткасцю. Пустое вядро працягвае круціцца вакол круцільнага кола, пакуль яно зноў не падымецца наверх, гатовае да напаўнення вадой, і цыкл паўтараецца. Адзін з недахопаў канструкцыі вадзянога кола з перагрузкай заключаецца ў тым, што вада выкарыстоўваецца толькі адзін раз, калі яна цячэ па коле.
Дызайн вадзянога кола Pitchback
Канструкцыя вадзянога кола з нахілам ад вярчання з'яўляецца варыяцыяй папярэдняга вадзянога кола з нахілам ад вярчання, бо ў ёй таксама выкарыстоўваецца гравітацыйная вага вады для кручэння кола, але таксама паток сцёкавых вод пад ім для дадатковага штуршка. У гэтым тыпе канструкцыі вадзянога кола выкарыстоўваецца сістэма падачы вады з нізкім напорам, якая забяспечвае падачу вады блізка да верху кола з праходнага жолаба зверху.
У адрозненне ад вадзянога кола з нахілам, якое накіроўвала ваду непасрэдна на кола, прымушаючы яго круціцца ў кірунку патоку вады, вадзяное кола з нахілам падае ваду вертыкальна ўніз праз варонку ў вядро ўнізе, прымушаючы кола круціцца ў процілеглым кірунку патоку вады зверху.
Як і ў папярэднім выпадку з вадзяным колам з перагрузкай, гравітацыйная вага вады ў вядрах прымушае кола круціцца, але супраць гадзіннікавай стрэлкі. Па меры таго, як вугал павароту набліжаецца да ніжняй часткі кола, вада, якая знаходзіцца ўнутры вядраў, апаражняецца ўніз. Калі пустое вядро прымацоўваецца да кола, яно працягвае круціцца разам з колам, як і раней, пакуль зноў не падымецца наверх, каб яго можна было напоўніць яшчэ вадой, і цыкл паўтараецца.
Розніца на гэты раз заключаецца ў тым, што сцёкавая вада, якая выліваецца з круцільнага вядра, сцякае ў кірунку круцільнага кола (бо ёй больш няма куды падзецца), падобна прынцыпу вадзянога кола з падкідваннем. Такім чынам, галоўная перавага вадзянога кола з адваротным нахілам заключаецца ў тым, што яно выкарыстоўвае энергію вады двойчы, адзін раз зверху і адзін раз знізу, для кручэння кола вакол яго цэнтральнай восі.
У выніку эфектыўнасць канструкцыі вадзянога кола значна павялічваецца, дасягаючы больш за 80% энергіі вады, паколькі яно прыводзіцца ў рух як гравітацыйнай вагой паступаючай вады, так і сілай або ціскам вады, якая паступае ў вёдры зверху, а таксама патокам сцёкавых вод знізу, якія ціснуць на вёдры. Недахопам вадзянога кола з нахілам назад з'яўляецца тое, што яно патрабуе крыху больш складанай сістэмы падачы вады непасрэдна над колам з жолабамі і праходамі.
Дызайн вадзянога кола Breastshot
Канструкцыя вадзянога кола з брыт-шотам — гэта яшчэ адна канструкцыя вертыкальна ўсталяванага вадзянога кола, у якой вада паступае ў вёдры прыкладна напалову на вышыні восі або крыху вышэй за яе, а затым выцякае ўнізе ў кірунку кручэння колаў. Звычайна вадзяное кола з брыт-шотам выкарыстоўваецца ў сітуацыях, калі напор вады недастатковы для кручэння вадзянога кола з авершотам або пітчбэкам зверху.
Недахопам тут з'яўляецца тое, што гравітацыйная вага вады выкарыстоўваецца толькі прыкладна на чвэрць абароту, у адрозненне ад ранейшага выкарыстання на палову абароту. Каб пераадолець гэтую нізкую вышыню напору, каўшы вадзяных колаў робяцца шырэйшымі, каб атрымаць неабходную колькасць патэнцыйнай энергіі з вады.
Вадзяныя колы з брусам выкарыстоўваюць прыкладна такую ж гравітацыйную вагу вады для кручэння кола, але паколькі вышыня вышыні вады прыкладна ўдвая меншая за вышыню тыповага вадзянога кола з авершотам, каўшы значна шырэйшыя за папярэднія канструкцыі вадзяных колаў, каб павялічыць аб'ём вады, якая збіраецца ў каўшы. Недахопам гэтага тыпу канструкцыі з'яўляецца павелічэнне шырыні і вагі вады, якая пераносіцца кожным вядром. Як і ў выпадку з канструкцыяй з нахілам, кола з брусам выкарыстоўвае энергію вады ўдвая больш, бо вадзяное кола распрацавана так, каб знаходзіцца ў вадзе, дазваляючы сцёкавым водам дапамагаць круціць кола, калі яно сцякае ўніз па цячэнні.
Выпрацоўка электрычнасці з дапамогай вадзянога кола
Гістарычна вадзяныя колы выкарыстоўваліся для памолу мукі, круп і іншых падобных механічных задач. Але вадзяныя колы таксама могуць выкарыстоўвацца для выпрацоўкі электрычнасці, што называецца гідраэнергетычнай сістэмай. Падключыўшы электрычны генератар да круцільнага вала вадзяных колаў, непасрэдна або ўскосна з дапамогай прывадных рамянёў і шківаў, вадзяныя колы можна выкарыстоўваць для бесперапыннай выпрацоўкі энергіі 24 гадзіны ў суткі, у адрозненне ад сонечнай энергіі. Калі вадзяное кола спраектавана правільна, невялікая або «мікра» гідраэлектрастанцыя можа вырабляць дастаткова электраэнергіі для харчавання асвятлення і/або электрапрыбораў у звычайным доме.
Шукайце генератары з вадзяным колам, прызначаныя для атрымання аптымальнай магутнасці пры адносна нізкіх хуткасцях. Для невялікіх праектаў невялікі рухавік пастаяннага току можа быць выкарыстаны ў якасці нізкахуткаснага генератара або аўтамабільнага генератара, але яны прызначаны для працы на значна больш высокіх хуткасцях, таму можа спатрэбіцца нейкая форма рэдуктара. Ветрагенератар ідэальна падыходзіць у якасці вадзянога генератара, бо ён прызначаны для працы на нізкай хуткасці з высокай магутнасцю.
Калі побач з вашым домам або садам ёсць даволі хуткая рака або ручай, якімі вы можаце скарыстацца, то невялікая гідраэнергетычная сістэма можа быць лепшай альтэрнатывай іншым відам аднаўляльных крыніц энергіі, такім як «энергія ветру» або «сонечная энергія», бо яна мае значна меншы візуальны ўплыў. Таксама, як і ў выпадку з энергіяй ветру і сонца, з падключанай да сеткі невялікай генеруючай сістэмай, распрацаванай на аснове вадзянога кола, якая падключана да мясцовай электрасеткі, любую электрычнасць, якую вы выпрацоўваеце, але не выкарыстоўваеце, можна прадаць назад электраэнергетычнай кампаніі.
У наступным уроку па гідраэнергетыцы мы разгледзім розныя тыпы турбін, якія можна прымацаваць да нашай канструкцыі вадзянога кола для вытворчасці гідраэнергіі. Каб атрымаць дадатковую інфармацыю аб канструкцыі вадзянога кола і аб тым, як выпрацоўваць уласную электрычнасць з дапамогай энергіі вады, або атрымаць дадатковую інфармацыю аб розных даступных канструкцыях вадзяных колаў, або вывучыць перавагі і недахопы гідраэнергіі, націсніце тут, каб замовіць сёння на Amazon копію пра прынцыпы і канструкцыю вадзяных колаў, якія можна выкарыстоўваць для вытворчасці электраэнергіі.
Час публікацыі: 25 чэрвеня 2021 г.
