Waterradontwerp voor waterkracht
waterkracht-icoonWaterkracht is een technologie die de kinetische energie van stromend water omzet in mechanische of elektrische energie. Een van de eerste apparaten die werd gebruikt om de energie van stromend water om te zetten in bruikbare arbeid, was het waterradontwerp.
Het ontwerp van waterraderen heeft zich in de loop der tijd ontwikkeld. Sommige waterraderen zijn verticaal georiënteerd, andere horizontaal en weer andere zijn voorzien van ingewikkelde katrollen en tandwielen. Ze zijn echter allemaal ontworpen om dezelfde functie te vervullen, namelijk "de lineaire beweging van het stromende water omzetten in een roterende beweging waarmee elk stuk machine kan worden aangedreven dat ermee is verbonden via een roterende as".
Typisch waterradontwerp
De eerste waterradontwerpen waren vrij primitieve en eenvoudige machines die bestonden uit een verticaal houten wiel met houten bladen of emmers die gelijkmatig over de omtrek waren bevestigd. Het geheel werd ondersteund door een horizontale as, waarbij de kracht van het water dat eronder stroomde het wiel in een tangentiële richting tegen de bladen duwde.
Deze verticale waterraderen waren veel beter dan het eerdere horizontale waterradontwerp van de oude Grieken en Egyptenaren, omdat ze efficiënter werkten en de impuls van het bewegende water omzetten in kracht. Aan het waterrad werden vervolgens katrollen en tandwielen bevestigd, waardoor de draairichting van een draaiende as van horizontaal naar verticaal kon worden veranderd om molenstenen te bedienen, hout te zagen, erts te vermalen, te stampen en te snijden, enzovoort.
Soorten waterradontwerpen
De meeste waterraderen, ook wel watermolens of gewoon waterraderen genoemd, zijn verticaal gemonteerde raderen die draaien om een horizontale as. Deze waterraderen worden geclassificeerd op basis van de manier waarop het water op het raderwerk wordt aangebracht ten opzichte van de as van het raderwerk. Zoals u wellicht verwacht, zijn waterraderen relatief grote machines die met lage hoeksnelheden draaien en een laag rendement hebben, vanwege verliezen door wrijving en het onvolledig vullen van de emmers, enz.
De werking van het water dat tegen de wielen, emmers of schoepen duwt, veroorzaakt koppel op de as. Door het water echter vanuit verschillende posities op het wiel naar deze schoepen en emmers te leiden, kunnen de rotatiesnelheid en de efficiëntie worden verbeterd. De twee meest voorkomende typen waterradontwerpen zijn het "onderslagwaterrad" en het "bovenslagwaterrad".
Ontwerp van het onderslagwaterrad
Het onderslagwaterrad, ook wel bekend als een "stroomrad", was het meest gebruikte type waterrad dat door de oude Grieken en Romeinen werd ontworpen, omdat het het eenvoudigste, goedkoopste en gemakkelijkste type wiel is om te bouwen.
Bij dit type waterradontwerp wordt het wiel simpelweg direct in een snelstromende rivier geplaatst en van bovenaf ondersteund. De beweging van het water eronder creëert een duwkracht tegen de ondergedompelde schoepen aan de onderkant van het wiel, waardoor het slechts in één richting kan draaien ten opzichte van de stromingsrichting van het water.
Dit type waterradontwerp wordt over het algemeen gebruikt in vlakke gebieden zonder natuurlijke helling of waar het water snel genoeg stroomt. Vergeleken met andere waterradontwerpen is dit type ontwerp zeer inefficiënt: slechts 20% van de potentiële energie van het water wordt gebruikt om het rad daadwerkelijk te laten draaien. Bovendien wordt de waterenergie slechts één keer gebruikt om het rad te laten draaien, waarna het met de rest van het water wegstroomt.
Een ander nadeel van het onderslagrad is dat er grote hoeveelheden water met hoge snelheid moeten stromen. Daarom worden onderslagraderen meestal aan de oevers van rivieren geplaatst, omdat kleinere beken of rivieren niet genoeg potentiële energie in het stromende water hebben.
Een manier om de efficiëntie van een onderslagrad enigszins te verbeteren, is door een deel van het water in de rivier via een smalle goot of kanaal af te voeren, zodat 100% van het afgevoerde water wordt gebruikt om het rad te laten draaien. Om dit te bereiken, moet het onderslagrad smal zijn en zeer nauwkeurig in de goot passen om te voorkomen dat het water langs de zijkanten wegstroomt, of door het aantal of de grootte van de schoepen te vergroten.
Ontwerp van een bovenslagwaterrad
Het bovenslagwaterrad is het meest voorkomende type waterrad. Het bovenslagwaterrad is complexer in constructie en ontwerp dan het eerdere onderslagwaterrad, omdat het emmers of kleine compartimenten gebruikt om het water op te vangen en vast te houden.
Deze emmers vullen zich met water dat bovenaan het wiel binnenstroomt. De zwaartekracht van het water in de volle emmers zorgt ervoor dat het wiel om zijn centrale as draait, terwijl de lege emmers aan de andere kant van het wiel lichter worden.
Dit type waterrad maakt gebruik van zwaartekracht om de opbrengst te verbeteren, evenals het water zelf. Bovenslagraderen zijn daardoor veel efficiënter dan onderslagraderen, omdat bijna al het water en het gewicht ervan worden gebruikt om het vermogen te genereren. Net als voorheen wordt de energie van het water echter slechts één keer gebruikt om het rad te laten draaien, waarna het met de rest van het water wegstroomt.
Bovenslagwaterraderen hangen boven een rivier of beek en worden meestal op de flanken van heuvels gebouwd. Ze zorgen voor een watertoevoer van bovenaf met een lage opvoerhoogte (de verticale afstand tussen het water bovenaan en de rivier of beek eronder) van 5 tot 20 meter. Een kleine dam of stuw kan worden aangelegd om het water naar de top van het rad te kanaliseren en de snelheid ervan te verhogen, waardoor het meer energie krijgt. Het is echter het watervolume, en niet de snelheid, dat het rad laat draaien.
Over het algemeen worden bovenslagwaterraderen zo groot mogelijk gebouwd om een zo groot mogelijke opvoerhoogte te creëren, zodat de zwaartekracht van het water het rad kan laten draaien. Waterraderen met een grote diameter zijn echter ingewikkelder en duurder om te bouwen vanwege het gewicht van het rad en het water.
Wanneer de afzonderlijke emmers met water gevuld zijn, zorgt de zwaartekracht van het water ervoor dat het wiel in de richting van de waterstroom draait. Naarmate de rotatiehoek dichter bij de onderkant van het wiel komt, stroomt het water in de emmer in de rivier of beek eronder, maar het gewicht van de emmers die erachter draaien, zorgt ervoor dat het wiel met dezelfde snelheid blijft draaien. De lege emmer blijft rond het draaiende wiel draaien totdat hij weer bovenaan is, klaar om met meer water gevuld te worden en de cyclus zich herhaalt. Een van de nadelen van een bovenslagwaterrad is dat het water slechts één keer wordt gebruikt terwijl het over het wiel stroomt.
Het Pitchback-waterradontwerp
Het Pitchback-waterradontwerp is een variatie op het eerdere bovenslagwaterrad, omdat het ook de zwaartekracht van het water gebruikt om het wiel te laten draaien, maar ook de stroming van het afvalwater eronder voor extra stuwkracht. Dit type waterradontwerp maakt gebruik van een toevoersysteem met lage opvoerhoogte dat het water vanuit een pentrough erboven naar de bovenkant van het wiel voert.
In tegenstelling tot het bovenslagwaterrad, waarbij het water direct over het rad stroomt en het rad in de stroomrichting van het water draait, voert het terugslagwaterrad het water verticaal naar beneden door een trechter en in de emmer eronder, waardoor het rad in de tegenovergestelde richting van de stroomrichting van het water erboven draait.
Net als bij het vorige bovenslagwaterrad zorgt de zwaartekracht van het water in de emmers ervoor dat het rad draait, maar dan tegen de klok in. Naarmate de rotatiehoek de onderkant van het rad nadert, stroomt het in de emmers opgesloten water eronderuit. Zodra de lege emmer aan het rad is bevestigd, blijft deze met het rad meedraaien zoals voorheen totdat hij weer bovenaan staat, klaar om met meer water gevuld te worden en de cyclus zich herhaalt.
Het verschil is dit keer dat het afvalwater dat uit de roterende emmer wordt afgevoerd, wegstroomt in de richting van het draaiende wiel (omdat het nergens anders heen kan), vergelijkbaar met het principe van het onderslagwaterrad. Het belangrijkste voordeel van het terugslagwaterrad is dus dat het de energie van het water twee keer gebruikt, één keer van boven en één keer van onderen, om het wiel om zijn centrale as te laten draaien.
Het resultaat is dat de efficiëntie van het waterradontwerp aanzienlijk wordt verhoogd tot meer dan 80% van de waterenergie, omdat het wordt aangedreven door zowel de zwaartekracht van het inkomende water als door de kracht of druk van het water dat van bovenaf in de emmers wordt geleid, en door de stroming van het afvalwater eronder dat tegen de emmers drukt. Het nadeel van een pitchback-waterrad is echter dat er een iets complexere watertoevoer direct boven het rad nodig is, met goten en sleuven.
Het ontwerp van het borstschotwaterrad
Het borstschotwaterrad is een ander verticaal gemonteerd waterradontwerp waarbij het water de emmers ongeveer halverwege de ashoogte, of net daarboven, binnenkomt en vervolgens aan de onderkant in de draairichting van het rad weer naar buiten stroomt. Het borstschotwaterrad wordt over het algemeen gebruikt in situaties waarin de waterkolom onvoldoende is om een bovenslag- of terugslagwaterrad van bovenaf aan te drijven.
Het nadeel hiervan is dat de zwaartekracht van het water slechts voor ongeveer een kwart van de rotatie wordt gebruikt, in tegenstelling tot voorheen, toen dit slechts voor de helft van de rotatie gebeurde. Om deze geringe opvoerhoogte te compenseren, worden de emmers van de waterraderen breder gemaakt om de benodigde hoeveelheid potentiële energie uit het water te halen.
Borstschotwaterraderen gebruiken ongeveer hetzelfde zwaartekrachtgewicht van het water om het rad te laten draaien. Omdat de opvoerhoogte van het water echter ongeveer de helft is van die van een typisch bovenslagwaterrad, zijn de emmers veel breder dan eerdere waterradontwerpen om het volume van het opgevangen water te vergroten. Het nadeel van dit type ontwerp is een toename in de breedte en het gewicht van het water dat door elke emmer wordt meegevoerd. Net als bij het terugslagontwerp gebruikt het borstschotwaterrad de energie van het water twee keer, omdat het waterrad in het water staat, waardoor het afvalwater helpt bij de rotatie van het rad terwijl het stroomafwaarts stroomt.
Elektriciteit opwekken met een waterrad
Waterraderen werden van oudsher gebruikt voor het malen van meel, granen en andere mechanische taken. Waterraderen kunnen echter ook worden gebruikt voor de opwekking van elektriciteit, een zogenaamd waterkrachtsysteem. Door een elektrische generator aan te sluiten op de roterende as van het waterrad, direct of indirect met behulp van aandrijfriemen en poelies, kunnen waterraderen 24 uur per dag continu energie opwekken, in tegenstelling tot zonne-energie. Als het waterrad correct is ontworpen, kan een klein of "micro" waterkrachtsysteem voldoende elektriciteit opwekken om verlichting en/of elektrische apparaten in een gemiddeld huishouden van stroom te voorzien.
Zoek naar waterradgeneratoren die zijn ontworpen om hun optimale vermogen te leveren bij relatief lage snelheden. Voor kleine projecten kan een kleine gelijkstroommotor worden gebruikt als een generator met een laag toerental of als dynamo voor auto's, maar deze zijn ontworpen om op veel hogere snelheden te werken, waardoor een vorm van overbrenging nodig kan zijn. Een windturbinegenerator is een ideale waterradgenerator, omdat deze is ontworpen voor lage snelheden en een hoog vermogen.
Als er een redelijk snelstromende rivier of beek in de buurt van uw huis of tuin is die u kunt gebruiken, is een kleinschalig waterkrachtsysteem wellicht een beter alternatief voor andere vormen van hernieuwbare energiebronnen zoals windenergie of zonne-energie, omdat het veel minder visueel aantrekkelijk is. Net als bij wind- en zonne-energie kan met een op het elektriciteitsnet aangesloten kleinschalig waterradsysteem, dat is ontworpen om elektriciteit op te wekken maar niet gebruikt, alle elektriciteit die u opwekt, maar niet gebruikt, worden terugverkocht aan het elektriciteitsbedrijf.
In de volgende tutorial over waterkracht bekijken we de verschillende soorten turbines die we kunnen gebruiken voor ons waterradontwerp voor waterkrachtopwekking. Voor meer informatie over waterradontwerp en hoe u zelf elektriciteit kunt opwekken met behulp van waterkracht, of om meer informatie over de verschillende waterradontwerpen te verkrijgen, of om de voor- en nadelen van waterkracht te verkennen, klik dan hier om vandaag nog uw exemplaar bij Amazon te bestellen over de principes en constructie van waterraderen die gebruikt kunnen worden voor het opwekken van elektriciteit.
Plaatsingstijd: 25 juni 2021
