Diseño de rueda hidráulica para proyecto hidroeléctrico

Diseño de rueda hidráulica para energía hidroeléctrica
Icono de energía hidráulicaLa energía hidráulica es una tecnología que convierte la energía cinética del agua en movimiento en energía mecánica o eléctrica, y uno de los primeros dispositivos utilizados para convertir la energía del agua en movimiento en trabajo utilizable fue el diseño de la rueda hidráulica.
El diseño de las ruedas hidráulicas ha evolucionado con el tiempo, algunas están orientadas verticalmente, otras horizontalmente y algunas con poleas y engranajes elaborados adjuntos, pero todas están diseñadas para realizar la misma función, que es "convertir el movimiento lineal del agua en movimiento en un movimiento rotatorio que puede usarse para impulsar cualquier pieza de maquinaria conectada a ella a través de un eje giratorio".

Diseño típico de rueda hidráulica
Los primeros diseños de ruedas hidráulicas eran máquinas bastante primitivas y simples que consistían en una rueda de madera vertical con palas o cubos de madera fijados de manera uniforme alrededor de su circunferencia, todos apoyados en un eje horizontal con la fuerza del agua que fluía debajo de él empujando la rueda en una dirección tangencial contra las palas.
Estas ruedas hidráulicas verticales eran muy superiores a las ruedas hidráulicas horizontales diseñadas por los antiguos griegos y egipcios, ya que podían funcionar con mayor eficiencia, convirtiendo el impulso del agua en movimiento en energía. Se instalaron poleas y engranajes en la rueda hidráulica, lo que permitía cambiar la dirección de un eje giratorio de horizontal a vertical para accionar muelas, aserrar madera, triturar mineral, estampar y cortar, etc.

Tipos de diseño de ruedas hidráulicas
La mayoría de las ruedas hidráulicas, también conocidas como molinos de agua o simplemente ruedas hidráulicas, son ruedas montadas verticalmente que giran sobre un eje horizontal. Estos tipos de ruedas hidráulicas se clasifican según la forma en que el agua se aplica a la rueda, en relación con su eje. Como es de esperar, las ruedas hidráulicas son máquinas relativamente grandes que giran a bajas velocidades angulares y presentan una baja eficiencia debido a las pérdidas por fricción y al llenado incompleto de los cubos, etc.
La acción del agua al empujar los cubos o paletas de las ruedas genera par en el eje. Sin embargo, al dirigir el agua hacia estas paletas y cubos desde diferentes posiciones en la rueda, se puede mejorar la velocidad de rotación y su eficiencia. Los dos tipos más comunes de diseño de rueda hidráulica son la rueda de empuje inferior y la rueda de empuje superior.

Diseño de rueda hidráulica de tiro inferior
El diseño de rueda hidráulica de empuje inferior, también conocido como "rueda de flujo", fue el tipo de rueda hidráulica más utilizado diseñado por los antiguos griegos y romanos, ya que es el tipo de rueda más simple, más barato y más fácil de construir.
En este tipo de diseño de rueda hidráulica, la rueda simplemente se coloca directamente en un río de caudal rápido y se sostiene desde arriba. El movimiento del agua crea una acción de empuje contra las paletas sumergidas en la parte inferior de la rueda, lo que le permite girar en una sola dirección respecto a la dirección del flujo del agua.
Este tipo de diseño de rueda hidráulica se utiliza generalmente en zonas planas sin pendiente natural o donde el flujo de agua es suficientemente rápido. Comparado con otros diseños de ruedas hidráulicas, este tipo de diseño es muy ineficiente, ya que apenas se utiliza el 20 % de la energía potencial del agua para girar la rueda. Además, la energía del agua solo se utiliza una vez para girar la rueda, tras lo cual se dispersa con el resto del agua.
Otra desventaja de las ruedas hidráulicas de arrastre inferior es que requieren grandes cantidades de agua en movimiento. Por lo tanto, suelen ubicarse en las orillas de los ríos, ya que los arroyos o riachuelos más pequeños no tienen suficiente energía potencial en el agua en movimiento.
Una forma de mejorar ligeramente la eficiencia de una rueda hidráulica de arrastre inferior es desviar un porcentaje del agua del río a través de un canal o conducto estrecho, de modo que el 100 % del agua desviada se utilice para girar la rueda. Para lograr esto, la rueda de arrastre inferior debe ser estrecha y encajar con precisión en el canal para evitar que el agua se escape por los lados, o bien aumentando el número o el tamaño de las paletas.

Diseño de rueda hidráulica de pesca sobrealimentada
El diseño de rueda hidráulica de pesca superior es el más común. Su construcción y diseño son más complejos que los de pesca inferior, ya que utiliza cubos o pequeños compartimentos para captar y retener el agua.
Estos cubos se llenan con el agua que fluye por la parte superior de la rueda. El peso gravitacional del agua en los cubos llenos hace que la rueda gire sobre su eje central, mientras que los cubos vacíos del otro lado se vuelven más ligeros.
Este tipo de rueda hidráulica aprovecha la gravedad para mejorar el rendimiento, además del agua misma. Por lo tanto, las ruedas hidráulicas de empuje superior son mucho más eficientes que los diseños de empuje inferior, ya que casi toda el agua y su peso se utilizan para generar potencia. Sin embargo, como antes, la energía del agua se utiliza solo una vez para girar la rueda, tras lo cual se dispersa con el resto del agua.
Las ruedas hidráulicas de arrastre se suspenden sobre un río o arroyo y generalmente se construyen en las laderas de las colinas, proporcionando un suministro de agua desde arriba con una caída vertical baja (la distancia vertical entre el agua en la cima y el río o arroyo que se encuentra debajo) de entre 5 y 20 metros. Se puede construir una pequeña presa o azud para canalizar y aumentar la velocidad del agua hacia la parte superior de la rueda, lo que le proporciona más energía. Sin embargo, es el volumen de agua, y no su velocidad, lo que impulsa la rueda a girar.

Generalmente, las ruedas hidráulicas de sobrepresión se construyen del tamaño máximo posible para que el peso gravitacional del agua pueda girar la rueda con la mayor altura posible. Sin embargo, las ruedas hidráulicas de gran diámetro son más complejas y costosas de construir debido al peso de la rueda y del agua.
Cuando los cubos individuales se llenan de agua, el peso gravitacional del agua hace que la rueda gire en la dirección del flujo. A medida que el ángulo de rotación se acerca al fondo de la rueda, el agua del cubo se vacía en el río o arroyo que se encuentra debajo, pero el peso de los cubos que giran detrás hace que la rueda mantenga su velocidad de rotación. El cubo vacío continúa girando alrededor de la rueda hasta que vuelve a la superficie, listo para llenarse con más agua, y el ciclo se repite. Una de las desventajas de un diseño de rueda hidráulica de sobrealimentación es que el agua solo se utiliza una vez al fluir sobre la rueda.

El diseño de la noria de Pitchback
El diseño de rueda hidráulica de inclinación es una variación de la rueda hidráulica de sobrepresión anterior, ya que también aprovecha el peso gravitacional del agua para girar la rueda, pero también aprovecha el flujo de aguas residuales debajo para impulsarla. Este tipo de diseño de rueda hidráulica utiliza un sistema de alimentación de baja presión que suministra agua cerca de la parte superior de la rueda desde un canal superior.
A diferencia de la rueda hidráulica de sobrepresión, que canalizaba el agua directamente sobre la rueda y hacía que girara en la dirección del flujo del agua, la rueda hidráulica de retroceso alimenta el agua verticalmente hacia abajo a través de un embudo y dentro del cubo de abajo, haciendo que la rueda gire en la dirección opuesta al flujo del agua de arriba.
Al igual que en la rueda hidráulica anterior, la gravedad del agua en los cubos hace que la rueda gire en sentido contrario a las agujas del reloj. A medida que el ángulo de rotación se acerca al fondo de la rueda, el agua atrapada en los cubos se vacía. Al fijar el cubo vacío a la rueda, continúa girando con ella hasta que vuelve a la superficie, listo para llenarse con más agua, y el ciclo se repite.
La diferencia en esta ocasión radica en que el agua residual drenada del cubo giratorio fluye en dirección a la rueda giratoria (ya que no tiene otro lugar adonde ir), similar al principio de la rueda hidráulica de empuje inferior. Por lo tanto, la principal ventaja de la rueda hidráulica de retroceso es que utiliza la energía del agua dos veces, una desde arriba y otra desde abajo, para girar la rueda sobre su eje central.
El resultado es que la eficiencia del diseño de la rueda hidráulica aumenta considerablemente, superando el 80% de la energía del agua, ya que es impulsada tanto por el peso gravitacional del agua entrante como por la fuerza o presión del agua dirigida a los cubos desde arriba, así como por el flujo de aguas residuales que empuja los cubos. Sin embargo, la desventaja de una rueda hidráulica de retroceso es que requiere un sistema de suministro de agua ligeramente más complejo directamente encima de la rueda, con toboganes y canales.

El diseño de la noria Breastshot
El diseño de rueda hidráulica de pecho es otro diseño de rueda hidráulica de montaje vertical, donde el agua entra en los cubos aproximadamente a la mitad de la altura del eje, o justo por encima, y ​​luego fluye por la parte inferior en la dirección de rotación de las ruedas. Generalmente, la rueda hidráulica de pecho se utiliza cuando la altura del agua es insuficiente para impulsar una rueda hidráulica de sobrepresión o de retroceso desde arriba.
La desventaja es que el peso gravitacional del agua solo se utiliza durante aproximadamente un cuarto de la rotación, a diferencia de antes, que se utilizaba durante la mitad. Para compensar esta baja altura de elevación, los cubos de las ruedas hidráulicas se ensanchan para extraer la energía potencial necesaria del agua.
Las ruedas hidráulicas de propulsión a presión utilizan aproximadamente la misma fuerza gravitacional del agua para girar la rueda, pero como la altura del agua es aproximadamente la mitad que la de una rueda hidráulica de propulsión a presión típica, los cubos son mucho más anchos que los diseños anteriores para aumentar el volumen de agua que recogen. La desventaja de este tipo de diseño es el aumento de la anchura y el peso del agua que transporta cada cubo. Al igual que el diseño de propulsión a presión, la rueda de propulsión a presión utiliza el doble de energía del agua, ya que está diseñada para asentarse en el agua, permitiendo que las aguas residuales ayuden a girar la rueda mientras fluyen río abajo.

Generar electricidad usando una rueda hidráulica
Históricamente, las ruedas hidráulicas se han utilizado para moler harina, cereales y otras tareas mecánicas similares. Sin embargo, también pueden utilizarse para generar electricidad, lo que se conoce como sistema hidroeléctrico. Al conectar un generador eléctrico al eje giratorio de la rueda hidráulica, ya sea directa o indirectamente mediante correas y poleas, las ruedas hidráulicas pueden generar energía de forma continua las 24 horas del día, a diferencia de la energía solar. Si la rueda hidráulica está correctamente diseñada, un sistema hidroeléctrico pequeño o "micro" puede producir suficiente electricidad para alimentar la iluminación y/o los electrodomésticos de un hogar promedio.
Busque generadores de rueda hidráulica diseñados para producir su potencia óptima a velocidades relativamente bajas. Para proyectos pequeños, se puede usar un pequeño motor de CC como generador de baja velocidad o alternador automotriz, pero estos están diseñados para funcionar a velocidades mucho mayores, por lo que podría requerirse algún tipo de engranaje. Un generador de turbina eólica es un generador de rueda hidráulica ideal, ya que está diseñado para operar a baja velocidad y alta potencia.
Si cerca de su casa o jardín hay un río o arroyo de caudal rápido que pueda aprovechar, un sistema de energía hidroeléctrica a pequeña escala puede ser una mejor alternativa a otras fuentes de energía renovable, como la eólica o la solar, ya que tiene un impacto visual mucho menor. Al igual que la eólica y la solar, con un sistema de generación de energía hidráulica a pequeña escala conectado a la red eléctrica local, la electricidad que genere pero no utilice puede venderse a la compañía eléctrica.
En el próximo tutorial sobre energía hidroeléctrica, analizaremos los diferentes tipos de turbinas disponibles que podemos conectar a nuestro diseño de rueda hidráulica para la generación de energía hidroeléctrica. Para más información sobre el diseño de ruedas hidráulicas y cómo generar electricidad mediante la energía del agua, o para obtener más información sobre los diversos diseños de ruedas hidráulicas disponibles, o para explorar las ventajas y desventajas de la energía hidroeléctrica, haga clic aquí para solicitar su copia en Amazon hoy mismo sobre los principios y la construcción de las ruedas hidráulicas que se pueden utilizar para generar electricidad.