Dizajn vodenog kotača za hidroelektrane

Dizajn vodenog kotača za hidroenergiju
ikona hidroenergijeHidroenergija je tehnologija koja pretvara kinetičku energiju vode u pokretu u mehaničku ili električnu energiju, a jedan od najranijih uređaja korištenih za pretvaranje energije vode u pokretu u iskoristiv rad bio je dizajn vodenog kotača.
Dizajn vodenih kotača evoluirao je tijekom vremena, pri čemu su neki vodeni kotači bili orijentirani vertikalno, neki horizontalno, a neki s pričvršćenim složenim remenicama i zupčanicima, ali svi su dizajnirani za istu funkciju, a to je „pretvaranje linearnog gibanja vode u pokretu u rotacijsko gibanje koje se može koristiti za pogon bilo kojeg stroja spojenog na njega putem rotirajućeg vratila“.

Tipičan dizajn vodenog kotača
Rani dizajn vodenih kotača bio je prilično primitivan i jednostavan strojeva koji su se sastojali od vertikalnog drvenog kotača s drvenim lopaticama ili kantama ravnomjerno pričvršćenim po obodu, a svi su bili oslonjeni na horizontalnu osovinu, a sila vode koja teče ispod nje gurala je kotač u tangencijalnom smjeru prema lopaticama.
Ovi vertikalni vodeni kotači bili su znatno superiorniji od ranijeg horizontalnog dizajna vodenih kotača starih Grka i Egipćana, jer su mogli učinkovitije pretvarati zamah vode u snagu. Remenice i zupčanici su zatim bili pričvršćeni na vodeni kotač što je omogućavalo promjenu smjera rotirajuće osovine iz horizontalnog u vertikalni kako bi se pokretali mlinski kameni, pila drvo, drobilica rude, kovanje i rezanje itd.

Vrste dizajna vodenih kotača
Većina vodenih kotača, poznatih i kao vodenice ili jednostavno vodeni kotači, vertikalno su postavljeni kotači koji se okreću oko horizontalne osi, a ove vrste vodenih kotača klasificiraju se prema načinu na koji se voda primjenjuje na kotač, u odnosu na osovinu kotača. Kao što možete očekivati, vodeni kotači su relativno veliki strojevi koji se okreću malim kutnim brzinama i imaju nisku učinkovitost zbog gubitaka trenjem i nepotpunog punjenja kanti itd.
Djelovanje vode koja gura lopatice ili vesla kotača razvija moment na osovini, ali usmjeravanjem vode na te lopatice i vedra s različitih položaja na kotaču može se poboljšati brzina vrtnje i njezina učinkovitost. Dva najčešća tipa dizajna vodeničnog kotača su "podtočeni vodeni kotač" i "nadtočeni vodeni kotač".

Dizajn vodenog kotača s podrezivanjem
Dizajn vodenog kotača s podrezivanjem, također poznat kao "potočni kotač", bio je najčešće korišteni tip vodenog kotača koji su dizajnirali stari Grci i Rimljani jer je to najjednostavniji, najjeftiniji i najlakši tip kotača za konstruirati.
Kod ove vrste dizajna vodenog kotača, kotač se jednostavno postavlja izravno u brzu rijeku i podupire odozgo. Gibanje vode ispod stvara potiskujući učinak na potopljene lopatice na donjem dijelu kotača, omogućujući mu rotaciju samo u jednom smjeru u odnosu na smjer toka vode.
Ova vrsta dizajna vodenog kotača obično se koristi u ravnim područjima bez prirodnog nagiba terena ili tamo gdje je tok vode dovoljno brz. U usporedbi s drugim dizajnima vodenih kotača, ova vrsta dizajna je vrlo neučinkovita, jer se samo 20% potencijalne energije vode koristi za stvarnu rotaciju kotača. Također, energija vode se koristi samo jednom za rotaciju kotača, nakon čega otječe s ostatkom vode.
Drugi nedostatak podtonskog vodenog kotača je taj što zahtijeva velike količine vode koja se kreće velikom brzinom. Stoga se podtonski vodeni kotači obično nalaze na obalama rijeka jer manji potoci ili rijeke nemaju dovoljno potencijalne energije u tekućoj vodi.
Jedan od načina za blago poboljšanje učinkovitosti vodenog kotača s podtonskim bacanjem jest preusmjeravanje određenog postotka vode u rijeci duž uskog kanala ili duktusa tako da se 100% preusmjerene vode koristi za okretanje kotača. Da bi se to postiglo, vodeni kotač s podtonskim bacanjem mora biti uzak i vrlo precizno pristajati unutar kanala kako bi se spriječilo otjecanje vode oko stranica ili povećanjem broja ili veličine lopatica.

Dizajn vodenog kotača s predimenzioniranim djelovanjem
Dizajn vodenog kotača s prednjim bacanjem vode najčešći je tip dizajna vodenog kotača. Vodeni kotač s prednjim bacanjem vode složenije je konstrukcije i dizajna od prethodnog vodenog kotača s prednjim bacanjem vode jer koristi kante ili male odjeljke za hvatanje i zadržavanje vode.
Ove kante se pune vodom koja teče na vrhu kotača. Gravitacijska težina vode u punim kantama uzrokuje rotaciju kotača oko svoje središnje osi dok prazne kante s druge strane kotača postaju lakše.
Ova vrsta vodenog kotača koristi gravitaciju za poboljšanje učinka, kao i same vode, stoga su vodeni kotači s prednjim udarom mnogo učinkovitiji od onih s podudarnim udarom jer se gotovo sva voda i njezina težina koriste za proizvodnju izlazne snage. Međutim, kao i prije, energija vode koristi se samo jednom za okretanje kotača, nakon čega otječe s ostatkom vode.
Vodeni kotači s preljevom visjele su iznad rijeke ili potoka i obično su izgrađeni na obroncima brda, osiguravajući opskrbu vodom odozgo s niskim padom (vertikalna udaljenost između vode na vrhu i rijeke ili potoka ispod) između 5 i 20 metara. Može se izgraditi mala brana ili preljev i koristiti za usmjeravanje i povećanje brzine vode do vrha kotača, dajući mu više energije, ali volumen vode, a ne njezina brzina, pomaže u okretanju kotača.

Općenito, vodeni kotači s prednjim udarom grade se što je moguće veći kako bi se osigurala najveća moguća udaljenost glave za gravitacijsku težinu vode za okretanje kotača. Međutim, vodeni kotači velikog promjera su složeniji i skuplji za izradu zbog težine kotača i vode.
Kada se pojedinačne kante napune vodom, gravitacijska težina vode uzrokuje rotaciju kotača u smjeru toka vode. Kako se kut rotacije približava dnu kotača, voda unutar kante se prazni u rijeku ili potok ispod, ali težina kanti koje se okreću iza nje uzrokuje da kotač nastavi svojom brzinom rotacije. Prazna kanta nastavlja kružiti oko rotirajućeg kotača sve dok se ponovno ne vrati na vrh, spremna za punjenje s još vode, a ciklus se ponavlja. Jedan od nedostataka dizajna vodenog kotača s prednaponom je taj što se voda koristi samo jednom dok teče preko kotača.

Dizajn vodenog kotača Pitchback
Dizajn vodenog kotača s nagibom je varijacija prethodnog vodenog kotača s nagibom jer također koristi gravitacijsku težinu vode za okretanje kotača, ali također koristi protok otpadne vode ispod njega za dodatni potisak. Ova vrsta dizajna vodenog kotača koristi sustav dovoda s niskim tlakom koji dovodi vodu blizu vrha kotača iz žlijeba iznad.
Za razliku od vodenog kotača s previsokim smjerom koji je usmjeravao vodu izravno preko kotača uzrokujući njegovo okretanje u smjeru toka vode, vodeni kotač s nagibom dovodi vodu okomito prema dolje kroz lijevak i u kantu ispod, uzrokujući da se kotač okreće u suprotnom smjeru od toka vode iznad.
Baš kao i kod prethodnog vodenog kotača s preopterećenjem, gravitacijska težina vode u kantama uzrokuje rotaciju kotača, ali u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Kako se kut rotacije približava dnu kotača, voda zarobljena unutar kanti prazni se prema dolje. Kako se prazna kanta pričvršćuje na kotač, ona nastavlja rotirati s kotačem kao i prije sve dok se ponovno ne vrati na vrh spremna za punjenje s još vode i ciklus se ponavlja.
Razlika je ovaj put u tome što otpadna voda ispražnjena iz rotirajuće kante otječe u smjeru rotirajućeg kotača (jer nema kamo drugdje otići), slično principu vodenog kotača s podtočkom. Dakle, glavna prednost vodenog kotača s nagibom je ta što koristi energiju vode dva puta, jednom odozgo i jednom odozdo, za rotaciju kotača oko njegove središnje osi.
Rezultat je da se učinkovitost dizajna vodenog kotača znatno povećava na preko 80% energije vode jer ga pokreću i gravitacijska težina dolazne vode i sila ili tlak vode usmjerene u kante odozgo, kao i protok otpadne vode odozdo koji gura kante. Nedostatak vodenog kotača s nagibom unatrag je taj što mu je potreban nešto složeniji sustav dovoda vode izravno iznad kotača s žljebovima i kanalima.

Dizajn vodenog kotača Breastshot
Dizajn vodenog kotača s prsnim udarom je još jedan vertikalno postavljen dizajn vodenog kotača gdje voda ulazi u kante otprilike na pola visine osovine ili odmah iznad nje, a zatim istječe na dnu u smjeru rotacije kotača. Općenito, vodeni kotač s prsnim udarom koristi se u situacijama kada glava vode nije dovoljna za pogon vodenog kotača s prebrzim udarom ili udarom odozgo.
Nedostatak je što se gravitacijska težina vode koristi samo za otprilike jednu četvrtinu rotacije, za razliku od prije, kada se koristila za polovicu rotacije. Kako bi se prevladala ta niska visina tlaka, lopate vodenih kotača su šire kako bi se iz vode izvukla potrebna količina potencijalne energije.
Vodeni kotači s prsnim udarom koriste približno istu gravitacijsku težinu vode za okretanje kotača, ali budući da je visina glave vode otprilike upola manja od tipičnog vodenog kotača s prednjim udarom, kante su puno šire od prethodnih dizajna vodenih kotača kako bi se povećao volumen vode uhvaćene u kante. Nedostatak ove vrste dizajna je povećanje širine i težine vode koju nosi svaka kanta. Kao i kod dizajna s nagibom unatrag, vodeni kotač s prsnim udarom dvostruko koristi energiju vode jer je vodeni kotač dizajniran da stoji u vodi, omogućujući otpadnoj vodi da pomogne u rotaciji kotača dok otječe nizvodno.

Generiranje električne energije pomoću vodenog kotača
Vodeni kotači su se povijesno koristili za mljevenje brašna, žitarica i druge slične mehaničke zadatke. No, vodeni kotači mogu se koristiti i za proizvodnju električne energije, što se naziva hidroenergetski sustav. Spajanjem električnog generatora na rotirajuću osovinu vodenih kotača, izravno ili neizravno pomoću pogonskih remena i remenica, vodeni kotači se mogu koristiti za kontinuiranu proizvodnju energije 24 sata dnevno, za razliku od solarne energije. Ako je vodeni kotač ispravno dizajniran, mali ili "mikro" hidroelektrični sustav može proizvesti dovoljno električne energije za napajanje rasvjete i/ili električnih uređaja u prosječnom domu.
Potražite generatore s vodenim kotačem dizajnirane za optimalnu proizvodnju pri relativno niskim brzinama. Za male projekte, mali istosmjerni motor može se koristiti kao generator niske brzine ili automobilski alternator, ali oni su dizajnirani za rad pri mnogo većim brzinama, tako da može biti potreban neki oblik zupčanika. Generator s vjetroturbinom idealan je generator s vodenim kotačem jer je dizajniran za rad pri niskoj brzini i visokoj snazi.
Ako se u blizini vašeg doma ili vrta nalazi prilično brza rijeka ili potok koji možete koristiti, tada bi mali hidroelektrani mogli biti bolja alternativa drugim oblicima obnovljivih izvora energije poput „energije vjetra“ ili „solarne energije“ jer imaju puno manji vizualni utjecaj. Također, baš kao i kod energije vjetra i sunca, s malim sustavom za proizvodnju vodenice spojenim na mrežu, spojenim na lokalnu komunalnu mrežu, sva električna energija koju proizvedete, ali ne koristite, može se prodati natrag elektroenergetskoj tvrtki.
U sljedećem vodiču o hidroenergiji, pogledat ćemo različite vrste dostupnih turbina koje bismo mogli pričvrstiti na naš dizajn vodenih kotača za proizvodnju hidroenergije. Za više informacija o dizajnu vodenih kotača i kako generirati vlastitu električnu energiju koristeći snagu vode ili za dobivanje više informacija o hidroenergiji o raznim dostupnim dizajnima vodenih kotača ili za istraživanje prednosti i nedostataka hidroenergije, kliknite ovdje da biste danas naručili svoj primjerak s Amazona o principima i konstrukciji vodenih kotača koji se mogu koristiti za proizvodnju električne energije.