Deseño de roda hidráulica para proxectos hidroeléctricos

Deseño de rodas hidráulicas para enerxía hidroeléctrica
icona de enerxía hidroeléctrica A enerxía hidroeléctrica é unha tecnoloxía que converte a enerxía cinética da auga en movemento en enerxía mecánica ou eléctrica, e un dos primeiros dispositivos utilizados para converter a enerxía da auga en movemento en traballo utilizable foi o deseño da roda hidráulica.
O deseño das rodas hidráulicas evolucionou co tempo, con algunhas rodas orientadas verticalmente, outras horizontalmente e outras con poleas e engrenaxes elaboradas, pero todas están deseñadas para realizar a mesma función, que é "converter o movemento lineal da auga en movemento nun movemento rotatorio que se pode usar para impulsar calquera peza de maquinaria conectada a ela mediante un eixe rotatorio".

Deseño típico de roda hidráulica
Os primeiros deseños de rodas hidráulicas eran máquinas bastante primitivas e sinxelas que consistían nunha roda de madeira vertical con láminas ou baldes de madeira fixados igualmente arredor da súa circunferencia, todo apoiado nun eixe horizontal, coa forza da auga que flúe por debaixo empurrando a roda en dirección tanxencial contra as láminas.
Estas rodas hidráulicas verticais eran moi superiores ás anteriores rodas hidráulicas horizontais dos antigos gregos e exipcios, porque podían funcionar de forma máis eficiente, traducindo o impulso da auga en movemento en enerxía. As poleas e as engrenaxes uníanse entón á roda hidráulica, o que permitía cambiar a dirección dun eixe rotatorio de horizontal a vertical para operar pedras de moer, serrar madeira, triturar mineral, estampar e cortar, etc.

Tipos de deseño de rodas hidráulicas
A maioría das rodas hidráulicas, tamén coñecidas como muíños de auga ou simplemente rodas hidráulicas, son rodas montadas verticalmente que xiran arredor dun eixe horizontal, e estes tipos de rodas hidráulicas clasifícanse segundo a forma en que se aplica a auga á roda, en relación co eixe da roda. Como é de esperar, as rodas hidráulicas son máquinas relativamente grandes que xiran a velocidades angulares baixas e teñen unha baixa eficiencia, debido ás perdas por fricción e ao recheo incompleto dos baldes, etc.
A acción da auga que empurra contra as rodas, os baldes ou as pas, desenvolve un par motor no eixo, pero ao dirixir a auga cara a estas pas e baldes desde diferentes posicións da roda, pódese mellorar a velocidade de rotación e a súa eficiencia. Os dous tipos máis comúns de deseño de rodas hidráulicas son a "roda hidráulica por debaixo" e a "roda hidráulica por riba".

Deseño de roda hidráulica Undershot
A roda hidráulica de tipo Undershot, tamén coñecida como "roda de río", foi o tipo de roda hidráulica máis empregado polos antigos gregos e romanos, xa que é o tipo de roda máis simple, barata e fácil de construír.
Neste tipo de deseño de roda hidráulica, a roda simplemente colócase directamente nun río de caudal rápido e sosténse desde arriba. O movemento da auga debaixo crea unha acción de empuxe contra as paletas mergulladas na parte inferior da roda, o que lle permite xirar nunha soa dirección en relación coa dirección do fluxo da auga.
Este tipo de deseño de roda hidráulica úsase xeralmente en zonas chás sen pendente natural do terreo ou onde o fluxo de auga se move con suficiente rapidez. En comparación con outros deseños de rodas hidráulicas, este tipo de deseño é moi ineficiente, xa que se usa tan só o 20 % da enerxía potencial da auga para xirar a roda. Ademais, a enerxía da auga só se usa unha vez para xirar a roda, despois do cal flúe co resto da auga.
Outra desvantaxe da roda hidráulica descendente é que require grandes cantidades de auga que se movan a gran velocidade. Polo tanto, as rodas hidráulicas descendentes adoitan estar situadas nas beiras dos ríos, xa que os regatos ou regatos máis pequenos non teñen suficiente enerxía potencial na auga en movemento.
Un xeito de mellorar lixeiramente a eficiencia dunha roda hidráulica descendente é desviar unha porcentaxe da auga do río ao longo dun canal ou conduto estreito, de xeito que o 100 % da auga desviada se utilice para xirar a roda. Para conseguilo, a roda descendente debe ser estreita e encaixar con moita precisión dentro do canal para evitar que a auga escape polos lados ou aumentando o número ou o tamaño das paletas.

Deseño de roda hidráulica sobrecargada
O deseño de roda hidráulica sobresaínte é o tipo máis común de deseño de roda hidráulica. A roda hidráulica sobresaínte é máis complicada na súa construción e deseño que a roda hidráulica sobresaínte anterior, xa que usa baldes ou pequenos compartimentos para recoller e conter a auga.
Estes baldes énchense coa auga que flúe pola parte superior da roda. O peso gravitacional da auga nos baldes cheos fai que a roda xire arredor do seu eixo central a medida que os baldes baleiros do outro lado da roda se fan máis lixeiros.
Este tipo de roda hidráulica usa a gravidade para mellorar a produción, así como a propia auga, polo que as rodas hidráulicas de proxección excesiva son moito máis eficientes que os deseños de proxección insuficiente, xa que case toda a auga e o seu peso úsanse para producir enerxía de saída. Non obstante, como antes, a enerxía da auga úsase só unha vez para xirar a roda, despois do cal flúe co resto da auga.
As rodas hidráulicas descendentes están suspendidas sobre un río ou regato e xeralmente constrúense nas ladeiras das ladeiras, proporcionando un subministro de auga desde arriba cunha baixa altura (a distancia vertical entre a auga na parte superior e o río ou regato de abaixo) de entre 5 e 20 metros. Pódese construír unha pequena presa ou vertedoiro e usala tanto para canalizar como para aumentar a velocidade da auga ata a parte superior da roda, dándolle máis enerxía, pero é o volume de auga, máis que a súa velocidade, o que axuda a xirar a roda.

Xeralmente, as rodas hidráulicas de diámetro elevado constrúense o máis grandes posible para proporcionar a maior distancia de carga posible para que o peso gravitacional da auga faga xirar a roda. Non obstante, as rodas hidráulicas de gran diámetro son máis complicadas e caras de construír debido ao peso da roda e da auga.
Cando os baldes individuais se enchen de auga, o peso gravitacional da auga fai que a roda xire na dirección do fluxo de auga. A medida que o ángulo de rotación se achega á parte inferior da roda, a auga do interior do balde baleirase no río ou regato de abaixo, pero o peso dos baldes que xiran detrás del fai que a roda continúe coa súa velocidade de rotación. O balde baleiro continúa arredor da roda xiratoria ata que volve subir á parte superior, listo para ser enchido con máis auga, e o ciclo repítese. Unha das desvantaxes dun deseño de roda hidráulica sobrecargada é que a auga só se usa unha vez mentres flúe sobre a roda.

O deseño da roda hidráulica Pitchback
O deseño de roda hidráulica Pitchback é unha variación da roda hidráulica sobrecargada anterior, xa que tamén usa o peso gravitacional da auga para axudar a xirar a roda, pero tamén usa o fluxo de auga residual debaixo dela para dar un empuxe adicional. Este tipo de deseño de roda hidráulica usa un sistema de alimentación de baixa presión que fornece a auga preto da parte superior da roda desde un pentrough superior.
A diferenza da roda hidráulica de rebufo, que canalizaba a auga directamente sobre a roda, facendo que esta xirase na dirección do fluxo da auga, a roda hidráulica de retroceso alimenta a auga verticalmente cara abaixo a través dun funil e cara ao balde debaixo, facendo que a roda xire na dirección oposta ao fluxo da auga de arriba.
Igual que na roda hidráulica anterior, o peso gravitacional da auga nos baldes fai que a roda xire, pero en sentido antihorario. A medida que o ángulo de rotación se achega á parte inferior da roda, a auga atrapada dentro dos baldes baléirase cara abaixo. A medida que o balde baleiro se une á roda, continúa xirando coa roda como antes ata que volve subir á parte superior lista para ser enchida con máis auga e o ciclo repítese.
A diferenza esta vez é que a auga residual baleirada do balde rotatorio flúe na dirección da roda rotatoria (xa que non ten outro lugar onde ir), de xeito similar ao principio da roda hidráulica descendente. Polo tanto, a principal vantaxe da roda hidráulica de retroceso é que usa a enerxía da auga dúas veces, unha desde arriba e outra desde abaixo para xirar a roda arredor do seu eixe central.
O resultado é que a eficiencia do deseño da roda hidráulica aumenta considerablemente a máis do 80 % da enerxía da auga, xa que está impulsada tanto polo peso gravitacional da auga entrante como pola forza ou presión da auga dirixida cara aos baldes desde arriba, así como polo fluxo de augas residuais que se atopa debaixo que empurra contra os baldes. Non obstante, a desvantaxe dunha roda hidráulica de rechazo é que necesita un dispositivo de subministración de auga lixeiramente máis complexo directamente enriba da roda con canles e canles de paso.

O deseño da roda hidráulica de Breastshot
O deseño de roda hidráulica de proxección vertical é outro deseño de roda hidráulica montada verticalmente onde a auga entra nos baldes aproximadamente a metade da altura do eixo, ou xusto por riba del, e despois flúe pola parte inferior na dirección de rotación das rodas. Xeralmente, a roda hidráulica de proxección vertical úsase en situacións nas que a columna de auga é insuficiente para impulsar un deseño de roda hidráulica de proxección vertical ou de retroceso desde arriba.
A desvantaxe aquí é que o peso gravitacional da auga só se usa durante aproximadamente un cuarto da rotación, a diferenza do anterior, que se usaba durante a metade da rotación. Para superar esta baixa altura de cabeza, os baldes das rodas hidráulicas fanse máis anchos para extraer a cantidade de enerxía potencial necesaria da auga.
As rodas hidráulicas de proxección en peito usan aproximadamente o mesmo peso gravitacional da auga para xirar a roda, pero como a altura da cabeza da auga é aproximadamente a metade que a dunha roda hidráulica de proxección en revés típica, os baldes son moito máis anchos que os deseños anteriores de rodas hidráulicas para aumentar o volume de auga recollida nos baldes. A desvantaxe deste tipo de deseño é un aumento no ancho e no peso da auga que transporta cada balde. Do mesmo xeito que co deseño de rechazo, a roda de proxección en peito usa a enerxía da auga dúas veces, xa que a roda hidráulica está deseñada para asentarse na auga, permitindo que a auga residual axude na rotación da roda mentres flúe río abaixo.

Xerar electricidade usando unha roda hidráulica
Historicamente, as rodas hidráulicas empregáronse para moer fariña, cereais e outras tarefas mecánicas semellantes. Pero as rodas hidráulicas tamén se poden empregar para a xeración de electricidade, o que se denomina sistema de enerxía hidroeléctrica. Ao conectar un xerador eléctrico ao eixe rotatorio das rodas hidráulicas, xa sexa directa ou indirectamente mediante correas e poleas de transmisión, as rodas hidráulicas pódense empregar para xerar enerxía continuamente as 24 horas do día, a diferenza da enerxía solar. Se a roda hidráulica está deseñada correctamente, un sistema hidroeléctrico pequeno ou "micro" pode producir electricidade suficiente para alimentar a iluminación e/ou os electrodomésticos dunha casa media.
Busca xeradores de rodas hidráulicas deseñados para producir a súa saída óptima a velocidades relativamente baixas. Para proxectos pequenos, pódese usar un pequeno motor de corrente continua como xerador de baixa velocidade ou alternador de automóbiles, pero estes están deseñados para funcionar a velocidades moito máis altas, polo que pode ser necesario algún tipo de engrenaxe. Un xerador de turbina eólica é un xerador de rodas hidráulicas ideal, xa que está deseñado para un funcionamento a baixa velocidade e alta saída.
Se hai un río ou regato con bastante caudal preto da túa casa ou xardín que poidas usar, entón un sistema hidroeléctrico a pequena escala pode ser unha mellor alternativa a outras formas de fontes de enerxía renovables como a "enerxía eólica" ou a "enerxía solar", xa que ten moito menos impacto visual. Do mesmo xeito que a enerxía eólica e solar, cun sistema de xeración a pequena escala deseñado por unha roda hidráulica conectado á rede eléctrica local, calquera electricidade que xeres pero non uses pódese vender á compañía eléctrica.
No seguinte tutorial sobre enerxía hidroeléctrica, veremos os diferentes tipos de turbinas dispoñibles que poderiamos conectar ao noso deseño de roda hidráulica para a xeración de enerxía hidroeléctrica. Para obter máis información sobre o deseño de rodas hidráulicas e como xerar a túa propia electricidade usando a enerxía da auga, ou para obter máis información sobre enerxía hidroeléctrica sobre os distintos deseños de rodas hidráulicas dispoñibles, ou para explorar as vantaxes e desvantaxes da enerxía hidroeléctrica, fai clic aquí para solicitar hoxe mesmo a túa copia en Amazon sobre os principios e a construción das rodas hidráulicas que se poden usar para xerar electricidade.