Projekt koła wodnego dla projektu hydroelektrowni

Projekt koła wodnego dla energetyki wodnej
ikona energii wodnejEnergia wodna to technologia, która zamienia energię kinetyczną poruszającej się wody na energię mechaniczną lub elektryczną. Jednym z pierwszych urządzeń służących do zamiany energii poruszającej się wody na użyteczną pracę był projekt koła wodnego.
Konstrukcja kół wodnych ewoluowała z czasem – niektóre koła wodne ustawione są pionowo, inne poziomo, a do niektórych przymocowane są skomplikowane koła pasowe i przekładnie, ale wszystkie są zaprojektowane tak, aby wykonywać tę samą funkcję, a mianowicie „przekształcać ruch liniowy płynącej wody w ruch obrotowy, który może być wykorzystany do napędzania dowolnej maszyny podłączonej do niej za pomocą obracającego się wału”.

Typowa konstrukcja koła wodnego
Wczesne konstrukcje kół młyńskich były dość prymitywnymi i prostymi maszynami składającymi się z pionowego drewnianego koła z drewnianymi łopatkami lub wiadrami zamocowanymi równomiernie na całym obwodzie. Wszystkie one były podparte na poziomym wale, a siła płynącej pod nim wody popychała koło w kierunku stycznym do łopatek.
Te pionowe koła wodne były znacznie lepsze od wcześniejszych poziomych kół wodnych starożytnych Greków i Egipcjan, ponieważ mogły działać wydajniej, zamieniając pęd poruszającej się wody na moc. Następnie do koła wodnego przymocowano koła pasowe i przekładnie, co umożliwiało zmianę kierunku obracającego się wału z poziomego na pionowy, aby obsługiwać kamienie młyńskie, piłować drewno, kruszyć rudę, tłoczyć i ciąć itp.

Rodzaje konstrukcji kół wodnych
Większość kół wodnych, znanych również jako młyny wodne lub po prostu koła wodne, to koła zamontowane pionowo, obracające się wokół poziomej osi, a te typy kół wodnych są klasyfikowane według sposobu, w jaki woda jest dostarczana do koła, w stosunku do osi koła. Jak można się spodziewać, koła wodne są stosunkowo dużymi maszynami, które obracają się z niską prędkością kątową i mają niską wydajność z powodu strat spowodowanych tarciem i niepełnym napełnianiem wiader itp.
Działanie wody naciskającej na łyżki lub łopatki kół wytwarza moment obrotowy na osi, ale kierując wodę na te łopatki i łyżki z różnych pozycji na kole, można poprawić prędkość obrotową i jej wydajność. Dwa najczęstsze typy konstrukcji koła wodnego to „podsiębierne koło wodne” i „podsiębierne koło wodne”.

Konstrukcja koła wodnego podsiębiernego
Konstrukcja koła wodnego podsiębiernego, znanego również jako „koło strumieniowe”, była najpopularniejszym typem koła wodnego zaprojektowanego przez starożytnych Greków i Rzymian, ponieważ jest najprostszym, najtańszym i najłatwiejszym do zbudowania typem koła.
W tym typie konstrukcji koła wodnego koło jest po prostu umieszczane bezpośrednio w szybko płynącej rzece i podparte od góry. Ruch wody poniżej powoduje działanie pchające na zanurzone łopatki w dolnej części koła, umożliwiając mu obracanie się tylko w jednym kierunku względem kierunku przepływu wody.
Ten typ konstrukcji koła wodnego jest zazwyczaj stosowany na płaskich obszarach bez naturalnego nachylenia terenu lub tam, gdzie przepływ wody jest wystarczająco szybki. W porównaniu z innymi konstrukcjami koła wodnego, ten typ konstrukcji jest bardzo nieefektywny, ponieważ zaledwie 20% potencjalnej energii wody jest wykorzystywane do faktycznego obracania koła. Ponadto energia wody jest wykorzystywana tylko raz do obracania koła, po czym odpływa wraz z resztą wody.
Inną wadą podsiębiernego koła wodnego jest to, że wymaga dużych ilości wody poruszającej się z prędkością. Dlatego podsiębierne koła wodne są zwykle umieszczane na brzegach rzek, ponieważ mniejsze strumienie lub potoki nie mają wystarczającej energii potencjalnej w poruszającej się wodzie.
Jednym ze sposobów na nieznaczne zwiększenie wydajności podsiębiernego koła wodnego jest skierowanie procentu wody w rzece wzdłuż wąskiego kanału lub przewodu, tak aby 100% przekierowanej wody było wykorzystywane do obracania koła. Aby to osiągnąć, koło podsiębierne musi być wąskie i bardzo dokładnie dopasowane do kanału, aby zapobiec ucieczce wody po bokach lub poprzez zwiększenie liczby lub rozmiaru łopatek.

Projekt koła wodnego Overshot
Konstrukcja koła wodnego Overshot jest najpopularniejszym typem konstrukcji koła wodnego. Koło wodne Overshot jest bardziej skomplikowane pod względem konstrukcji i projektu niż poprzednie koło wodne Undershot, ponieważ wykorzystuje wiadra lub małe komory do łapania i zatrzymywania wody.
Te wiadra napełniają się wodą, która wpływa do góry koła. Ciężar grawitacyjny wody w pełnych wiadrach powoduje, że koło obraca się wokół swojej osi centralnej, podczas gdy puste wiadra po drugiej stronie koła stają się lżejsze.
Ten typ koła wodnego wykorzystuje grawitację do poprawy wydajności, jak również samej wody, dlatego koła wodne typu overshot są znacznie bardziej wydajne niż konstrukcje undershot, ponieważ prawie cała woda i jej ciężar są wykorzystywane do wytwarzania mocy wyjściowej. Jednak tak jak poprzednio, energia wody jest wykorzystywana tylko raz do obracania koła, po czym odpływa wraz z resztą wody.
Koła wodne typu overshot są zawieszone nad rzeką lub strumieniem i są zazwyczaj budowane na zboczach wzgórz, zapewniając dopływ wody z góry z niskim spadkiem (odległość pionowa między wodą na górze a rzeką lub strumieniem poniżej) wynoszącym od 5 do 20 metrów. Można zbudować małą tamę lub jaz i używać ich zarówno do kierowania, jak i zwiększania prędkości wody do góry koła, nadając jej więcej energii, ale to objętość wody, a nie jej prędkość, pomaga obracać koło.

Generalnie, koła wodne typu overshot są budowane tak duże, jak to możliwe, aby zapewnić jak największą odległość głowicy dla ciężaru grawitacyjnego wody, aby obracać koło. Jednak koła wodne o dużej średnicy są bardziej skomplikowane i droższe w budowie ze względu na ciężar koła i wody.
Gdy poszczególne wiadra są napełniane wodą, ciężar grawitacyjny wody powoduje, że koło obraca się w kierunku przepływu wody. Gdy kąt obrotu zbliża się do dna koła, woda wewnątrz wiadra wylewa się do rzeki lub strumienia poniżej, ale ciężar wiader obracających się za nim powoduje, że koło kontynuuje swoją prędkość obrotową. Puste wiadro kontynuuje obrót wokół obracającego się koła, aż znajdzie się z powrotem na górze, gotowe do napełnienia większą ilością wody, a cykl się powtarza. Jedną z wad konstrukcji koła wodnego typu overshot jest to, że woda jest używana tylko raz, gdy przepływa przez koło.

Projekt koła wodnego Pitchback
Konstrukcja koła wodnego Pitchback Water Wheel jest odmianą poprzedniego koła wodnego typu overshot, ponieważ wykorzystuje również ciężar grawitacyjny wody, aby pomóc w obracaniu koła, ale wykorzystuje również przepływ ścieków pod nim, aby zapewnić dodatkowy pch. Ten typ konstrukcji koła wodnego wykorzystuje system niskiego ciśnienia, który dostarcza wodę blisko górnej części koła z koryta powyżej.
W przeciwieństwie do koła wodnego z górnym strumieniem, które kieruje wodę bezpośrednio nad kołem, powodując jego obrót zgodnie z kierunkiem przepływu wody, koło wodne z górnym strumieniem kieruje wodę pionowo w dół przez lejek do znajdującego się poniżej wiadra, powodując obrót koła w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu wody powyżej.
Podobnie jak w przypadku poprzedniego koła wodnego typu overshot, ciężar grawitacyjny wody w wiadrach powoduje, że koło obraca się, ale w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Gdy kąt obrotu zbliża się do dolnej części koła, woda uwięziona w wiadrach opróżnia się poniżej. Gdy puste wiadro jest przymocowane do koła, nadal obraca się wraz z kołem, jak poprzednio, aż znajdzie się z powrotem na górze, gotowe do napełnienia większą ilością wody, a cykl się powtarza.
Różnica tym razem polega na tym, że ścieki wylewane z obracającego się wiadra odpływają w kierunku obracającego się koła (ponieważ nie mają dokąd pójść), podobnie jak w przypadku zasady koła wodnego podsiębiernego. Tak więc główną zaletą koła wodnego z odchylonym kątem jest to, że wykorzystuje ono energię wody dwa razy, raz z góry i raz z dołu, aby obrócić koło wokół jego osi centralnej.
W rezultacie wydajność konstrukcji koła wodnego znacznie wzrasta do ponad 80% energii wody, ponieważ jest napędzana zarówno przez ciężar grawitacyjny napływającej wody, jak i przez siłę lub ciśnienie wody kierowanej do wiader z góry, a także przez przepływ ścieków poniżej, naciskający na wiadra. Wadą koła wodnego z odchylonym kołem jest to, że wymaga ono nieco bardziej złożonego układu doprowadzania wody bezpośrednio nad kołem z rynnami i korytami.

Projekt koła wodnego Breastshot
Konstrukcja koła wodnego Breastshot Water Wheel to kolejna konstrukcja koła wodnego montowanego pionowo, w której woda wpływa do wiader mniej więcej w połowie wysokości osi lub tuż nad nią, a następnie wypływa na dole w kierunku obrotu kół. Zasadniczo koło wodne Breastshot Water Wheel jest używane w sytuacjach, w których ciśnienie wody jest niewystarczające do zasilania koła wodnego typu overshot lub pitchback od góry.
Wadą jest to, że ciężar grawitacyjny wody jest wykorzystywany tylko przez około jedną czwartą obrotu, w przeciwieństwie do poprzedniego, kiedy to było przez połowę obrotu. Aby przezwyciężyć tę niską wysokość głowicy, wiadra kół wodnych są szersze, aby wydobyć wymaganą ilość energii potencjalnej z wody.
Koła wodne typu breastshot wykorzystują mniej więcej taką samą grawitacyjną wagę wody, aby obracać koło, ale ponieważ wysokość wody wynosi około połowę wysokości typowego koła wodnego typu overshot, wiadra są znacznie szersze niż poprzednie konstrukcje kół wodnych, aby zwiększyć objętość wody przechwytywanej przez wiadra. Wadą tego typu konstrukcji jest zwiększenie szerokości i ciężaru wody przenoszonej przez każde wiadro. Podobnie jak w przypadku konstrukcji pitchback, koło typu breastshot wykorzystuje energię wody dwukrotnie, ponieważ koło wodne jest zaprojektowane tak, aby znajdować się w wodzie, umożliwiając ściekom wspomaganie obrotu koła podczas odpływu w dół rzeki.

Wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą koła wodnego
Historycznie koła wodne były używane do mielenia mąki, zbóż i innych tego typu zadań mechanicznych. Ale koła wodne mogą być również używane do wytwarzania energii elektrycznej, zwanej systemem Hydro Power. Poprzez podłączenie generatora elektrycznego do obracającego się wału koła wodnego, bezpośrednio lub pośrednio za pomocą pasów napędowych i kół pasowych, koła wodne mogą być używane do ciągłego wytwarzania energii przez 24 godziny na dobę, w przeciwieństwie do energii słonecznej. Jeśli koło wodne jest prawidłowo zaprojektowane, mały lub „mikro” system hydroelektryczny może wytwarzać wystarczająco dużo energii elektrycznej do zasilania oświetlenia i/lub urządzeń elektrycznych w przeciętnym domu.
Szukaj generatorów z kołem wodnym zaprojektowanych tak, aby generować optymalną moc przy stosunkowo niskich prędkościach. W przypadku małych projektów mały silnik prądu stałego może być używany jako generator wolnoobrotowy lub alternator samochodowy, ale są one zaprojektowane do pracy przy znacznie wyższych prędkościach, więc może być wymagana jakaś forma przekładni. Generator turbiny wiatrowej jest idealnym generatorem z kołem wodnym, ponieważ jest zaprojektowany do pracy przy niskiej prędkości i wysokiej mocy.
Jeśli w pobliżu Twojego domu lub ogrodu znajduje się rzeka lub strumień o dość szybkim nurcie, z którego możesz skorzystać, wówczas mały system hydroenergetyczny może być lepszą alternatywą dla innych form odnawialnych źródeł energii, takich jak „energia wiatrowa” lub „energia słoneczna”, ponieważ ma znacznie mniejszy wpływ na wygląd. Podobnie jak w przypadku energii wiatrowej i słonecznej, dzięki podłączonemu do sieci małemu systemowi generującemu zaprojektowanemu w oparciu o koło wodne podłączone do lokalnej sieci energetycznej, wszelka energia elektryczna, którą wytworzysz, ale której nie wykorzystasz, może zostać odsprzedana z powrotem do firmy energetycznej.
W następnym samouczku o Hydro Energy przyjrzymy się różnym dostępnym typom turbin, które moglibyśmy dołączyć do naszego projektu koła wodnego w celu generowania energii wodnej. Aby uzyskać więcej informacji o projekcie koła wodnego i sposobie generowania własnej energii elektrycznej przy użyciu mocy wody lub uzyskać więcej informacji o hydroenergetyce na temat różnych dostępnych projektów kół wodnych lub aby poznać zalety i wady hydroenergii, kliknij tutaj, aby zamówić swój egzemplarz z Amazon już dziś na temat zasad i konstrukcji kół wodnych, które można wykorzystać do generowania energii elektrycznej.