水力発電プロジェクトのための水車設計

水力エネルギー用水車設計
水力エネルギーアイコン水力エネルギーは、流れる水の運動エネルギーを機械的エネルギーまたは電気的エネルギーに変換する技術であり、流れる水のエネルギーを使用可能な仕事に変換するために使用された最も初期の装置の 1 つが水車設計でした。
水車の設計は、時間の経過とともに進化しており、垂直方向のもの、水平方向のもの、複雑な滑車や歯車が取り付けられたものなどがありますが、それらはすべて同じ機能を果たすように設計されています。つまり、「移動する水の直線運動を回転運動に変換し、回転軸を介して接続されたあらゆる機械を駆動できるようにする」ということです。

典型的な水車の設計
初期の水車の設計は、非常に原始的で単純な機械でした。垂直の木製の車輪と、その円周に沿って均等に固定された木製のブレードまたはバケツで構成され、その下を流れる水の力で車輪がブレードに対して接線方向に押されていました。
これらの垂直水車は、古代ギリシャやエジプト人が設計した初期の水平水車よりもはるかに優れていました。なぜなら、水の勢いをより効率的に動力に変換できたからです。水車には滑車と歯車が取り付けられ、回転軸の方向を水平から垂直に変えることで、石臼を動かしたり、木材を切ったり、鉱石を砕いたり、打ち抜きや切断を行ったりすることができました。

水車の設計の種類
水車（ウォーターミル、または単にウォーターホイールとも呼ばれる）のほとんどは、垂直に設置された車輪が水平の車軸を中心に回転する構造で、これらの種類の水車は、水が車軸に対してどのように車輪に作用するかによって分類されます。ご想像のとおり、水車は比較的大型の機械で、低角速度で回転し、摩擦による損失やバケツへの水の不完全な充填などにより効率が低くなります。
水が車輪、バケツ、またはパドルに押し付けられることで、車軸にトルクが発生しますが、車輪の異なる位置からパドルやバケツに水を送ることで、回転速度と効率を向上させることができます。水車の最も一般的な設計は、「下掛け水車」と「上掛け水車」の2種類です。

下掛け水車設計
「ストリームホイール」としても知られるアンダーショット水車設計は、最もシンプルで安価で簡単に構築できるタイプの水車であるため、古代ギリシャ人やローマ人によって設計された最も一般的に使用されたタイプの水車でした。
このタイプの水車の設計では、水車を流れの速い川に直接設置し、上から支えます。水の流れが水車の下部にある水中のパドルに作用し、水車は水の流れに対して一方向にのみ回転します。
このタイプの水車は、土地に自然な傾斜がなく、水の流れが十分に速い平坦な地域で一般的に使用されます。他の水車設計と比較すると、このタイプの設計は非常に非効率で、水の位置エネルギーのわずか20%しか水車を実際に回転させることができません。また、水のエネルギーは水車を回転させる際に一度しか使用されず、その後は残りの水と共に流れ去ってしまいます。
下吊り水車のもう一つの欠点は、大量の水を高速で動かす必要があることです。そのため、下吊り水車は通常、河川の岸に設置されます。小さな小川や小川では、水流に十分な位置エネルギーがないため、この水車は河川沿いに設置されます。
下射式水車の効率をわずかに向上させる方法の一つは、川の水の一部を狭い水路やダクトに流し、流した水の100%を水車の回転に利用することです。これを実現するには、下射式水車を狭くし、水路内に非常に正確に収まるようにして水が水路の側面から漏れないようにするか、パドルの数を増やすかサイズを大きくする必要があります。

オーバーショット水車の設計
オーバーショット水車は、最も一般的な水車の設計です。オーバーショット水車は、バケツや小さな容器を使って水を捕らえ、貯めておくため、従来のアンダーショット水車よりも構造と設計が複雑です。
これらのバケツは、車輪の上部から流れ込む水で満たされます。満たされたバケツの水の重力によって、車輪は中心軸を中心に回転し、反対側の空のバケツの水は軽くなります。
このタイプの水車は、水自体だけでなく重力も利用して出力を向上させます。そのため、オーバーショット水車は、ほぼすべての水とその重量が出力を生み出すために使用されるため、アンダーショット水車よりもはるかに効率的です。しかし、オーバーショット水車と同様に、水のエネルギーは水車を回転させるために一度だけ使用され、その後は残りの水と共に流れ去ります。
上架式水車は川や小川の上に吊り下げられ、通常は丘の斜面に建設されます。5～20メートルの低い落差（水面と下流の川や小川との垂直距離）で上から水が供給されます。小さなダムや堰を建設して水流を水車の上部まで誘導し、速度を上げて水車にエネルギーを与えることもできますが、水車を回転させるのに役立つのは水流ではなく水量です。

一般的に、オーバーショット水車は、水の重力によって水車を回転させるための落差を最大化するため、可能な限り大きく造られます。しかし、直径の大きい水車は、水車と水の重量が大きいため、建設が複雑になり、費用も高くなります。
個々のバケツに水が満たされると、水の重力によって水車は水の流れの方向に回転します。回転角が水車の底に近づくにつれて、バケツ内の水は下流の川や小川に流れ出ますが、背後で回転するバケツの重さによって水車は回転を続けます。空のバケツは回転する水車の周りを回り続け、再び水位まで上昇して再び水を満たせる状態になり、このサイクルが繰り返されます。オーバーショット水車の欠点の一つは、水が水車を通過する際に一度しか使われないことです。

ピッチバック水車の設計
ピッチバック水車は、前述のオーバーショット水車のバリエーションの一つで、水の重力を利用して水車を回転させますが、さらに水車の下を流れる廃水の流れも利用して回転力を高めます。このタイプの水車は、低水頭給水システムを採用しており、上部のペントトラフから水車の上部近くに水を送り込みます。
オーバーショット水車は水を直接水車の上に流し、水の流れの方向に水車を回転させますが、ピッチバック水車は水を漏斗を通して垂直下向きに送り、下のバケツに流し込み、水車を上の水の流れと反対方向に回転させます。
先ほどのオーバーショット水車と同様に、バケツの中の水の重力によって水車は反時計回りに回転します。回転角が水車の底に近づくと、バケツの中に閉じ込められていた水が下に流れ出ます。空のバケツは水車に取り付けられ、水車と共に回転を続けます。そして再び水車の上部に戻り、さらに水を入れる準備が整うまで、このサイクルを繰り返します。
今回の違いは、回転するバケツから排出された汚水が、回転するホイールの方向に流れていくことです（他に行き場がないため）。これは、下掛け水車の原理に似ています。つまり、ピッチバック水車の主な利点は、水のエネルギーを2回、つまり上から1回、下から1回、利用してホイールを中心軸を中心に回転させることです。
その結果、水車の効率は大幅に向上し、流入水の重力と上からバケツに導かれる水の力または圧力、そしてバケツに押し付けられる下水の流れの両方によって駆動されるため、水車のエネルギー効率は80%以上になります。しかし、ピッチバック水車の欠点は、水車の真上にシュートとペントトラフを備えたやや複雑な給水設備が必要になることです。

ブレストショット水車のデザイン
ブレストショット水車は、垂直に設置された水車の設計の一種で、水は車軸の高さの約半分、あるいはそのすぐ上の位置からバケツに入り、水車の回転方向に下から流れ出ます。一般的に、ブレストショット水車は、オーバーショット水車やピッチバック水車を上から駆動するには水頭が不十分な場合に使用されます。
ここでの欠点は、水の重力が回転の約4分の1しか利用されないことです。以前は回転の半分しか利用されていませんでした。この低い落差を克服するために、水車のバケットを広くすることで、必要な量の位置エネルギーを水から抽出しています。
胸掛け式水車は、水車の重力を利用して車輪を回転させますが、水頭の高さが一般的な上掛け式水車の約半分であるため、従来の水車設計よりもバケットの幅が広く、バケットに受け止める水の量を増やしています。このタイプの設計の欠点は、各バケットの幅と重量が増加することです。ピッチバック式と同様に、胸掛け式水車は水車が水中に留まるように設計されているため、水のエネルギーを2倍利用します。これにより、廃水が下流に流れ落ち、水車の回転を補助します。

水車を使って電気を作る
歴史的に、水車は小麦粉や穀物の製粉などの機械作業に使用されてきました。しかし、水車は発電にも利用することができ、これを水力発電システムと呼びます。発電機を水車の回転軸に直接接続するか、駆動ベルトと滑車を用いて間接的に接続することで、太陽エネルギーとは異なり、24時間連続して発電することができます。水車を適切に設計すれば、小規模または「マイクロ」水力発電システムで、一般家庭の照明や電化製品を動かすのに十分な電力を発電できます。
比較的低速で最適な出力を発揮するように設計された水車発電機をお探しください。小規模なプロジェクトであれば、小型のDCモーターを低速発電機や自動車用オルタネーターとして使用できますが、これらははるかに高速で動作するように設計されているため、何らかのギアが必要になる場合があります。風力タービン発電機は低速で高出力で動作するように設計されているため、理想的な水車発電機となります。
ご自宅や庭の近くに、流れの速い川や小川など、利用可能な場所がある場合は、景観への影響がはるかに少ないため、「風力エネルギー」や「太陽光発電」といった他の再生可能エネルギー源よりも、小規模水力発電システムの方が適しているかもしれません。また、風力エネルギーや太陽光発電と同様に、地域の電力網に接続された系統連系型の小規模水車発電システムであれば、発電した電気のうち使用しなかった電気は電力会社に売却することができます。
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