Vesiratta disain hüdroenergia jaoks
Hüdroenergia ikoonHüdroenergia on tehnoloogia, mis muundab liikuva vee kineetilise energia mehaaniliseks või elektrienergiaks ning üks varasemaid seadmeid, mida kasutati liikuva vee energia kasutatavaks tööks muutmiseks, oli vesiratta disain.
Vesiratta disain on aja jooksul arenenud, mõned vesirattad on vertikaalselt, mõned horisontaalselt ja mõned keerukate rihmarataste ja hammasratastega, kuid need kõik on loodud sama funktsiooni täitmiseks ja see on ka "liikuva vee lineaarse liikumise muutmine pöörlevaks liikumiseks, mida saab kasutada mis tahes masina juhtimiseks, mis on sellega pöörleva võlli kaudu ühendatud".
Tüüpiline vesiratta disain
Varased vesirattad olid üsna primitiivsed ja lihtsad masinad, mis koosnesid vertikaalsest puidust rattast, mille ümbermõõdu ümber olid võrdselt kinnitatud puidust labad või ämbrid, mis kõik olid toetatud horisontaalsele võllile, mille all voolava vee jõud surus ratast tangentsiaalses suunas labade vastu.
Need vertikaalsed vesirattad olid tunduvalt paremad kui varasemad horisontaalsed vesirattad, mida kasutasid vanad kreeklased ja egiptlased, sest need suutsid töötada efektiivsemalt, muutes liikuva vee hoo jõuks. Seejärel kinnitati vesiratta külge rihmarattad ja hammasrattad, mis võimaldasid pöörleva võlli suunda muuta horisontaalsest vertikaalseks, et käitada veskikive, saagida puitu, purustada maaki, stantsida ja lõigata jne.
Veeratta disaini tüübid
Enamik vesirattaid, tuntud ka kui vesiveskid või lihtsalt veerattad, on vertikaalselt paigaldatud rattad, mis pöörlevad horisontaalse telje ümber, ja seda tüüpi vesirattaid klassifitseeritakse selle järgi, kuidas vesi rattale ratta telje suhtes suunatakse. Nagu arvata võib, on vesirattad suhteliselt suured masinad, mis pöörlevad madala nurkkiirusega ja millel on madal efektiivsus hõõrdekadude ja ämbrite mittetäieliku täitmise jms tõttu.
Vee surumine rataste ämbrite või labade vastu tekitab teljel pöördemomenti, kuid vee suunamine nendele labadele ja ämbritele ratta erinevatest positsioonidest saab parandada pöörlemiskiirust ja selle efektiivsust. Kaks kõige levinumat vesiratta konstruktsiooni tüüpi on „alapööratud vesiratas“ ja „ülepööratud vesiratas“.
Altlöögi veeratta disain
Alalöögiga veeratta disain, tuntud ka kui "vooluratas", oli iidsete kreeklaste ja roomlaste poolt kõige sagedamini kasutatav veeratta tüüp, kuna see on kõige lihtsam, odavam ja hõlpsamini ehitatav rattatüüp.
Seda tüüpi vesiratta konstruktsiooni puhul asetatakse ratas lihtsalt otse kiirevoolulisse jõkke ja seda toetatakse ülalt. Vee liikumine allpool tekitab tõukejõu ratta alumises osas asuvatele veealustele labadele, võimaldades sellel pöörelda ainult ühes suunas veevoolu suuna suhtes.
Seda tüüpi vesiratta konstruktsiooni kasutatakse tavaliselt tasastel aladel, kus maapinnal puudub loomulik kallak või kus veevool on piisavalt kiire. Võrreldes teiste vesiratta konstruktsioonidega on seda tüüpi konstruktsioon väga ebaefektiivne, kuna ratta pöörlema panemiseks kulub vaid 20% vee potentsiaalsest energiast. Samuti kasutatakse vee energiat ratta pöörlema panemiseks ainult üks kord, pärast mida see koos ülejäänud veega ära voolab.
Altvooluveeratta teine puudus on see, et see nõuab suures koguses ja kiiresti liikuva vee liikumist. Seetõttu asuvad altvooluveerattad tavaliselt jõgede kallastel, kuna väiksematel ojadel või ojadel pole liikuvas vees piisavalt potentsiaalset energiat.
Üks viis altpoolt pöörleva vesiratta efektiivsust veidi parandada on suunata osa jõe veest mööda kitsast kanalit või juha, nii et 100% ümbersuunatud veest kasutataks ratta pöörlemiseks. Selle saavutamiseks peab altpoolt pöörlev ratas olema kitsas ja sobima kanalisse väga täpselt, et vältida vee väljapääsu mööda külgi, või suurendades kas labade arvu või suurust.
Overshot Waterwheel Design
Ülelöögiga vesiratta disain on kõige levinum vesiratta konstruktsiooni tüüp. Ülelöögiga vesiratas on oma konstruktsioonilt ja kujunduselt keerulisem kui eelmine alalöögiga vesiratas, kuna see kasutab ämbreid või väikeseid kambreid nii vee püüdmiseks kui ka hoidmiseks.
Need ämbrid täituvad ratta ülaosast sisse voolava veega. Täis ämbrites oleva vee gravitatsioonikaal paneb ratta pöörlema ümber oma kesktelje, kuna ratta teisel pool olevad tühjad ämbrid muutuvad kergemaks.
Seda tüüpi vesiratas kasutab gravitatsiooni nii väljundvõimsuse kui ka vee enda parandamiseks, seega on ülepööratud vesirattad palju tõhusamad kui alapööratud vesirattad, kuna peaaegu kogu vesi ja selle kaal kasutatakse väljundvõimsuse tootmiseks. Nagu varemgi, kasutatakse vee energiat ainult üks kord ratta pööramiseks, misjärel see voolab koos ülejäänud veega minema.
Ülevooluvesirattad ripuvad jõe või oja kohal ja on tavaliselt ehitatud küngaste külgedele, pakkudes veevarustust ülalt madala, 5–20 meetri kõrguse veesambaga (vertikaalne kaugus veepinna ja allpool asuva jõe või oja vahel). Väikese tammi või paisu saab ehitada ja kasutada nii vee suunamiseks kui ka kiiruse suurendamiseks ratta tippu, andes sellele rohkem energiat, kuid ratta pöörlemisele aitab kaasa pigem vee maht kui kiirus.
Üldiselt ehitatakse ülepööratud vesirattad võimalikult suureks, et vee gravitatsioonikaal saaks ratast pöörlema panna võimalikult suure vahemaa pealt. Suure läbimõõduga vesirattad on aga ratta ja vee raskuse tõttu keerukamad ja kallimad ehitada.
Kui üksikud ämbrid on veega täidetud, paneb vee gravitatsioonikaal ratta pöörlema veevoolu suunas. Kui pöörlemisnurk läheneb ratta põhjale, tühjeneb ämbris olev vesi allpool asuvasse jõkke või oja, kuid ämbrite taga pöörlevate ämbrite kaal paneb ratta jätkama pöörlemist. Tühi ämber jätkab pöörleva ratta ümber liikumist, kuni see jõuab tagasi pinnale, valmis uue veega täitmiseks ja tsükkel kordub. Üks ülelöögiga vesiratta konstruktsiooni puudusi on see, et vett kasutatakse ainult üks kord, kui see üle ratta voolab.
Pitchbacki vesiratta disain
Pitchback-vesiratta disain on eelmise ülepööratud vesiratta variatsioon, kuna see kasutab ratta pöörlemise hõlbustamiseks samuti vee gravitatsioonikaalu, kuid lisatõuke andmiseks kasutab see ka allpool asuva reovee voolu. Seda tüüpi vesiratta disain kasutab madala peaga sisselaskesüsteemi, mis varustab vett ratta ülaosa lähedal asuvast süvendist.
Erinevalt üleliigsest vesirattast, mis suunas vee otse ratta kohale, pannes selle pöörlema veevoolu suunas, suunab tagasipööratud vesiratas vett vertikaalselt allapoole läbi lehtri ja all asuvasse ämbrisse, pannes ratta pöörlema ülal oleva vee voolule vastupidises suunas.
Nii nagu eelmise üleliikunud vesiratta puhul, paneb ämbrites oleva vee gravitatsioonikaal ratta pöörlema, kuid vastupäeva. Kui pöörlemisnurk läheneb ratta põhjale, tühjeneb ämbritesse jäänud vesi altpoolt välja. Kui tühi ämber ratta külge kinnitatakse, jätkab see koos rattaga pöörlemist nagu varem, kuni see jõuab tagasi üles, valmis uue veega täitmiseks, ja tsükkel kordub.
Seekordne erinevus seisneb selles, et pöörlevast ämbrist välja tühjendatud reovesi voolab pöörleva ratta suunas (kuna sellel pole kuhugi mujale minna), sarnaselt altpoolt suunatud vesiratta põhimõttele. Seega on tagasipööratud vesiratta peamine eelis see, et see kasutab vee energiat kaks korda, üks kord ülalt ja üks kord altpoolt, et pöörata ratast ümber oma kesktelje.
Selle tulemusena suureneb vesiratta konstruktsiooni efektiivsus oluliselt, ulatudes üle 80%-ni vee energiast, kuna seda juhivad nii sissetuleva vee gravitatsioonikaal kui ka ülalt ämbritesse suunatud vee jõud või rõhk, samuti altpoolt ämbritele suruv reovee vool. Tagasilöögiga vesiratta puuduseks on aga see, et see vajab veidi keerukamat veevarustussüsteemi otse ratta kohal koos rennide ja kanalitega.
Breastshot Waterwheeli disain
Rinnavesiratta disain on veel üks vertikaalselt paigaldatud vesiratta disain, kus vesi siseneb ämbritesse umbes poole telje kõrguselt või veidi üle selle ja voolab seejärel alt välja rataste pöörlemissuunas. Üldiselt kasutatakse rinnavesiratast olukordades, kus veesammas ei ole piisav, et ülaltpoolt üle- või tagasilöögiga vesiratta konstruktsiooni käitada.
Puuduseks on see, et vee gravitatsioonikaalu kasutatakse ainult umbes veerandi pöörlemise vältel, erinevalt varasemast ajast, mil seda kasutati poole pöörlemise vältel. Selle madala pea kõrguse ületamiseks tehakse vesirataste ämbrid laiemaks, et veest vajalik kogus potentsiaalset energiat ammutada.
Rinnasliikumisega vesirattad kasutavad ratta pööramiseks umbes sama palju vee gravitatsioonikaalu, aga kuna vee pea kõrgus on umbes pool tüüpilise ülepööratud vesiratta omast, on ämbrid palju laiemad kui varasematel vesiratta konstruktsioonidel, et suurendada ämbritesse püütava vee mahtu. Seda tüüpi konstruktsiooni puuduseks on iga ämbri poolt kantava vee laiuse ja kaalu suurenemine. Nagu ka tagasipööratud vesiratta puhul, kasutab rinnasliikumisega ratas vee energiat kaks korda, kuna vesiratas on konstrueeritud nii, et see asetseb vees, võimaldades reoveel aidata ratta pöörlemist, kui see allavoolu voolab.
Elektrienergia genereerimine vesiratta abil
Ajalooliselt on vesirattaid kasutatud jahu, teravilja jahvatamiseks ja muudeks sarnasteks mehaanilisteks ülesanneteks. Kuid vesirattaid saab kasutada ka elektri tootmiseks, mida nimetatakse hüdroenergiasüsteemiks. Ühendades elektrigeneraatori vesiratta pöörleva võlliga kas otse või kaudselt ajamirihmade ja rihmarataste abil, saab vesirattaid kasutada elektri tootmiseks pidevalt 24 tundi ööpäevas, erinevalt päikeseenergiast. Kui vesiratas on õigesti konstrueeritud, suudab väike ehk „mikro” hüdroelektrisüsteem toota piisavalt elektrit, et varustada valgustust ja/või elektriseadmeid keskmises kodus.
Otsi vesirattageneraatoreid, mis on loodud optimaalse väljundvõimsuse saavutamiseks suhteliselt madalatel kiirustel. Väiksemate projektide puhul saab väikest alalisvoolumootorit kasutada madala kiirusega generaatorina või autogeneraatorina, kuid need on loodud töötama palju suurematel kiirustel, seega võib olla vajalik mingisugune käigukast. Tuuleturbiingeneraator on ideaalne vesirattageneraator, kuna see on loodud töötama madala kiiruse ja suure väljundvõimsusega.
Kui teie kodu või aia lähedal on üsna kiirevooluline jõgi või oja, mida saate kasutada, võib väikesemahuline hüdroenergiasüsteem olla parem alternatiiv teistele taastuvatele energiaallikatele, näiteks tuuleenergiale või päikeseenergiale, kuna sellel on palju väiksem visuaalne mõju. Sarnaselt tuule- ja päikeseenergiaga saab ka võrku ühendatud väikesemahulise vesirattal põhineva elektrijaamaga, mis on ühendatud kohaliku elektrivõrguga, kogu toodetud, kuid mittetarbitud elektrienergia elektriettevõttele tagasi müüa.
Järgmises hüdroenergia õpetuses vaatleme erinevat tüüpi turbiine, mida saaksime hüdroenergia tootmiseks oma vesiratta konstruktsiooni külge kinnitada. Lisateabe saamiseks vesiratta konstruktsiooni ja selle kohta, kuidas vee jõul ise elektrit toota, või lisateabe saamiseks erinevate saadaolevate vesiratta konstruktsioonide kohta või hüdroenergia eeliste ja puuduste uurimiseks klõpsake siin, et tellida Amazonist juba täna oma eksemplar elektrienergia tootmiseks kasutatavate vesirataste põhimõtete ja konstruktsiooni kohta.
Postituse aeg: 25. juuni 2021
