Ūdensrata dizains hidroenerģijai
Hidroenerģijas ikonaHidroenerģija ir tehnoloģija, kas pārveido kustīga ūdens kinētisko enerģiju mehāniskā vai elektriskā enerģijā, un viena no agrākajām ierīcēm, ko izmantoja kustīga ūdens enerģijas pārveidošanai izmantojamā darbā, bija ūdensrata konstrukcija.
Ūdensrata konstrukcija laika gaitā ir attīstījusies, daži ūdensrati ir orientēti vertikāli, daži horizontāli, bet citiem ir piestiprināti sarežģīti skriemeļi un zobrati, taču tie visi ir paredzēti vienai un tai pašai funkcijai, proti, "pārveidot kustīgā ūdens lineāro kustību rotācijas kustībā, ko var izmantot, lai darbinātu jebkuru mehānismu, kas ar to savienots, izmantojot rotējošu vārpstu".
Tipisks ūdensrata dizains
Agrīnās ūdensratu konstrukcijas bija diezgan primitīvas un vienkāršas mašīnas, kas sastāvēja no vertikāla koka riteņa ar koka lāpstiņām vai spaiņiem, kas vienmērīgi nostiprināti pa to perimetru, un visi tika balstīti uz horizontālas vārpstas, un zem tās plūstošā ūdens spēks spieda riteni tangenciālā virzienā pret lāpstiņām.
Šie vertikālie ūdensrati bija ievērojami pārāki par agrākajiem horizontālajiem ūdensratiem, ko izstrādāja senie grieķi un ēģiptieši, jo tie varēja darboties efektīvāk, pārvēršot kustīgā ūdens impulsu enerģijā. Tad ūdensratam tika piestiprināti skriemeļi un zobrati, kas ļāva mainīt rotējošās vārpstas virzienu no horizontāla uz vertikālu, lai darbinātu dzirnakmeņus, zāģētu koksni, sasmalcinātu rūdu, štancētu un griestu iekārtas utt.
Ūdens rata dizaina veidi
Lielākā daļa ūdensratu, kas pazīstami arī kā ūdensdzirnavas vai vienkārši ūdensrati, ir vertikāli uzstādīti riteņi, kas rotē ap horizontālu asi, un šāda veida ūdensrati tiek klasificēti pēc veida, kādā ūdens tiek uzklāts uz riteni attiecībā pret riteņa asi. Kā jau varētu gaidīt, ūdensrati ir salīdzinoši lielas mašīnas, kas griežas ar mazu leņķisko ātrumu un kurām ir zema efektivitāte berzes radīto zudumu un nepilnīgas spaiņu piepildīšanas u. c. dēļ.
Ūdens spiešana pret riteņu spaiņiem vai lāpstiņām rada griezes momentu uz ass, bet, virzot ūdeni uz šīm lāpstiņām un spaiņiem no dažādām pozīcijām uz riteņa, var uzlabot griešanās ātrumu un tā efektivitāti. Divi visizplatītākie ūdensratu konstrukcijas veidi ir "nepiegriezuma ūdensrats" un "pārgriezuma ūdensrats".
Nepietiekami zems ūdens rata dizains
Zemūdens rata dizains, kas pazīstams arī kā “strauta ritenis”, bija visbiežāk izmantotais ūdensrata veids, ko izstrādāja senie grieķi un romieši, jo tas ir vienkāršākais, lētākais un vieglāk konstruējamais riteņa veids.
Šāda veida ūdensrata konstrukcijā ritenis tiek vienkārši ievietots tieši strauji plūstošā upē un atbalstīts no augšas. Ūdens kustība zemāk rada grūdienu pret iegremdētajām lāpstiņām riteņa apakšējā daļā, ļaujot tam griezties tikai vienā virzienā attiecībā pret ūdens plūsmas virzienu.
Šāda veida ūdensrata konstrukcija parasti tiek izmantota līdzenās vietās bez dabiska zemes slīpuma vai vietās, kur ūdens plūsma ir pietiekami ātra. Salīdzinot ar citām ūdensrata konstrukcijām, šāda veida konstrukcija ir ļoti neefektīva, jo riteņa pagriešanai tiek izmantoti tikai 20% no ūdens potenciālās enerģijas. Turklāt ūdens enerģija tiek izmantota tikai vienu reizi, lai pagrieztu ratu, pēc tam tā aizplūst kopā ar pārējo ūdeni.
Vēl viens ūdensrata trūkums ir tas, ka tam nepieciešams liels ūdens daudzums, kas pārvietojas ar lielu ātrumu. Tāpēc ūdensrati parasti atrodas upju krastos, jo mazākām straumēm vai strautiem kustīgajā ūdenī nav pietiekami daudz potenciālās enerģijas.
Viens no veidiem, kā nedaudz uzlabot nepietiekami plūstoša ūdensrata efektivitāti, ir novirzīt daļu no upes ūdens pa šauru kanālu vai kanālu, lai 100% no novirzītā ūdens tiktu izmantots rata pagriešanai. Lai to panāktu, nepietiekami plūstošajam ratam ir jābūt šauram un ļoti precīzi jāiekļaujas kanālā, lai novērstu ūdens noplūdi gar malām, vai arī palielinot lāpstiņu skaitu vai izmēru.
Overshot Waterwheel Design
Pārskriešanas ūdensrata konstrukcija ir visizplatītākais ūdensrata konstrukcijas veids. Pārskriešanas ūdensrats pēc konstrukcijas un konstrukcijas ir sarežģītāks nekā iepriekšējais apakšskriešanas ūdensrats, jo tajā tiek izmantoti spaiņi vai mazi nodalījumi gan ūdens uztveršanai, gan noturēšanai.
Šie spaiņi piepildās ar ūdeni, kas ieplūst riteņa augšpusē. Ūdens gravitācijas svars pilnajos spaiņos liek ritenim griezties ap savu centrālo asi, jo tukšie spaiņi riteņa otrā pusē kļūst vieglāki.
Šāda veida ūdensrats izmanto gravitāciju, lai uzlabotu gan jaudu, gan pašu ūdeni, tāpēc pārstartētie ūdensrati ir daudz efektīvāki nekā pārstartētie, jo gandrīz viss ūdens un tā svars tiek izmantots jaudas ražošanai. Tomēr, tāpat kā iepriekš, ūdens enerģija tiek izmantota tikai vienu reizi, lai pagrieztu ratu, pēc tam tā aizplūst kopā ar pārējo ūdeni.
Pārplūdes ūdensrati tiek piekārti virs upes vai strauta un parasti tiek būvēti kalnu nogāzēs, nodrošinot ūdens padevi no augšas ar zemu spiedienu (vertikālais attālums starp ūdens līmeni augšpusē un upi vai strautu zemāk), kas ir no 5 līdz 20 metriem. Var uzbūvēt nelielu aizsprostu vai dambi un izmantot to gan lai novadītu, gan palielinātu ūdens ātrumu uz rata augšpusi, piešķirot tam vairāk enerģijas, taču tieši ūdens tilpums, nevis tā ātrums, palīdz ratam griezties.
Parasti pārsviras ūdensrati tiek būvēti pēc iespējas lielāki, lai ūdens gravitācijas svaram būtu pēc iespējas lielāks galvas attālums, lai pagrieztu ratu. Tomēr liela diametra ūdensrati ir sarežģītāki un dārgāki būvējami gan rata, gan ūdens svara dēļ.
Kad atsevišķie spaiņi ir piepildīti ar ūdeni, ūdens gravitācijas svars liek ritenim griezties ūdens plūsmas virzienā. Rotācijas leņķim tuvojoties riteņa apakšai, spainī esošais ūdens iztukšojas zemāk esošajā upē vai straumē, bet aiz tā rotējošo spaiņu svars liek ritenim turpināt griezties ar savu ātrumu. Tukšais spainis turpina griezties ap rotējošo riteni, līdz tas atkal paceļas augšpusē, gatavs piepildīšanai ar vēl vairāk ūdens, un cikls atkārtojas. Viens no pārslodzes ūdensrata konstrukcijas trūkumiem ir tas, ka ūdens tiek izmantots tikai vienu reizi, plūstot pāri ritenim.
Pitchback ūdensrata dizains
Pitchback ūdensrata konstrukcija ir iepriekšējā pārspēka ūdensrata variācija, jo tā arī izmanto ūdens gravitācijas svaru, lai palīdzētu pagriezt ratu, bet tā izmanto arī zem tā esošo notekūdeņu plūsmu, lai radītu papildu grūdienu. Šāda veida ūdensrata konstrukcijā tiek izmantota zemspiediena padeves sistēma, kas piegādā ūdeni rata augšdaļai no augšas esošas atveres.
Atšķirībā no pārspētā ūdensrata, kas ūdeni novirzīja tieši pāri ritenim, liekot tam griezties ūdens plūsmas virzienā, atpakaļgaitas ūdensrats padod ūdeni vertikāli uz leju caur piltuvi un zemāk esošajā spainī, liekot ritenim griezties pretējā virzienā ūdens plūsmai augšpusē.
Tāpat kā iepriekšējā pārsista ūdensrata gadījumā, ūdens gravitācijas svars spaiņos liek ratam griezties, bet pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Kad rotācijas leņķis tuvojas riteņa apakšai, spaiņos iesprostotais ūdens iztukšojas zemāk. Kad tukšais spainis ir piestiprināts pie riteņa, tas turpina griezties kopā ar riteni kā iepriekš, līdz tas atkal paceļas augšpusē, gatavs piepildīšanai ar vēl ūdeni, un cikls atkārtojas.
Šoreiz atšķirība ir tāda, ka no rotējošā spaiņa iztukšotie notekūdeņi plūst prom rotējošā riteņa virzienā (jo tiem nav kur citur iet), līdzīgi kā apakššaujamā ūdensrata principā. Tādējādi pretšaujamā ūdensrata galvenā priekšrocība ir tā, ka tas divreiz izmanto ūdens enerģiju — vienreiz no augšas un vienreiz no apakšas, lai pagrieztu ratu ap tā centrālo asi.
Rezultātā ūdensrata konstrukcijas efektivitāte ir ievērojami palielināta līdz vairāk nekā 80% no ūdens enerģijas, jo to darbina gan ienākošā ūdens gravitācijas svars, gan ūdens spēks vai spiediens, kas no augšas tiek virzīts spaiņos, kā arī notekūdeņu plūsma no apakšas, kas spiežas pret spaiņiem. Tomēr atpakaļgaitas ūdensrata trūkums ir tāds, ka tam ir nepieciešama nedaudz sarežģītāka ūdens padeves sistēma tieši virs rata ar teknēm un lūkām.
Breastshot ūdensrata dizains
Breastshot ūdensrata konstrukcija ir vēl viena vertikāli uzstādīta ūdensrata konstrukcija, kur ūdens ieplūst spaiņos apmēram pusceļā ass augstumā vai tieši virs tās un pēc tam izplūst apakšā riteņu griešanās virzienā. Parasti breastshot ūdensratu izmanto situācijās, kad ūdens augstums nav pietiekams, lai darbinātu pārsitiena vai atgāzuma ūdensrata konstrukciju no augšas.
Trūkums ir tāds, ka ūdens gravitācijas svars tiek izmantots tikai aptuveni ceturtdaļai no rotācijas, atšķirībā no iepriekšējās situācijas, kad tas tika izmantots pusei no rotācijas. Lai pārvarētu šo zemo galvas augstumu, ūdensratu kausi tiek izgatavoti platāki, lai no ūdens iegūtu nepieciešamo potenciālās enerģijas daudzumu.
Krūtsveida ūdensrati izmanto aptuveni tādu pašu ūdens gravitācijas svaru, lai pagrieztu ratu, bet, tā kā ūdens galvas augstums ir aptuveni puse no tipiska pārsvirzes ūdensrata augstuma, spaiņi ir daudz platāki nekā iepriekšējās ūdensratu konstrukcijas, lai palielinātu spaiņos uztvertā ūdens tilpumu. Šāda veida konstrukcijas trūkums ir katra spaiņa nestā ūdens platuma un svara palielināšanās. Tāpat kā atpakaļsvirzes konstrukcijā, krūšu formas rats divreiz izmanto ūdens enerģiju, jo ūdensrats ir konstruēts tā, lai atrastos ūdenī, ļaujot notekūdeņiem palīdzēt rata rotācijā, tam plūstot lejup pa straumi.
Elektroenerģijas ģenerēšana, izmantojot ūdensratu
Vēsturiski ūdensrati ir izmantoti miltu, graudaugu malšanai un citiem līdzīgiem mehāniskiem uzdevumiem. Taču ūdensratus var izmantot arī elektroenerģijas ražošanai, ko sauc par hidroelektrostaciju sistēmu. Pievienojot elektrisko ģeneratoru ūdensrata rotējošajai vārpstai tieši vai netieši, izmantojot piedziņas siksnas un skriemeļus, ūdensratus var izmantot enerģijas ražošanai nepārtraukti 24 stundas diennaktī, atšķirībā no saules enerģijas. Ja ūdensrats ir pareizi konstruēts, maza jeb "mikro" hidroelektrosistēma var saražot pietiekami daudz elektroenerģijas, lai darbinātu apgaismojumu un/vai elektriskās ierīces vidusmēra mājā.
Meklējiet ūdensratu ģeneratorus, kas paredzēti optimālas jaudas nodrošināšanai pie relatīvi zema ātruma. Nelieliem projektiem nelielu līdzstrāvas motoru var izmantot kā zema ātruma ģeneratoru vai automašīnas ģeneratoru, taču tie ir paredzēti darbam ar daudz lielāku ātrumu, tāpēc var būt nepieciešama kāda veida pārnesumkārba. Vēja turbīnu ģenerators ir ideāls ūdensratu ģenerators, jo tas ir paredzēts darbībai ar mazu ātrumu un lielu jaudu.
Ja jūsu mājas vai dārza tuvumā ir diezgan strauji plūstoša upe vai strauts, ko varat izmantot, tad maza mēroga hidroelektrostaciju sistēma var būt labāka alternatīva citiem atjaunojamās enerģijas avotiem, piemēram, "vēja enerģijai" vai "saules enerģijai", jo tai ir daudz mazāka vizuālā ietekme. Tāpat kā vēja un saules enerģijas gadījumā, ar tīklam pieslēgtu maza mēroga ūdensrata ģeneratoru sistēmu, kas pieslēgta vietējam komunālo pakalpojumu tīklam, jebkuru saražoto, bet neizmantoto elektroenerģiju var pārdot atpakaļ elektroenerģijas uzņēmumam.
Nākamajā pamācībā par hidroenerģiju mēs aplūkosim dažādos pieejamos turbīnu veidus, ko varētu pievienot mūsu ūdensrata konstrukcijai hidroenerģijas ražošanai. Lai iegūtu vairāk informācijas par ūdensrata konstrukciju un to, kā ražot savu elektrību, izmantojot ūdens enerģiju, vai lai iegūtu vairāk informācijas par hidroenerģiju par dažādiem pieejamajiem ūdensratu konstrukciju veidiem, vai lai izpētītu hidroenerģijas priekšrocības un trūkumus, noklikšķiniet šeit, lai jau šodien pasūtītu savu eksemplāru no Amazon par ūdensratu principiem un konstrukciju, ko var izmantot elektroenerģijas ražošanai.
Publicēšanas laiks: 2021. gada 25. jūnijs
