Vandhjulsdesign til vandkraft
Vandkraft er en teknologi, der omdanner den kinetiske energi fra bevægelse af vand til mekanisk eller elektrisk energi, og en af de tidligste anordninger, der blev brugt til at omdanne energien fra bevægelse af vand til brugbart arbejde, var vandhjulsdesignet.
Designet af vandhjul har udviklet sig over tid, hvor nogle vandhjul er orienteret lodret, nogle vandret og nogle med detaljerede remskiver og tandhjul monteret, men de er alle designet til at udføre den samme funktion, og det vil sige at "konvertere den lineære bevægelse af det strømmende vand til en roterende bevægelse, der kan bruges til at drive ethvert maskineri, der er forbundet til det via en roterende aksel".
Typisk vandhjulsdesign
Tidlige vandhjulsdesign var ret primitive og enkle maskiner bestående af et lodret træhjul med træblade eller spande, der var fastgjort ligeligt rundt om deres omkreds, alle understøttet på en vandret aksel, hvor kraften fra vandet, der strømmer under det, skubbede hjulet i en tangential retning mod bladene.
Disse vertikale vandhjul var langt bedre end de tidligere horisontale vandhjulsdesigns fra de gamle grækere og egyptere, fordi de kunne fungere mere effektivt og omsætte det strømmende vands momentum til kraft. Remskiver og gear blev derefter fastgjort til vandhjulet, hvilket tillod en ændring af retningen af en roterende aksel fra vandret til lodret for at betjene møllesten, save træ, knuse malm, stempling og skæring osv.
Typer af vandhjulsdesign
De fleste vandhjul, også kendt som vandmøller eller blot vandhjul, er lodret monterede hjul, der roterer om en vandret aksel, og disse typer vandhjul klassificeres efter den måde, vandet tilføres hjulet på, i forhold til hjulets aksel. Som man kan forvente, er vandhjul relativt store maskiner, der roterer ved lave vinkelhastigheder og har en lav effektivitet på grund af tab ved friktion og ufuldstændig fyldning af spandene osv.
Vandets virkning, der skubber mod hjulenes spande eller padler, udvikler et drejningsmoment på akslen, men ved at rette vandet mod disse padler og spande fra forskellige positioner på hjulet kan rotationshastigheden og dens effektivitet forbedres. De to mest almindelige typer vandhjulsdesign er "undershot-vandhjulet" og "overshot-vandhjulet".
Undershot vandhjulsdesign
Undershot-vandhjulsdesignet, også kendt som et "strømhjul", var den mest almindeligt anvendte type vandhjul designet af de gamle grækere og romere, da det er den enkleste, billigste og nemmeste type hjul at konstruere.
I denne type vandhjulsdesign placeres hjulet simpelthen direkte i en hurtigtstrømmende flod og understøttes ovenfra. Vandets bevægelse nedenunder skaber en skubvirkning mod de neddykkede padler på den nederste del af hjulet, hvilket gør det muligt for det at rotere i kun én retning i forhold til vandets strømningsretning.
Denne type vandhjulsdesign bruges generelt i flade områder uden naturlig hældning, eller hvor vandstrømmen er tilstrækkelig hurtig. Sammenlignet med andre vandhjulsdesign er denne type design meget ineffektiv, da så lidt som 20% af vandets potentielle energi bruges til rent faktisk at rotere hjulet. Vandets energi bruges også kun én gang til at rotere hjulet, hvorefter den strømmer væk med resten af vandet.
En anden ulempe ved underbidsvandhjulet er, at det kræver store mængder vand, der bevæger sig med hastighed. Derfor er underbidsvandhjul normalt placeret ved bredder af floder, da mindre vandløb eller bække ikke har tilstrækkelig potentiel energi i det strømmende vand.
En måde at forbedre effektiviteten af et underbidsvandhjul en smule på er at omdirigere en procentdel af vandet i floden langs en smal kanal eller kanal, så 100% af det omdirigerede vand bruges til at rotere hjulet. For at opnå dette skal underbidsvandhjulet være smalt og passe meget præcist i kanalen for at forhindre vandet i at slippe ud langs siderne, eller ved at øge enten antallet eller størrelsen af padlerne.
Overshot vandhjulsdesign
Overshot-vandhjulsdesignet er den mest almindelige type vandhjulsdesign. Overshot-vandhjulet er mere kompliceret i sin konstruktion og design end det tidligere undershot-vandhjul, da det bruger spande eller små rum til både at fange og holde vandet.
Disse spande fyldes med vand, der strømmer ind i toppen af hjulet. Vandets tyngdekraft i de fulde spande får hjulet til at rotere om sin centrale akse, efterhånden som de tomme spande på den anden side af hjulet bliver lettere.
Denne type vandhjul bruger tyngdekraften til at forbedre outputtet såvel som vandet selv, og derfor er overskudsvandhjul meget mere effektive end underskudsvandhjul, da næsten alt vandet og dets vægt bruges til at producere outputeffekt. Men som før bruges vandets energi kun én gang til at rotere hjulet, hvorefter det strømmer væk med resten af vandet.
Overløbsvandhjul hænger over en flod eller å og er generelt bygget på siderne af bakker, hvor de leverer vand ovenfra med en lav vandsøjle (den lodrette afstand mellem vandet øverst og floden eller åen nedenfor) på mellem 5 og 20 meter. En lille dæmning eller et overløb kan konstrueres og bruges til både at kanalisere og øge vandets hastighed til toppen af hjulet, hvilket giver det mere energi, men det er vandmængden snarere end dets hastighed, der hjælper med at rotere hjulet.
Generelt er overskudsvandhjul bygget så store som muligt for at give den størst mulige højdeforskel, så vandet kan rotere hjulet ved hjælp af tyngdekraften. Vandhjul med stor diameter er dog mere komplicerede og dyre at konstruere på grund af hjulets og vandets vægt.
Når de enkelte spande fyldes med vand, får vandets tyngdekraft hjulet til at rotere i vandstrømmens retning. Når rotationsvinklen nærmer sig hjulets bund, tømmes vandet inde i spanden ud i floden eller åen nedenfor, men vægten af de spande, der roterer bagved, får hjulet til at fortsætte sin rotationshastighed. Den tomme spand fortsætter rundt om det roterende hjul, indtil den kommer op til toppen igen, klar til at blive fyldt med mere vand, og cyklussen gentager sig. En af ulemperne ved et overskudsvandhjulsdesign er, at vandet kun bruges én gang, når det strømmer hen over hjulet.
Pitchback-vandhjulsdesignet
Pitchback-vandhjulsdesignet er en variation af det tidligere overskudsvandhjul, da det også bruger vandets tyngdekraft til at hjælpe med at rotere hjulet, men det bruger også strømmen af spildevand nedenunder til at give et ekstra skub. Denne type vandhjulsdesign bruger et lavtrykstilførselssystem, der forsyner vandet nær toppen af hjulet fra en gennemstrømning ovenover.
I modsætning til overslagsvandhjulet, der kanaliserede vandet direkte hen over hjulet og fik det til at rotere i vandets strømningsretning, fører pitchback-vandhjulet vandet lodret nedad gennem en tragt og ned i spanden nedenunder, hvilket får hjulet til at rotere i den modsatte retning af vandstrømmen ovenfor.
Ligesom det forrige overløbsvandhjul får tyngdekraften fra vandet i spandene hjulet til at rotere, men mod uret. Når rotationsvinklen nærmer sig hjulets bund, tømmes vandet, der er fanget inde i spandene, ud forneden. Når den tomme spand fastgøres til hjulet, fortsætter den med at rotere med hjulet som før, indtil den kommer tilbage til toppen og er klar til at blive fyldt med mere vand, og cyklussen gentages.
Forskellen denne gang er, at spildevandet, der tømmes ud af den roterende spand, strømmer væk i retning af det roterende hjul (da det ikke har andre steder at gå hen), svarende til princippet med underbidsvandhjulet. Den største fordel ved pitchback-vandhjulet er således, at det bruger vandets energi to gange, én gang ovenfra og én gang nedefra, til at rotere hjulet omkring sin centrale akse.
Resultatet er, at vandhjulets effektivitet øges kraftigt til over 80 % af vandets energi, da det drives af både tyngdekraften fra det indkommende vand og af kraften eller trykket fra vand, der rettes ind i spandene ovenfra, samt strømmen af spildevand nedenunder, der presser mod spandene. Ulempen ved et vandhjul med pitchback er dog, at det kræver et lidt mere komplekst vandforsyningsarrangement direkte over hjulet med render og gennemløb.
Breastshot vandhjulsdesignet
Breastshot-vandhjulsdesignet er et andet vertikalt monteret vandhjulsdesign, hvor vandet kommer ind i spandene cirka halvvejs oppe ved akselhøjde eller lige over den og derefter strømmer ud i bunden i hjulenes rotationsretning. Generelt bruges breastshot-vandhjulet i situationer, hvor vandsøjlen er utilstrækkelig til at drive et overshot- eller pitchback-vandhjulsdesign ovenfra.
Ulempen her er, at vandets tyngdekraft kun bruges i omkring en fjerdedel af rotationen i modsætning til tidligere, hvor det var i halvdelen af rotationen. For at overkomme denne lave hovedhøjde er vandhjulenes spande gjort bredere for at udvinde den nødvendige mængde potentiel energi fra vandet.
Brystskudsvandhjul bruger omtrent den samme tyngdekraft som vandet til at rotere hjulet, men da vandets hovedhøjde er omkring halvdelen af et typisk overskudsvandhjul, er spandene meget bredere end tidligere vandhjulsdesign for at øge mængden af vand, der fanges i spandene. Ulempen ved denne type design er en forøgelse af bredden og vægten af det vand, der bæres af hver spand. Ligesom med pitchback-designet bruger brystskudshjulet vandets energi dobbelt så meget, som vandhjulet er designet til at sidde i vandet, hvilket giver spildevandet mulighed for at hjælpe med at rotere hjulet, når det strømmer ned ad strømmen.
Generer elektricitet ved hjælp af et vandhjul
Historisk set er vandhjul blevet brugt til at male mel, korn og andre lignende mekaniske opgaver. Men vandhjul kan også bruges til at generere elektricitet, kaldet et vandkraftsystem. Ved at forbinde en elektrisk generator til vandhjulets roterende aksel, enten direkte eller indirekte ved hjælp af drivremme og remskiver, kan vandhjul bruges til at generere strøm kontinuerligt 24 timer i døgnet i modsætning til solenergi. Hvis vandhjulet er designet korrekt, kan et lille eller "mikro" vandkraftsystem producere nok elektricitet til at drive belysning og/eller elektriske apparater i et gennemsnitligt hjem.
Kig efter vandhjulsgeneratorer, der er designet til at producere optimal ydelse ved relativt lave hastigheder. Til små projekter kan en lille DC-motor bruges som en lavhastighedsgenerator eller en bilgenerator, men disse er designet til at arbejde ved meget højere hastigheder, så en form for gearing kan være nødvendig. En vindmøllegenerator er en ideel vandhjulsgenerator, da den er designet til drift ved lav hastighed og høj ydelse.
Hvis der er en forholdsvis hurtigtstrømmende flod eller å i nærheden af dit hus eller din have, som du kan bruge, kan et lille vandkraftanlæg være et bedre alternativ til andre former for vedvarende energikilder såsom "vindenergi" eller "solenergi", da det har en langt mindre visuel påvirkning. Ligesom med vind- og solenergi kan al den elektricitet, du genererer, men ikke bruger, med et nettilsluttet, lille vandhjulsdesignet generatorsystem, der er forbundet til det lokale forsyningsnet, sælges tilbage til elselskabet.
I den næste vejledning om vandkraft vil vi se på de forskellige typer turbiner, der er tilgængelige, som vi kan tilslutte vores vandhjulsdesign til vandkraftproduktion. For mere information om vandhjulsdesign og hvordan du genererer din egen elektricitet ved hjælp af vandkraft, eller for at få mere information om vandkraft om de forskellige tilgængelige vandhjulsdesigns, eller for at udforske fordele og ulemper ved vandkraft, så klik her for at bestille dit eksemplar fra Amazon i dag om principperne og konstruktionen af vandhjul, der kan bruges til at generere elektricitet.
Opslagstidspunkt: 25. juni 2021
