Проектиране на водно колело за водноелектрическа енергия

Проектиране на водно колело за хидроенергия
икона за хидроенергия Хидроенергията е технология, която преобразува кинетичната енергия на движещата се вода в механична или електрическа енергия, а едно от най-ранните устройства, използвани за преобразуване на енергията на движещата се вода в използваема работа, е конструкцията на водното колело.
Дизайнът на водните колела се е развивал с течение на времето, като някои водни колела са ориентирани вертикално, други хоризонтално, а трети са със сложни шайби и зъбни колела, но всички те са проектирани да изпълняват една и съща функция, а именно „да преобразуват линейното движение на движещата се вода във въртеливо движение, което може да се използва за задвижване на всяка машина, свързана с нея чрез въртящ се вал“.

Типичен дизайн на водно колело
Ранните конструкции на водните колела са били доста примитивни и прости машини, състоящи се от вертикално дървено колело с дървени остриета или кофи, фиксирани равномерно по обиколката им, всички поддържани на хоризонтален вал, като силата на водата, течаща под него, бута колелото в тангенциална посока спрямо остриетата.
Тези вертикални водни колела са били значително по-добри от по-ранните хоризонтални водни колела, проектирани от древните гърци и египтяни, защото са могли да работят по-ефективно, превръщайки инерцията на движещата се вода в мощност. Към водното колело са били прикрепени макари и зъбни колела, което е позволявало промяна на посоката на въртене на вала от хоризонтална във вертикална, за да се задействат воденични камъни, рязане на дърва, смачкване на руда, щамповане и рязане и др.

Видове дизайн на водни колела
Повечето водни колела, известни още като водни мелници или просто водни колела, са вертикално монтирани колела, въртящи се около хоризонтална ос, и тези видове водни колела се класифицират по начина, по който водата се подава към колелото, спрямо оста на колелото. Както може би очаквате, водните колела са сравнително големи машини, които се въртят с ниски ъглови скорости и имат нисък КПД поради загуби от триене и непълно пълнене на кофите и др.
Действието на водата, която натиска кофите или лопатките на колелата, създава въртящ момент върху оста, но чрез насочване на водата към тези лопатки и кофи от различни позиции на колелото, скоростта на въртене и неговата ефективност могат да бъдат подобрени. Двата най-често срещани типа конструкции на водни колела са „недокоснато водно колело“ и „надкоснато водно колело“.

Дизайн на водно колело с подкосяване
Дизайнът на водното колело Undershot, известен още като „поточно колело“, е най-често използваният тип водно колело, проектирано от древните гърци и римляни, тъй като е най-простият, евтин и лесен за изграждане тип колело.
При този тип конструкция на водно колело, то просто се поставя директно в бързо течаща река и се поддържа отгоре. Движението на водата отдолу създава тласкащо действие срещу потопените лопатки в долната част на колелото, което му позволява да се върти само в една посока спрямо посоката на потока на водата.
Този тип конструкция на водно колело обикновено се използва в равнинни райони без естествен наклон на терена или където водният поток е достатъчно бърз. В сравнение с другите конструкции на водни колела, този тип конструкция е много неефективна, като едва 20% от потенциалната енергия на водата се използва за реално завъртане на колелото. Също така, енергията на водата се използва само веднъж за завъртане на колелото, след което тя оттича с останалата вода.
Друг недостатък на водното колело с подгряване е, че то изисква големи количества вода, движеща се със скорост. Следователно, водните колела с подгряване обикновено се разполагат по бреговете на реките, тъй като по-малките потоци или ручеи нямат достатъчно потенциална енергия в движещата се вода.
Един от начините за леко подобряване на ефективността на водно колело с подгряване е да се отклони определен процент от водата в реката по тесен канал или тръбопровод, така че 100% от отклонената вода да се използва за въртене на колелото. За да се постигне това, водното колело с подгряване трябва да е тясно и да пасва много точно в канала, за да се предотврати изтичането на водата по стените, или чрез увеличаване на броя или размера на лопатките.

Дизайн на водно колело с превишаване на очакванията
Дизайнът на водното колело с претоварване е най-разпространеният тип дизайн на водно колело. Претовареното водно колело е по-сложно по своята конструкция и дизайн от предишното водно колело с претоварване, тъй като използва кофи или малки отделения, за да улавя и задържа водата.
Тези кофи се пълнят с вода, която се влива в горната част на колелото. Гравитационното тегло на водата в пълните кофи кара колелото да се върти около централната си ос, докато празните кофи от другата страна на колелото стават по-леки.
Този тип водно колело използва гравитацията, за да подобри дебита, както и самата вода, като по този начин водните колела с претоварване са много по-ефективни от моделите с претоварване, тъй като почти цялата вода и нейното тегло се използват за производство на изходна мощност. Въпреки това, както и преди, енергията на водата се използва само веднъж за завъртане на колелото, след което тя оттича с останалата вода.
Водните колела с претоварване са окачени над река или поток и обикновено са построени по склоновете на хълмове, осигурявайки водоснабдяване отгоре с нисък напор (вертикалното разстояние между водата в горната част и реката или потока отдолу) между 5 и 20 метра. Може да се изгради малък язовир или преливник, който да се използва както за канализиране, така и за увеличаване на скоростта на водата към върха на колелото, което му дава повече енергия, но обемът на водата, а не скоростта ѝ, помага за въртенето на колелото.

Обикновено, водните колела с превишаване на диаметъра се изграждат възможно най-големи, за да се осигури възможно най-голямо разстояние на главата, за да може гравитационното тегло на водата да завърти колелото. Водните колела с голям диаметър обаче са по-сложни и скъпи за изграждане поради теглото на колелото и водата.
Когато отделните кофи се напълнят с вода, гравитационното тегло на водата кара колелото да се върти по посока на потока на водата. С приближаването на ъгъла на въртене към долната част на колелото, водата вътре в кофата се изпразва в реката или потока отдолу, но теглото на кофите, въртящи се зад нея, кара колелото да продължи да се върти със скоростта си на въртене. Празната кофа продължава да се върти около въртящото се колело, докато не се върне отново на върха, готова да се напълни с още вода, и цикълът се повтаря. Един от недостатъците на конструкцията с претоварено водно колело е, че водата се използва само веднъж, докато тече през колелото.

Дизайнът на водното колело Pitchback
Дизайнът на водното колело с наклонен ход е вариант на предишното водно колело с наклонен ход, тъй като използва и гравитационното тегло на водата, за да помогне за въртенето на колелото, но също така използва потока на отпадъчните води под него, за да осигури допълнителен тласък. Този тип дизайн на водното колело използва система за подаване с нисък напор, която осигурява водата близо до горната част на колелото от разположен отгоре улей.
За разлика от овършотното водно колело, което насочва водата директно върху колелото, карайки го да се върти по посока на потока на водата, наклоненото водно колело подава водата вертикално надолу през фуния и в кофата отдолу, карайки колелото да се върти в обратна посока на потока на водата отгоре.
Точно както при предишното водно колело с претоварване, гравитационното тегло на водата в кофите кара колелото да се върти, но обратно на часовниковата стрелка. Когато ъгълът на въртене се приближи до долната част на колелото, водата, задържана в кофите, се изпразва отдолу. Когато празната кофа се прикрепи към колелото, тя продължава да се върти заедно с колелото както преди, докато не се върне отново на върха, готова да се напълни с още вода, и цикълът се повтаря.
Разликата този път е, че отпадъчната вода, изпразнена от въртящата се кофа, оттича в посока на въртящото се колело (тъй като няма къде другаде да отиде), подобно на принципа на водното колело с подкосяване. По този начин основното предимство на водното колело с обратен наклон е, че то използва енергията на водата два пъти, веднъж отгоре и веднъж отдолу, за да завърти колелото около централната му ос.
Резултатът е, че ефективността на конструкцията на водното колело се увеличава значително до над 80% от енергията на водата, тъй като то се задвижва както от гравитационното тегло на входящата вода, така и от силата или налягането на водата, насочена в кофите отгоре, както и от потока на отпадъчните води отдолу, който натиска кофите. Недостатъкът на водното колело с обратен наклон обаче е, че то се нуждае от малко по-сложна система за водоснабдяване директно над колелото с улеи и канали.

Дизайнът на водното колело Breastshot
Дизайнът на водното колело с гърди е друг вертикално монтиран дизайн на водно колело, при който водата навлиза в кофите около половината път на височината на оста или точно над нея, и след това изтича отдолу по посока на въртенето на колелата. Обикновено водното колело с гърди се използва в ситуации, в които водният напор е недостатъчен, за да захранва отгоре конструкция на водно колело с овършот или питчбек.
Недостатъкът тук е, че гравитационното тегло на водата се използва само за около една четвърт от оборота, за разлика от преди, когато беше за половината от оборота. За да се преодолее тази ниска височина на налягането, кофите на водните колела са направени по-широки, за да извлекат необходимото количество потенциална енергия от водата.
Водните колела с гърчен удар използват приблизително същото гравитационно тегло на водата, за да въртят колелото си, но тъй като височината на главата на водата е около половината от тази на типичното водно колело с овършот, кофите са много по-широки от предишните конструкции на водни колела, за да се увеличи обемът на водата, уловена в кофите. Недостатъкът на този тип конструкция е увеличаването на ширината и теглото на водата, пренасяна от всяка кофа. Както при конструкцията с наклон назад, колелото с гърчен удар използва енергията на водата два пъти, тъй като водното колело е проектирано да стои във водата, позволявайки на отпадъчните води да помогнат за въртенето на колелото, докато то оттича надолу по течението.

Генериране на електричество с помощта на водно колело
В миналото водните колела са били използвани за смилане на брашно, зърнени храни и други подобни механични задачи. Но водните колела могат да се използват и за генериране на електричество, наречено хидроенергийна система. Чрез свързване на електрически генератор към въртящия се вал на водните колела, директно или индиректно, използвайки задвижващи ремъци и ролки, водните колела могат да се използват за генериране на енергия непрекъснато 24 часа в денонощието, за разлика от слънчевата енергия. Ако водното колело е проектирано правилно, малка или „микро“ хидроенергийна система може да произведе достатъчно електричество, за да захранва осветлението и/или електрическите уреди в средностатистически дом.
Търсете генератори с водно колело, проектирани да произвеждат оптимална мощност при относително ниски скорости. За малки проекти може да се използва малък DC двигател като нискоскоростен генератор или автомобилен алтернатор, но те са проектирани да работят при много по-високи скорости, така че може да се изисква някаква форма на зъбно колело. Генератор с вятърна турбина е идеален генератор с водно колело, тъй като е проектиран за работа с ниска скорост и висока мощност.
Ако близо до дома или градината ви има сравнително бързо течаща река или поток, който можете да използвате, тогава малка водноелектрическа система може да бъде по-добра алтернатива на други форми на възобновяеми енергийни източници, като например „вятърна енергия“ или „слънчева енергия“, тъй като има много по-малко визуално въздействие. Също както при вятърната и слънчевата енергия, с малка водноелектрическа система, свързана към мрежата и проектирана с водно колело, свързана с местната електропреносна мрежа, всяка електроенергия, която генерирате, но не използвате, може да бъде продадена обратно на електроразпределителната компания.
В следващия урок за хидроенергията ще разгледаме различните видове турбини, които можем да прикрепим към нашия проект за водно колело за производство на хидроенергия. За повече информация относно дизайна на водно колело и как да генерирате собствено електричество, използвайки силата на водата, или за да получите повече информация за хидроенергията относно различните налични дизайни на водни колела, или за да разгледате предимствата и недостатъците на хидроенергията, щракнете тук, за да поръчате своето копие от Amazon днес за принципите и конструкцията на водните колела, които могат да се използват за производство на електроенергия.