Vízkerék-tervezés vízenergiához
vízenergia ikonA vízenergia egy olyan technológia, amely a mozgó víz mozgási energiáját mechanikai vagy elektromos energiává alakítja, és az egyik legkorábbi eszköz, amelyet a mozgó víz energiájának használható munkává alakítására használtak, a Waterwheel Design volt.
A vízikerék kialakítása az idők során sokat fejlődött, egyes vízikerekek függőlegesen, mások vízszintesen helyezkednek el, és vannak bonyolult csigák és fogaskerekek is, de mindegyiket ugyanazon funkció ellátására tervezték, mégpedig arra, hogy „a mozgó víz lineáris mozgását forgó mozgássá alakítsa, amely bármilyen, forgó tengelyen keresztül hozzá csatlakoztatott gép meghajtására használható”.
Tipikus vízikerék-kialakítás
A korai vízikerék-kialakítások meglehetősen primitív és egyszerű gépek voltak, amelyek egy függőleges fakerékből álltak, amelynek kerületén egyenletesen rögzített fa pengéket vagy vödröket egy vízszintes tengely tartott, és az alatta folyó víz ereje tangenciális irányban a pengéknek nyomta a kereket.
Ezek a függőleges vízikerekek messze felülmúlták az ókori görögök és egyiptomiak korábbi vízszintes vízikerék-kialakításait, mivel hatékonyabban tudták működtetni a mozgó víz lendületét energiává alakítva. A vízikerékhez ezután csigákat és fogaskerekeket rögzítettek, amelyek lehetővé tették a forgó tengely irányának vízszintesről függőlegesre való megváltoztatását, így malomköveket lehetett működtetni, fát fűrészelni, ércet zúzni, sajtolni és vágni stb.
A vízkerék-tervezés típusai
A legtöbb vízikerék, más néven vízimalom vagy egyszerűen vízikerék, függőlegesen szerelt kerék, amely egy vízszintes tengely körül forog. Ezeket a vízikerekeket a víz kerék tengelyéhez viszonyított hozama alapján osztályozzák. Ahogy az várható, a vízikerekek viszonylag nagy gépek, amelyek alacsony szögsebességgel forognak, és alacsony hatásfokkal rendelkeznek a súrlódási veszteségek és a vödrök hiányos feltöltődése miatt.
A víznek a kerekek vödreire vagy lapátjaira gyakorolt nyomása nyomatékot fejt ki a tengelyen, de ha a vizet a kerék különböző pontjairól ezekre a lapátokra és vödrökre irányítjuk, a forgási sebesség és a hatásfok javítható. A két leggyakoribb vízikerék-kialakítás az „alulütős vízikerék” és a „túlütős vízikerék”.
Alulról lőtt vízkerék-kialakítás
Az alulról lefelé irányuló vízikerék-kialakítás, más néven „patakkerék”, az ókori görögök és rómaiak által tervezett leggyakrabban használt vízikerék-típus volt, mivel ez a legegyszerűbb, legolcsóbb és legkönnyebben megépíthető keréktípus.
Az ilyen típusú vízikerék-kialakításnál a kereket egyszerűen közvetlenül a gyorsan folyó folyóba helyezik, és felülről támasztják alá. Az alatta lévő víz mozgása nyomóerőt fejt ki a kerék alsó részén található elmerült lapátokra, lehetővé téve, hogy a kerék csak egy irányba forogjon a víz áramlási irányához képest.
Az ilyen típusú vízikerék-kialakítást általában sík területeken használják, ahol nincs természetes lejtés, vagy ahol a víz áramlása kellően gyors. Más vízikerék-kialakításokkal összehasonlítva ez a fajta kialakítás nagyon hatástalan, a víz potenciális energiájának mindössze 20%-át használják fel a kerék tényleges forgatásához. Ezenkívül a víz energiáját csak egyszer használják fel a kerék forgatásához, utána a többi vízzel együtt elfolyik.
Az alulról lefelé haladó vízkerék további hátránya, hogy nagy mennyiségű, nagy sebességgel mozgó vizet igényel. Ezért az alulról lefelé haladó vízkerekeket általában folyók partján helyezik el, mivel a kisebb patakok vagy patakok nem rendelkeznek elegendő potenciális energiával a mozgó vízben.
Az alulról csapódó vízikerék hatásfokának kismértékű javításának egyik módja, hogy a folyó vízének egy bizonyos százalékát egy keskeny csatorna vagy vezeték mentén elterelik, így az elterelt víz 100%-a a kerék forgatására szolgál. Ennek eléréséhez az alulról csapódó keréknek keskenynek kell lennie, és nagyon pontosan illeszkednie kell a csatornába, hogy megakadályozza a víz elfolyását az oldalak mentén, vagy a lapátok számának vagy méretének növelésével.
Túlzott vízkerék-tervezés
A túllövetű vízikerék-kialakítás a leggyakoribb vízikerék-kialakítás. A túllövetű vízikerék felépítése és kialakítása bonyolultabb, mint az előző alullövetű vízikerék, mivel vödröket vagy kis rekeszeket használ a víz felfogására és megtartására.
Ezek a vödrök a kerék tetején beáramló vízzel telik meg. A teli vödrökben lévő víz gravitációs súlya miatt a kerék a központi tengelye körül forog, miközben a kerék másik oldalán lévő üres vödrök könnyebbé válnak.
Ez a fajta vízikerék a gravitációt használja a teljesítmény és a víz hatékonyságának növelésére, így a túllövellt vízikerék sokkal hatékonyabb, mint az alullövellt kivitel, mivel szinte az összes vizet és annak súlyát felhasználják a teljesítmény előállításához. Azonban, mint korábban, a víz energiáját csak egyszer használják fel a kerék forgatásához, utána a többi vízzel együtt elfolyik.
A túllövellt vízikerekek folyó vagy patak fölé függesztve, általában domboldalakra építve biztosítják a felülről érkező vízutánpótlást, alacsony, 5-20 méteres vízmagassággal (a felül lévő vízszint és az alatta lévő folyó vagy patak közötti függőleges távolság). Egy kis gát vagy bukómű építhető és használható a víz elvezetésére és sebességének növelésére a kerék tetejére, így több energiát adva neki, de a víz mennyisége, és nem a sebessége segíti a kerék forgatását.
A túllövetű vízikerekeket általában a lehető legnagyobbra építik, hogy a víz gravitációs súlya a lehető legnagyobb fejtávolságot biztosítsa a kerék forgatásához. A nagy átmérőjű vízikerekek azonban bonyolultabbak és drágábbak a kerék és a víz súlya miatt.
Amikor az egyes vödrök megtelnek vízzel, a víz gravitációs súlya miatt a kerék a víz áramlásának irányában forog. Ahogy a forgási szög közelebb kerül a kerék aljához, a vödörben lévő víz az alatta lévő folyóba vagy patakba ürül, de a mögötte forgó vödrök súlya miatt a kerék folytatja a forgási sebességét. Az üres vödör tovább kering a forgó kerék körül, amíg vissza nem ér a tetejére, készen arra, hogy további vízzel töltse fel, és a ciklus megismétlődik. A túllövellt vízikerék-kialakítás egyik hátránya, hogy a vizet csak egyszer használják fel, amint átfolyik a keréken.
A Pitchback Waterwheel Design
A Pitchback Water Wheel kialakítás az előző túllendülő vízikerék egy variációja, mivel ez is a víz gravitációs súlyát használja a kerék forgatásához, de az alatta lévő szennyvíz áramlását is felhasználja a plusz lökés biztosításához. Ez a fajta vízikerék-kialakítás egy alacsony nyomású betápláló rendszert használ, amely a vizet a kerék teteje közelében egy felette lévő csatorna segítségével juttatja be.
A túllendülő vízikerékkel ellentétben, amely a vizet közvetlenül a kerék fölé terelte, és ezáltal a víz áramlásának irányában forogott, a visszapillantó vízikerék függőlegesen lefelé juttatja a vizet egy tölcséren keresztül az alatta lévő vödörbe, aminek következtében a kerék a fenti víz áramlásával ellentétes irányban forog.
Az előző túlpörgetett vízikerékhez hasonlóan a vödrökben lévő víz gravitációs súlya forgásra készteti a kereket, de az óramutató járásával ellentétes irányban. Ahogy a forgási szög a kerék aljához közeledik, a vödrökben rekedt víz kiürül alulra. Ahogy az üres vödör a kerékhez csatlakozik, tovább forog a kerékkel együtt, mint korábban, amíg vissza nem ér a tetejére, készen arra, hogy további vízzel töltse fel, és a ciklus megismétlődik.
A különbség ezúttal az, hogy a forgó vödörből kiürített szennyvíz a forgó kerék irányába folyik el (mivel nincs máshová mennie), hasonlóan az alulról csapódó vízikerék elvéhez. Így a visszacsapó vízikerék fő előnye, hogy kétszer használja fel a víz energiáját, egyszer felülről, egyszer alulról, hogy a kereket a középtengelye körül forgatja.
Az eredmény az, hogy a vízikerék-kialakítás hatásfoka jelentősen megnő, a víz energiájának több mint 80%-ára, mivel azt mind a beáramló víz gravitációs súlya, mind a felülről a vödrökbe irányított víz ereje vagy nyomása, mind pedig az alatta lévő szennyvíz áramlása a vödröknek nyomódik, hajtja. A visszapillantós vízikerék hátránya azonban, hogy egy valamivel bonyolultabb vízellátó rendszerre van szükség közvetlenül a kerék felett, csúszdákkal és csatornarendszerekkel.
A Breastshot Waterwheel Design
A mellsütő vízikerék-kialakítás egy másik függőlegesen szerelt vízikerék-kialakítás, ahol a víz a vödrökbe körülbelül félúton, a tengelymagasságban, vagy közvetlenül felette jut be, majd alul folyik ki a kerekek forgási irányában. Általában a mellsütő vízikereket olyan helyzetekben használják, amikor a vízszint nem elegendő ahhoz, hogy felülről hajtsa meg a túllövellt vagy visszabillentett vízikerék-kialakítást.
A hátránya az, hogy a víz gravitációs súlyát csak a forgás körülbelül negyedében használják, szemben a korábbival, amely a forgás felére vonatkozott. Ennek az alacsony fejmagasságnak a leküzdésére a vízikerekek vödreit szélesebbre készítik, hogy a szükséges mennyiségű potenciális energiát kinyerjék a vízből.
A mellsütőkerék-konstrukciók a víz gravitációs súlyával nagyjából megegyező erőt használnak a kerék forgatásához, de mivel a víz magassága körülbelül fele a tipikus túllövetű vízikerék magasságának, a vödrök sokkal szélesebbek, mint a korábbi vízikerék-kialakítások, hogy növeljék a vödrökben felfogott víz térfogatát. Az ilyen típusú kialakítás hátránya a vödrök által szállított víz szélességének és súlyának növekedése. A hátrafelé billentett vízikerékhez hasonlóan a mellsütőkerék kétszeresen hasznosítja a víz energiáját, mivel a vízikerék úgy van kialakítva, hogy a vízben üljön, lehetővé téve a szennyvíz számára, hogy segítse a kerék forgatását, miközben az lefelé áramlik az áramlaton.
Áramtermelés vízikerékkel
A vízikerekeket történelmileg liszt, gabonafélék őrlésére és más hasonló mechanikai feladatokra használták. De a vízikerekek villamos energia előállítására is használhatók, ezt vízerőmű-rendszernek nevezik. Ha egy elektromos generátort csatlakoztatnak a vízikerekek forgó tengelyéhez, akár közvetlenül, akár közvetve hajtószíjak és szíjtárcsák segítségével, a vízikerekek a napenergiával ellentétben a nap 24 órájában folyamatosan áramot termelhetnek. Ha a vízikereket megfelelően tervezték, egy kis vagy „mikro” vízerőmű-rendszer elegendő áramot képes termelni egy átlagos otthon világításának és/vagy elektromos készülékeinek működtetéséhez.
Olyan vízikerék-generátorokat keressen, amelyek optimális teljesítményt nyújtanak viszonylag alacsony fordulatszámon. Kisebb projektekhez egy kis egyenáramú motor használható alacsony fordulatszámú generátorként vagy autóipari generátorként, de ezeket sokkal nagyobb sebességre tervezték, ezért valamilyen áttételre lehet szükség. A szélturbina-generátor ideális vízikerék-generátor, mivel alacsony fordulatszámú, nagy teljesítményű működésre tervezték.
Ha otthonod vagy kerted közelében van egy viszonylag gyors folyású folyó vagy patak, amelyet használhatsz, akkor egy kisméretű vízerőmű jobb alternatívát jelenthet más megújuló energiaforrásokkal, például a „szélenergiával” vagy a „napenergiával” szemben, mivel sokkal kisebb vizuális hatással bír. A szél- és napenergiához hasonlóan egy hálózatra csatlakoztatott, kisméretű, vízkerékkel működő áramtermelő rendszerrel, amely a helyi közműhálózathoz csatlakozik, a megtermelt, de fel nem használt áramot vissza lehet adni az áramszolgáltatónak.
A következő, vízenergiáról szóló oktatóanyagban megvizsgáljuk a különböző típusú turbinákat, amelyeket vízenergia-termelés céljából vízkerék-tervünkhöz csatlakoztathatunk. Ha többet szeretne megtudni a vízkerék-tervezésről és arról, hogyan termelhet saját áramot a víz erejével, vagy ha további információkat szeretne kapni a vízenergiáról a különböző elérhető vízkerék-tervekről, vagy ha meg szeretné ismerkedni a vízenergia előnyeivel és hátrányaival, kattintson ide, és rendelje meg még ma az Amazonon a villamosenergia-termelésre használható vízkerekek alapelveiről és felépítéséről szóló cikket.
Közzététel ideje: 2021. június 25.
