Disseny de roda hidràulica per a un projecte hidroelèctric

Disseny de rodes hidràuliques per a energia hidroelèctrica
icona d'energia hidroelèctricaL'energia hidroelèctrica és una tecnologia que converteix l'energia cinètica de l'aigua en moviment en energia mecànica o elèctrica, i un dels primers dispositius utilitzats per convertir l'energia de l'aigua en moviment en treball utilitzable va ser el disseny de la roda hidràulica.
El disseny de les rodes hidràuliques ha evolucionat amb el temps, amb algunes rodes hidràuliques orientades verticalment, d'altres horitzontalment i d'altres amb politges i engranatges elaborats, però totes estan dissenyades per fer la mateixa funció, i és a dir, "convertir el moviment lineal de l'aigua en moviment en un moviment rotatiu que es pot utilitzar per impulsar qualsevol peça de maquinària connectada a ella mitjançant un eix giratori".

Disseny típic de roda hidràulica
Els primers dissenys de les rodes hidràuliques eren màquines força primitives i simples que consistien en una roda vertical de fusta amb pales o galledes de fusta fixades igualment al voltant de la seva circumferència, totes suportades sobre un eix horitzontal, amb la força de l'aigua que fluïa per sota empenyent la roda en direcció tangencial contra les pales.
Aquestes rodes hidràuliques verticals eren molt superiors al disseny anterior de rodes hidràuliques horitzontals dels antics grecs i egipcis, perquè podien funcionar de manera més eficient, traduint l'impuls de l'aigua en moviment en energia. Aleshores, es connectaven politges i engranatges a la roda hidràulica, cosa que permetia canviar la direcció d'un eix giratori d'horitzontal a vertical per fer funcionar moles, serrar fusta, triturar mineral, estampar i tallar, etc.

Tipus de disseny de rodes hidràuliques
La majoria de les rodes hidràuliques, també conegudes com a molins d'aigua o simplement rodes hidràuliques, són rodes muntades verticalment que giren al voltant d'un eix horitzontal, i aquests tipus de rodes hidràuliques es classifiquen per la manera com s'aplica l'aigua a la roda, en relació amb l'eix de la roda. Com és d'esperar, les rodes hidràuliques són màquines relativament grans que giren a velocitats angulars baixes i tenen una baixa eficiència, a causa de les pèrdues per fricció i l'ompliment incomplet de les galledes, etc.
L'acció de l'aigua que empeny contra les rodes, les galledes o les pales, desenvolupa un parell motor sobre l'eix, però dirigint l'aigua cap a aquestes pales i galledes des de diferents posicions de la roda, es pot millorar la velocitat de rotació i la seva eficiència. Els dos tipus més comuns de disseny de rodes hidràuliques són la "roda hidràulica per sota" i la "roda hidràulica per sobre".

Disseny de roda hidràulica Undershot
El disseny de la roda hidràulica Undershot, també conegut com a "roda de rierol", va ser el tipus de roda hidràulica més utilitzat dissenyada pels antics grecs i romans, ja que és el tipus de roda més simple, barata i fàcil de construir.
En aquest tipus de disseny de roda hidràulica, la roda es col·loca directament en un riu que flueix ràpidament i es sosté des de dalt. El moviment de l'aigua a sota crea una acció d'empenta contra les pales submergides a la part inferior de la roda, cosa que li permet girar en una sola direcció respecte a la direcció del flux de l'aigua.
Aquest tipus de disseny de roda hidràulica s'utilitza generalment en zones planes sense pendent natural del terreny o on el flux d'aigua es mou prou ràpid. En comparació amb els altres dissenys de roda hidràulica, aquest tipus de disseny és molt ineficient, ja que només s'utilitza un 20% de l'energia potencial de l'aigua per fer girar la roda. A més, l'energia de l'aigua només s'utilitza una vegada per fer girar la roda, després de la qual cosa flueix amb la resta de l'aigua.
Un altre desavantatge de la roda hidràulica per sota del nivell del riu és que requereix grans quantitats d'aigua que es moguin a gran velocitat. Per tant, les rodes hidràuliques per sota del riu solen estar situades a la vora dels rius, ja que els rierols o rierols més petits no tenen prou energia potencial en l'aigua en moviment.
Una manera de millorar lleugerament l'eficiència d'una roda hidràulica de baixa pressió és desviar un percentatge de l'aigua del riu al llarg d'un canal o conducte estret, de manera que el 100% de l'aigua desviada s'utilitzi per fer girar la roda. Per aconseguir-ho, la roda de baixa pressió ha de ser estreta i encaixar amb molta precisió dins del canal per evitar que l'aigua s'escapi pels costats o augmentant el nombre o la mida de les pales.

Disseny de roda hidràulica sobrepassat
El disseny de roda hidràulica sobreeixida és el tipus més comú de disseny de roda hidràulica. La roda hidràulica sobreeixida és més complicada en la seva construcció i disseny que la roda hidràulica sobreeixida anterior, ja que utilitza galledes o compartiments petits per recollir i retenir l'aigua.
Aquestes galledes s'omplen d'aigua que flueix per la part superior de la roda. El pes gravitacional de l'aigua de les galledes plenes fa que la roda giri al voltant del seu eix central a mesura que les galledes buides de l'altre costat de la roda es tornen més lleugeres.
Aquest tipus de roda hidràulica utilitza la gravetat per millorar el rendiment, així com l'aigua en si, per tant, les rodes hidràuliques de desbordament són molt més eficients que els dissenys de desbordament inferior, ja que gairebé tota l'aigua i el seu pes s'utilitzen per produir energia de sortida. Tanmateix, com abans, l'energia de l'aigua només s'utilitza una vegada per fer girar la roda, després de la qual cosa flueix amb la resta de l'aigua.
Les rodes hidràuliques de desnivell superior es suspenen per sobre d'un riu o rierol i generalment es construeixen als vessants dels turons proporcionant un subministrament d'aigua des de dalt amb una baixa altura (la distància vertical entre l'aigua a la part superior i el riu o rierol de sota) d'entre 5 i 20 metres. Es pot construir i utilitzar una petita presa o resclosa per canalitzar i augmentar la velocitat de l'aigua fins a la part superior de la roda, donant-li més energia, però és el volum d'aigua, més que no pas la seva velocitat, el que ajuda a girar la roda.

Generalment, les rodes hidràuliques de gran diàmetre es construeixen tan grans com sigui possible per donar la major distància de càrrega possible perquè el pes gravitatori de l'aigua faci girar la roda. Tanmateix, les rodes hidràuliques de gran diàmetre són més complicades i cares de construir a causa del pes de la roda i de l'aigua.
Quan les galledes individuals s'omplen d'aigua, el pes gravitatori de l'aigua fa que la roda giri en la direcció del flux d'aigua. A mesura que l'angle de rotació s'acosta a la part inferior de la roda, l'aigua de l'interior de la galleda es buida al riu o rierol que hi ha a sota, però el pes de les galledes que giren darrere fa que la roda continuï amb la seva velocitat de rotació. La galleda buida continua al voltant de la roda giratòria fins que torna a pujar a la part superior llesta per omplir-se amb més aigua i el cicle es repeteix. Un dels desavantatges d'un disseny de roda hidràulica desbordada és que l'aigua només s'utilitza una vegada mentre flueix per sobre de la roda.

El disseny de la roda hidràulica Pitchback
El disseny de roda hidràulica Pitchback és una variació de la roda hidràulica overshot anterior, ja que també utilitza el pes gravitacional de l'aigua per ajudar a girar la roda, però també utilitza el flux d'aigua residual que hi ha a sota per donar un impuls addicional. Aquest tipus de disseny de roda hidràulica utilitza un sistema d'alimentació de baixa pressió que proporciona l'aigua a prop de la part superior de la roda des d'un pentrough superior.
A diferència de la roda hidràulica de sobreeiximent, que canalitzava l'aigua directament sobre la roda fent que giri en la direcció del flux de l'aigua, la roda hidràulica de retrocés alimenta l'aigua verticalment cap avall a través d'un embut i cap a la galleda que hi ha a sota, fent que la roda giri en la direcció oposada al flux de l'aigua que hi ha a sobre.
Igual que amb la roda hidràulica anterior, el pes gravitacional de l'aigua de les galledes fa que la roda giri, però en sentit antihorari. A mesura que l'angle de rotació s'acosta a la part inferior de la roda, l'aigua atrapada dins de les galledes es buida cap avall. A mesura que la galleda buida s'acobla a la roda, continua girant amb la roda com abans fins que torna a pujar a la part superior llesta per omplir-se amb més aigua i el cicle es repeteix.
La diferència aquesta vegada és que l'aigua residual buidada de la galleda giratòria flueix en la direcció de la roda giratòria (ja que no té cap altre lloc on anar), de manera similar al principi de la roda hidràulica de desviació inferior. Així, el principal avantatge de la roda hidràulica de retrocés és que utilitza l'energia de l'aigua dues vegades, una des de dalt i una altra des de baix per girar la roda al voltant del seu eix central.
El resultat és que l'eficiència del disseny de la roda hidràulica augmenta considerablement fins a més del 80% de l'energia de l'aigua, ja que és impulsada tant pel pes gravitacional de l'aigua entrant com per la força o la pressió de l'aigua dirigida a les galledes des de dalt, així com pel flux d'aigües residuals que hi ha a sota i que empeny contra les galledes. El desavantatge, però, d'una roda hidràulica amb reductor inclinat és que necessita un dispositiu de subministrament d'aigua una mica més complex directament a sobre de la roda amb canals i canals de desguàs.

El disseny de la roda hidràulica de Breastshot
El disseny de roda hidràulica de pit és un altre disseny de roda hidràulica muntada verticalment on l'aigua entra a les galledes aproximadament a la meitat de l'alçada de l'eix, o just per sobre, i després flueix per la part inferior en la direcció de la rotació de les rodes. Generalment, la roda hidràulica de pit s'utilitza en situacions en què la alçada d'aigua és insuficient per impulsar un disseny de roda hidràulica de pitchback o overthrough des de dalt.
El desavantatge aquí és que el pes gravitatori de l'aigua només s'utilitza durant aproximadament una quarta part de la rotació, a diferència d'abans, que es feia servir durant la meitat de la rotació. Per superar aquesta baixa alçada del cap, les galledes de les rodes hidràuliques s'eixamplen per extreure la quantitat d'energia potencial necessària de l'aigua.
Les rodes hidràuliques de pit utilitzen aproximadament el mateix pes gravitacional de l'aigua per fer girar la roda, però com que l'alçada de l'aigua és aproximadament la meitat que la d'una roda hidràulica de pit overdown típica, les galledes són molt més amples que els dissenys anteriors de rodes hidràuliques per augmentar el volum d'aigua que hi cap. El desavantatge d'aquest tipus de disseny és un augment de l'amplada i el pes de l'aigua que transporta cada galleda. Igual que amb el disseny de pitchback, la roda de pit throw utilitza l'energia de l'aigua dues vegades, ja que la roda hidràulica està dissenyada per reposar a l'aigua, permetent que l'aigua residual ajudi a la rotació de la roda a mesura que flueix riu avall.

Generar electricitat amb una roda hidràulica
Històricament, les rodes hidràuliques s'han utilitzat per moldre farina, cereals i altres tasques mecàniques similars. Però les rodes hidràuliques també es poden utilitzar per a la generació d'electricitat, anomenada sistema d'energia hidroelèctrica. En connectar un generador elèctric a l'eix giratori de les rodes hidràuliques, ja sigui directament o indirectament mitjançant corretges i politges d'accionament, les rodes hidràuliques es poden utilitzar per generar energia contínuament les 24 hores del dia, a diferència de l'energia solar. Si la roda hidràulica està dissenyada correctament, un sistema hidroelèctric petit o "micro" pot produir prou electricitat per alimentar la il·luminació i/o els electrodomèstics d'una llar mitjana.
Busqueu generadors de roda hidràulica dissenyats per produir la seva sortida òptima a velocitats relativament baixes. Per a projectes petits, es pot utilitzar un petit motor de corrent continu com a generador de baixa velocitat o alternador d'automòbil, però aquests estan dissenyats per funcionar a velocitats molt més altes, de manera que pot ser necessari algun tipus d'engranatge. Un generador de turbina eòlica és un generador de roda hidràulica ideal, ja que està dissenyat per a un funcionament a baixa velocitat i alta sortida.
Si hi ha un riu o torrent que flueixi força ràpid a prop de casa vostra o del vostre jardí que pugueu utilitzar, un sistema d'energia hidroelèctrica a petita escala pot ser una millor alternativa a altres formes de fonts d'energia renovables com ara l'"energia eòlica" o l'"energia solar", ja que té un impacte visual molt menor. A més, igual que l'energia eòlica i solar, amb un sistema de generació dissenyat per una roda hidràulica a petita escala connectat a la xarxa elèctrica i connectat a la xarxa elèctrica local, qualsevol electricitat que genereu però no utilitzeu es pot vendre a la companyia elèctrica.
En el següent tutorial sobre energia hidroelèctrica, analitzarem els diferents tipus de turbines disponibles que podríem connectar al nostre disseny de roda hidràulica per a la generació d'energia hidroelèctrica. Per obtenir més informació sobre el disseny de rodes hidràuliques i com generar la vostra pròpia electricitat utilitzant l'energia de l'aigua, o obtenir més informació sobre energia hidroelèctrica sobre els diversos dissenys de rodes hidràuliques disponibles, o per explorar els avantatges i els desavantatges de l'energia hidroelèctrica, feu clic aquí per demanar la vostra còpia a Amazon avui mateix sobre els principis i la construcció de les rodes hidràuliques que es poden utilitzar per generar electricitat.