طراحی چرخ آبی برای پروژه برق آبی

طراحی چرخ آبی برای انرژی آبی
انرژی آبی (hydro energy icon) انرژی آبی فناوری‌ای است که انرژی جنبشی آب در حال حرکت را به انرژی مکانیکی یا الکتریکی تبدیل می‌کند و یکی از اولین دستگاه‌هایی که برای تبدیل انرژی آب در حال حرکت به کار قابل استفاده استفاده شد، طرح چرخ آبی بود.
طراحی چرخ‌های آبی در طول زمان تکامل یافته است، به طوری که برخی از چرخ‌های آبی به صورت عمودی، برخی به صورت افقی و برخی با قرقره‌ها و چرخ‌دنده‌های پیچیده متصل شده‌اند، اما همه آنها برای انجام یک عملکرد مشابه طراحی شده‌اند و آن هم «تبدیل حرکت خطی آب در حال حرکت به یک حرکت چرخشی است که می‌تواند برای به حرکت درآوردن هر قطعه ماشین‌آلاتی که از طریق یک شفت چرخان به آن متصل است، استفاده شود».

طراحی معمول چرخ آبی
طرح‌های اولیه چرخ آبی، ماشین‌های کاملاً ابتدایی و ساده‌ای بودند که از یک چرخ چوبی عمودی با تیغه‌ها یا سطل‌های چوبی که به طور مساوی در اطراف محیط آنها ثابت شده بودند، تشکیل شده بودند و همگی بر روی یک شفت افقی قرار داشتند و نیروی آب جاری در زیر آن، چرخ را در جهت مماس بر تیغه‌ها هل می‌داد.
این چرخ‌های آبی عمودی بسیار برتر از طرح چرخ‌های آبی افقی اولیه توسط یونانیان و مصریان باستان بودند، زیرا می‌توانستند با کارایی بیشتری حرکت آب در حال حرکت را به نیرو تبدیل کنند. سپس قرقره‌ها و چرخ‌دنده‌ها به چرخ آبی متصل شدند که امکان تغییر جهت شفت چرخان را از افقی به عمودی فراهم می‌کرد تا سنگ‌های آسیاب، اره کردن چوب، خرد کردن سنگ معدن، مهر زدن و برش و غیره را به کار اندازد.

انواع طراحی چرخ آبی
بیشتر چرخ‌های آبی که به عنوان آسیاب‌های آبی یا به طور خلاصه چرخ‌های آبی نیز شناخته می‌شوند، چرخ‌هایی هستند که به صورت عمودی نصب شده‌اند و حول یک محور افقی می‌چرخند و این نوع چرخ‌های آبی بر اساس نحوه‌ی اعمال آب به چرخ، نسبت به محور چرخ، طبقه‌بندی می‌شوند. همانطور که انتظار می‌رود، چرخ‌های آبی ماشین‌های نسبتاً بزرگی هستند که با سرعت زاویه‌ای کم می‌چرخند و به دلیل تلفات ناشی از اصطکاک و پر نشدن کامل سطل‌ها و غیره، راندمان پایینی دارند.
عمل فشار آب به چرخ‌ها، سطل‌ها یا پاروها، گشتاوری روی محور ایجاد می‌کند، اما با هدایت آب به سمت این پاروها و سطل‌ها از موقعیت‌های مختلف روی چرخ، سرعت چرخش و راندمان آن می‌تواند بهبود یابد. دو نوع رایج طراحی چرخ آب، «چرخ آب زیرشوت» و «چرخ آب روشوت» است.

طراحی چرخ آبی زیرشوت
چرخ آبی زیرشوت که با نام «چرخ جریانی» نیز شناخته می‌شود، رایج‌ترین نوع چرخ آبی بود که توسط یونانیان و رومیان باستان طراحی شده بود، زیرا ساده‌ترین، ارزان‌ترین و آسان‌ترین نوع چرخ برای ساخت است.
در این نوع طراحی چرخ آبی، چرخ به سادگی مستقیماً در یک رودخانه با جریان سریع قرار می‌گیرد و از بالا پشتیبانی می‌شود. حرکت آب در زیر، یک نیروی فشاری در برابر پاروهای غوطه‌ور در قسمت پایینی چرخ ایجاد می‌کند و به آن اجازه می‌دهد که فقط در یک جهت نسبت به جهت جریان آب بچرخد.
این نوع طراحی چرخ آبی عموماً در مناطق مسطح بدون شیب طبیعی زمین یا جایی که جریان آب به اندازه کافی سریع است، استفاده می‌شود. در مقایسه با سایر طرح‌های چرخ آبی، این نوع طراحی بسیار ناکارآمد است و تنها 20٪ از انرژی پتانسیل آب برای چرخاندن چرخ استفاده می‌شود. همچنین انرژی آب فقط یک بار برای چرخاندن چرخ استفاده می‌شود و پس از آن با بقیه آب جریان می‌یابد.
یکی دیگر از معایب چرخ آبی زیرآبی این است که به مقادیر زیادی آب با سرعت بالا نیاز دارد. بنابراین، چرخ‌های آبی زیرآبی معمولاً در کناره رودخانه‌ها قرار می‌گیرند زیرا نهرها یا جویبارهای کوچک‌تر انرژی پتانسیل کافی در آب در حال حرکت ندارند.
یکی از راه‌های بهبود جزئی راندمان چرخ آبی زیرآبی، منحرف کردن درصدی از آب رودخانه در امتداد یک کانال یا مجرای باریک است به طوری که ۱۰۰٪ آب منحرف شده برای چرخاندن چرخ استفاده شود. برای دستیابی به این هدف، چرخ زیرآبی باید باریک باشد و بسیار دقیق در کانال قرار گیرد تا از فرار آب از کناره‌ها جلوگیری شود یا می‌توان تعداد یا اندازه پاروها را افزایش داد.

طراحی چرخ آبی با شوت بیش از حد
طراحی چرخ آبی روباز رایج‌ترین نوع طراحی چرخ آبی است. چرخ آبی روباز از نظر ساختار و طراحی پیچیده‌تر از چرخ آبی زیرباز است زیرا از سطل‌ها یا محفظه‌های کوچک برای گرفتن و نگه داشتن آب استفاده می‌کند.
این سطل‌ها با آبی که از بالای چرخ وارد می‌شود، پر می‌شوند. وزن گرانشی آب در سطل‌های پر باعث می‌شود چرخ حول محور مرکزی خود بچرخد، زیرا سطل‌های خالی در طرف دیگر چرخ سبک‌تر می‌شوند.
این نوع چرخ آبی از نیروی جاذبه برای بهبود خروجی و همچنین خود آب استفاده می‌کند، بنابراین چرخ‌های آبی با دهانه‌ی بیش از حد (overshot) بسیار کارآمدتر از طرح‌های با دهانه‌ی کمتر از حد هستند زیرا تقریباً تمام آب و وزن آن برای تولید توان خروجی استفاده می‌شود. با این حال، مانند قبل، انرژی آب فقط یک بار برای چرخاندن چرخ استفاده می‌شود و پس از آن با بقیه آب جریان می‌یابد.
چرخ‌های آبی سربالا (overshot waterwheels) بالای رودخانه یا نهر معلق هستند و عموماً در کناره‌های تپه‌ها ساخته می‌شوند و از بالا با ارتفاع کم (فاصله عمودی بین آب در بالا و رودخانه یا نهر در پایین) بین ۵ تا ۲۰ متر، آب را تأمین می‌کنند. می‌توان یک سد یا سرریز کوچک ساخت و از آن برای هدایت و افزایش سرعت آب به بالای چرخ استفاده کرد و به آن انرژی بیشتری داد، اما این حجم آب است که به چرخش چرخ کمک می‌کند، نه سرعت آن.

عموماً، چرخ‌های آبی با دهانه‌ی بیش از حد بزرگ ساخته می‌شوند تا بیشترین فاصله‌ی هد ممکن را برای وزن گرانشی آب جهت چرخاندن چرخ فراهم کنند. با این حال، چرخ‌های آبی با قطر بزرگ به دلیل وزن چرخ و آب، پیچیده‌تر و گران‌تر هستند.
وقتی سطل‌های جداگانه از آب پر می‌شوند، وزن گرانشی آب باعث می‌شود چرخ در جهت جریان آب بچرخد. با نزدیک شدن زاویه چرخش به پایین چرخ، آب داخل سطل به داخل رودخانه یا نهر زیر آن تخلیه می‌شود، اما وزن سطل‌هایی که در پشت آن می‌چرخند باعث می‌شود چرخ با سرعت چرخشی خود به حرکت خود ادامه دهد. سطل خالی به دور چرخ در حال چرخش ادامه می‌دهد تا زمانی که دوباره به بالا برگردد و آماده پر شدن با آب بیشتر شود و این چرخه تکرار شود. یکی از معایب طراحی چرخ آبی با دهانه باز این است که آب فقط یک بار هنگام جریان یافتن روی چرخ استفاده می‌شود.

طراحی چرخ آبی پیچ‌بک
طراحی چرخ آبی Pitchback نوعی تغییر یافته از چرخ آبی overshot قبلی است، زیرا این چرخ نیز از وزن گرانشی آب برای کمک به چرخش چرخ استفاده می‌کند، اما از جریان آب فاضلاب زیر آن نیز برای ایجاد نیروی رانش اضافی استفاده می‌کند. این نوع طراحی چرخ آبی از یک سیستم تغذیه با هد پایین استفاده می‌کند که آب را از یک دریچه در بالای چرخ، نزدیک به بالای آن تأمین می‌کند.
برخلاف چرخ آبی سربالا که آب را مستقیماً روی چرخ هدایت می‌کرد و باعث چرخش آن در جهت جریان آب می‌شد، چرخ آبی سربالا آب را به صورت عمودی از طریق یک قیف به سمت پایین و به سطل زیرین هدایت می‌کند و باعث می‌شود چرخ در جهت مخالف جریان آب بالایی بچرخد.
درست مانند چرخ آبی سربالای قبلی، وزن گرانشی آب درون سطل‌ها باعث چرخش چرخ می‌شود اما در جهت خلاف عقربه‌های ساعت. با نزدیک شدن زاویه چرخش به پایین چرخ، آب محبوس شده در سطل‌ها از پایین خالی می‌شود. همانطور که سطل خالی به چرخ متصل است، مانند قبل به همراه چرخ می‌چرخد تا زمانی که دوباره به بالا برگردد و آماده پر شدن با آب بیشتر شود و این چرخه تکرار می‌شود.
تفاوت این بار این است که فاضلاب تخلیه شده از سطل چرخان در جهت چرخ چرخان جریان می‌یابد (زیرا جای دیگری برای رفتن ندارد)، مشابه اصل چرخ آب زیرآبی. بنابراین مزیت اصلی چرخ آب زیرآبی این است که از انرژی آب دو بار، یک بار از بالا و یک بار از پایین برای چرخاندن چرخ به دور محور مرکزی خود استفاده می‌کند.
نتیجه این است که راندمان طراحی چرخ آبی به میزان قابل توجهی به بیش از ۸۰٪ انرژی آب افزایش می‌یابد، زیرا این چرخ توسط وزن گرانشی آب ورودی و نیرو یا فشار آب هدایت شده به داخل سطل‌ها از بالا، و همچنین جریان فاضلاب از پایین که به سطل‌ها فشار می‌آورد، هدایت می‌شود. با این حال، عیب چرخ آبی پیچ‌بک این است که به یک چیدمان تأمین آب کمی پیچیده‌تر، مستقیماً بالای چرخ با ناودان‌ها و دریچه‌های باریک نیاز دارد.

طراحی چرخ آبی سینه‌شات
طرح چرخ آبی سینه‌شات یکی دیگر از طرح‌های چرخ آبی عمودی است که در آن آب تقریباً در نیمه ارتفاع محور یا درست بالای آن وارد سطل‌ها می‌شود و سپس در جهت چرخش چرخ‌ها از پایین جریان می‌یابد. به‌طورکلی، چرخ آبی سینه‌شات در موقعیت‌هایی استفاده می‌شود که هد آب برای تأمین نیروی لازم برای چرخ آبی از بالا کافی نباشد.
عیب این روش این است که وزن گرانشی آب فقط برای حدود یک چهارم چرخش استفاده می‌شود، برخلاف روش قبلی که برای نیمی از چرخش استفاده می‌شد. برای غلبه بر این ارتفاع کم هد، سطل‌های چرخ‌های آبی پهن‌تر ساخته می‌شوند تا مقدار انرژی پتانسیل مورد نیاز از آب استخراج شود.
چرخ‌های آبی سینه‌شات تقریباً از همان وزن گرانشی آب برای چرخاندن چرخ استفاده می‌کنند، اما از آنجایی که ارتفاع سر آب تقریباً نصف چرخ‌های آبی سربالای معمولی است، سطل‌های آن بسیار پهن‌تر از طرح‌های قبلی چرخ‌های آبی هستند تا حجم آب گرفته شده در سطل‌ها افزایش یابد. عیب این نوع طراحی، افزایش عرض و وزن آبی است که توسط هر سطل حمل می‌شود. همانند طرح پیچ‌بک، چرخ سینه‌شات دو برابر از انرژی آب استفاده می‌کند، زیرا چرخ آبی طوری طراحی شده است که در آب قرار گیرد و به آب زائد اجازه می‌دهد تا هنگام جریان یافتن به پایین دست، به چرخش چرخ کمک کند.

تولید برق با استفاده از چرخ آبی
از لحاظ تاریخی، چرخ‌های آبی برای آسیاب کردن آرد، غلات و سایر کارهای مکانیکی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اما چرخ‌های آبی همچنین می‌توانند برای تولید برق، که سیستم برق آبی نامیده می‌شود، مورد استفاده قرار گیرند. با اتصال یک ژنراتور الکتریکی به محور چرخان چرخ‌های آبی، چه مستقیم و چه غیرمستقیم با استفاده از تسمه‌ها و قرقره‌های محرک، می‌توان از چرخ‌های آبی برای تولید برق به طور مداوم و 24 ساعته برخلاف انرژی خورشیدی استفاده کرد. اگر چرخ آبی به درستی طراحی شود، یک سیستم برق آبی کوچک یا "میکرو" می‌تواند برق کافی برای روشنایی و/یا لوازم برقی در یک خانه متوسط ​​تولید کند.
به دنبال ژنراتورهای چرخ آبی باشید که برای تولید خروجی بهینه در سرعت‌های نسبتاً پایین طراحی شده‌اند. برای پروژه‌های کوچک، یک موتور DC کوچک می‌تواند به عنوان ژنراتور کم‌سرعت یا دینام خودرو استفاده شود، اما این موتورها برای کار در سرعت‌های بسیار بالاتر طراحی شده‌اند، بنابراین ممکن است به نوعی چرخ‌دنده نیاز باشد. یک ژنراتور توربین بادی، یک ژنراتور چرخ آبی ایده‌آل است زیرا برای سرعت کم و عملکرد با خروجی بالا طراحی شده است.
اگر رودخانه یا نهر نسبتاً پرسرعتی در نزدیکی خانه یا باغ شما وجود دارد که می‌توانید از آن استفاده کنید، یک سیستم برق آبی کوچک می‌تواند جایگزین بهتری برای سایر اشکال منابع انرژی تجدیدپذیر مانند «انرژی باد» یا «انرژی خورشیدی» باشد زیرا تأثیر بصری بسیار کمتری دارد. همچنین درست مانند انرژی باد و خورشید، با یک سیستم تولید برق آبی کوچک متصل به شبکه که به شبکه برق محلی متصل است، هر برقی که تولید می‌کنید اما استفاده نمی‌کنید، می‌توانید به شرکت برق بفروشید.
در آموزش بعدی درباره انرژی آبی، به انواع مختلف توربین‌های موجود که می‌توانیم به طرح چرخ آبی خود برای تولید برق آبی متصل کنیم، خواهیم پرداخت. برای اطلاعات بیشتر در مورد طرح چرخ آبی و نحوه تولید برق خود با استفاده از نیروی آب، یا کسب اطلاعات بیشتر در مورد انرژی آبی در مورد طرح‌های مختلف چرخ آبی موجود، یا بررسی مزایا و معایب انرژی آبی، اینجا را کلیک کنید تا نسخه خود را از آمازون امروز در مورد اصول و ساختار چرخ‌های آبی که می‌توانند برای تولید برق استفاده شوند، سفارش دهید.