עיצוב גלגל מים עבור פרויקט הידרו-כוח מים

עיצוב גלגל מים עבור אנרגיה הידרו
הידרו אנרגית iconHydro energy היא טכנולוגיה הממירה את האנרגיה הקינטית של מים נעים לאנרגיה מכנית או חשמלית, ואחד המכשירים המוקדמים ביותר ששימשו להמרת האנרגיה של מים נעים לעבודה שמישה היה עיצוב גלגל המים.
עיצוב גלגלי המים התפתח עם הזמן עם כמה גלגלי מים מכוונים אנכית, חלקם אופקית וחלקם עם גלגלות וגלגלי שיניים משוכללים מחוברים, אבל כולם נועדו לעשות את אותה פונקציה וזה גם "להמיר את התנועה הליניארית של המים הנעים לתוך תנועה סיבובית שניתן להשתמש בה כדי להניע כל פיסת מכונות המחוברת אליה באמצעות פיר מסתובב".

עיצוב גלגל מים טיפוסי
עיצוב גלגל מים מוקדם היו מכונות די פרימיטיביות ופשוטות שהורכבו מגלגל עץ אנכי עם להבי עץ או דליים קבועים באופן שווה סביב היקפם, כולם נתמכים על פיר אופקי כאשר כוח המים הזורמים מתחתיו דוחף את הגלגל בכיוון משיק כנגד הלהבים .
גלגלי המים האנכיים הללו היו עדיפים בהרבה על תכנון גלגל המים האופקי המוקדם יותר על ידי היוונים והמצרים הקדמונים, מכיוון שהם יכלו לפעול בצורה יעילה יותר לתרגם את המומנטום של המים הנעים לכוח.לאחר מכן הוצמדו לגלגל המים גלגלות וגלגלי שיניים שאפשרו שינוי כיוון של פיר מסתובב מאופק לאנכי על מנת להפעיל אבני ריחיים, ניסור עצים, כתוש עפרות, הטבעה וחיתוך וכו'.

סוגי עיצוב גלגלי מים
רוב גלגלי המים הידועים גם בשם Watermills או פשוט Water Wheels, הם גלגלים מורכבים אנכית המסתובבים סביב ציר אופקי, וסוגים אלו של גלגלי מים מסווגים לפי האופן בו שמים את המים על הגלגל, ביחס לציר הגלגל.כפי שניתן לצפות, גלגלי מים הם מכונות גדולות יחסית המסתובבות במהירויות זוויתיות נמוכות, ובעלות יעילות נמוכה, עקב הפסדים מחיכוך ומילוי לא שלם של הדליים וכו'.
פעולת הדחיפה של המים כנגד דליים או משוטים של הגלגלים מפתחת מומנט על הציר אך על ידי הפניית המים אל ההנעות והדליים הללו ממצבים שונים על הגלגל ניתן לשפר את מהירות הסיבוב ויעילותו.שני הסוגים הנפוצים ביותר של עיצוב גלגלי מים הם "גלגל המים התחתון" ו-"גלגל המים המוגזם".

עיצוב גלגל מים אנדרשוט
עיצוב גלגל המים של אנדרשוט, הידוע גם בשם "גלגל זרמים" היה הסוג הנפוץ ביותר של גלגל המים שתוכנן על ידי היוונים והרומאים הקדומים, מכיוון שהוא סוג הגלגל הפשוט, הזול והקל ביותר לבנייה.
בסוג זה של עיצוב גלגל מים, הגלגל פשוט ממוקם ישירות לתוך נהר זורם במהירות ונתמך מלמעלה.תנועת המים מתחת יוצרת פעולת דחיפה כנגד המשוטים השקועים בחלק התחתון של הגלגל ומאפשרת לו להסתובב בכיוון אחד בלבד ביחס לכיוון זרימת המים.
סוג זה של עיצוב גלגל מים משמש בדרך כלל באזורים שטוחים ללא שיפוע טבעי של הקרקע או שבהם זרימת המים נעה במהירות מספקת.בהשוואה לשאר העיצובים של גלגלי המים, עיצוב מסוג זה הוא מאוד לא יעיל, כאשר מעט כמו 20% מהאנרגיה הפוטנציאלית של המים מנוצלת למעשה כדי לסובב את הגלגל.כמו כן, אנרגיית המים משמשת רק פעם אחת כדי לסובב את הגלגל, ולאחר מכן היא זורמת משם עם שאר המים.
חסרון נוסף של גלגל המים התחתון 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.
אחת הדרכים לשפר מעט את היעילות של גלגל מים תת-קרקעי היא להטות אחוז מהמים בנהר לאורך תעלה או תעלה צרה כך ש-100% מהמים המופנים משמשים לסיבוב הגלגל.על מנת להשיג זאת גלגל התחתית צריך להיות צר ולהתאים בצורה מדויקת מאוד בתוך התעלה כדי למנוע מהמים לברוח מסביב לדפנות או על ידי הגדלת מספר או גודל ההנעות.

עיצוב גלגל מים אוברשוט
עיצוב גלגל המים Overshot הוא הסוג הנפוץ ביותר של עיצוב גלגלי מים.גלגל המים ה-Overshot מסובך יותר במבנה ובעיצוב שלו מאשר גלגל המים התחתון הקודם, מכיוון שהוא משתמש בדליים או תאים קטנים כדי לתפוס ולהחזיק את המים.
הדליים הללו מתמלאים במים הזורמים בחלק 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.
סוג זה של גלגל מים משתמש בכוח הכבידה כדי לשפר את התפוקה, כמו גם את המים עצמם, ולכן גלגלי מים עולים יעילים הרבה יותר מתכנוני תחתית, מכיוון שכמעט כל המים ומשקלם משמשים לייצור כוח תפוקה.אולם כמו בעבר, אנרגיית המים משמשת רק פעם אחת כדי לסובב את הגלגל, ולאחר מכן היא זורמת משם עם שאר המים.
גלגלי מים עיליים תלויים מעל נהר או נחל ובדרך כלל בנויים על צדי גבעות המספקות אספקת מים מלמעלה עם ראש נמוך (המרחק האנכי בין המים בחלק העליון לנהר או הנחל למטה) של בין 5 ל- -20 מטר.ניתן לבנות סכר קטן או מזבלה קטנה ולהשתמש בהן כדי לתעל ולהגדיל את מהירות המים לראש הגלגל ומעניקים להם יותר אנרגיה, אבל זה נפח המים ולא מהירותם שעוזר לסובב את הגלגל.

בדרך כלל, גלגלי מים עיליים בנויים גדולים ככל האפשר כדי לתת את מרחק הראש הגדול ביותר האפשרי למשקל הכבידה של המים כדי לסובב את הגלגל.עם זאת, גלגלי מים בקוטר גדול מסובכים ויקרים יותר לבנייה בגלל 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 שבתוך הדלי נשפכים אל הנהר או הנחל שמתחתיו, אך משקל הדליים המסתובבים מאחוריו גורם לגלגל להמשיך במהירות הסיבוב שלו.הדלי הריק ממשיך סביב הגלגל המסתובב עד שהוא חוזר למעלה שוב מוכן למילוי נוסף במים והמחזור חוזר על עצמו.אחד החסרונות של עיצוב גלגל מים הוא שהמים משמשים רק פעם אחת כשהם זורמים על הגלגל.

עיצוב גלגל המים Pitchback
עיצוב גלגל המים Pitchback הוא וריאציה על גלגל המים הקודם, שכן הוא משתמש גם במשקל הכבידה של המים כדי לעזור לסובב את הגלגל, אך הוא גם משתמש בזרימת מי הפסולת שמתחתיו כדי לתת דחיפה נוספת.סוג זה של עיצוב גלגל מים משתמש במערכת הזנת ראש נמוך המספקת את המים קרוב לחלק העליון של הגלגל מחוצה מעל.
שלא כמו גלגל המים העובר שזרם את המים ישירות מעל הגלגל וגרם להם להסתובב בכיוון זרימת המים, גלגל המים הזנק מזין את המים אנכית כלפי מטה דרך משפך ולתוך הדלי שמתחת, מה שגורם לגלגל להסתובב בכיוון ההפוך. כיוון לזרימת המים מעל.
בדיוק כמו גלגל המים הקודם, משקל הכבידה של המים בדליים גורם לגלגל להסתובב אך נגד כיוון השעון.כאשר זווית הסיבוב מתקרבת לתחתית הגלגל, המים הכלואים בתוך הדליים מתרוקנים למטה.כשהדלי הריק מחובר לגלגל, הוא ממשיך להסתובב עם הגלגל כמו קודם עד שהוא חוזר למעלה, מוכן למילוי נוסף במים והמחזור חוזר על עצמו.
ההבדל הפעם הוא שהמי שפכים שמתרוקנים מהדלי המסתובב זורמים לכיוון הגלגל המסתובב (כיוון שאין להם לאן ללכת), בדומה לעיקרון גלגל המים.לפיכך היתרון העיקרי של גלגל המים הפיצ'בק הוא בכך שהוא משתמש באנרגיה של המים פעמיים, פעם אחת מלמעלה ופעם אחת מלמטה כדי לסובב את הגלגל סביב הציר המרכזי שלו.
התוצאה היא שהיעילות של עיצוב גלגל המים גדלה מאוד למעל 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 כמו כן זרימת מי השפכים מתחת הדוחפים אל הדליים.עם זאת, החיסרון של גלגל מים הוא שהוא צריך סידור אספקת מים קצת יותר מורכב ישירות מעל הגלגל עם מצנחים וחרוצים.

עיצוב גלגל המים Breastshot
עיצוב גלגל המים Breastshot הוא עיצוב נוסף של גלגל מים מותקן אנכית שבו המים נכנסים לדליים בערך במחצית הדרך למעלה בגובה הסרן, או ממש מעליו, ואז זורמים החוצה בתחתית בכיוון סיבוב הגלגלים.בדרך כלל, נעשה שימוש בגלגל המים של חזה במצבים שבהם ראש המים אינו מספיק כדי להניע עיצוב גלגל מים מגובה או גלגל מים.
החיסרון כאן הוא שמשקל הכבידה של המים משמש רק כרבע מהסיבוב בניגוד לקודם שהיה לחצי מהסיבוב.כדי להתגבר על גובה הראש הנמוך הזה, הדליים של גלגלי המים עשויים לרחבים יותר כדי לחלץ את הכמות הנדרשת של אנרגיה פוטנציאלית מהמים.
גלגלי מים משתמשים בערך באותו משקל כבידה של המים כדי לסובב את הגלגל, אבל מכיוון שגובה הראש של המים הוא בערך חצי מזה של גלגל מים טיפוסי, הדליים רחבים בהרבה מתכנוני גלגלי המים הקודמים כדי להגדיל את נפח המים נתפס בדליים.החיסרון בעיצוב מסוג זה הוא גידול ברוחב ומשקל המים שנישאים על ידי כל דלי.בדומה לעיצוב הפיצ'בק, גלגל החזה משתמש באנרגיה של המים פעמיים כאשר גלגל המים מתוכנן לשבת במים ומאפשר למי השפכים לעזור בסיבוב הגלגל בזמן שהוא זורם במורד הזרם.

הפקת חשמל באמצעות גלגל מים
באופן היסטורי גלגלי מים שימשו לטחינת קמח, דגנים ומשימות מכניות אחרות כאלה.אבל גלגלי מים יכולים לשמש גם לייצור חשמל, הנקראת Hydro Power System.על ידי חיבור גנרטור חשמלי לציר המסתובב של גלגלי המים, במישרין או בעקיפין באמצעות חגורות הנעה וגלגלות, ניתן להשתמש בגלגלי מים להפקת 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.
חפש גנרטורים לגלגלי מים שנועדו להפיק את התפוקה האופטימלית שלו במהירויות נמוכות יחסית.עבור פרויקטים קטנים, מנוע DC קטן יכול לשמש כגנרטור במהירות נמוכה או כאלטרנטור לרכב, אך אלה מתוכננים לעבוד במהירויות גבוהות בהרבה, כך שייתכן שיידרש צורה כלשהי של גיר.גנרטור טורבינת רוח מהווה גנרטור גלגלי מים אידיאלי שכן הוא מיועד לפעולה במהירות נמוכה ותפוקה גבוהה.
אם יש נהר או נחל שזורמים מהר למדי ליד הבית או הגינה שלך, שבו אתה יכול להשתמש, אז מערכת כוח הידרו בקנה מידה קטן עשויה להיות חלופה טובה יותר לצורות אחרות של מקורות אנרגיה מתחדשים כגון "אנרגיית רוח" או "אנרגיה סולארית". מכיוון שיש לזה הרבה פחות השפעה ויזואלית.כמו כן, בדיוק כמו אנרגיית רוח ושמש, עם מערכת ייצור בקנה מידה קטן המחובר לרשת המחוברת לרשת החשמל המקומית, כל חשמל שאתה מייצר אך אינך משתמש בו יכול להימכר בחזרה לחברת החשמל.
במדריך הבא על Hydro Energy, נבחן את סוגי הטורבינות השונות הזמינות שנוכל לחבר לעיצוב גלגל המים שלנו לייצור כוח הידרו.למידע נוסף על עיצוב גלגלי מים וכיצד לייצר חשמל משלך באמצעות כוח המים, או לקבל מידע נוסף על אנרגיה הידרומית על עיצובי גלגלי המים השונים הזמינים, או לבחון את היתרונות והחסרונות של אנרגיית הידרו, לחץ כאן כדי להזמין את העותק שלך מאמזון היום על העקרונות והבנייה של גלגלי מים שיכולים לשמש לייצור חשמל.