Návrh vodního kola pro vodní energii
ikona vodní energieVodní energie je technologie, která přeměňuje kinetickou energii pohybující se vody na mechanickou nebo elektrickou energii a jedním z prvních zařízení používaných k přeměně energie pohybující se vody na využitelnou práci byl design vodního kola.
Konstrukce vodních kol se v průběhu času vyvíjela, přičemž některá byla orientována svisle, jiná vodorovně a některá s propracovanými kladkami a ozubenými koly, ale všechna jsou navržena tak, aby plnila stejnou funkci, a to „přeměňovat lineární pohyb tekoucí vody na rotační pohyb, který lze použít k pohonu jakéhokoli stroje, který je k ní připojen prostřednictvím rotující hřídele“.
Typický design vodního kola
Rané konstrukce vodních kol byly poměrně primitivní a jednoduché stroje sestávající ze svislého dřevěného kola s dřevěnými lopatkami nebo kbelíky upevněnými rovnoměrně po jejich obvodu, všechny podepřené na vodorovné hřídeli, přičemž síla vody tekoucí pod ní tlačila kolo v tangenciálním směru proti lopatkám.
Tato vertikální vodní kola byla mnohem lepší než dřívější horizontální konstrukce vodních kol starých Řeků a Egypťanů, protože dokázala efektivněji převádět hybnost proudící vody na energii. K vodnímu kolu byly poté připevněny kladky a ozubená kola, které umožňovaly změnu směru otáčení hřídele z horizontálního na vertikální, a to pro ovládání mlýnských kamenů, řezání dřeva, drcení rudy, ražení a řezání atd.
Typy konstrukce vodních kol
Většina vodních kol, známých také jako vodní mlýny nebo jednoduše vodní kola, jsou svisle uložená kola otáčející se kolem vodorovné osy. Tyto typy vodních kol se klasifikují podle způsobu, jakým je voda přiváděna na kolo, vzhledem k ose kola. Jak se dá očekávat, vodní kola jsou relativně velké stroje, které se otáčejí nízkými úhlovými rychlostmi a mají nízkou účinnost v důsledku ztrát třením a neúplného naplnění korečků atd.
Působení vody tlačící na lopatky nebo lopatky kol vyvíjí točivý moment na nápravě, ale nasměrováním vody na tyto lopatky a lopatky z různých míst na kole lze zlepšit rychlost otáčení a jeho účinnost. Dva nejběžnější typy konstrukce vodního kola jsou „podkusové vodní kolo“ a „překusové vodní kolo“.
Návrh vodního kola s podstřelem
Konstrukce vodního kola s podhozem, známá také jako „proudové kolo“, byla nejčastěji používaným typem vodního kola navrženého starými Řeky a Římany, protože se jedná o nejjednodušší, nejlevnější a nejsnadnější typ kola ke konstrukci.
U tohoto typu konstrukce vodního kola je kolo jednoduše umístěno přímo do rychle tekoucí řeky a je podepřeno shora. Pohyb vody pod ním vytváří tlak na ponořené lopatky na spodní části kola, což mu umožňuje otáčet se pouze v jednom směru vzhledem ke směru proudění vody.
Tento typ konstrukce vodního kola se obvykle používá v rovinatých oblastech bez přirozeného sklonu terénu nebo tam, kde je tok vody dostatečně rychlý. Ve srovnání s jinými konstrukcemi vodních kol je tento typ konstrukce velmi neefektivní, protože k otáčení kola se využívá pouze 20 % potenciální energie vody. Energie vody se také k otáčení kola použije pouze jednou, po kterém odteče se zbytkem vody.
Další nevýhodou podtlakového vodního kola je, že vyžaduje velké množství vody pohybující se rychlostí. Proto se podtlaková vodní kola obvykle umisťují na březích řek, protože menší potoky nebo říčky nemají v tekoucí vodě dostatek potenciální energie.
Jedním ze způsobů, jak mírně zlepšit účinnost podtlakového vodního kola, je odvést určité procento vody v řece úzkým kanálem nebo potrubím tak, aby se 100 % odvedené vody využilo k otáčení kola. Aby se toho dosáhlo, musí být podtlakové kolo úzké a velmi přesně zapadající do kanálu, aby se zabránilo úniku vody po stranách, nebo se musí zvětšit buď počet, nebo velikost lopatek.
Návrh vodního kola s přestřelkou
Konstrukce vodního kola s předhozem je nejběžnějším typem konstrukce vodního kola. Předhozené vodní kolo má složitější konstrukci a design než předchozí podhozené vodní kolo, protože používá kbelíky nebo malé přihrádky k zachycení i zadržení vody.
Tyto kbelíky se plní vodou, která proudí v horní části kola. Gravitační hmotnost vody v plných kbelících způsobuje, že se kolo otáčí kolem své středové osy, zatímco prázdné kbelíky na druhé straně kola se stávají lehčími.
Tento typ vodního kola využívá gravitaci ke zlepšení výkonu i samotné vody, takže předtočená vodní kola jsou mnohem účinnější než kola s podtočením, protože téměř veškerá voda a její hmotnost se využívají k výrobě výstupního výkonu. Stejně jako dříve se však energie vody použije pouze jednou k otáčení kola, po kterém odteče se zbytkem vody.
Vodní kola s přepouštěcím proudem jsou zavěšena nad řekou nebo potokem a obvykle se staví na svazích kopců, kde zajišťují přívod vody shora s nízkým spádem (vertikální vzdálenost mezi vodou nahoře a řekou nebo potokem dole) mezi 5 a 20 metry. Lze postavit malou přehradu nebo jez, který se použije jak k nasměrování, tak ke zvýšení rychlosti vody k vrcholu kola, což mu dodává více energie, ale je to spíše objem vody než její rychlost, co pomáhá otáčet kolo.
Vodní kola s přetočením se obvykle staví co největší, aby se zajistila co největší vzdálenost hlavy pro otáčení kola gravitační hmotností vody. Vodní kola s velkým průměrem jsou však kvůli hmotnosti kola a vody složitější a dražší na konstrukci.
Když se jednotlivé vědra naplní vodou, gravitační hmotnost vody způsobí, že se kolo otáčí ve směru proudění vody. Jak se úhel natočení blíží ke spodní části kola, voda uvnitř vědra se vylévá do řeky nebo potoka pod ním, ale hmotnost věder otáčejících se za ním způsobí, že kolo pokračuje ve své rotační rychlosti. Prázdné vědro pokračuje v otáčení kolem rotujícího kola, dokud se znovu nedostane nahoru, kde je připraveno k naplnění další vodou, a cyklus se opakuje. Jednou z nevýhod konstrukce vodního kola s přeplněným vodním kolem je, že voda se použije pouze jednou, když protéká přes kolo.
Návrh vodního kola Pitchback
Konstrukce vodního kola s rotačním pohybem je variantou předchozího vodního kola s přetočením, protože k otáčení kola využívá gravitační hmotnost vody, ale také tok odpadní vody pod ním k dodatečnému tlaku. Tento typ konstrukce vodního kola využívá systém s nízkým přívodem vody, který dodává vodu blízko vrcholu kola z horního žlabu.
Na rozdíl od předhozeného vodního kola, které vedlo vodu přímo přes kolo a způsobovalo jeho otáčení ve směru proudění vody, zpětné vodní kolo přivádí vodu svisle dolů trychtýřem do kbelíku pod ním, což způsobuje, že se kolo otáčí v opačném směru, než je směr proudění vody nahoře.
Stejně jako u předchozího přetočeného vodního kola, gravitační hmotnost vody v korečcích způsobuje, že se kolo otáčí, ale proti směru hodinových ručiček. Jak se úhel natočení blíží ke spodní části kola, voda zachycená uvnitř korečků se vyprázdní dolů. Jakmile je prázdný kbelík připevněn ke kolu, pokračuje v otáčení s kolem jako předtím, dokud se znovu nedostane nahoru, připraven k naplnění další vodou, a cyklus se opakuje.
Rozdíl je tentokrát v tom, že odpadní voda vypouštěná z rotujícího kbelíku odtéká ve směru rotujícího kola (protože nemá kam jinam jít), podobně jako u principu vodního kola s podhozem. Hlavní výhodou vodního kola s podhozem je tedy to, že využívá energii vody dvakrát, jednou shora a jednou zdola, k otáčení kola kolem jeho středové osy.
Výsledkem je, že účinnost konstrukce vodního kola se výrazně zvyšuje na více než 80 % energie vody, protože je poháněno jak gravitační hmotností přitékající vody, tak silou nebo tlakem vody směřující do korečků shora, stejně jako tokem odpadní vody zespodu, která tlačí na korečky. Nevýhodou vodního kola s nakloněním zpětného toku je však to, že vyžaduje poněkud složitější uspořádání přívodu vody přímo nad kolem se žlaby a průchody.
Návrh vodního kola Breastshot
Vodní kolo typu „breastshot“ je další vertikálně montované vodní kolo, u kterého voda vstupuje do kbelíků přibližně v polovině výšky nápravy nebo těsně nad ní a poté vytéká dole ve směru otáčení kol. Vodní kolo typu „breastshot“ se obecně používá v situacích, kdy sloupec vody nestačí k pohonu převrhnutého nebo zpětného vodního kola shora.
Nevýhodou je, že gravitační hmotnost vody se využívá pouze po dobu přibližně jedné čtvrtiny otáček, na rozdíl od dříve, kdy to bylo po dobu poloviny otáček. Aby se překonala tato nízká výška spádu, jsou kohoutky vodních kol zvětšeny, aby se z vody získalo potřebné množství potenciální energie.
Vodní kola s výfukem využívají k otáčení kola přibližně stejnou gravitační hmotnost vody, ale protože výška hladiny vody je zhruba poloviční oproti typickému vodnímu kolu s přetočením, jsou košíky mnohem širší než u předchozích konstrukcí vodních kol, aby se zvýšil objem vody zachycené v koších. Nevýhodou tohoto typu konstrukce je zvětšení šířky a hmotnosti vody nesené každou košíkem. Stejně jako u konstrukce s výfukem zpětného toku využívá kolo s výfukem energii vody dvakrát, protože vodní kolo je navrženo tak, aby sedělo ve vodě, což umožňuje odpadní vodě pomáhat s otáčením kola, když odtéká po proudu.
Výroba elektřiny pomocí vodního kola
Vodní kola se historicky používala k mletí mouky, obilovin a dalším podobným mechanickým úkonům. Vodní kola však lze také použít k výrobě elektřiny, což se nazývá vodní energetický systém. Připojením elektrického generátoru k rotující hřídeli vodních kol, ať už přímo nebo nepřímo pomocí hnacích řemenů a kladek, lze vodní kola na rozdíl od solární energie používat k nepřetržité výrobě energie 24 hodin denně. Pokud je vodní kolo správně navrženo, může malý nebo „mikro“ vodní systém vyrobit dostatek elektřiny k napájení osvětlení a/nebo elektrických spotřebičů v průměrné domácnosti.
Hledejte generátory s vodním kolem, které jsou navrženy tak, aby dosahovaly optimálního výkonu při relativně nízkých otáčkách. Pro malé projekty lze jako nízkorychlostní generátor použít malý stejnosměrný motor nebo automobilový alternátor, ale ty jsou navrženy pro provoz při mnohem vyšších otáčkách, takže může být vyžadován nějaký druh převodu. Generátor s větrnou turbínou je ideálním generátorem s vodním kolem, protože je navržen pro provoz s nízkou rychlostí a vysokým výkonem.
Pokud se v blízkosti vašeho domu nebo zahrady nachází poměrně rychle tekoucí řeka nebo potok, který můžete využít, pak může být menší vodní elektrárna lepší alternativou k jiným formám obnovitelných zdrojů energie, jako je „větrná energie“ nebo „solární energie“, protože má mnohem menší vizuální dopad. Stejně jako u větrné a solární energie, i s malým vodním kolem připojeným k rozvodné síti, které je navrženo jako systém výroby energie, a připojeno k místní rozvodné síti, lze veškerou elektřinu, kterou vyrobíte, ale nespotřebujete, prodat zpět energetické společnosti.
V dalším tutoriálu o vodní energii se podíváme na různé typy dostupných turbín, které bychom mohli připojit k našemu vodnímu kolu pro výrobu vodní energie. Chcete-li získat více informací o konstrukci vodních kol a o tom, jak si vyrábět vlastní elektřinu pomocí síly vody, nebo získat další informace o vodní energii o různých dostupných konstrukcích vodních kol, nebo se seznámit s výhodami a nevýhodami vodní energie, klikněte sem a objednejte si ještě dnes na Amazonu svou kopii o principech a konstrukci vodních kol, která lze použít k výrobě elektřiny.
Čas zveřejnění: 25. června 2021
