Hönnun vatnshjóla fyrir vatnsaflsorku
Vatnsorka er tækni sem breytir hreyfiorku vatns á hreyfingu í vélræna eða raforku og eitt af elstu tækjunum sem notuð voru til að breyta orku vatns á hreyfingu í nothæfa vinnu var vatnshjólahönnunin.
Hönnun vatnshjóla hefur þróast með tímanum, sum eru lóðrétt, önnur lárétt og önnur með flóknum trissum og gírum, en þau eru öll hönnuð til að gegna sama hlutverki og það er líka að „breyta línulegri hreyfingu vatnsrennslis í snúningshreyfingu sem hægt er að nota til að knýja hvaða vél sem er sem er tengd henni með snúningsás“.
Dæmigerð hönnun vatnshjóla
Snemmbúnar hönnun vatnshjóla voru frekar frumstæðar og einfaldar vélar sem samanstóðu af lóðréttu tréhjóli með tréblöðum eða fötum sem voru festar jafnt meðfram ummál þeirra, allar studdar á láréttum ás þar sem kraftur vatnsins sem streymdi undir hjólið ýtti í snertiátt á móti blöðunum.
Þessi lóðréttu vatnshjól voru mun betri en fyrri hönnun láréttra vatnshjóla Forn-Grikkja og Egypta, því þau gátu starfað skilvirkari og umbreytt skriðþunga vatnsins í kraft. Talíur og gírar voru síðan festir við vatnshjólið sem gerði kleift að breyta stefnu snúningsássins úr láréttri í lóðrétta stefnu til að knýja myllusteina, sagvið, mylja málmgrýti, stimpla og skera o.s.frv.
Tegundir vatnshjólahönnunar
Flest vatnshjól, einnig þekkt sem vatnsmyllur eða einfaldlega vatnshjól, eru lóðrétt fest hjól sem snúast um láréttan ás og þessar gerðir vatnshjóla eru flokkaðar eftir því hvernig vatnið er veitt á hjólið, miðað við ás hjólsins. Eins og við er að búast eru vatnshjól tiltölulega stórar vélar sem snúast við lágan hraða og hafa litla skilvirkni vegna taps vegna núnings og ófullnægjandi fyllingar fötanna o.s.frv.
Áhrif vatnsins sem þrýst er á hjólin, föturnar eða spaðana, mynda tog á ásinn en með því að beina vatninu að þessum spöðum og fötunum frá mismunandi stöðum á hjólinu er hægt að bæta snúningshraða og skilvirkni hans. Tvær algengustu gerðir vatnshjólahönnunar eru „undirskotsvatnshjól“ og „yfirskotsvatnshjól“.
Hönnun vatnshjóls undir skoti
Undershot vatnshjólið, einnig þekkt sem „lækhjól“, var algengasta gerð vatnshjóls sem Forn-Grikkir og Rómverjar hönnuðu, þar sem það er einfaldasta, ódýrasta og auðveldasta gerðin hjóls í smíði.
Í þessari gerð vatnshjólahönnunar er hjólið einfaldlega sett beint í hraðrennandi á og stutt að ofan. Hreyfing vatnsins fyrir neðan skapar þrýsting gegn kafi í spöðunum á neðri hluta hjólsins sem gerir því kleift að snúast aðeins í eina átt miðað við stefnu vatnsrennslis.
Þessi tegund vatnshjólahönnunar er almennt notuð á sléttum svæðum án náttúrulegs halla eða þar sem vatnsrennslið er nægilega hratt. Í samanburði við aðrar vatnshjólahönnanir er þessi tegund hönnunar mjög óhagkvæm, þar sem aðeins 20% af hugsanlegri orku vatnsins er notað til að snúa hjólinu í raun. Einnig er orka vatnsins aðeins notuð einu sinni til að snúa hjólinu, eftir það rennur hún burt með restinni af vatninu.
Annar ókostur við undirvatnshjól er að það krefst mikils vatns sem streymir hratt. Þess vegna eru undirvatnshjól yfirleitt staðsett á bökkum áa þar sem minni lækir eða lækir hafa ekki næga orku í straumvatninu.
Ein leið til að auka skilvirkni undirvatnshjóls örlítið er að beina hluta af vatninu í ánni eftir þröngum farvegi eða rás þannig að 100% af fráveittu vatninu sé notað til að snúa hjólinu. Til að ná þessu þarf undirvatnshjólið að vera þröngt og passa mjög nákvæmlega inni í farveginum til að koma í veg fyrir að vatnið sleppi meðfram hliðunum, eða með því að auka annað hvort fjölda eða stærð spaða.
Hönnun vatnshjóls með yfirskoti
Yfirskotsvatnshjólið er algengasta gerð vatnshjólsins. Yfirskotsvatnshjólið er flóknara í smíði og hönnun en fyrra undirskotsvatnshjólið þar sem það notar fötur eða lítil hólf til að bæði grípa og halda vatninu.
Þessar fötur fyllast af vatni sem rennur inn efst í hjólinu. Þyngdarafl vatnsins í fullum fötum veldur því að hjólið snýst um miðás sinn þar sem tómu föturnar hinum megin við hjólið verða léttari.
Þessi tegund vatnshjóls notar þyngdarafl til að auka afköstin, sem og vatnið sjálft, þannig að yfirskotnar vatnshjól eru mun skilvirkari en undirskotnar vatnshjól þar sem næstum allt vatnið og þyngd þess er notað til að framleiða afköst. Hins vegar, eins og áður, er orka vatnsins aðeins notuð einu sinni til að snúa hjólinu, eftir það rennur það burt með restinni af vatninu.
Yfirvatnshjól eru hengd fyrir ofan á eða læk og eru almennt byggð á hlíðum hæðar og veita vatnsveitu að ofan með lágum vatnsþrýstingi (lóðrétt fjarlægð milli vatnsins efst og árinnar eða lækjarins fyrir neðan) á bilinu 5 til 20 metra. Hægt er að byggja litla stíflu eða stíflu og nota hana til að bæði beina og auka hraða vatnsins upp á topp hjólsins og gefa því meiri orku, en það er rúmmál vatnsins frekar en hraði þess sem hjálpar til við að snúa hjólinu.
Almennt eru vatnshjól með yfirskoti smíðuð eins stór og mögulegt er til að gefa sem mesta mögulega höfuðfjarlægð fyrir þyngd vatnsins til að snúa hjólinu. Hins vegar eru vatnshjól með stórum þvermál flóknari og dýrari í smíði vegna þyngdar hjólsins og vatnsins.
Þegar einstakar fötur eru fylltar af vatni veldur þyngdarkraftur vatnsins því að hjólið snýst í átt að vatnsrennslinu. Þegar snúningshornið nálgast botn hjólsins tæmist vatnið inni í fötunni út í ána eða lækinn fyrir neðan, en þyngd fötanna sem snúast á eftir því veldur því að hjólið heldur áfram snúningshraða sínum. Tóma fötan heldur áfram í kringum snúningshjólið þar til hún kemst aftur upp á toppinn, tilbúin til að fyllast með meira vatni og hringrásin endurtekur sig. Einn af ókostunum við hönnun með yfirskotsvatnshjóli er að vatnið er aðeins notað einu sinni þegar það rennur yfir hjólið.
Hönnun vatnshjólsins Pitchback
Hönnun vatnshjólsins með bakslagi er afbrigði af fyrri yfirskotshjólinu þar sem það notar einnig þyngdarkraft vatnsins til að hjálpa til við að snúa hjólinu, en það notar einnig flæði frárennslisvatnsins fyrir neðan það til að gefa aukaþrýsting. Þessi tegund vatnshjólahönnunar notar lágt vatnsþrýstingskerfi sem veitir vatninu nálægt toppi hjólsins úr rennu fyrir ofan.
Ólíkt yfirskotsvatnshjólinu, sem beindi vatninu beint yfir hjólið og olli því að það snerist í sömu átt og vatnsrennslið, þá færir bakslagsvatnshjólið vatnið lóðrétt niður í gegnum trekt og ofan í fötuna fyrir neðan, sem veldur því að hjólið snýst í gagnstæða átt við vatnsrennslið fyrir ofan.
Rétt eins og með fyrra yfirskotna vatnshjólið veldur þyngdarkraftur vatnsins í fötunum því að hjólið snýst en rangsælis. Þegar snúningshornið nálgast botn hjólsins tæmist vatnið sem er fast inni í fötunum niður fyrir neðan. Þegar tóma fötan er fest við hjólið heldur hún áfram að snúast með hjólinu eins og áður þar til hún kemst aftur upp á toppinn, tilbúin til að fyllast með meira vatni og hringrásin endurtekur sig.
Munurinn að þessu sinni er sá að skólpið sem tæmist úr snúningsfötunni rennur í átt að snúningshjólinu (þar sem það hefur hvergi annars staðar að fara), svipað og í meginreglunni um undirvatnshjólið. Þannig er helsti kosturinn við bakslagsvatnshjólið að það notar orku vatnsins tvisvar, einu sinni að ofan og einu sinni að neðan, til að snúa hjólinu um miðásinn.
Niðurstaðan er sú að skilvirkni vatnshjólsins eykst til muna, eða yfir 80% af orku vatnsins, þar sem hún er knúin áfram bæði af þyngdarafli vatnsins sem streymir inn og af krafti eða þrýstingi vatns sem beint er í föturnar að ofan, sem og flæði frárennslisvatnsins fyrir neðan sem þrýstir á föturnar. Ókosturinn við vatnshjól með afturhalla er þó að það þarfnast aðeins flóknari vatnsveitukerfis beint fyrir ofan hjólið með rennum og niðurföllum.
Hönnun vatnshjólsins með brjóstskoti
Brjóstskotsvatnshjólið er önnur lóðrétt vatnshjólahönnun þar sem vatnið fer inn í föturnar um það bil hálfa leið upp í öxulhæð, eða rétt fyrir ofan hana, og rennur síðan út neðst í snúningsátt hjólanna. Almennt er brjóstskotsvatnshjólið notað í aðstæðum þar sem vatnsþrýstingurinn er ekki nægur til að knýja ofskots- eða bakskotsvatnshjólahönnun að ofan.
Ókosturinn hér er að þyngdarkraftur vatnsins nýtist aðeins í um það bil fjórðung af snúningnum, ólíkt því sem áður var í helming snúningsins. Til að vinna bug á þessari lágu hæð eru föturnar á vatnshjólunum breiðari til að draga út nauðsynlega orku úr vatninu.
Brjóstskothjól nota svipaða þyngdarkraft og vatnið til að snúa hjólinu, en þar sem vatnsþrýstingshæðin er um það bil helmingi hærri en í dæmigerðu yfirskothjóli, eru föturnar mun breiðari en fyrri hönnun vatnshjóla til að auka rúmmál vatnsins sem safnast í fötunum. Ókosturinn við þessa gerð hönnunar er aukning á breidd og þyngd vatnsins sem hver föta ber. Eins og með bakslagshönnunina notar brjóstskothjólið orku vatnsins tvöfalt þar sem vatnshjólið er hannað til að sitja í vatninu, sem gerir frárennslisvatninu kleift að hjálpa til við snúning hjólsins þegar það rennur niður ána.
Rafmagnsframleiðsla með vatnshjóli
Sögulega séð hafa vatnshjól verið notuð til að mala hveiti, korn og önnur slík vélræn verkefni. En vatnshjól geta einnig verið notuð til að framleiða rafmagn, sem kallast vatnsaflsorkukerfi. Með því að tengja rafstöð við snúningsás vatnshjólsins, annað hvort beint eða óbeint með drifreimum og trissum, er hægt að nota vatnshjól til að framleiða rafmagn stöðugt allan sólarhringinn, ólíkt sólarorku. Ef vatnshjólið er hannað rétt getur lítið eða „ör“ vatnsaflsorkukerfi framleitt næga rafmagn til að knýja lýsingu og/eða rafmagnstæki í meðalhúsi.
Leitaðu að vatnshjólsrafstöðvum sem eru hannaðar til að framleiða hámarksafköst við tiltölulega lágan hraða. Fyrir lítil verkefni er hægt að nota lítinn jafnstraumsmótor sem lághraðarafall eða rafal í bíl, en þessir eru hannaðir til að vinna við mun hærri hraða, þannig að einhvers konar gírbúnaður gæti verið nauðsynlegur. Vindmyllurafstöð er tilvalin vatnshjólsrafstöð þar sem hún er hönnuð fyrir lághraða og mikla afköst.
Ef það er tiltölulega hraðrennandi á eða lækur nálægt heimili þínu eða garði sem þú getur notað, þá gæti lítil vatnsaflsorka verið betri kostur en aðrar endurnýjanlegar orkugjafar eins og „vindorka“ eða „sólarorka“ þar sem hún hefur mun minni sjónræn áhrif. Einnig, rétt eins og með vind- og sólarorku, með litlu vatnshjólakerfi sem tengist raforkukerfinu og er tengt við staðbundið veitukerfi, er hægt að selja alla rafmagn sem þú framleiðir en notar ekki til baka til raforkufyrirtækisins.
Í næstu kennslu um vatnsaflsorku munum við skoða mismunandi gerðir af túrbínum sem eru í boði og sem við gætum tengt við vatnshjólahönnun okkar til vatnsaflsframleiðslu. Til að fá frekari upplýsingar um vatnshjólahönnun og hvernig á að framleiða þína eigin rafmagn með vatnsafli, eða til að fá frekari upplýsingar um vatnsaflsorku um ýmsar vatnshjólahönnanir sem eru í boði, eða til að kanna kosti og galla vatnsaflsorku, smelltu þá hér til að panta þitt eintak frá Amazon í dag um meginreglur og smíði vatnshjóla sem hægt er að nota til að framleiða rafmagn.
Birtingartími: 25. júní 2021
