תכנון גלגל מים לפרויקט הידרואלקטרי

תכנון גלגלי מים לאנרגיה הידרואלקטרית
סמל אנרגיה הידרואלקטרית היא טכנולוגיה הממירה את האנרגיה הקינטית של מים בתנועה לאנרגיה מכנית או חשמלית, ואחד המכשירים המוקדמים ביותר ששימשו להמרת האנרגיה של מים בתנועה לעבודה שמישה היה עיצוב גלגל המים.
עיצוב גלגלי מים התפתח עם הזמן, כאשר חלקם מכוונים אנכית, חלקם אופקית וחלקם עם גלגלות וגלגלי שיניים מורכבים המחוברים אליהם, אך כולם נועדו לבצע את אותה פונקציה, כלומר גם "להמיר את התנועה הליניארית של המים הנעים לתנועה סיבובית שניתן להשתמש בה כדי להניע כל מכונה המחוברת אליה באמצעות ציר מסתובב".

עיצוב גלגל מים טיפוסי
עיצוב גלגלי מים מוקדם היה מכונות פרימיטיביות ופשוטות למדי, המורכבות מגלגל עץ אנכי עם להבים או דליים מעץ המקובעים באופן שווה מסביב להיקף שלהם, כולם נתמכים על ציר אופקי כאשר כוח המים הזורמים מתחתיו דוחף את הגלגל בכיוון משיק כנגד הלהבים.
גלגלי מים אנכיים אלה היו עדיפים בהרבה על עיצוב גלגל המים האופקי הקודם של היוונים והמצרים הקדמונים, משום שהם יכלו לפעול בצורה יעילה יותר ולתרגם את המומנטום של המים הנעים לאנרגיה. גלגלות וגלגלי שיניים חוברו לאחר מכן לגלגל המים, מה שאפשר שינוי כיוון של ציר מסתובב מאופקי לאנכי על מנת להפעיל אבני ריחיים, ניסור עץ, ריסוק עפרות, רקיעה וחיתוך וכו'.

סוגי עיצוב גלגלי מים
רוב גלגלי המים, הידועים גם כטחנות מים או פשוט גלגלי מים, הם גלגלים המותקנים אנכית המסתובבים סביב ציר אופקי, וסוגים אלה של גלגלי מים מסווגים לפי האופן שבו המים מוחדרים לגלגל, יחסית לציר הגלגל. כפי שניתן לצפות, גלגלי מים הם מכונות גדולות יחסית המסתובבות במהירויות זוויתיות נמוכות, ובעלות יעילות נמוכה, עקב הפסדים כתוצאה מחיכוך ומילוי לא שלם של הדליים וכו'.
פעולת המים הדוחפים כנגד הדליים או המשוטים של הגלגלים יוצרת מומנט על הציר, אך על ידי כיוון המים אל המשוטים והדליים הללו ממיקומים שונים על הגלגל, ניתן לשפר את מהירות הסיבוב ואת יעילותם. שני הסוגים הנפוצים ביותר של עיצוב גלגלי מים הם "גלגל מים תת-קרקעי" ו"גלגל מים עילי".

עיצוב גלגל מים אנדרשוט
עיצוב גלגל המים אנדרשוט, המכונה גם "גלגל נחל", היה סוג גלגל המים הנפוץ ביותר שתוכנן על ידי היוונים והרומאים הקדמונים, מכיוון שזהו סוג הגלגל הפשוט, הזול והקל ביותר לבנייה.
בסוג זה של עיצוב גלגל מים, הגלגל ממוקם ישירות לתוך נהר זורם במהירות ונתמך מלמעלה. תנועת המים למטה יוצרת פעולת דחיפה כנגד המשוטים השקועים בחלק התחתון של הגלגל, מה שמאפשר לו להסתובב בכיוון אחד בלבד יחסית לכיוון זרימת המים.
סוג זה של עיצוב גלגל מים משמש בדרך כלל באזורים שטוחים ללא שיפוע טבעי של הקרקע או במקומות בהם זרימת המים מהירה מספיק. בהשוואה לעיצובים אחרים של גלגלי מים, סוג זה של עיצוב אינו יעיל במיוחד, כאשר רק 20% מאנרגיית המים הפוטנציאלית משמשת לסיבוב הגלגל בפועל. כמו כן, אנרגיית המים משמשת פעם אחת בלבד לסיבוב הגלגל, ולאחר מכן היא זורמת עם שאר המים.
חיסרון נוסף של גלגל המים התת-קרקעי הוא שהוא דורש כמויות גדולות של מים הנעים במהירות. לכן, גלגלי מים תת-קרקעיים ממוקמים בדרך כלל על גדות נהרות, מכיוון שלנחלים או פלגים קטנים יותר אין מספיק אנרגיה פוטנציאלית במים הנעים.
דרך אחת לשפר מעט את היעילות של גלגל מים תת-קרקעי היא להטות אחוז מסוים מהמים בנהר לאורך תעלה או צינור צר, כך ש-100% מהמים המופנים ישמשו לסיבוב הגלגל. על מנת להשיג זאת, גלגל המים התת-קרקעי צריך להיות צר ולהתאים בצורה מדויקת מאוד בתוך התעלה כדי למנוע מהמים לברוח מסביב לדפנות, או על ידי הגדלת מספר או גודל המשוטים.

עיצוב גלגל מים אוברשוט
עיצוב גלגל המים העילי הוא הסוג הנפוץ ביותר של עיצוב גלגל מים. גלגל המים העילי מורכב יותר בבנייתו ובעיצובו מאשר גלגל המים התת-יילי הקודם, מכיוון שהוא משתמש בדליים או בתאים קטנים כדי לתפוס ולאחסן את המים.
דליים אלה מתמלאים במים הזורמים פנימה בחלקו העליון של הגלגל. משקל הכבידה של המים בדליים המלאים גורם לגלגל להסתובב סביב צירו המרכזי, כאשר הדליים הריקים בצד השני של הגלגל הופכים קלים יותר.
גלגל מים מסוג זה משתמש בכוח המשיכה כדי לשפר את התפוקה כמו גם את המים עצמם, ולכן גלגלי מים בעלי זרם עילי יעילים הרבה יותר מגלגלי מים בעלי זרם עילי, מכיוון שכמעט כל המים ומשקלם משמשים לייצור כוח פלט. עם זאת, כמו בעבר, אנרגיית המים משמשת פעם אחת בלבד כדי לסובב את הגלגל, ולאחר מכן היא זורמת עם שאר המים.
גלגלי מים עיליים תלויים מעל נהר או נחל ובנויים בדרך כלל על צדי גבעות ומספקים אספקת מים מלמעלה עם משטח נמוך (המרחק האנכי בין המים בראש הגלגל לנהר או הנחל שמתחת) של בין 5 ל-20 מטרים. ניתן לבנות סכר קטן או סכר ולהשתמש בו כדי לתעל ולהגביר את מהירות המים לראש הגלגל, מה שנותן לו יותר אנרגיה, אך נפח המים ולא מהירותם הוא המסייע לסובב את הגלגל.

באופן כללי, גלגלי מים בעלי קוטר גבוה בנויים בגודל גדול ככל האפשר כדי לתת את מרחק הראש הגדול ביותר האפשרי למשקל הכבידה של המים לסובב את הגלגל. עם זאת, גלגלי מים בקוטר גדול הם מסובכים ויקרים יותר לבנייה עקב משקל הגלגל והמים.
כאשר הדליים הבודדים מתמלאים במים, משקל הכבידה של המים גורם לגלגל להסתובב בכיוון זרימת המים. ככל שזווית הסיבוב מתקרבת לתחתית הגלגל, המים בתוך הדלי מתרוקנים אל הנהר או הנחל שמתחת, אך משקל הדליים המסתובבים מאחוריו גורם לגלגל להמשיך במהירות הסיבוב שלו. הדלי הריק ממשיך להקיף את הגלגל המסתובב עד שהוא חוזר למעלה, מוכן להתמלא בעוד מים והמחזור חוזר על עצמו. אחד החסרונות של עיצוב גלגל מים בעל זרם יתר הוא שהמים משמשים רק פעם אחת כשהם זורמים מעל הגלגל.

עיצוב גלגל המים פיצ'בק
עיצוב גלגל המים Pitchback הוא וריאציה על גלגל המים הקודם, שכן הוא משתמש גם במשקל הכבידה של המים כדי לסייע בסיבוב הגלגל, אך הוא גם משתמש בזרימת מי השפכים שמתחתיו כדי לתת דחיפה נוספת. סוג זה של עיצוב גלגל מים משתמש במערכת הזנה בעלת עומק נמוך המספקת את המים קרוב לראש הגלגל ממעבר מעל.
בניגוד לגלגל המים העילי (Overshot), אשר הזרימה את המים ישירות מעל הגלגל וגרמה לו להסתובב בכיוון זרימת המים, גלגל המים הזוויתי (Pitchback) מזין את המים אנכית כלפי מטה דרך משפך ולתוך הדלי שמתחת, וגורם לגלגל להסתובב בכיוון ההפוך לזרימת המים שמעליו.
בדיוק כמו גלגל המים העולה הקודם, משקל הכבידה של המים בדליים גורם לגלגל להסתובב אך נגד כיוון השעון. ככל שזווית הסיבוב מתקרבת לתחתית הגלגל, המים הלכודים בתוך הדליים מתרוקנים למטה. כאשר הדלי הריק מחובר לגלגל, הוא ממשיך להסתובב עם הגלגל כמקודם עד שהוא חוזר למעלה ומוכן להתמלא בעוד מים והמחזור חוזר על עצמו.
ההבדל הפעם הוא שמי השפכים המרוקנים מהדלי המסתובב זורמים לכיוון הגלגל המסתובב (מכיוון שאין להם לאן ללכת), בדומה לעיקרון גלגל המים התת-קרקעי. לכן, היתרון העיקרי של גלגל המים ההפוך הוא שהוא משתמש באנרגיה של המים פעמיים, פעם מלמעלה ופעם מלמטה כדי לסובב את הגלגל סביב צירו המרכזי.
התוצאה היא שהיעילות של תכנון גלגל המים גדלה משמעותית, ליותר מ-80% מאנרגיית המים, שכן היא מונעת הן על ידי משקל הכבידה של המים הנכנסים והן על ידי הכוח או הלחץ של המים המופנים אל הדליים מלמעלה, כמו גם על ידי זרימת מי השפכים למטה הדוחפים כנגד הדליים. החיסרון של גלגל מים מסוג "pitchback" הוא שהוא זקוק לסידור אספקת מים מורכב מעט יותר ישירות מעל הגלגל, עם מגלשות ותעלות מעבר.

עיצוב גלגל המים של Breastshot
עיצוב גלגל המים Breastshot הוא עיצוב נוסף של גלגל מים המותקן אנכית, שבו המים נכנסים לדליים בערך באמצע גובה הציר, או מעט מעליו, ואז זורמים החוצה בתחתית בכיוון סיבוב הגלגלים. באופן כללי, גלגל המים breastshot משמש במצבים בהם ראש המים אינו מספיק כדי להפעיל גלגל מים Overshot או Pitchback מלמעלה.
החיסרון כאן הוא שמשקל הכבידה של המים משמש רק כרבע מהסיבוב, בניגוד לבעבר, שהיה משמש למחצית מהסיבוב. כדי להתגבר על גובה הראש הנמוך הזה, דליי גלגלי המים רחבים יותר כדי להפיק את כמות האנרגיה הפוטנציאלית הנדרשת מהמים.
גלגלי מים מסוג Breastshot משתמשים בערך באותו משקל כבידה של המים כדי לסובב את הגלגל, אך מכיוון שגובה ראש המים הוא כמחצית מגובה גלגל מים מסוג Overshot טיפוסי, הדליים רחבים בהרבה מתכנני גלגלי מים קודמים כדי להגדיל את נפח המים הנלכדים בדליים. החיסרון של סוג זה של עיצוב הוא עלייה ברוחב ובמשקל המים הנישאים על ידי כל דלי. בדומה לעיצוב Pitchback, גלגל ה-Breastshot משתמש באנרגיה של המים פי שניים, מכיוון שגלגל המים נועד לשבת במים, מה שמאפשר למי השפכים לסייע בסיבוב הגלגל כשהוא זורם במורד הזרם.

לייצר חשמל באמצעות גלגל מים
מבחינה היסטורית, גלגלי מים שימשו לטחינת קמח, דגנים ומשימות מכניות דומות אחרות. אך גלגלי מים יכולים לשמש גם לייצור חשמל, הנקראת מערכת אנרגיה הידרואלקטרית. על ידי חיבור גנרטור חשמלי לציר המסתובב של גלגלי המים, באופן ישיר או עקיף באמצעות רצועות הנעה וגלגלות, ניתן להשתמש בגלגלי מים כדי לייצר חשמל ברציפות 24 שעות ביממה, בניגוד לאנרגיה סולארית. אם גלגל המים מתוכנן נכון, מערכת הידרואלקטרית קטנה או "מיקרו" יכולה לייצר מספיק חשמל כדי להפעיל תאורה ו/או מכשירי חשמל בבית ממוצע.
חפשו גנרטורים מסוג גלגל מים שנועדו לייצר את תפוקתם האופטימלית במהירויות נמוכות יחסית. עבור פרויקטים קטנים, ניתן להשתמש במנוע DC קטן כגנרטור במהירות נמוכה או כאלטרנטור לרכב, אך אלה נועדו לעבוד במהירויות גבוהות בהרבה, כך שייתכן שיידרש סוג כלשהו של גיר. גנרטור טורבינת רוח הוא גנרטור גלגל מים אידיאלי מכיוון שהוא נועד לפעולה במהירות נמוכה ובתפוקה גבוהה.
אם יש נהר או נחל זורם במהירות יחסית בקרבת הבית או הגינה שלכם שתוכלו להשתמש בו, אז מערכת אנרגיה הידרואלקטרית בקנה מידה קטן עשויה להיות אלטרנטיבה טובה יותר לצורות אחרות של מקורות אנרגיה מתחדשים כמו "אנרגיית רוח" או "אנרגיה סולארית", מכיוון שיש לה השפעה חזותית הרבה פחותה. כמו כן, בדומה לאנרגיית רוח ושמש, עם מערכת ייצור בקנה מידה קטן המחוברת לרשת החשמל המקומית, כל חשמל שאתם מייצרים אך אינכם משתמשים בו ניתן למכור בחזרה לחברת החשמל.
במדריך הבא על אנרגיה הידרואלקטרית, נבחן את הסוגים השונים של טורבינות הזמינות שנוכל לחבר לעיצוב גלגל המים שלנו לייצור חשמל הידרואלקטרי. למידע נוסף על עיצוב גלגל מים וכיצד לייצר חשמל משלכם באמצעות כוח המים, או לקבלת מידע נוסף על אנרגיה הידרואלקטרית אודות עיצובים שונים של גלגלי מים הזמינים, או כדי לחקור את היתרונות והחסרונות של אנרגיה הידרואלקטרית, לחצו כאן כדי להזמין את העותק שלכם מאמזון עוד היום, אודות עקרונות ובניית גלגלי מים בהם ניתן להשתמש לייצור חשמל.