Diseño de rueda hidráulica para energía hidroeléctrica
La energía hidroeléctrica 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 útil 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 otras incorporan poleas y engranajes complejos, pero todas están diseñadas para cumplir la misma función: "convertir el movimiento lineal del agua en movimiento en un movimiento rotatorio que pueda utilizarse para accionar cualquier máquina conectada a ella mediante un eje giratorio".
Diseño típico de rueda hidráulica
Los primeros diseños de ruedas hidráulicas eran máquinas bastante primitivas y sencillas que consistían en una rueda de madera vertical con aspas o cangilones de madera fijados uniformemente alrededor de su circunferencia, todo ello sostenido por un eje horizontal, de modo que la fuerza del agua que fluía por debajo empujaba la rueda en dirección tangencial contra las aspas.
Estas ruedas hidráulicas verticales eran muy superiores al diseño horizontal anterior de las antiguas griegas y egipcias, ya que podían transformar el impulso del agua en energía de forma más eficiente. Posteriormente, se acoplaban poleas y engranajes a la rueda hidráulica, lo que permitía cambiar la dirección de un eje giratorio de horizontal a vertical para accionar molinos, serrar madera, triturar mineral, estampar y cortar, entre otras cosas.
Tipos de diseño de ruedas hidráulicas
La mayoría de las ruedas hidráulicas, también conocidas como molinos de agua o simplemente ruedas de agua, son ruedas montadas verticalmente que giran alrededor de un eje horizontal. Estos tipos de ruedas 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 tienen una baja eficiencia debido a las pérdidas por fricción y al llenado incompleto de los cangilones, entre otros factores.
La acción del agua al empujar contra las paletas o cangilones de la rueda genera un par motor en el eje, pero al dirigir el agua hacia estas paletas y cangilones 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 hidráulica de flujo inferior y la rueda hidráulica de flujo superior.
Diseño de rueda hidráulica de chorro inferior
El diseño de rueda hidráulica de flujo inferior, también conocido como "rueda de corriente", fue el tipo de rueda hidráulica más utilizado por los antiguos griegos y romanos, ya que es el tipo de rueda más simple, barato y fácil de construir.
En este tipo de rueda hidráulica, la rueda se coloca directamente en un río de corriente rápida y se sostiene desde arriba. El movimiento del agua genera una fuerza de empuje contra las paletas sumergidas en la parte inferior de la rueda, lo que le permite girar en una sola dirección con respecto a la dirección de la corriente.
Este tipo de rueda hidráulica se suele utilizar en terrenos llanos sin pendiente natural o donde el flujo del agua es suficientemente rápido. En comparación con otros diseños, este es muy ineficiente, ya que apenas se aprovecha el 20 % de la energía potencial del agua para hacer girar la rueda. Además, la energía del agua se utiliza solo una vez para girar la rueda, tras lo cual se disipa con el resto del agua.
Otra desventaja de la rueda hidráulica de flujo inferior es que requiere grandes cantidades de agua en movimiento a alta velocidad. Por lo tanto, estas ruedas suelen ubicarse en las riberas de los ríos, ya que los arroyos o riachuelos más pequeños no poseen suficiente energía potencial en el agua en movimiento.
Una forma de mejorar ligeramente la eficiencia de una rueda hidráulica de paletas inferiores es desviar un porcentaje del agua del río a través de un canal o conducto estrecho, de manera que el 100% del agua desviada se utilice para hacer girar la rueda. Para lograr esto, la rueda de paletas inferiores debe ser estrecha y ajustarse con precisión dentro del 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 sobreimpulso
El diseño de rueda hidráulica de flujo superior es el tipo más común. Su construcción y diseño son más complejos que los de la rueda hidráulica de flujo inferior, ya que utiliza cubos o pequeños compartimentos para recoger y almacenar el agua.
Estos cubos se llenan con el agua que entra 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 utiliza la gravedad para mejorar la producción, así como el agua misma. Por lo tanto, las ruedas hidráulicas de flujo superior son mucho más eficientes que las de flujo inferior, ya que casi toda el agua y su peso se utilizan para generar energía. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, la energía del agua se utiliza solo una vez para hacer girar la rueda, tras lo cual se disipa con el resto del agua.
Las ruedas hidráulicas de flujo superior 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 baja altura de caída (la distancia vertical entre el agua en la parte superior y el río o arroyo inferior) de entre 5 y 20 metros. Se puede construir una pequeña presa o dique 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, más que su velocidad, lo que ayuda a hacer girar la rueda.
Por lo general, las ruedas hidráulicas de paletas se construyen lo más grandes posible para proporcionar la mayor altura de caída posible y que el peso gravitacional del agua haga girar la rueda. 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 a la parte inferior de la rueda, el agua del interior 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 continúe girando a su velocidad. El cubo vacío sigue girando alrededor de la rueda hasta que vuelve a subir a la parte superior, listo para llenarse de nuevo con agua, y el ciclo se repite. Una de las desventajas del diseño de rueda hidráulica de flujo superior es que el agua solo se utiliza una vez al pasar sobre la rueda.
El diseño de la rueda hidráulica de retroceso
El diseño de rueda hidráulica de rebose es una variación de la rueda hidráulica de rebose anterior, ya que también utiliza el peso gravitacional del agua para ayudar a girar la rueda, pero además aprovecha el flujo de las aguas residuales que se encuentran debajo para proporcionar un impulso adicional. Este tipo de diseño de rueda hidráulica utiliza un sistema de alimentación de baja altura que suministra el agua cerca de la parte superior de la rueda desde un canal pentagonal situado encima.
A diferencia de la rueda hidráulica de flujo superior, que canalizaba el agua directamente sobre la rueda, provocando que girara en la dirección del flujo del agua, la rueda hidráulica de flujo inverso alimenta el agua verticalmente hacia abajo a través de un embudo y hacia el cubo inferior, lo que provoca que la rueda gire en la dirección opuesta al flujo del agua superior.
Al igual que en la rueda hidráulica anterior, el peso gravitacional del agua en los cántaros hace que la rueda gire, pero en sentido contrario a las agujas del reloj. A medida que el ángulo de rotación se acerca al punto más bajo de la rueda, el agua atrapada en los cántaros se vacía. Como el cántaro vacío está unido a la rueda, continúa girando con ella como antes hasta que vuelve a subir a la parte superior, listo para llenarse de nuevo con agua, y el ciclo se repite.
La diferencia en este caso radica en que el agua residual que sale del cubo giratorio fluye en dirección a la rueda giratoria (ya que no tiene otro lugar adonde ir), de forma similar al principio de la rueda hidráulica de flujo inverso. Por lo tanto, la principal ventaja de la rueda hidráulica de flujo inverso es que utiliza la energía del agua dos veces: una desde arriba y otra desde abajo para hacer girar la rueda alrededor de 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 hacia los álabes desde arriba, así como por el flujo de las aguas residuales que empujan los álabes desde abajo. Sin embargo, la desventaja de una rueda hidráulica de áncora inclinada es que requiere un sistema de suministro de agua ligeramente más complejo directamente encima de la rueda, con tolvas y canales.
El diseño de la rueda hidráulica Breastshot
El diseño de rueda hidráulica de paletas es otro tipo de rueda hidráulica de montaje vertical en la que el agua entra en los álabes aproximadamente a la mitad de la altura del eje, o justo por encima, y luego sale por la parte inferior en la dirección de rotación de las ruedas. Generalmente, la rueda hidráulica de paletas se utiliza en situaciones donde la altura del agua es insuficiente para accionar una rueda hidráulica de paletas o de paletas inclinadas desde arriba.
La desventaja radica en que el peso gravitatorio del agua solo se aprovecha durante aproximadamente una cuarta parte de la rotación, a diferencia de antes, cuando se aprovechaba durante la mitad. Para compensar esta baja altura de elevación, los álabes de la rueda hidráulica se ensanchan para extraer la cantidad necesaria de energía potencial del agua.
Las ruedas hidráulicas de paletas utilizan prácticamente el mismo peso gravitacional del agua para hacer girar la rueda, pero como la altura de la columna de agua es aproximadamente la mitad que la de una rueda hidráulica de paletas convencionales, los cangilones son mucho más anchos que en los diseños anteriores para aumentar el volumen de agua que recogen. La desventaja de este diseño es el aumento del ancho y el peso del agua que transporta cada cangilón. Al igual que con el diseño de paletas inclinadas, la rueda de paletas utiliza la energía del agua dos veces, ya que está diseñada para flotar en el agua, permitiendo que el agua residual contribuya a la rotación de la rueda a medida que fluye río abajo.
Generar electricidad mediante una rueda hidráulica.
Históricamente, las ruedas hidráulicas se han utilizado para moler harina, cereales y otras tareas mecánicas similares. Sin embargo, también pueden emplearse para la generación de electricidad, en lo que se conoce como sistema hidroeléctrico. Al conectar un generador eléctrico al eje giratorio de la rueda, ya sea directamente o indirectamente mediante correas y poleas, estas pueden generar energía de forma continua las 24 horas del día, a diferencia de la energía solar. Si la rueda hidráulica está bien diseñada, un sistema hidroeléctrico pequeño o microhidroeléctrico puede producir suficiente electricidad para alimentar la iluminación y/o los electrodomésticos de una vivienda promedio.
Busque generadores de rueda hidráulica diseñados para producir su máximo rendimiento a velocidades relativamente bajas. Para proyectos pequeños, se puede usar un pequeño motor de CC como generador de baja velocidad o un alternador automotriz, pero estos están diseñados para funcionar a velocidades mucho mayores, por lo que podría ser necesario algún tipo de engranaje. Un generador de turbina eólica es ideal como generador de rueda hidráulica, ya que está diseñado para funcionar a baja velocidad y con alta potencia.
Si hay un río o arroyo con un caudal relativamente rápido cerca de su casa o jardín que pueda aprovechar, un sistema hidroeléctrico a pequeña escala podría ser una mejor alternativa a otras fuentes de energía renovable como la energía eólica o solar, ya que tiene un impacto visual mucho menor. Además, al igual que con la energía eólica y solar, con un sistema generador de pequeña escala conectado a la red eléctrica local, la electricidad que genere y no utilice podrá venderse a la compañía eléctrica.
En el próximo tutorial sobre energía hidroeléctrica, analizaremos los diferentes tipos de turbinas disponibles que podemos acoplar a nuestro diseño de rueda hidráulica para la generación de energía hidroeléctrica. Para obtener más información sobre el diseño de ruedas hidráulicas y cómo generar su propia electricidad utilizando 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 ejemplar en Amazon hoy mismo sobre los principios y la construcción de ruedas hidráulicas que se pueden utilizar para generar electricidad.
Fecha de publicación: 25 de junio de 2021
