Vannhjuldesign for vannkraft
VannkraftikonVannkraft er en teknologi som omdanner den kinetiske energien fra vann i bevegelse til mekanisk eller elektrisk energi, og en av de tidligste enhetene som ble brukt til å omdanne energien fra vann i bevegelse til brukbart arbeid var vannhjulsdesignet.
Vannhjulsdesign har utviklet seg over tid, med noen vannhjul orientert vertikalt, noen horisontalt og noen med forseggjorte trinser og gir festet, men de er alle designet for å gjøre samme funksjon, og det vil si å "konvertere den lineære bevegelsen til det bevegelige vannet til en roterende bevegelse som kan brukes til å drive ethvert maskineri som er koblet til det via en roterende aksel".
Typisk vannhjuldesign
Tidlig vannhjuldesign var ganske primitive og enkle maskiner bestående av et vertikalt trehjul med treblad eller bøtter festet likt rundt omkretsen, alle støttet på en horisontal aksel, med kraften fra vannet som strømmet under den, som presset hjulet i en tangentiell retning mot bladene.
Disse vertikale vannhjulene var langt bedre enn de tidligere horisontale vannhjulene som ble designet av de gamle grekerne og egypterne, fordi de kunne operere mer effektivt og omsette momentumet i det bevegelige vannet til kraft. Trinser og gir ble deretter festet til vannhjulet, noe som tillot en endring av retningen til en roterende aksel fra horisontal til vertikal for å betjene møllesteiner, sagvirke, knuse malm, stempling og skjæring osv.
Typer vannhjuldesign
De fleste vannhjul, også kjent som vannmøller eller rett og slett vannhjul, er vertikalt monterte hjul som roterer rundt en horisontal aksel, og disse typene vannhjul klassifiseres etter måten vannet tilføres hjulet på, i forhold til hjulets aksel. Som du kanskje forventer, er vannhjul relativt store maskiner som roterer med lave vinkelhastigheter og har lav effektivitet på grunn av tap ved friksjon og ufullstendig fylling av bøttene, osv.
Vannets virkning som presser mot hjulenes bøtter eller padler utvikler dreiemoment på akselen, men ved å rette vannet mot disse padlene og bøttene fra forskjellige posisjoner på hjulet, kan rotasjonshastigheten og effektiviteten forbedres. De to vanligste typene vannhjulsdesign er «undershot-vannhjul» og «overshot-vannhjul».
Undershot vannhjuldesign
Undershot-vannhjulet, også kjent som et «strømhjul», var den mest brukte typen vannhjul designet av de gamle grekerne og romerne, da det er den enkleste, billigste og letteste typen hjul å konstruere.
I denne typen vannhjulsdesign plasseres hjulet rett og slett direkte i en raskt rennende elv og støttes ovenfra. Vannets bevegelse nedenfor skaper en skyvevirkning mot de nedsenkede padlene på den nedre delen av hjulet, slik at det kan rotere i bare én retning i forhold til vannstrømmens retning.
Denne typen vannhjuldesign brukes vanligvis i flate områder uten naturlig skråning, eller der vannstrømmen er tilstrekkelig rask. Sammenlignet med andre vannhjuldesign er denne typen design svært ineffektiv, med så lite som 20 % av vannets potensielle energi som brukes til å faktisk rotere hjulet. Vannenergien brukes også bare én gang til å rotere hjulet, hvoretter den strømmer bort med resten av vannet.
En annen ulempe med undershot-vannhjulet er at det krever store mengder vann som beveger seg med høy hastighet. Derfor er undershot-vannhjul vanligvis plassert ved elvebredder, ettersom mindre bekker eller bekker ikke har nok potensiell energi i det bevegelige vannet.
En måte å forbedre effektiviteten til et undershot-vannhjul litt på er å lede en prosentandel av vannet i elven langs en smal kanal eller kanal, slik at 100 % av det omdirigerte vannet brukes til å rotere hjulet. For å oppnå dette må undershot-hjulet være smalt og passe veldig nøyaktig i kanalen for å forhindre at vannet slipper ut langs sidene, eller ved å øke enten antallet eller størrelsen på padlene.
Overshot vannhjulsdesign
Overshot-vannhjulsdesignet er den vanligste typen vannhjulsdesign. Overshot-vannhjulet er mer komplisert i konstruksjon og design enn det tidligere undershot-vannhjulet, ettersom det bruker bøtter eller små rom for å både fange og holde vannet.
Disse bøttene fylles med vann som strømmer inn på toppen av hjulet. Tyngdekraften til vannet i de fulle bøttene får hjulet til å rotere rundt sin sentrale akse ettersom de tomme bøttene på den andre siden av hjulet blir lettere.
Denne typen vannhjul bruker tyngdekraften for å forbedre ytelsen så vel som vannet selv, og dermed er overskytende vannhjul mye mer effektive enn underskytende design, ettersom nesten alt vannet og vekten av det brukes til å produsere utgangseffekt. Men som før brukes vannets energi bare én gang til å rotere hjulet, hvoretter det renner bort med resten av vannet.
Overløpsvannhjul henger over en elv eller bekk og er vanligvis bygget på sidene av åser. De gir vannforsyning ovenfra med en lav fallhøyde (den vertikale avstanden mellom vannet på toppen og elven eller bekken nedenfor) på mellom 5 og 20 meter. En liten demning eller demning kan bygges og brukes til å både kanalisere og øke vannets hastighet til toppen av hjulet, noe som gir det mer energi, men det er vannvolumet snarere enn hastigheten som hjelper hjulet å rotere.
Vanligvis bygges overskytende vannhjul så store som mulig for å gi størst mulig avstand mellom hjulets høyde og vannets gravitasjonsvekt for å rotere hjulet. Vannhjul med stor diameter er imidlertid mer kompliserte og dyre å konstruere på grunn av vekten av hjulet og vannet.
Når de enkelte bøttene fylles med vann, fører vannets tyngdekraft til at hjulet roterer i retning av vannstrømmen. Når rotasjonsvinkelen kommer nærmere bunnen av hjulet, tømmes vannet inne i bøtta ut i elven eller bekken nedenfor, men vekten av bøttene som roterer bak den, fører til at hjulet fortsetter med sin rotasjonshastighet. Den tomme bøtta fortsetter rundt det roterende hjulet til den kommer opp på toppen igjen, klar til å fylles med mer vann, og syklusen gjentas. En av ulempene med et overhodet vannhjuldesign er at vannet bare brukes én gang når det strømmer over hjulet.
Pitchback-vannhjuldesignet
Pitchback-vannhjulsdesignet er en variant av det tidligere overskytende vannhjulet, ettersom det også bruker vannets gravitasjonsvekt for å rotere hjulet, men det bruker også strømmen av avløpsvannet under det for å gi et ekstra dytt. Denne typen vannhjulsdesign bruker et lavtrykksinnmatingssystem som forsyner vannet nær toppen av hjulet fra en pentrau ovenfor.
I motsetning til overskuddsvannhjulet som kanaliserte vannet direkte over hjulet og fikk det til å rotere i retning av vannets strømning, mater det tilbakeslagsvendte vannhjulet vannet vertikalt nedover gjennom en trakt og inn i bøtta under, noe som får hjulet til å rotere i motsatt retning av vannets strømning ovenfor.
Akkurat som med det forrige overskytende vannhjulet, får gravitasjonsvekten fra vannet i bøttene hjulet til å rotere, men mot klokken. Når rotasjonsvinkelen nærmer seg bunnen av hjulet, tømmes vannet som er fanget inne i bøttene, ut under. Når den tomme bøtta festes til hjulet, fortsetter den å rotere med hjulet som før til den kommer opp på toppen igjen, klar til å fylles med mer vann, og syklusen gjentas.
Forskjellen denne gangen er at avløpsvannet som tømmes ut av den roterende bøtta renner bort i retning av det roterende hjulet (siden det ikke har noe annet sted å gå), i likhet med prinsippet for underskadde vannhjul. Dermed er hovedfordelen med bakovervendt vannhjul at det bruker vannets energi to ganger, én gang ovenfra og én gang nedenfra, for å rotere hjulet rundt sin sentrale akse.
Resultatet er at vannhjulets effektivitet økes kraftig, til over 80 % av vannets energi, ettersom det drives av både gravitasjonsvekten til det innkommende vannet og av kraften eller trykket fra vann som rettes inn i bøttene ovenfra, samt strømmen av avløpsvannet nedenfor som presser mot bøttene. Ulempen med et bakovervendt vannhjul er imidlertid at det trenger et litt mer komplekst vannforsyningsarrangement rett over hjulet med renner og renner.
Breastshot vannhjulsdesign
Breastshot-vannhjuldesignet er et annet vertikalt montert vannhjuldesign der vannet kommer inn i bøttene omtrent halvveis oppe i akselhøyde, eller rett over den, og deretter renner ut nederst i hjulenes rotasjonsretning. Vanligvis brukes brystshot-vannhjulet i situasjoner der vannsøylen ikke er tilstrekkelig til å drive et overshot- eller pitchback-vannhjuldesign ovenfra.
Ulempen her er at vannets gravitasjonsvekt bare brukes i omtrent en fjerdedel av rotasjonen, i motsetning til tidligere, som var i halve rotasjonen. For å overvinne denne lave fallhøyden, er vannhjulenes bøtter gjort bredere for å utvinne den nødvendige mengden potensiell energi fra vannet.
Brystskuddvannhjul bruker omtrent den samme gravitasjonsvekten som vannet for å rotere hjulet, men siden vannets fallhøyde er omtrent halvparten av et typisk overskuddvannhjul, er bøttene mye bredere enn tidligere vannhjuldesign for å øke volumet av vannet som fanges i bøttene. Ulempen med denne typen design er en økning i bredden og vekten av vannet som bæres av hver bøtte. Som med pitchback-designet bruker brystskuddhjulet energien fra vannet dobbelt så mye som vannhjulet er designet for å sitte i vannet, slik at avløpsvannet hjelper til med rotasjonen av hjulet når det renner nedstrøms.
Generer strøm ved hjelp av et vannhjul
Historisk sett har vannhjul blitt brukt til å male mel, korn og andre slike mekaniske oppgaver. Men vannhjul kan også brukes til å generere elektrisitet, kalt et vannkraftsystem. Ved å koble en elektrisk generator til vannhjulets roterende aksel, enten direkte eller indirekte ved hjelp av drivreimer og trinser, kan vannhjul brukes til å generere strøm kontinuerlig 24 timer i døgnet, i motsetning til solenergi. Hvis vannhjulet er riktig utformet, kan et lite eller "mikro" vannkraftsystem produsere nok strøm til å drive belysning og/eller elektriske apparater i et gjennomsnittlig hjem.
Se etter vannhjulgeneratorer som er designet for å produsere optimal effekt ved relativt lave hastigheter. For små prosjekter kan en liten likestrømsmotor brukes som en lavhastighetsgenerator eller en bilgenerator, men disse er designet for å arbeide ved mye høyere hastigheter, så en form for giring kan være nødvendig. En vindturbingenerator er en ideell vannhjulgenerator, siden den er designet for lav hastighet og høy effekt.
Hvis det finnes en ganske raskt rennende elv eller bekk i nærheten av huset eller hagen din som du kan bruke, kan et småskala vannkraftanlegg være et bedre alternativ til andre former for fornybare energikilder som «vindenergi» eller «solenergi», da det har mye mindre visuell påvirkning. Akkurat som med vind- og solenergi, med et netttilkoblet småskala vannhjulsdesignet genereringssystem koblet til det lokale strømnettet, kan all strøm du genererer, men ikke bruker, selges tilbake til strømselskapet.
I den neste veiledningen om vannkraft skal vi se på de ulike typene turbiner som er tilgjengelige, og som vi kan koble til vannhjuldesignet vårt for vannkraftproduksjon. For mer informasjon om vannhjuldesign og hvordan du kan generere din egen strøm ved hjelp av vannkraft, eller for å få mer informasjon om vannkraft om de ulike tilgjengelige vannhjuldesignene, eller for å utforske fordeler og ulemper med vannkraft, klikk her for å bestille ditt eksemplar fra Amazon i dag om prinsippene og konstruksjonen av vannhjul som kan brukes til å generere strøm.
Publisert: 25. juni 2021
