Ontwerp van een watermolen voor waterkrachtcentrales
Hydro-energie is een technologie die de kinetische energie van stromend water omzet in mechanische of elektrische energie. Een van de eerste apparaten die gebruikt werden om de energie van stromend water om te zetten in bruikbare arbeid, was het waterrad.
Het ontwerp van watermolens is in de loop der tijd geëvolueerd. Sommige watermolens zijn verticaal georiënteerd, andere horizontaal, en weer andere hebben complexe katrollen en tandwielen. Maar ze zijn allemaal ontworpen om dezelfde functie te vervullen: "de lineaire beweging van het stromende water omzetten in een roterende beweging die gebruikt kan worden om machines aan te drijven die via een roterende as zijn verbonden".
Typisch ontwerp van een watermolen
De eerste watermolens waren vrij primitieve en eenvoudige machines, bestaande uit een verticaal houten wiel met houten schoepen of bakken die gelijkmatig verdeeld waren over de omtrek. Deze schoepen rustten op een horizontale as, waarbij de kracht van het stromende water het wiel in een tangentiële richting tegen de schoepen duwde.
Deze verticale waterwielen waren aanzienlijk beter dan de eerdere horizontale waterwielen van de oude Grieken en Egyptenaren, omdat ze efficiënter werkten door de bewegingsenergie van het water om te zetten in kracht. Aan het waterwiel werden katrollen en tandwielen bevestigd, waardoor de draairichting van een as kon worden veranderd van horizontaal naar verticaal. Dit maakte het mogelijk om molenstenen aan te drijven, hout te zagen, erts te vermalen, te stampen en te snijden, enzovoort.
Soorten ontwerpen voor watermolens
De meeste watermolens, ook wel waterraderen genoemd, zijn verticaal gemonteerde wielen die om een horizontale as draaien. Deze typen waterraderen worden geclassificeerd op basis van de manier waarop het water op het wiel wordt toegevoerd, ten opzichte van de as van het wiel. Zoals je wellicht verwacht, zijn waterraderen relatief grote machines die met een lage hoeksnelheid draaien en een laag rendement hebben, vanwege verliezen door wrijving en het onvolledig vullen van de schoepen, enzovoort.
De kracht van het water dat tegen de schoepen of bladen van het wiel duwt, genereert een koppel op de as. Door het water vanuit verschillende posities op het wiel naar deze schoepen en bladen te leiden, kunnen de rotatiesnelheid en het rendement worden verbeterd. De twee meest voorkomende typen waterwielen zijn het onderslagwaterwiel en het bovenslagwaterwiel.
Ontwerp van een onderslagwatermolen
Het onderslagwaterwiel, ook wel bekend als een "stroomwiel", was het meest gebruikte type waterwiel dat door de oude Grieken en Romeinen werd ontworpen, omdat het het eenvoudigste, goedkoopste en gemakkelijkst te construeren type wiel is.
Bij dit type waterrad wordt het wiel eenvoudigweg direct in een snelstromende rivier geplaatst en van bovenaf ondersteund. De beweging van het water eronder zorgt voor een duwkracht tegen de ondergedompelde schoepen aan de onderkant van het wiel, waardoor het slechts in één richting kan draaien ten opzichte van de stroomrichting van het water.
Dit type waterrad wordt over het algemeen gebruikt in vlakke gebieden zonder natuurlijke helling of waar het water snel stroomt. Vergeleken met andere waterradontwerpen is dit ontwerp zeer inefficiënt, waarbij slechts 20% van de potentiële energie van het water daadwerkelijk wordt gebruikt om het wiel te laten draaien. Bovendien wordt de energie van het water slechts eenmaal gebruikt om het wiel te laten draaien, waarna deze met de rest van het water wegstroomt.
Een ander nadeel van het onderslagwaterwiel is dat het grote hoeveelheden water met hoge snelheid nodig heeft. Daarom worden onderslagwaterwielen meestal aan de oevers van rivieren geplaatst, omdat kleinere beekjes of stroompjes niet genoeg potentiële energie in het stromende water hebben.
Een manier om de efficiëntie van een onderslagwaterrad enigszins te verbeteren, is door een deel van het rivierwater af te leiden via een smal kanaal of buis, zodat 100% van het afgeleide water wordt gebruikt om het wiel aan te drijven. Om dit te bereiken, moet het onderslagwaterrad smal zijn en zeer nauwkeurig in het kanaal passen om te voorkomen dat het water langs de zijkanten ontsnapt, of door het aantal of de grootte van de schoepen te vergroten.
Ontwerp van een bovenslagwatermolen
Het bovenslagwaterwiel is het meest voorkomende type waterwiel. De constructie en het ontwerp van het bovenslagwaterwiel zijn complexer dan die van het onderslagwaterwiel, omdat het gebruikmaakt van emmers of kleine compartimenten om het water op te vangen en vast te houden.
Deze emmers vullen zich met water dat aan de bovenkant van het wiel naar binnen stroomt. Door de zwaartekracht van het water in de volle emmers draait het wiel om zijn centrale as, terwijl de lege emmers aan de andere kant van het wiel lichter worden.
Dit type waterrad maakt gebruik van de zwaartekracht om de energieopbrengst te verhogen, evenals van het water zelf. Daardoor zijn bovenslagwaterwielen veel efficiënter dan onderslagwaterwielen, omdat bijna al het water en het gewicht ervan worden gebruikt om energie op te wekken. Net als bij bovenslagwaterwielen wordt de energie van het water echter slechts eenmaal gebruikt om het wiel te laten draaien, waarna het met de rest van het water wegstroomt.
Bovenslagwatermolens hangen boven een rivier of beek en worden over het algemeen op hellingen gebouwd. Ze voorzien de molen van water van bovenaf met een lage valhoogte (de verticale afstand tussen het water aan de bovenkant en de rivier of beek eronder) van 5 tot 20 meter. Een kleine dam of stuw kan worden gebouwd om het water naar de bovenkant van de molen te leiden en de snelheid ervan te verhogen, waardoor de molen meer energie krijgt. Het is echter het volume water, en niet de snelheid, dat de molen laat draaien.
Over het algemeen worden bovenslagwaterwielen zo groot mogelijk gebouwd om een zo groot mogelijk valhoogteverschil te creëren, zodat het gewicht van het water het wiel kan laten draaien. Waterwielen met een grote diameter zijn echter complexer en duurder om te bouwen vanwege het gewicht van het wiel en het water.
Wanneer de afzonderlijke emmers met water worden gevuld, zorgt de zwaartekracht van het water ervoor dat het wiel in de richting van de waterstroom draait. Naarmate de draaihoek de onderkant van het wiel nadert, loopt het water in de emmer leeg in de rivier of beek eronder, maar het gewicht van de emmers die erachter draaien, zorgt ervoor dat het wiel zijn rotatiesnelheid behoudt. De lege emmer blijft rond het draaiende wiel cirkelen totdat hij weer bovenaan is en klaar is om opnieuw met water te worden gevuld, waarna de cyclus zich herhaalt. Een van de nadelen van een bovenslagwaterrad is dat het water slechts één keer wordt gebruikt, omdat het over het wiel stroomt.
Het ontwerp van het Pitchback-waterrad
Het Pitchback-waterwielontwerp is een variant op het eerdere bovenslagwaterwiel, omdat het eveneens gebruikmaakt van de zwaartekracht van het water om het wiel te laten draaien, maar ook van de stroming van het afvalwater eronder voor extra stuwkracht. Dit type waterwielontwerp maakt gebruik van een lagedruktoevoersysteem dat het water nabij de bovenkant van het wiel aanvoert vanuit een pentrog erboven.
In tegenstelling tot het bovenslagwaterwiel, dat het water direct over het wiel leidde waardoor het in de richting van de waterstroom draaide, voert het terugslagwaterwiel het water verticaal naar beneden via een trechter naar de bak eronder, waardoor het wiel in de tegenovergestelde richting van de waterstroom erboven draait.
Net als bij het vorige bovenslagwaterrad zorgt de zwaartekracht van het water in de emmers ervoor dat het wiel draait, maar dan tegen de klok in. Naarmate de draaihoek de onderkant van het wiel nadert, loopt het water in de emmers eronder weg. De lege emmer wordt aan het wiel bevestigd en blijft meedraaien totdat hij weer bovenaan is en klaar is om opnieuw gevuld te worden met water. De cyclus herhaalt zich.
Het verschil is ditmaal dat het afvalwater dat uit de roterende emmer komt, wegstroomt in de richting van het draaiende wiel (omdat het nergens anders heen kan), vergelijkbaar met het principe van het onderslagwaterwiel. Het belangrijkste voordeel van het terugslagwaterwiel is dus dat het de energie van het water twee keer benut, eenmaal van boven en eenmaal van onderen, om het wiel om zijn centrale as te laten draaien.
Het resultaat is dat het rendement van het waterwielontwerp aanzienlijk wordt verhoogd tot meer dan 80% van de energie van het water, omdat het wordt aangedreven door zowel de zwaartekracht van het binnenstromende water als de kracht of druk van het water dat van bovenaf in de schoepen wordt geleid, en de stroming van het afvalwater eronder dat tegen de schoepen duwt. Het nadeel van een pitchback-waterwiel is echter dat er een iets complexere watertoevoer nodig is direct boven het wiel, met goten en tussenschotten.
Het ontwerp van het Breastshot-waterrad
Het borstschotwaterwiel is een ander verticaal gemonteerd waterwielontwerp waarbij het water de schoepen instroomt op ongeveer halverwege de ashoogte, of net daarboven, en vervolgens aan de onderkant in de draairichting van het wiel weer naar buiten stroomt. Over het algemeen wordt het borstschotwaterwiel gebruikt in situaties waar de waterdruk onvoldoende is om een bovenslag- of terugslagwaterwiel aan te drijven.
Het nadeel hiervan is dat de zwaartekracht van het water slechts voor ongeveer een kwart van de rotatie wordt benut, in tegenstelling tot voorheen, toen dit voor de helft van de rotatie het geval was. Om deze geringe valhoogte te compenseren, zijn de schoepen van de watermolens breder gemaakt om de benodigde potentiële energie uit het water te halen.
Borstslagwaterwielen gebruiken ongeveer hetzelfde zwaartekrachtsgewicht van het water om het wiel te laten draaien, maar omdat de waterhoogte ongeveer de helft is van die van een typisch bovenslagwaterwiel, zijn de schoepen veel breder dan bij eerdere waterwielontwerpen om het volume van het opgevangen water te vergroten. Het nadeel van dit ontwerp is de toename van de breedte en het gewicht van het water dat door elke schoep wordt vervoerd. Net als bij het terugslagontwerp gebruikt het borstslagwiel de energie van het water tweemaal, omdat het waterwiel in het water ligt, waardoor het afvalwater helpt bij de rotatie van het wiel terwijl het stroomafwaarts wegstroomt.
Elektriciteit opwekken met behulp van een waterrad
Van oudsher werden watermolens gebruikt voor het malen van meel, granen en andere mechanische taken. Maar watermolens kunnen ook worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit, in de vorm van een waterkrachtcentrale. Door een elektrische generator aan te sluiten op de roterende as van de watermolen, direct of indirect via aandrijfriemen en katrollen, kunnen watermolens, in tegenstelling tot zonne-energie, 24 uur per dag continu stroom opwekken. Als de watermolen correct is ontworpen, kan een kleine of 'micro'-waterkrachtcentrale voldoende elektriciteit produceren om de verlichting en/of elektrische apparaten in een gemiddeld huishouden van stroom te voorzien.
Zoek naar waterwielgeneratoren die ontworpen zijn om hun optimale vermogen te leveren bij relatief lage snelheden. Voor kleine projecten kan een kleine gelijkstroommotor als generator met lage snelheid worden gebruikt, of een dynamo voor auto's, maar deze zijn ontworpen om op veel hogere snelheden te werken, dus een of andere vorm van overbrenging kan nodig zijn. Een windturbinegenerator is een ideale waterwielgenerator, omdat deze is ontworpen voor een lage snelheid 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, dan kan een kleinschalig waterkrachtsysteem een beter alternatief zijn voor andere vormen van hernieuwbare energiebronnen zoals windenergie of zonne-energie, omdat het veel minder visuele impact heeft. Net als bij wind- en zonne-energie kan, met een op het lokale elektriciteitsnet aangesloten kleinschalig waterwielsysteem, alle opgewekte maar niet-gebruikte elektriciteit teruggeleverd worden aan het energiebedrijf.
In de volgende tutorial over waterkracht bekijken we de verschillende soorten turbines die we aan ons waterwielontwerp kunnen bevestigen voor het opwekken van waterkracht. Voor meer informatie over waterwielontwerp en hoe u uw eigen elektriciteit kunt opwekken met behulp van waterkracht, of voor meer informatie over de verschillende beschikbare waterwielontwerpen, of om de voor- en nadelen van waterkracht te ontdekken, klik dan hier om vandaag nog uw exemplaar te bestellen via Amazon over de principes en constructie van waterwielen die gebruikt kunnen worden voor het opwekken van elektriciteit.
Geplaatst op: 25 juni 2021
