Гидроэнергетика жобасына арналған су дөңгелегі жобасы

Гидроэнергетикаға арналған су дөңгелегі дизайны
гидроэнергетика iconГидроэнергия — қозғалатын судың кинетикалық энергиясын механикалық немесе электр энергиясына түрлендіретін технология және жылжымалы судың энергиясын пайдалы жұмысқа түрлендіру үшін қолданылған ең алғашқы құрылғылардың бірі су доңғалағының дизайны болды.
Су дөңгелегі дизайны уақыт өте келе кейбір су доңғалақтарымен тігінен, кейбіреулері көлденеңінен, ал кейбіреулерінде күрделі шкивтер мен тісті доңғалақтар бекітілгенімен дамыды, бірақ олардың барлығы бірдей функцияны орындауға арналған және ол сонымен бірге «жылжымалы судың сызықтық қозғалысын айналмалы білік арқылы оған қосылған кез келген машина бөлігін басқаруға болатын айналмалы қозғалысқа айналдырады».

Әдеттегі су дөңгелегі дизайны
Ертедегі су дөңгелегі дизайны өте қарапайым және қарапайым машиналар болды, олар дөңгелекті дөңгелекті тангенциалды бағытта итеретін, астынан ағып жатқан судың күшімен көлденең білікке тірелген, олардың айналасына бірдей бекітілген ағаш қалақтары немесе шелектері бар тік ағаш дөңгелектен тұрады.
Бұл тік су доңғалақтары ежелгі гректер мен египеттіктердің бұрынғы көлденең су дөңгелегі дизайнынан әлдеқайда жоғары болды, өйткені олар қозғалатын судың импульсін қуатқа айналдыру арқылы тиімдірек жұмыс істей алады. Содан кейін су доңғалағына шкивтер мен беріліс бекітілді, бұл диірмен тастарын басқару, ағашты аралау, кенді ұсақтау, штамптау және кесу және т.б. үшін айналмалы біліктің бағытын көлденеңінен тікке өзгертуге мүмкіндік берді.

Су дөңгелегі конструкциясының түрлері
Су диірмендері немесе жай су доңғалақтары деп те аталатын көптеген су дөңгелектері көлденең осьте айналатын тігінен орнатылған дөңгелектер болып табылады және су дөңгелектерінің бұл түрлері доңғалақ осіне қатысты судың дөңгелекке түсу тәсілі бойынша жіктеледі. Сіз күткендей, су доңғалақтары төмен бұрыштық жылдамдықпен айналатын салыстырмалы түрде үлкен машиналар болып табылады және үйкеліс жоғалтуына және шелектердің толық толтырылмауына байланысты төмен тиімділікке ие.
Доңғалақтардың шелектеріне немесе қалақшаларына қарсы итерілген судың әрекеті осьте айналу моментін дамытады, бірақ суды дөңгелектегі әртүрлі позициялардан осы қалақтарға және шелектерге бағыттау арқылы айналу жылдамдығын және оның тиімділігін арттыруға болады. Су дөңгелегі дизайнының ең көп таралған екі түрі - «төменгі су дөңгелегі» және «шамадан тыс су дөңгелегі».

Су астындағы доңғалақтың дизайны
«Ағын дөңгелегі» деп те аталатын Undershot Water Wheel дизайны ежелгі гректер мен римдіктер жасаған су доңғалақтарының ең жиі қолданылатын түрі болды, өйткені бұл доңғалақтың ең қарапайым, ең арзан және құрастырылуы ең оңай түрі.
Су дөңгелегі конструкциясының бұл түрінде доңғалақ жай ғана жылдам ағып жатқан өзенге орналастырылады және жоғарыдан тіреледі. Төмендегі судың қозғалысы доңғалақтың төменгі бөлігіндегі су астындағы қалақтарға қарсы итеру әрекетін жасайды, бұл оның су ағынының бағытына қатысты тек бір бағытта айналуына мүмкіндік береді.
Су дөңгелегі дизайнының бұл түрі әдетте жердің табиғи еңісі жоқ немесе су ағыны жеткілікті жылдам қозғалатын жазық жерлерде қолданылады. Басқа су дөңгелегі конструкцияларымен салыстырғанда, дизайнның бұл түрі өте тиімсіз, судың потенциалдық энергиясының 20% аз ғана дөңгелекті айналдыруға жұмсалады. Сондай-ақ судың энергиясы доңғалақты айналдыру үшін бір рет қана жұмсалады, содан кейін ол қалған сумен бірге ағып кетеді.
Су астындағы доңғалақтың тағы бір кемшілігі - ол жылдамдықпен қозғалатын судың көп мөлшерін қажет етеді. Сондықтан су астындағы доңғалақтар әдетте өзендердің жағасында орналасады, өйткені кішірек бұлақтар немесе бұлақтар қозғалатын суда жеткілікті потенциалдық энергияға ие емес.
Төменгі су дөңгелегі тиімділігін аздап жақсартудың бір жолы өзендегі судың бір бөлігін тар арна немесе арна бойымен бұру болып табылады, осылайша бұрылған судың 100% дөңгелекті айналдыруға жұмсалады. Бұған қол жеткізу үшін астыңғы доңғалақ тар болуы керек және судың бүйірлерінен ағып кетуіне жол бермеу үшін немесе қалақтардың санын немесе өлшемін ұлғайту арқылы арнаға өте дәл сәйкес келуі керек.

Overshot Waterwheel дизайны
Overshot Water Wheel дизайны - су дөңгелектерінің дизайнының ең көп таралған түрі. Алдыңғы астындағы су дөңгелегімен салыстырғанда оның құрылысы мен дизайны күрделірек, өйткені ол суды ұстау және ұстау үшін шелектерді немесе шағын бөліктерді пайдаланады.
Бұл шелектер дөңгелектің жоғарғы жағында ағып жатқан сумен толтырылады. Толық шелектердегі судың гравитациялық салмағы дөңгелектің екінші жағындағы бос шелектердің жеңілірек болуына байланысты дөңгелектің орталық осінің айналасында айналуына әкеледі.
Су доңғалақтарының бұл түрі шығаруды, сондай-ақ судың өзін жақсарту үшін гравитацияны пайдаланады, осылайша асып түсетін су дөңгелектері төмен түсірілген конструкцияларға қарағанда әлдеқайда тиімді, өйткені судың барлығы дерлік және оның салмағы шығыс қуатын өндіру үшін пайдаланылады. Дегенмен, бұрынғыдай, судың энергиясы дөңгелекті айналдыру үшін бір рет қана жұмсалады, содан кейін ол қалған сумен бірге ағып кетеді.
Ашық су дөңгелектері өзеннің немесе бұлақтың үстіне ілініп тұрады және әдетте 5-тен 20 метрге дейінгі төмен басымен (жоғарғы жағындағы су мен өзеннің немесе ағынның арасындағы тік қашықтық) жоғарыдан су беруді қамтамасыз ететін төбелердің бүйірлеріне салынады. Кішкентай бөгет немесе бөген салуға және оны доңғалақтың жоғарғы жағына судың жылдамдығын арттыруға және оған көбірек энергия беруге болады, бірақ бұл дөңгелекті айналдыруға көмектесетін оның жылдамдығынан гөрі судың көлемі.

Әдетте, доңғалақты айналдыру үшін судың гравитациялық салмағы үшін ең үлкен қашықтықты беру үшін шамадан тыс су дөңгелектері мүмкіндігінше үлкен етіп салынған. Дегенмен, үлкен диаметрлі су доңғалақтары дөңгелек пен судың салмағына байланысты күрделірек және қымбатқа түседі.
Жеке шелектер сумен толтырылған кезде, судың гравитациялық салмағы дөңгелекті су ағынының бағытына қарай айналдырады. Айналу бұрышы доңғалақтың түбіне жақындаған сайын шелек ішіндегі су өзенге немесе төмендегі ағынға ағып кетеді, бірақ оның артында айналатын шелектердің салмағы дөңгелекті айналу жылдамдығымен жалғастырады. Бос шелек айналатын доңғалақтың айналасында жүріп, қайтадан жоғарыға көтеріліп, көбірек су толтыруға дайын болып, цикл қайталанады. Шамадан тыс су дөңгелегі дизайнының кемшіліктерінің бірі - су дөңгелектің үстінен ағып жатқанда тек бір рет пайдаланылады.

Pitchback су дөңгелегі дизайны
Pitchback су дөңгелегі дизайны алдыңғы асып түсетін су дөңгелегінің нұсқасы болып табылады, өйткені ол дөңгелекті айналдыруға көмектесу үшін судың гравитациялық салмағын да пайдаланады, бірақ қосымша итеру үшін оның астындағы ағынды судың ағынын да пайдаланады. Су дөңгелегі конструкциясының бұл түрі суды доңғалақтың үстіңгі жағына жоғарыдағы шұңқырдан қамтамасыз ететін төмен басын беру жүйесін пайдаланады.
Суды доңғалақтың үстіне тікелей өткізіп, оның су ағынының бағытына қарай айналуына себепші болатын су дөңгелегінен айырмашылығы, кері су дөңгелегі суды шұңқыр арқылы тігінен төмен және төменгі шелекке береді, бұл дөңгелектің жоғарыдағы су ағынына қарама-қарсы бағытта айналуына әкеледі.
Алдыңғы шамадан тыс су дөңгелегі сияқты, шелектегі судың гравитациялық салмағы дөңгелекті сағат тіліне қарсы бағытта айналдырады. Айналу бұрышы доңғалақтың түбіне жақындаған сайын шелектердің ішінде қалған су төменге ағып кетеді. Бос шелек доңғалаққа бекітілген кезде, ол қайтадан жоғарыға көтеріліп, көбірек су толтыруға дайын болғанша және цикл қайталанғанша бұрынғыдай дөңгелекпен айналуды жалғастырады.
Бұл жолдың айырмашылығы, айналмалы шелектен босатылған ағынды су айналмалы дөңгелектің бағытына қарай ағып кетеді (өйткені оның басқа баратын жері жоқ), астындағы су дөңгелегі принципіне ұқсас. Осылайша, кері айналмалы су доңғалақтарының басты артықшылығы - ол дөңгелекті орталық осінің айналасында айналдыру үшін судың энергиясын екі рет, бір рет жоғарыдан және бір рет төменнен пайдаланады.
Нәтижесінде су дөңгелегі дизайнының тиімділігі су энергиясының 80% -дан астамына дейін айтарлықтай артады, өйткені ол келетін судың гравитациялық салмағымен де, жоғарыдан шелектерге бағытталған судың күшімен немесе қысымымен, сондай-ақ шелектерге итеру арқылы төменнен ағынды судың ағыны әсер етеді. Артқы су доңғалақтарының кемшілігі ол дөңгелектің үстінде сумен жабдықтаудың сәл күрделірек орналасуын қажет ететіндігінде, ол саңылаулары мен шұңқырлары бар.

Breastshot Waterwheel дизайны
Breastshot Water Wheel дизайны - бұл су шелектерге ось биіктігінде шамамен жарты жолға немесе одан сәл жоғары түсетін, содан кейін дөңгелектердің айналу бағыты бойынша төменгі жағынан ағып кететін тағы бір тігінен орнатылған су дөңгелегі дизайны. Әдетте, су дөңгелегі судың басы шамадан тыс немесе кері су дөңгелегі дизайнын жоғарыдан қуаттандыру үшін жеткіліксіз болған жағдайда қолданылады.
Мұндағы кемшілік судың гравитациялық салмағы айналудың жартысы үшін бұрын болғаннан айырмашылығы, айналудың төрттен бір бөлігіне ғана пайдаланылады. Бұл төмен бас биіктігін жеңу үшін судан әлеуетті энергияның қажетті мөлшерін алу үшін су дөңгелектерінің шелектері кеңірек жасалады.
Breastshot су дөңгелектері дөңгелекті айналдыру үшін судың шамамен бірдей гравитациялық салмағын пайдаланады, бірақ судың басының биіктігі әдеттегі шамадан тыс су дөңгелегі биіктігінің жартысына жуығы болғандықтан, шелектерде ұсталған судың көлемін ұлғайту үшін шелектер алдыңғы су дөңгелектерінің конструкцияларынан әлдеқайда кеңірек. Бұл дизайн түрінің кемшілігі - әр шелек тасымалдайтын судың ені мен салмағының ұлғаюы. Дөңгелегі суда отыруға арналған, бұл ағынды судың ағынмен ағып бара жатқанда дөңгелектің айналуына көмектесуіне мүмкіндік беретіндіктен, брассттық дөңгелек судың энергиясын екі рет пайдаланады.

Су дөңгелегі арқылы электр энергиясын өндіру
Тарихта су дөңгелектері ұн, жарма және басқа да осындай механикалық тапсырмаларды тарту үшін қолданылған. Бірақ су дөңгелектерін гидроэнергетикалық жүйе деп аталатын электр энергиясын өндіру үшін де пайдалануға болады. Электр генераторын су доңғалақтарының айналмалы білігіне тікелей немесе жанама түрде жетек белдіктері мен шығырларды пайдалану арқылы қосу арқылы су дөңгелектерін күн энергиясынан айырмашылығы күніне 24 сағат үздіксіз қуат өндіру үшін пайдалануға болады. Егер су дөңгелегі дұрыс жобаланған болса, шағын немесе «микро» гидроэлектр жүйесі орташа үйдегі жарықтандыруды және/немесе электр құрылғыларын қуаттандыру үшін жеткілікті электр қуатын өндіре алады.
Салыстырмалы түрде төмен жылдамдықта оңтайлы өнімді шығаруға арналған су дөңгелегі генераторларын іздеңіз. Шағын жобалар үшін шағын тұрақты ток қозғалтқышы төмен жылдамдықты генератор немесе автомобиль генераторы ретінде пайдаланылуы мүмкін, бірақ олар әлдеқайда жоғары жылдамдықта жұмыс істеуге арналған, сондықтан берілістің қандай да бір түрі қажет болуы мүмкін. Жел турбинасы генераторы тамаша су дөңгелегі генераторын жасайды, өйткені ол төмен жылдамдықты, жоғары өнімді жұмыс істеуге арналған.
Үйіңізге немесе бақшаңызға жақын жерде өте жылдам ағып жатқан өзен немесе ағын болса, оны пайдалануға болады, онда шағын көлемді гидроэнергетикалық жүйе «Жел энергиясы» немесе «Күн энергиясы» сияқты жаңартылатын энергия көздерінің басқа түрлеріне жақсы балама болуы мүмкін, өйткені оның көрнекі әсері әлдеқайда аз. Сондай-ақ жел мен күн энергиясы сияқты, желіге қосылған шағын көлемді су дөңгелегі жобаланған генерациялау жүйесі жергілікті коммуналдық желіге қосылған, сіз өндіретін, бірақ пайдаланбайтын кез келген электр қуатын электр энергиясы компаниясына қайта сатуға болады.
Гидроэнергетика туралы келесі оқулықта біз гидроэнергетикаға арналған су дөңгелегі дизайнына қосуға болатын турбиналардың әртүрлі түрлерін қарастырамыз. Waterwheel дизайны туралы және судың қуатын пайдаланып өзіңіздің электр энергиясын қалай өндіруге болатыны туралы қосымша ақпарат алу үшін немесе қол жетімді әртүрлі су доңғалақтарының конструкциялары туралы қосымша гидроэнергетикалық ақпарат алу немесе гидроэнергетиканың артықшылықтары мен кемшіліктерін зерттеу үшін осы жерді басыңыз.