Wasserraddesign für Wasserkraftprojekt

Wasserraddesign für Wasserenergie
Symbol für WasserkraftWasserkraft ist eine Technologie, die die kinetische Energie von fließendem Wasser in mechanische oder elektrische Energie umwandelt. Eines der ersten Geräte, das zur Umwandlung der Energie von fließendem Wasser in nutzbare Arbeit verwendet wurde, war das Wasserrad.
Das Design von Wasserrädern hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt. Manche Wasserräder sind vertikal ausgerichtet, andere horizontal, und manche verfügen über aufwendige Riemenscheiben und Zahnräder. Sie alle erfüllen jedoch dieselbe Funktion, nämlich „die lineare Bewegung des fließenden Wassers in eine Drehbewegung umzuwandeln, mit der über eine rotierende Welle jedes damit verbundene Maschinenteil angetrieben werden kann“.

Typisches Wasserraddesign
Bei den frühen Wasserradkonstruktionen handelte es sich um recht primitive und einfache Maschinen, die aus einem vertikalen Holzrad mit gleichmäßig um den Umfang verteilten hölzernen Schaufeln oder Eimern bestanden, die alle auf einer horizontalen Welle gelagert waren, wobei die Kraft des darunter fließenden Wassers das Rad in tangentialer Richtung gegen die Schaufeln drückte.
Diese vertikalen Wasserräder waren den früheren horizontalen Wasserrädern der alten Griechen und Ägypter weit überlegen, da sie die Dynamik des fließenden Wassers effizienter in Energie umwandeln konnten. Riemenscheiben und Getriebe wurden am Wasserrad angebracht, wodurch die Drehrichtung einer rotierenden Welle von horizontal auf vertikal geändert werden konnte, um Mühlsteine ​​anzutreiben, Holz zu sägen, Erz zu zerkleinern, zu stampfen und zu schneiden usw.

Arten der Wasserradkonstruktion
Die meisten Wasserräder, auch Wassermühlen oder einfach Wasserräder genannt, sind vertikal montierte Räder, die sich um eine horizontale Achse drehen. Diese Arten von Wasserrädern werden nach der Art und Weise klassifiziert, wie das Wasser im Verhältnis zur Radachse auf das Rad aufgebracht wird. Wie zu erwarten, sind Wasserräder relativ große Maschinen, die sich mit geringer Winkelgeschwindigkeit drehen und aufgrund von Reibungsverlusten und unvollständiger Befüllung der Schaufeln usw. einen geringen Wirkungsgrad aufweisen.
Das Wasser, das gegen die Schaufeln oder Paddel des Rades drückt, erzeugt ein Drehmoment auf der Achse. Durch die gezielte Wasserführung auf die Schaufeln und Paddel von verschiedenen Positionen am Rad können Drehzahl und Wirkungsgrad verbessert werden. Die beiden gängigsten Wasserradtypen sind das unterschlächtige und das oberschlächtige Wasserrad.

Unterschlächtiges Wasserraddesign
Das unterschlächtige Wasserrad, auch als „Bachrad“ bekannt, war der am häufigsten verwendete Wasserradtyp der alten Griechen und Römer, da es der einfachste, billigste und am leichtesten zu konstruierende Radtyp ist.
Bei dieser Art von Wasserradkonstruktion wird das Rad einfach direkt in einen schnell fließenden Fluss gestellt und von oben gestützt. Die Bewegung des Wassers erzeugt einen Druck auf die untergetauchten Schaufeln am unteren Teil des Rades, wodurch sich dieses nur in eine Richtung relativ zur Fließrichtung des Wassers drehen kann.
Diese Art von Wasserrad wird üblicherweise in flachen Gebieten ohne natürliches Gefälle oder bei ausreichend hoher Wasserströmung eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Wasserradkonstruktionen ist diese Bauart sehr ineffizient, da nur 20 % der potenziellen Wasserenergie für die eigentliche Raddrehung genutzt werden. Außerdem wird die Wasserenergie nur einmal für die Raddrehung genutzt und fließt anschließend mit dem restlichen Wasser ab.
Ein weiterer Nachteil des unterschlächtigen Wasserrads besteht darin, dass es große Wassermengen mit hoher Geschwindigkeit benötigt. Daher werden unterschlächtige Wasserräder üblicherweise am Ufer von Flüssen aufgestellt, da in kleineren Strömen oder Bächen die potenzielle Energie des fließenden Wassers nicht ausreicht.
Eine Möglichkeit, die Effizienz eines unterschlächtigen Wasserrads etwas zu steigern, besteht darin, einen Teil des Flusswassers entlang eines schmalen Kanals oder einer Rinne umzuleiten, sodass 100 % des umgeleiteten Wassers zum Antrieb des Rades genutzt wird. Um dies zu erreichen, muss das unterschlächtige Rad schmal sein und genau in den Kanal passen, um ein seitliches Austreten des Wassers zu verhindern. Alternativ kann die Anzahl oder Größe der Schaufeln erhöht werden.

Oberschlächtiges Wasserraddesign
Das oberschlächtige Wasserrad ist die am weitesten verbreitete Bauart. Es ist in seiner Konstruktion und Ausführung komplexer als das unterschlächtige Wasserrad, da es Eimer oder kleine Kammern zum Auffangen und Halten des Wassers verwendet.
Diese Eimer füllen sich mit Wasser, das oben in das Rad einfließt. Die Schwerkraft des Wassers in den vollen Eimern bewirkt, dass sich das Rad um seine Mittelachse dreht, während die leeren Eimer auf der anderen Seite des Rades leichter werden.
Diese Art von Wasserrad nutzt die Schwerkraft zur Leistungssteigerung und das Wasser selbst. Daher sind oberschlächtige Wasserräder deutlich effizienter als unterschlächtige, da fast das gesamte Wasser und sein Gewicht zur Leistungserzeugung genutzt werden. Die Wasserenergie wird jedoch wie bisher nur einmal zum Drehen des Rades genutzt und fließt anschließend mit dem restlichen Wasser ab.
Oberschlächtige Wasserräder sind über einem Fluss oder Bach angebracht und werden in der Regel an Berghängen errichtet. Sie ermöglichen die Wasserversorgung von oben bei einer geringen Fallhöhe (dem vertikalen Abstand zwischen dem Wasser oben und dem Fluss oder Bach darunter) von 5 bis 20 Metern. Ein kleiner Damm oder Wehr kann errichtet werden, um das Wasser zur Oberseite des Rades zu leiten und seine Geschwindigkeit zu erhöhen. Dadurch erhält das Rad mehr Energie. Für die Drehung des Rades ist jedoch die Wassermenge und nicht die Geschwindigkeit entscheidend.

Oberschlächtige Wasserräder werden in der Regel so groß wie möglich gebaut, um der Schwerkraft des Wassers eine möglichst große Fallhöhe zu ermöglichen und das Rad zu drehen. Wasserräder mit großem Durchmesser sind jedoch aufgrund des Gewichts von Rad und Wasser komplizierter und teurer zu bauen.
Wenn die einzelnen Eimer mit Wasser gefüllt sind, dreht sich das Rad aufgrund der Schwerkraft in Fließrichtung. Nähert sich der Drehwinkel dem Boden des Rades, entleert sich das Wasser im Eimer in den darunterliegenden Fluss oder Bach. Das Gewicht der dahinter rotierenden Eimer sorgt jedoch dafür, dass das Rad seine Rotationsgeschwindigkeit beibehält. Der leere Eimer kreist weiter um das rotierende Rad, bis er wieder oben ankommt und mit Wasser gefüllt werden kann. Der Zyklus wiederholt sich. Ein Nachteil eines oberschlächtigen Wasserrads ist, dass das Wasser beim Überströmen des Rades nur einmal verwendet wird.

Das Pitchback-Wasserrad-Design
Das Pitchback-Wasserrad ist eine Variante des früheren oberschlächtigen Wasserrads. Es nutzt zwar ebenfalls die Schwerkraft des Wassers zur Drehung des Rades, aber auch die Strömung des darunterliegenden Abwassers für zusätzlichen Schub. Diese Wasserradkonstruktion verwendet ein Niederdruck-Zulaufsystem, das das Wasser aus einem darüberliegenden Wassertrog bis nahe an die Radspitze leitet.
Anders als beim oberschlächtigen Wasserrad, bei dem das Wasser direkt über das Rad geleitet wird und es sich in Fließrichtung dreht, wird beim Pitchback-Wasserrad das Wasser vertikal nach unten durch einen Trichter in den darunter liegenden Eimer geleitet, wodurch das Rad sich in die entgegengesetzte Richtung zur Fließrichtung des Wassers darüber dreht.
Wie beim vorherigen oberschlächtigen Wasserrad dreht sich das Rad durch die Schwerkraft des Wassers in den Eimern gegen den Uhrzeigersinn. Nähert sich der Drehwinkel dem unteren Ende des Rades, entleert sich das in den Eimern eingeschlossene Wasser nach unten. Da der leere Eimer am Rad befestigt ist, dreht er sich wie zuvor mit dem Rad weiter, bis er wieder oben ankommt und mit Wasser gefüllt werden kann. Der Zyklus beginnt von neuem.
Der Unterschied besteht diesmal darin, dass das aus der rotierenden Schaufel entleerte Abwasser in Richtung des rotierenden Rades abfließt (da es nirgendwo anders hin kann), ähnlich wie beim unterschlächtigen Wasserrad. Der Hauptvorteil des Schrägwasserrades besteht also darin, dass es die Energie des Wassers zweimal nutzt, einmal von oben und einmal von unten, um das Rad um seine Mittelachse zu drehen.
Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad des Wasserrads deutlich auf über 80 % der Wasserenergie, da es sowohl durch die Schwerkraft des einströmenden Wassers als auch durch die Kraft bzw. den Druck des von oben in die Becher geleiteten Wassers sowie durch den Druck des darunter liegenden Abwassers gegen die Becher angetrieben wird. Der Nachteil eines Pitchback-Wasserrads besteht jedoch darin, dass es eine etwas komplexere Wasserversorgung direkt über dem Rad mit Rinnen und Wasserrinnen benötigt.

Das Breastshot-Wasserrad-Design
Das Breastshot-Wasserrad ist ein weiteres vertikal montiertes Wasserrad, bei dem das Wasser etwa auf halber Höhe der Achse oder knapp darüber in die Schaufeln eindringt und dann unten in Drehrichtung der Räder ausfließt. Das Breastshot-Wasserrad wird in der Regel dann eingesetzt, wenn die Wassersäule nicht ausreicht, um ein oberschlächtiges oder rückwärtsgerichtetes Wasserrad von oben anzutreiben.
Der Nachteil hierbei ist, dass die Schwerkraft des Wassers nur für etwa ein Viertel der Umdrehung genutzt wird, im Gegensatz zu früher, wo sie für die Hälfte der Umdrehung genutzt wurde. Um diese geringe Fallhöhe auszugleichen, werden die Schaufeln des Wasserrads breiter gestaltet, um die benötigte Menge an potenzieller Energie aus dem Wasser zu gewinnen.
Brustschuss-Wasserräder nutzen etwa die gleiche Schwerkraft des Wassers zum Drehen des Rades. Da die Wasserhöhe jedoch nur etwa halb so hoch ist wie bei einem typischen oberschlächtigen Wasserrad, sind die Eimer deutlich breiter als bei früheren Wasserradkonstruktionen, um das in den Eimern aufgefangene Wasservolumen zu erhöhen. Der Nachteil dieser Konstruktion ist die größere Breite und das größere Gewicht des von jedem Eimer transportierten Wassers. Wie bei der Schräglaufkonstruktion nutzt das Brustschuss-Wasserrad die Energie des Wassers doppelt, da es im Wasser steht und das Abwasser beim Abfließen flussabwärts die Drehung des Rades unterstützt.

Stromerzeugung mit einem Wasserrad
Wasserräder wurden traditionell zum Mahlen von Mehl, Getreide und für andere mechanische Aufgaben eingesetzt. Wasserräder können aber auch zur Stromerzeugung genutzt werden, was als Wasserkraftsystem bezeichnet wird. Durch den Anschluss eines Generators an die rotierende Welle des Wasserrads, entweder direkt oder indirekt über Antriebsriemen und Riemenscheiben, können Wasserräder im Gegensatz zur Solarenergie rund um die Uhr kontinuierlich Strom erzeugen. Bei richtiger Auslegung des Wasserrads kann ein kleines oder „Mikro“-Wasserkraftsystem genügend Strom erzeugen, um die Beleuchtung und/oder Elektrogeräte eines durchschnittlichen Haushalts zu betreiben.
Suchen Sie nach Wasserradgeneratoren, die ihre optimale Leistung bei relativ niedrigen Drehzahlen erbringen. Für kleinere Projekte kann ein kleiner Gleichstrommotor als langsam laufender Generator oder eine Fahrzeuglichtmaschine verwendet werden. Diese sind jedoch für deutlich höhere Drehzahlen ausgelegt, sodass möglicherweise ein Getriebe erforderlich ist. Ein Windturbinengenerator eignet sich ideal als Wasserradgenerator, da er für den Betrieb bei niedriger Drehzahl und hoher Leistung ausgelegt ist.
Befindet sich in der Nähe Ihres Hauses oder Gartens ein schnell fließender Fluss oder Bach, den Sie nutzen können, ist ein kleines Wasserkraftwerk möglicherweise eine bessere Alternative zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie, da es optisch deutlich weniger auffällt. Ähnlich wie bei Wind- und Solarenergie kann mit einem netzgekoppelten kleinen Wasserrad-Generatorsystem, das an das örtliche Stromnetz angeschlossen ist, der erzeugte, aber nicht verbrauchte Strom an den Stromversorger zurückverkauft werden.
Im nächsten Tutorial zum Thema Wasserkraft betrachten wir die verschiedenen verfügbaren Turbinentypen, die wir an unser Wasserraddesign zur Stromerzeugung anschließen können. Für weitere Informationen zum Wasserraddesign und zur Stromerzeugung mit Wasserkraft, zu den verschiedenen Wasserraddesigns oder zu den Vor- und Nachteilen der Wasserkraft klicken Sie hier und bestellen Sie noch heute Ihr Exemplar bei Amazon. Es beschreibt die Prinzipien und den Aufbau von Wasserrädern zur Stromerzeugung.