Vandens rato projektavimas hidroelektrinėms

Vandens rato konstrukcija hidroenergijai
Hidroenergijos piktogramaHidroenergija – tai technologija, kuri judančio vandens kinetinę energiją paverčia mechanine arba elektrine energija, o vienas iš ankstyviausių prietaisų, naudotų judančio vandens energijai paversti naudingu darbu, buvo vandens rato konstrukcija.
Vandens ratų konstrukcija laikui bėgant keitėsi: vieni vandens ratai buvo orientuoti vertikaliai, kiti horizontaliai, o kiti turėjo sudėtingus skriemulius ir krumpliaračius, tačiau visi jie skirti atlikti tą pačią funkciją – „paversti judančio vandens tiesinį judėjimą sukamuoju judesiu, kuris gali būti naudojamas bet kokiam prie jo per besisukantį veleną prijungtam mechanizmui varyti“.

Tipinis vandens rato dizainas
Ankstyvosios vandens ratų konstrukcijos buvo gana primityvios ir paprastos mašinos, sudarytos iš vertikalaus medinio rato su medinėmis mentėmis arba kibirais, vienodai pritvirtintais aplink jų perimetrą, kurie visi buvo laikomi ant horizontalaus veleno, o po juo tekančio vandens jėga spaudė ratą liestine kryptimi link mentių.
Šie vertikalūs vandens ratai buvo gerokai pranašesni už ankstesnę horizontalią vandens ratų konstrukciją, kurią sukūrė senovės graikai ir egiptiečiai, nes jie galėjo veikti efektyviau, paversdami judančio vandens impulsą energija. Prie vandens rato buvo pritvirtinti skriemuliai ir krumpliaračiai, kurie leido pakeisti besisukančio veleno kryptį iš horizontalios į vertikalią, kad būtų galima valdyti girnas, pjauti medieną, traiškyti rūdą, štampuoti ir pjauti ir kt.

Vandens rato konstrukcijos tipai
Dauguma vandens ratų, dar vadinamų vandens malūnais arba tiesiog vandens ratais, yra vertikaliai sumontuoti ratai, besisukantys apie horizontalią ašį, ir šio tipo vandens ratai klasifikuojami pagal tai, kaip vanduo tepamas ant rato, rato ašies atžvilgiu. Kaip ir galima tikėtis, vandens ratai yra gana dideli įrenginiai, kurie sukasi mažu kampiniu greičiu ir pasižymi mažu efektyvumu dėl trinties nuostolių ir nevisiško kibirų užpildymo ir pan.
Vandens spaudimas ratų kibiruose ar mentelėse sukuria sukimo momentą ašyje, tačiau nukreipiant vandenį į šias menteles ir kibirus iš skirtingų rato pozicijų, galima pagerinti sukimosi greitį ir efektyvumą. Du labiausiai paplitę vandens ratų konstrukcijos tipai yra „atvirkštinis vandens ratas“ ir „virškryptinis vandens ratas“.

Neapakankamai vandens rato dizainas
Apatinio smūgio vandens rato konstrukcija, dar vadinama „srautinio rato“ konstrukcija, buvo dažniausiai naudojamas senovės graikų ir romėnų suprojektuotas vandens rato tipas, nes tai paprasčiausias, pigiausias ir lengviausiai sukonstruojamas rato tipas.
Šio tipo vandens rato konstrukcijoje ratas tiesiog įstatomas tiesiai į sraunią upę ir palaikomas iš viršaus. Vandens judėjimas apačioje sukuria stūmimo veiksmą į panardintas menteles apatinėje rato dalyje, leisdamas jam suktis tik viena kryptimi vandens tėkmės krypties atžvilgiu.
Šis vandens rato konstrukcijos tipas paprastai naudojamas lygiose vietovėse be natūralaus žemės nuolydžio arba kur vandens srautas yra pakankamai greitas. Palyginti su kitomis vandens rato konstrukcijomis, šis konstrukcijos tipas yra labai neefektyvus, nes ratui pasukti sunaudojama tik 20 % vandens potencialinės energijos. Be to, vandens energija ratui pasukti sunaudojama tik vieną kartą, po to ji nuteka kartu su likusiu vandeniu.
Dar vienas apatinio vandens rato trūkumas yra tas, kad jam reikia didelio vandens kiekio, judančio dideliu greičiu. Todėl apatinio vandens ratai paprastai statomi upių pakrantėse, nes mažesni upeliai ar upeliai neturi pakankamai potencialinės energijos judančiame vandenyje.
Vienas iš būdų šiek tiek pagerinti apatinio srauto vandens rato efektyvumą – nukreipti dalį upės vandens išilgai siauro kanalo arba latakų, kad 100 % nukreipto vandens būtų panaudota ratui sukti. Norint tai pasiekti, apatinis srauto ratas turi būti siauras ir labai tiksliai tilpti kanale, kad vanduo neišbėgtų už jo kraštų, arba padidinti menčių skaičių ar dydį.

Overshot vandens rato dizainas
Viršutinio vandens rato konstrukcija yra labiausiai paplitęs vandens rato konstrukcijos tipas. Viršutinio vandens rato konstrukcija ir dizainas yra sudėtingesni nei ankstesnio apatinio vandens rato, nes jame naudojami kibirai arba maži skyriai vandeniui surinkti ir laikyti.
Šie kibirai prisipildo vandens, tekančio rato viršuje. Dėl pilnuose kibiruose esančio vandens gravitacinio svorio ratas sukasi aplink savo centrinę ašį, o tušti kibirai kitoje rato pusėje tampa lengvesni.
Šio tipo vandens ratas naudoja gravitaciją, kad padidintų tiek vandens, tiek vandens našumą, todėl viršsrovio vandens ratai yra daug efektyvesni nei apatinio pasrovio, nes beveik visas vanduo ir jo svoris sunaudojami galiai sukurti. Tačiau, kaip ir anksčiau, vandens energija naudojama tik vieną kartą ratui pasukti, po to ji nuteka kartu su likusiu vandeniu.
Viršutinio srauto vandens ratai pakabinami virš upės ar upelio ir paprastai statomi kalvų šlaituose, kad vanduo būtų tiekiamas iš viršaus, esant žemam, 5–20 metrų slėgiui (vertikalus atstumas tarp vandens viršuje ir upės ar upelio apačioje). Galima pastatyti nedidelę užtvanką arba slenkstį ir panaudoti vandeniui nukreipti ir padidinti jo greitį rato viršuje, suteikiant jam daugiau energijos, tačiau ratą sukti padeda ne vandens tūris, o jo greitis.

Paprastai per didelio skersmens vandens ratai statomi kuo didesni, kad vandens gravitacinis svoris galėtų sukti ratą kuo didesniu atstumu. Tačiau didelio skersmens vandens ratus konstruoti yra sudėtingiau ir brangiau dėl rato ir vandens svorio.
Kai atskiri kibirai prisipildo vandens, vandens gravitacinis svoris verčia ratą suktis vandens tekėjimo kryptimi. Sukimosi kampui artėjant prie rato apačios, kibire esantis vanduo išteka į žemiau esančią upę ar upelį, tačiau už jo besisukančių kibirų svoris verčia ratą toliau suktis savo greičiu. Tuščias kibiras toliau sukasi aplink besisukantį ratą, kol vėl pasiekia viršų, paruoštas prisipildyti daugiau vandens, ir ciklas kartojasi. Vienas iš per didelio srauto vandens rato konstrukcijos trūkumų yra tas, kad vanduo, tekėdamas per ratą, naudojamas tik vieną kartą.

„Pitchback“ vandens rato dizainas
„Pitchback“ vandens rato konstrukcija yra ankstesnio per didelio sukimosi vandens rato variacija, nes ji taip pat naudoja vandens gravitacinį svorį ratui sukti, bet taip pat naudoja apačioje tekančio nuotekų vandens srautą papildomam stūmimui suteikti. Šio tipo vandens rato konstrukcijoje naudojama žemo slėgio tiekimo sistema, kuri tiekia vandenį arti rato viršaus iš viršuje esančio latako.
Skirtingai nuo per didelio vandens rato, kuris nukreipė vandenį tiesiai virš rato, priversdamas jį suktis vandens tekėjimo kryptimi, atgalinis vandens ratas tiekia vandenį vertikaliai žemyn per piltuvą ir į apačioje esantį kibirą, priversdamas ratas suktis priešinga kryptimi nei vanduo tekėjo viršuje.
Kaip ir ankstesnio perbėgto vandens rato atveju, gravitacinis vandens svoris kibiruose verčia ratą suktis, bet prieš laikrodžio rodyklę. Kai sukimosi kampas artėja prie rato apačios, kibiruose esantis vanduo ištuštėja apačioje. Kai tuščias kibiras pritvirtinamas prie rato, jis toliau sukasi kartu su ratu kaip anksčiau, kol vėl pakyla į viršų, paruoštas pripildyti daugiau vandens, ir ciklas kartojasi.
Šį kartą skirtumas yra tas, kad iš besisukančio kibiro išpiltos nuotekos teka besisukančio rato kryptimi (nes neturi kur daugiau eiti), panašiai kaip apatinio vandens rato principu. Taigi pagrindinis atgalinio vandens rato privalumas yra tas, kad jis du kartus panaudoja vandens energiją – vieną kartą iš viršaus ir vieną kartą iš apačios – ratui sukti aplink centrinę ašį.
Dėl to vandens rato konstrukcijos efektyvumas gerokai padidėja iki daugiau nei 80 % vandens energijos, nes jį varo tiek įtekančio vandens gravitacinis svoris, tiek iš viršaus į kibirus nukreipto vandens jėga arba slėgis, taip pat apačioje esančio nuotekų vandens srautas, spaudžiantis kibirus. Tačiau atgalinio vandens rato trūkumas yra tas, kad jam reikia šiek tiek sudėtingesnės vandens tiekimo sistemos tiesiai virš rato su latakais ir grioviais.

„Breastshot“ vandens rato dizainas
„Breastshot“ vandens rato konstrukcija yra dar viena vertikaliai montuojamo vandens rato konstrukcija, kai vanduo į kibirus patenka maždaug per pusę ašies aukščio arba šiek tiek virš jos, o tada išteka apačioje ratų sukimosi kryptimi. Paprastai „breastshot“ vandens ratas naudojamas tais atvejais, kai vandens slėgio nepakanka, kad iš viršaus būtų galima varyti per didelį arba atgal nukreiptą vandens ratą.
Trūkumas yra tas, kad vandens gravitacinis svoris naudojamas tik maždaug ketvirtadaliui sukimosi, kitaip nei anksčiau, kai buvo naudojamas pusei sukimosi. Siekiant įveikti šį mažą galvos aukštį, vandens ratų kibirai yra platesni, kad iš vandens būtų išgaunamas reikiamas potencialinės energijos kiekis.
Krūtinės formos vandens ratai ratui sukti naudoja maždaug tokį patį vandens gravitacinį svorį, tačiau kadangi vandens aukštis yra maždaug perpus mažesnis nei įprasto per didelio pasvirimo vandens rato, kibirai yra daug platesni nei ankstesnių konstrukcijų vandens ratai, kad padidėtų juose sugaunamo vandens tūris. Šio tipo konstrukcijos trūkumas yra didesnis kiekvieno kibiro nešamo vandens plotis ir svoris. Kaip ir atbulinės eigos konstrukcijoje, krūtinės formos ratas du kartus panaudoja vandens energiją, nes vandens ratas yra suprojektuotas taip, kad būtų vandenyje, o nuotekos padėtų ratui suktis, jam tekant pasroviui.

Elektros energijos generavimas naudojant vandens ratą
Istoriškai vandens ratai buvo naudojami miltams, javams malti ir kitiems tokiems mechaniniams darbams atlikti. Tačiau vandens ratai taip pat gali būti naudojami elektros energijai gaminti, tai vadinama hidroelektrine sistema. Prijungus elektros generatorių prie vandens rato besisukančio veleno, tiesiogiai arba netiesiogiai, naudojant pavaros diržus ir skriemulius, vandens ratai, kitaip nei saulės energija, gali būti naudojami energijai gaminti nepertraukiamai 24 valandas per parą. Jei vandens ratas suprojektuotas teisingai, maža arba „mikro“ hidroelektrinė sistema gali pagaminti pakankamai elektros energijos, kad maitintų apšvietimą ir (arba) elektros prietaisus vidutiniuose namuose.
Ieškokite vandens ratų generatorių, sukurtų optimaliam našumui užtikrinti esant santykinai mažam greičiui. Mažiems projektams mažas nuolatinės srovės variklis gali būti naudojamas kaip mažo greičio generatorius arba automobilio generatorius, tačiau jie skirti veikti daug didesniu greičiu, todėl gali prireikti tam tikros pavaros. Vėjo turbinos generatorius yra idealus vandens ratų generatorius, nes jis skirtas veikti mažu greičiu, bet dideliu našumu.
Jei šalia jūsų namų ar sodo yra gana srauni upė ar upelis, kurį galite naudoti, mažos hidroelektrinės sistema gali būti geresnė alternatyva kitoms atsinaujinančios energijos formoms, tokioms kaip „vėjo energija“ ar „saulės energija“, nes ji daro daug mažesnį vizualinį poveikį. Be to, kaip ir vėjo bei saulės energijos atveju, naudojant prie tinklo prijungtą mažą vandens rato tipo generavimo sistemą, bet kokią pagamintą, bet nepanaudotą elektros energiją galima parduoti atgal elektros energijos bendrovei.
Kitame vadove apie hidroenergiją apžvelgsime įvairių tipų turbinas, kurias galėtume pritvirtinti prie savo vandens rato konstrukcijos hidroenergijai gaminti. Norėdami gauti daugiau informacijos apie vandens rato konstrukciją ir kaip gaminti elektrą naudojant vandens energiją, gauti daugiau informacijos apie hidroenergiją apie įvairius vandens ratų dizainus arba išnagrinėti hidroenergijos privalumus ir trūkumus, spustelėkite čia, kad šiandien užsisakytumėte savo kopiją iš „Amazon“ apie vandens ratų, kurie gali būti naudojami elektrai gaminti, principus ir konstrukciją.