Σχεδιασμός Υδροτροχού για Υδροηλεκτρικό Έργο

Σχεδιασμός Υδροτροχού για Υδροενέργεια
εικονίδιο υδροενέργειαςΗ υδροενέργεια είναι μια τεχνολογία που μετατρέπει την κινητική ενέργεια του κινούμενου νερού σε μηχανική ή ηλεκτρική ενέργεια και μία από τις πρώτες συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν για τη μετατροπή της ενέργειας του κινούμενου νερού σε αξιοποιήσιμο έργο ήταν ο σχεδιασμός του υδροτροχού.
Ο σχεδιασμός των υδραυλικών τροχών έχει εξελιχθεί με την πάροδο του χρόνου, με ορισμένους υδραυλικούς τροχούς να είναι προσανατολισμένοι κάθετα, άλλους οριζόντια και άλλους με περίτεχνες τροχαλίες και γρανάζια, αλλά όλοι έχουν σχεδιαστεί για να κάνουν την ίδια λειτουργία, δηλαδή να «μετατρέπουν τη γραμμική κίνηση του κινούμενου νερού σε περιστροφική κίνηση, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση οποιουδήποτε μηχανήματος που είναι συνδεδεμένο με αυτό μέσω ενός περιστρεφόμενου άξονα».

Τυπικός σχεδιασμός υδροτροχού
Ο πρώιμος σχεδιασμός των υδροτροχών ήταν αρκετά πρωτόγονες και απλές μηχανές που αποτελούνταν από έναν κάθετο ξύλινο τροχό με ξύλινες λεπίδες ή κουβάδες στερεωμένες ισόποσα γύρω από την περιφέρειά τους, όλες στηριζόμενες σε έναν οριζόντιο άξονα με τη δύναμη του νερού που ρέει από κάτω του να πιέζει τον τροχό σε εφαπτομενική κατεύθυνση προς τις λεπίδες.
Αυτοί οι κάθετοι υδροτροχοί ήταν κατά πολύ ανώτεροι από τον προηγούμενο σχεδιασμό οριζόντιων υδροτροχών των αρχαίων Ελλήνων και Αιγυπτίων, επειδή μπορούσαν να λειτουργούν πιο αποτελεσματικά μεταφράζοντας την ορμή του κινούμενου νερού σε ισχύ. Στη συνέχεια, στον υδροτροχό προσαρτήθηκαν τροχαλίες και γρανάζια, τα οποία επέτρεπαν την αλλαγή της κατεύθυνσης ενός περιστρεφόμενου άξονα από οριζόντια σε κάθετη, προκειμένου να λειτουργούν μυλόπετρες, να πριονίζονται ξύλα, να συνθλίβονται μεταλλεύματα, να σφραγίζονται και να κόβονται κ.λπ.

Τύποι σχεδιασμού υδραυλικού τροχού
Οι περισσότεροι Υδροτροχοί, γνωστοί και ως Νερόμυλοι ή απλά Υδροτροχοί, είναι κάθετα τοποθετημένοι τροχοί που περιστρέφονται γύρω από έναν οριζόντιο άξονα και αυτοί οι τύποι υδροτροχών ταξινομούνται με βάση τον τρόπο με τον οποίο το νερό εφαρμόζεται στον τροχό, σε σχέση με τον άξονα του τροχού. Όπως μπορείτε να φανταστείτε, οι υδροτροχοί είναι σχετικά μεγάλες μηχανές που περιστρέφονται με χαμηλές γωνιακές ταχύτητες και έχουν χαμηλή απόδοση, λόγω απωλειών από τριβή και ατελούς πλήρωσης των κάδων κ.λπ.
Η δράση του νερού που πιέζει τους κάδους ή τα πτερύγια των τροχών αναπτύσσει ροπή στον άξονα, αλλά κατευθύνοντας το νερό σε αυτά τα πτερύγια και τους κάδους από διαφορετικές θέσεις στον τροχό, η ταχύτητα περιστροφής και η αποδοτικότητά του μπορούν να βελτιωθούν. Οι δύο πιο συνηθισμένοι τύποι σχεδιασμού υδροτροχού είναι ο «υδροτροχός υποστροφής» και ο «υδροτροχός υπερστροφής».

Σχεδιασμός τροχού νερού κάτω από την πρόσκρουση
Ο σχεδιασμός του υδραυλικού τροχού Undershot, γνωστός και ως «τροχός ρέματος», ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος υδραυλικού τροχού που σχεδιάστηκε από τους αρχαίους Έλληνες και Ρωμαίους, καθώς είναι ο απλούστερος, φθηνότερος και ευκολότερος τύπος τροχού στην κατασκευή.
Σε αυτόν τον τύπο σχεδιασμού υδροτροχού, ο τροχός τοποθετείται απλώς απευθείας σε ένα ποτάμι με ορμητική ροή και υποστηρίζεται από πάνω. Η κίνηση του νερού από κάτω δημιουργεί μια ώθηση στα βυθισμένα πτερύγια στο κάτω μέρος του τροχού, επιτρέποντάς του να περιστρέφεται μόνο προς μία κατεύθυνση σε σχέση με την κατεύθυνση της ροής του νερού.
Αυτός ο τύπος σχεδιασμού υδροτροχού χρησιμοποιείται γενικά σε επίπεδες περιοχές χωρίς φυσική κλίση του εδάφους ή όπου η ροή του νερού κινείται αρκετά γρήγορα. Σε σύγκριση με τα άλλα σχέδια υδροτροχού, αυτός ο τύπος σχεδιασμού είναι πολύ αναποτελεσματικός, καθώς χρησιμοποιείται μόλις το 20% της δυναμικής ενέργειας του νερού για την πραγματική περιστροφή του τροχού. Επίσης, η ενέργεια του νερού χρησιμοποιείται μόνο μία φορά για την περιστροφή του τροχού, μετά την οποία ρέει μακριά με το υπόλοιπο νερό.
Ένα άλλο μειονέκτημα του υδροτροχού με υποπίεση είναι ότι απαιτεί μεγάλες ποσότητες νερού που κινούνται με ταχύτητα. Επομένως, οι υδροτροχοί με υποπίεση συνήθως βρίσκονται στις όχθες των ποταμών, καθώς τα μικρότερα ρυάκια ή ρυάκια δεν έχουν αρκετή δυναμική ενέργεια στο κινούμενο νερό.
Ένας τρόπος για να βελτιωθεί ελαφρώς η απόδοση ενός υδροτροχού με υποπίεση είναι να εκτραπεί ένα ποσοστό του νερού του ποταμού κατά μήκος ενός στενού καναλιού ή αγωγού, έτσι ώστε το 100% του εκτρεπόμενου νερού να χρησιμοποιείται για την περιστροφή του τροχού. Για να επιτευχθεί αυτό, ο υδροτροχός πρέπει να είναι στενός και να εφαρμόζει με μεγάλη ακρίβεια μέσα στο κανάλι για να αποτραπεί η διαφυγή του νερού γύρω από τις πλευρές ή αυξάνοντας είτε τον αριθμό είτε το μέγεθος των πτερυγίων.

Σχεδιασμός υπερυψωμένου υδροτροχού
Ο σχεδιασμός του υπερυψωμένου υδραυλικού τροχού είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος σχεδιασμού υδραυλικού τροχού. Ο υπερυψωμένος υδραυλικός τροχός είναι πιο περίπλοκος στην κατασκευή και το σχεδιασμό του από τον προηγούμενο υπουψωμένο υδραυλικό τροχό, καθώς χρησιμοποιεί κουβάδες ή μικρά διαμερίσματα για να συλλέγει και να συγκρατεί το νερό.
Αυτοί οι κουβάδες γεμίζουν με νερό που ρέει στην κορυφή του τροχού. Το βαρυτικό βάρος του νερού στους γεμάτους κουβάδες προκαλεί την περιστροφή του τροχού γύρω από τον κεντρικό του άξονα καθώς οι άδειοι κουβάδες στην άλλη πλευρά του τροχού γίνονται ελαφρύτεροι.
Αυτός ο τύπος υδραυλικού τροχού χρησιμοποιεί τη βαρύτητα για να βελτιώσει την απόδοση, καθώς και το ίδιο το νερό, επομένως οι υδραυλικοί τροχοί με υπερχείλιση είναι πολύ πιο αποτελεσματικοί από τους σχεδιασμούς με υποχείλιση, καθώς σχεδόν όλο το νερό και το βάρος του χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ισχύος εξόδου. Ωστόσο, όπως και πριν, η ενέργεια του νερού χρησιμοποιείται μόνο μία φορά για την περιστροφή του τροχού, μετά την οποία ρέει μακριά με το υπόλοιπο νερό.
Οι υπερυψωμένοι υδροτροχοί αιωρούνται πάνω από ένα ποτάμι ή ρέμα και γενικά κατασκευάζονται στις πλαγιές των λόφων, παρέχοντας παροχή νερού από πάνω με χαμηλό ύψος πτώσης (η κατακόρυφη απόσταση μεταξύ του νερού στην κορυφή και του ποταμού ή του ρέματος από κάτω) μεταξύ 5 και 20 μέτρων. Ένα μικρό φράγμα ή φράγμα μπορεί να κατασκευαστεί και να χρησιμοποιηθεί τόσο για να διοχετεύσει όσο και για να αυξήσει την ταχύτητα του νερού στην κορυφή του τροχού, δίνοντάς του περισσότερη ενέργεια, αλλά ο όγκος του νερού και όχι η ταχύτητά του είναι αυτό που βοηθά στην περιστροφή του τροχού.

Γενικά, οι υπερυψωμένοι υδροτροχοί κατασκευάζονται όσο το δυνατόν μεγαλύτεροι για να παρέχουν τη μεγαλύτερη δυνατή απόσταση κεφαλής για το βαρυτικό βάρος του νερού για την περιστροφή του τροχού. Ωστόσο, οι υδροτροχοί μεγάλης διαμέτρου είναι πιο περίπλοκοι και ακριβοί στην κατασκευή λόγω του βάρους του τροχού και του νερού.
Όταν οι μεμονωμένοι κάδοι γεμίζουν με νερό, το βαρυτικό βάρος του νερού προκαλεί την περιστροφή του τροχού προς την κατεύθυνση της ροής του νερού. Καθώς η γωνία περιστροφής πλησιάζει στον πυθμένα του τροχού, το νερό μέσα στον κάδο αδειάζει στο ποτάμι ή το ρυάκι από κάτω, αλλά το βάρος των κάδων που περιστρέφονται πίσω του προκαλεί τη συνέχιση της περιστροφικής του ταχύτητας από τον τροχό. Ο άδειος κάδος συνεχίζει γύρω από τον περιστρεφόμενο τροχό μέχρι να επιστρέψει στην κορυφή, έτοιμος να γεμίσει με περισσότερο νερό και ο κύκλος να επαναληφθεί. Ένα από τα μειονεκτήματα ενός σχεδιασμού υδροτροχού με υπερυψωμένη ροή είναι ότι το νερό χρησιμοποιείται μόνο μία φορά καθώς ρέει πάνω από τον τροχό.

Ο σχεδιασμός του Pitchback Waterwheel
Ο σχεδιασμός του υδραυλικού τροχού Pitchback είναι μια παραλλαγή του προηγούμενου υδραυλικού τροχού με υπερυψωμένη κίνηση, καθώς χρησιμοποιεί επίσης το βαρυτικό βάρος του νερού για να βοηθήσει στην περιστροφή του τροχού, αλλά χρησιμοποιεί επίσης τη ροή των λυμάτων από κάτω του για να δώσει επιπλέον ώθηση. Αυτός ο τύπος σχεδιασμού υδραυλικού τροχού χρησιμοποιεί ένα σύστημα τροφοδοσίας χαμηλού ύψους, το οποίο παρέχει νερό κοντά στην κορυφή του τροχού από μια τάφρο από πάνω.
Σε αντίθεση με τον υπερυψωμένο υδροτροχό, ο οποίος διοχέτευε το νερό απευθείας πάνω από τον τροχό, προκαλώντας την περιστροφή του προς την κατεύθυνση της ροής του νερού, ο υδροτροχός με ανάδρομη κλίση τροφοδοτεί το νερό κάθετα προς τα κάτω μέσω μιας χοάνης και στον κάδο από κάτω, προκαλώντας την περιστροφή του τροχού προς την αντίθετη κατεύθυνση από τη ροή του νερού από πάνω.
Όπως και με τον προηγούμενο υπερυψωμένο υδροτροχό, το βαρυτικό βάρος του νερού στους κουβάδες προκαλεί την περιστροφή του τροχού, αλλά αριστερόστροφα. Καθώς η γωνία περιστροφής πλησιάζει στο κάτω μέρος του τροχού, το νερό που έχει παγιδευτεί μέσα στους κουβάδες αδειάζει από κάτω. Καθώς ο άδειος κουβάς συνδέεται με τον τροχό, συνεχίζει να περιστρέφεται με τον τροχό όπως πριν μέχρι να επιστρέψει στην κορυφή, έτοιμος να γεμίσει με περισσότερο νερό και ο κύκλος επαναλαμβάνεται.
Η διαφορά αυτή τη φορά είναι ότι τα λύματα που αδειάζουν από τον περιστρεφόμενο κάδο ρέουν προς την κατεύθυνση του περιστρεφόμενου τροχού (καθώς δεν έχουν πουθενά αλλού να πάνε), παρόμοια με την κύρια μέθοδο του υδροτροχού με υποπίεση. Έτσι, το κύριο πλεονέκτημα του υδροτροχού με ανάστροφη κίνηση είναι ότι χρησιμοποιεί την ενέργεια του νερού δύο φορές, μία από πάνω και μία από κάτω για να περιστρέψει τον τροχό γύρω από τον κεντρικό του άξονα.
Το αποτέλεσμα είναι ότι η απόδοση του σχεδιασμού του υδροτροχού αυξάνεται σημαντικά σε πάνω από 80% της ενέργειας του νερού, καθώς καθοδηγείται τόσο από το βαρυτικό βάρος του εισερχόμενου νερού όσο και από τη δύναμη ή την πίεση του νερού που κατευθύνεται στους κάδους από πάνω, καθώς και από τη ροή των λυμάτων από κάτω που πιέζει τους κάδους. Το μειονέκτημα όμως ενός υδροτροχού με ανάποδη κίνηση είναι ότι χρειάζεται μια ελαφρώς πιο περίπλοκη διάταξη παροχής νερού ακριβώς πάνω από τον τροχό με αγωγούς και αυλάκια.

Ο σχεδιασμός του υδροτροχού Breastshot
Ο σχεδιασμός του υδροτροχού Breastshot είναι ένας άλλος σχεδιασμός υδροτροχού με κατακόρυφη τοποθέτηση, όπου το νερό εισέρχεται στους κάδους περίπου στη μέση του ύψους του άξονα ή ακριβώς πάνω από αυτόν και στη συνέχεια ρέει έξω από τον πυθμένα προς την κατεύθυνση της περιστροφής των τροχών. Γενικά, ο υδροτροχός Breastshot χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου η στάθμη του νερού δεν επαρκεί για να τροφοδοτήσει έναν υδροτροχό με υπερχείλιση ή ανάποδη κίνηση από πάνω.
Το μειονέκτημα εδώ είναι ότι το βαρυτικό βάρος του νερού χρησιμοποιείται μόνο για περίπου το ένα τέταρτο της περιστροφής, σε αντίθεση με το παρελθόν που ήταν για το μισό της περιστροφής. Για να ξεπεραστεί αυτό το χαμηλό ύψος κεφαλής, οι κάδοι των υδροτροχών γίνονται φαρδύτεροι για να εξαχθεί η απαιτούμενη ποσότητα δυναμικής ενέργειας από το νερό.
Οι υδροτροχοί με breastshot χρησιμοποιούν περίπου το ίδιο βαρυτικό βάρος του νερού για να περιστρέψουν τον τροχό, αλλά καθώς το ύψος της κεφαλής του νερού είναι περίπου το μισό από αυτό ενός τυπικού υδροτροχού με overshot, οι κάδοι είναι πολύ φαρδύτεροι από τα προηγούμενα σχέδια υδροτροχών για να αυξηθεί ο όγκος του νερού που συγκεντρώνεται στους κάδους. Το μειονέκτημα αυτού του τύπου σχεδιασμού είναι η αύξηση του πλάτους και του βάρους του νερού που μεταφέρεται από κάθε κάδο. Όπως και με τον σχεδιασμό pitchback, ο υδροτροχός χρησιμοποιεί την ενέργεια του νερού διπλάσια από ό,τι ο υδροτροχός έχει σχεδιαστεί για να κάθεται στο νερό, επιτρέποντας στα λύματα να βοηθούν στην περιστροφή του τροχού καθώς ρέει προς τα κάτω.

Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας έναν υδροτροχό
Ιστορικά, οι υδραυλικοί τροχοί έχουν χρησιμοποιηθεί για την άλεση αλευριού, δημητριακών και άλλων παρόμοιων μηχανικών εργασιών. Ωστόσο, οι υδραυλικοί τροχοί μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, που ονομάζεται υδροηλεκτρικό σύστημα. Συνδέοντας μια ηλεκτρική γεννήτρια στον περιστρεφόμενο άξονα των υδραυλικών τροχών, είτε άμεσα είτε έμμεσα χρησιμοποιώντας ιμάντες κίνησης και τροχαλίες, οι υδραυλικοί τροχοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας συνεχώς 24 ώρες την ημέρα, σε αντίθεση με την ηλιακή ενέργεια. Εάν ο υδραυλικός τροχός σχεδιαστεί σωστά, ένα μικρό ή «μικρο» υδροηλεκτρικό σύστημα μπορεί να παράγει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για την τροφοδοσία φωτισμού ή/και ηλεκτρικών συσκευών σε ένα μέσο σπίτι.
Αναζητήστε γεννήτριες με υδραυλικούς τροχούς που έχουν σχεδιαστεί για να παράγουν τη βέλτιστη απόδοσή τους σε σχετικά χαμηλές ταχύτητες. Για μικρά έργα, ένας μικρός κινητήρας συνεχούς ρεύματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια χαμηλής ταχύτητας ή ως εναλλάκτης αυτοκινήτου, αλλά αυτές έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε πολύ υψηλότερες ταχύτητες, επομένως ενδέχεται να απαιτείται κάποια μορφή γραναζιού. Μια ανεμογεννήτρια αποτελεί ιδανική γεννήτρια με υδραυλικούς τροχούς, καθώς έχει σχεδιαστεί για λειτουργία χαμηλής ταχύτητας και υψηλής απόδοσης.
Εάν υπάρχει ένα αρκετά γρήγορο ποτάμι ή ρυάκι κοντά στο σπίτι ή τον κήπο σας που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε, τότε ένα μικρό υδροηλεκτρικό σύστημα μπορεί να είναι μια καλύτερη εναλλακτική λύση σε σχέση με άλλες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η «αιολική ενέργεια» ή η «ηλιακή ενέργεια», καθώς έχει πολύ μικρότερη οπτική επίδραση. Επίσης, όπως και η αιολική και η ηλιακή ενέργεια, με ένα συνδεδεμένο στο δίκτυο μικρό σύστημα παραγωγής ενέργειας σχεδιασμένο με υδροτροχό, συνδεδεμένο στο τοπικό δίκτυο κοινής ωφέλειας, οποιαδήποτε ηλεκτρική ενέργεια παράγετε αλλά δεν χρησιμοποιείτε μπορεί να πωληθεί πίσω στην εταιρεία ηλεκτρισμού.
Στο επόμενο σεμινάριο σχετικά με την Υδροενέργεια, θα εξετάσουμε τους διαφορετικούς τύπους στροβίλων που διατίθενται και τους οποίους θα μπορούσαμε να συνδέσουμε στο σχέδιο υδροτροχού μας για την παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το σχέδιο υδροτροχού και πώς να παράγετε τη δική σας ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας τη δύναμη του νερού ή για να λάβετε περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την υδροενέργεια σχετικά με τα διάφορα σχέδια υδροτροχού που διατίθενται ή για να εξερευνήσετε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της υδροενέργειας, κάντε κλικ εδώ για να παραγγείλετε το αντίτυπό σας από το Amazon σήμερα σχετικά με τις αρχές και την κατασκευή των υδροτροχών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.