Dizajn vodenog kotača za hidroelektrane

Dizajn vodenog kotača za hidroenergiju
Ikona hidroenergijeHidroenergija je tehnologija koja pretvara kinetičku energiju pokretne vode u mehaničku ili električnu energiju, a jedan od najranijih uređaja korištenih za pretvaranje energije pokretne vode u iskoristiv rad bio je dizajn vodenog točka.
Dizajn vodenih kotača se vremenom razvijao, pri čemu su neki vodeni kotači orijentirani vertikalno, neki horizontalno, a neki sa složenim remenicama i zupčanicima, ali svi su dizajnirani da obavljaju istu funkciju, a to je da "pretvore linearno kretanje vode u pokretu u rotacijsko kretanje koje se može koristiti za pokretanje bilo kojeg dijela mašine povezanog s njom putem rotirajućeg vratila".

Tipičan dizajn vodenog kotača
Rani dizajn vodenih kotača bio je prilično primitivan i jednostavan stroj koji se sastojao od vertikalnog drvenog kotača s drvenim lopaticama ili kantama ravnomjerno pričvršćenim po njihovom obodu, a svi su bili oslonjeni na horizontalnu osovinu, a sila vode koja teče ispod nje gurala je kotač u tangencijalnom smjeru prema lopaticama.
Ovi vertikalni vodeni kotači bili su znatno superiorniji u odnosu na ranije horizontalne vodene kotače koje su koristili stari Grci i Egipćani, jer su mogli efikasnije pretvarati zamah vode u snagu. Remenice i zupčanici su zatim bili pričvršćeni na vodeni kotač, što je omogućavalo promjenu smjera rotirajućeg vratila iz horizontalnog u vertikalni kako bi se pokretali mlinski kamenovi, pilalo drvo, drobilo rudu, štancalo i rezalo itd.

Vrste dizajna vodenih kotača
Većina vodenih kotača, poznatih i kao vodenice ili jednostavno vodeni kotači, su vertikalno postavljeni kotači koji se okreću oko horizontalne osovine, a ove vrste vodenih kotača klasificiraju se prema načinu na koji se voda primjenjuje na kotač, u odnosu na osovinu kotača. Kao što možete očekivati, vodeni kotači su relativno velike mašine koje se okreću malim kutnim brzinama i imaju nisku efikasnost zbog gubitaka trenjem i nepotpunog punjenja kanti itd.
Djelovanje vode koja gura lopatice ili vesla kotača razvija obrtni moment na osovini, ali usmjeravanjem vode na ove lopatice i vesla s različitih pozicija na kotaču može se poboljšati brzina rotacije i njena efikasnost. Dva najčešća tipa dizajna vodeničnog kotača su "podtočeni vodenični kotač" i "nadtočeni vodenični kotač".

Dizajn vodenog kotača s podrezivanjem
Dizajn vodenog točka pod košarcom, poznat i kao "potočni točak", bio je najčešće korišteni tip vodenog točka koji su dizajnirali stari Grci i Rimljani jer je najjednostavniji, najjeftiniji i najlakši tip točka za konstrukciju.
Kod ovog tipa dizajna vodenog točka, točak se jednostavno postavlja direktno u brzu rijeku i podupire odozgo. Kretanje vode ispod stvara guranje na potopljene lopatice na donjem dijelu točka, omogućavajući mu da se okreće samo u jednom smjeru u odnosu na smjer toka vode.
Ovaj tip dizajna vodenog točka se obično koristi u ravnim područjima bez prirodnog nagiba terena ili tamo gdje je tok vode dovoljno brz. U poređenju s drugim dizajnima vodenih točkova, ovaj tip dizajna je vrlo neefikasan, jer se samo 20% potencijalne energije vode koristi za stvarno okretanje točka. Također, energija vode se koristi samo jednom za okretanje točka, nakon čega otiče s ostatkom vode.
Još jedan nedostatak vodenog točka s podtonskim tokovima je taj što zahtijeva velike količine vode koje se kreću velikom brzinom. Stoga se vodeni točkovi s podtonskim tokovima obično nalaze na obalama rijeka jer manji potoci ili rijeke nemaju dovoljno potencijalne energije u vodi koja se kreće.
Jedan od načina za blago poboljšanje efikasnosti vodenog točka s podtočkom je preusmjeravanje određenog procenta vode u rijeci duž uskog kanala ili duktusa tako da se 100% preusmjerene vode koristi za okretanje točka. Da bi se to postiglo, vodeni točak s podtočkom mora biti uzak i vrlo precizno pristajati unutar kanala kako bi se spriječilo oticanje vode oko stranica ili povećanjem broja ili veličine lopatica.

Dizajn vodenog kotača s predimenzioniranim djelovanjem
Dizajn vodenog točka s prednjim udarom je najčešći tip dizajna vodenog točka. Vodeni točak s prednjim udarom je složeniji u svojoj konstrukciji i dizajnu od prethodnog vodenog točka s prednjim udarom, jer koristi kante ili male odjeljke za hvatanje i zadržavanje vode.
Ove kante se pune vodom koja teče na vrhu točka. Gravitacijska težina vode u punim kantama uzrokuje rotaciju točka oko svoje centralne ose dok prazne kante s druge strane točka postaju lakše.
Ova vrsta vodenog točka koristi gravitaciju za poboljšanje izlazne snage, kao i same vode, stoga su vodeni točkovi s predbrzim protokom mnogo efikasniji od onih s podbrzim protokom, jer se gotovo sva voda i njena težina koriste za proizvodnju izlazne snage. Međutim, kao i prije, energija vode se koristi samo jednom za rotaciju točka, nakon čega otječe s ostatkom vode.
Vodeni kotači s preljevom vode vise iznad rijeke ili potoka i obično se grade na obroncima brda, osiguravajući dovod vode odozgo s niskim padom (vertikalna udaljenost između vode na vrhu i rijeke ili potoka ispod) između 5 i 20 metara. Može se izgraditi mala brana ili preljev i koristiti za usmjeravanje i povećanje brzine vode do vrha kotača, dajući mu više energije, ali volumen vode, a ne njena brzina, pomaže u okretanju kotača.

Generalno, vodeni kotači s preopterećenjem se grade što je moguće veći kako bi se osigurala najveća moguća udaljenost glave za gravitacijsku težinu vode za rotaciju kotača. Međutim, vodeni kotači velikog promjera su složeniji i skuplji za konstrukciju zbog težine kotača i vode.
Kada se pojedinačne kante napune vodom, gravitacijska težina vode uzrokuje rotaciju točka u smjeru toka vode. Kako se ugao rotacije približava dnu točka, voda unutar kante se prazni u rijeku ili potok ispod, ali težina kanti koje se okreću iza nje uzrokuje da točak nastavi svojom brzinom rotacije. Prazna kanta nastavlja kružiti oko rotirajućeg točka sve dok se ponovo ne vrati na vrh, spremna da se napuni s još vode, a ciklus se ponavlja. Jedan od nedostataka dizajna vodenog točka s prednaponom je taj što se voda koristi samo jednom dok teče preko točka.

Dizajn vodenog kotača Pitchback
Dizajn vodenog točka s nagibom je varijacija prethodnog vodenog točka s nagibom, jer također koristi gravitacijsku težinu vode za rotaciju točka, ali također koristi protok otpadne vode ispod njega za dodatni potisak. Ovaj tip dizajna vodenog točka koristi sistem dovoda s niskim pritiskom koji osigurava vodu blizu vrha točka iz prolaznog žlijeba iznad.
Za razliku od vodenog točka s previsokim protokom koji je usmjeravao vodu direktno preko točka, uzrokujući njegovo okretanje u smjeru toka vode, vodeni točak s nagibom dovodi vodu vertikalno prema dolje kroz lijevak i u kantu ispod, uzrokujući da se točak okreće u suprotnom smjeru od toka vode iznad.
Baš kao i kod prethodnog vodenog točka s preopterećenjem, gravitacijska težina vode u kantama uzrokuje rotaciju točka, ali u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Kako se ugao rotacije približava dnu točka, voda zarobljena unutar kanti se prazni ispod. Kako se prazna kanta pričvršćuje za točak, ona nastavlja da se okreće s točkom kao i prije sve dok se ponovo ne vrati na vrh, spremna da se napuni s još vode, a ciklus se ponavlja.
Razlika je ovaj put u tome što otpadna voda ispražnjena iz rotirajuće kante otiče u smjeru rotirajućeg točka (jer nema gdje drugdje otići), slično principu vodenog točka s podtočkom. Dakle, glavna prednost vodenog točka s nagibom je što koristi energiju vode dva puta, jednom odozgo i jednom odozdo, za rotaciju točka oko njegove središnje ose.
Rezultat je da se efikasnost dizajna vodenog točka znatno povećava na preko 80% energije vode, jer ga pokreću i gravitacijska težina dolazne vode i sila ili pritisak vode usmjerene u kante odozgo, kao i protok otpadne vode odozdo koji gura kante. Nedostatak vodenog točka s nagibom unatrag je što mu je potreban nešto složeniji aranžman za dovod vode direktno iznad točka s žljebovima i kanalima.

Dizajn vodenog kotača Breastshot
Dizajn vodenog točka s prsnim udarom je još jedan vertikalno postavljen dizajn vodenog točka gdje voda ulazi u kante otprilike na pola visine osovine, ili odmah iznad nje, a zatim ističe na dnu u smjeru rotacije kotača. Općenito, vodeni točak s prsnim udarom se koristi u situacijama kada je glava vode nedovoljna za pokretanje vodenog točka s prebrzim udarom ili udarom unatrag odozgo.
Nedostatak je što se gravitacijska težina vode koristi samo za otprilike jednu četvrtinu rotacije, za razliku od ranije, kada se koristila za polovinu rotacije. Da bi se prevazišla ova niska visina pritiska, lopate vodenih kotača se proširuju kako bi se iz vode izvukla potrebna količina potencijalne energije.
Vodeni kotači s prsnim udarom koriste približno istu gravitacijsku težinu vode za rotaciju kotača, ali budući da je visina vode oko polovine visine tipičnog vodenog kotača s prednjim udarom, kante su mnogo šire od prethodnih dizajna vodenih kotača kako bi se povećala zapremina vode uhvaćene u kantama. Nedostatak ove vrste dizajna je povećanje širine i težine vode koju nosi svaka kanta. Kao i kod dizajna s nagibom unazad, vodeni kotač s prsnim udarom koristi energiju vode dvostruko jer je vodeni kotač dizajniran da stoji u vodi, omogućavajući otpadnoj vodi da pomogne u rotaciji kotača dok otiče nizvodno.

Generiranje električne energije pomoću vodenog kotača
Vodeni kotači su se historijski koristili za mljevenje brašna, žitarica i druge slične mehaničke zadatke. Ali vodeni kotači se mogu koristiti i za proizvodnju električne energije, što se naziva hidroenergetski sistem. Spajanjem električnog generatora na rotirajuću osovinu vodenih kotača, direktno ili indirektno pomoću pogonskih remena i remenica, vodeni kotači se mogu koristiti za kontinuiranu proizvodnju energije 24 sata dnevno, za razliku od solarne energije. Ako je vodeni kotač pravilno dizajniran, mali ili "mikro" hidroelektrični sistem može proizvesti dovoljno električne energije za napajanje rasvjete i/ili električnih uređaja u prosječnom domu.
Potražite generatore s vodenim kotačima koji su dizajnirani za optimalnu proizvodnju pri relativno niskim brzinama. Za male projekte, mali istosmjerni motor može se koristiti kao generator niske brzine ili automobilski alternator, ali oni su dizajnirani za rad pri mnogo većim brzinama, tako da može biti potreban neki oblik zupčanika. Generator s vjetroturbinom je idealan generator s vodenim kotačima jer je dizajniran za rad pri maloj brzini i visokoj snazi.
Ako se u blizini vaše kuće ili vrta nalazi rijeka ili potok s prilično brzim tokom koji možete koristiti, onda bi mali hidroelektrani mogli biti bolja alternativa drugim oblicima obnovljivih izvora energije kao što su "energija vjetra" ili "solarna energija", jer imaju mnogo manji vizualni utjecaj. Također, baš kao i kod energije vjetra i sunca, s malim sistemom za proizvodnju energije s vodenim točkom povezanim na mrežu, spojenim na lokalnu komunalnu mrežu, sva električna energija koju generirate, ali ne koristite, može se prodati natrag elektroenergetskoj kompaniji.
U sljedećem tutorijalu o hidroenergiji, pogledat ćemo različite vrste dostupnih turbina koje bismo mogli pričvrstiti na naš dizajn vodenih kotača za proizvodnju hidroenergije. Za više informacija o dizajnu vodenih kotača i kako generirati vlastitu električnu energiju koristeći snagu vode, ili za dobijanje više informacija o hidroenergiji o različitim dostupnim dizajnima vodenih kotača, ili za istraživanje prednosti i nedostataka hidroenergije, kliknite ovdje da biste danas naručili svoj primjerak od Amazona o principima i konstrukciji vodenih kotača koji se mogu koristiti za proizvodnju električne energije.