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 z czasem ewoluowała – niektóre koła wodne zorientowane 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 wodnych 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 konstrukcji starożytnych Greków i Egipcjan, ponieważ mogły działać wydajniej, przekształcając pęd poruszającej się wody w energię. Do koła wodnego mocowano koła pasowe i przekładnie, co umożliwiało zmianę kierunku obrotu wału z poziomego na pionowy, co umożliwiało napędzanie kamieni młyńskich, piłowanie drewna, kruszenie rudy, tłoczenie i cięcie 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. Klasyfikuje się je według sposobu, w jaki woda jest dostarczana do koła, w stosunku do osi koła. Jak można się spodziewać, koła wodne to stosunkowo duże maszyny, obracające się z niską prędkością kątową i charakteryzujące się niską wydajnością z powodu strat tarcia i niepełnego napełnienia wiader itp.
Działanie wody naciskającej na czerpaki lub łopatki kół generuje moment obrotowy na osi, ale kierując wodę na te czerpaki i łopatki z różnych pozycji na kole, można poprawić prędkość obrotową i jej wydajność. Dwa najpopularniejsze typy konstrukcji kół wodnych to „podsiębierne koło wodne” i „podsiębierne koło wodne”.

Konstrukcja koła wodnego podsiębiernego
Konstrukcja koła wodnego podsiębiernego, znanego również jako „koło strumieniowe”, była najpopularniejszym rodzajem koła wodnego zaprojektowanego przez starożytnych Greków i Rzymian, ponieważ jest najprostszym, najtańszym i najłatwiejszym do skonstruowania rodzajem koła.
W tego typu konstrukcji koła wodnego koło jest po prostu umieszczane bezpośrednio w wartkim nurcie rzeki i podpierane od góry. Ruch wody pod spodem wywiera nacisk na zanurzone łopatki w dolnej części koła, umożliwiając mu obrót tylko w jednym kierunku względem kierunku przepływu wody.
Ten typ konstrukcji koła wodnego jest zazwyczaj stosowany na płaskich terenach bez naturalnego nachylenia terenu lub tam, gdzie przepływ wody jest wystarczająco szybki. W porównaniu z innymi konstrukcjami kół wodnych, ten typ konstrukcji jest bardzo nieefektywny – zaledwie 20% energii potencjalnej wody jest wykorzystywane do faktycznego obrotu koła. Ponadto energia wody jest wykorzystywana tylko raz do obrotu koła, po czym odpływa wraz z resztą wody.
Kolejną wadą podsiębiernego koła wodnego jest to, że wymaga ono dużej ilości wody poruszającej się z dużą prędkością. Dlatego podsiębierne koła wodne są zazwyczaj umieszczane na brzegach rzek, ponieważ mniejsze strumienie lub potoki nie mają wystarczającej energii potencjalnej w poruszającej się wodzie.
Jednym ze sposobów nieznacznego zwiększenia wydajności koła wodnego podsiębiernego jest skierowanie określonej części wody w rzece wąskim kanałem lub przewodem, tak aby 100% kierowanej wody było wykorzystywane do obracania koła. Aby to osiągnąć, koło podsiębierne musi być wąskie i bardzo dokładnie dopasowane do kanału, aby zapobiec wydostawaniu się wody na boki, lub poprzez zwiększenie liczby lub rozmiaru łopatek.

Projekt koła wodnego typu Overshot
Konstrukcja koła wodnego typu Overshot jest najpopularniejszym typem koła wodnego. Koło wodne typu Overshot jest bardziej skomplikowane pod względem konstrukcji i konstrukcji niż poprzednie koła wodne typu Undershot, ponieważ wykorzystuje wiadra lub małe komory do zbierania i zatrzymywania wody.
Te wiadra napełniają się wodą napływającą od góry koła. Ciężar grawitacyjny wody w pełnych wiadrach powoduje obrót koła wokół jego osi środkowej, a puste wiadra po drugiej stronie koła stają się lżejsze.
Ten typ koła wodnego wykorzystuje grawitację do zwiększenia wydajności, a także samą wodę, dlatego koła wodne z górnym biegiem są znacznie bardziej wydajne niż konstrukcje z dolnym biegiem, ponieważ prawie cała woda i jej ciężar są wykorzystywane do wytwarzania mocy wyjściowej. Jednak, tak jak poprzednio, energia wody jest wykorzystywana tylko raz do obrotu koła, po czym odpływa wraz z resztą wody.
Koła wodne typu „overshot” są zawieszone nad rzeką lub strumieniem i zazwyczaj budowane na zboczach wzgórz, dostarczając wodę 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, który będzie zarówno kierował, jak i zwiększał prędkość wody na szczyt koła, nadając mu więcej energii, ale to objętość wody, a nie jej prędkość, napędza obrót koła.

Zazwyczaj koła wodne typu overshot są budowane jak największe, aby zapewnić jak największą wysokość podnoszenia, dzięki której ciężar wody może obracać koło. Koła wodne o dużej średnicy są jednak bardziej skomplikowane i droższe w budowie ze względu na ciężar koła i wody.
Gdy poszczególne wiadra są napełniane wodą, ciężar grawitacyjny wody powoduje obrót koła w kierunku przepływu wody. Wraz ze zbliżaniem się kąta obrotu do dna koła, woda w wiadrze wylewa się do rzeki lub strumienia poniżej, ale ciężar wiader obracających się za nim powoduje, że koło kontynuuje swój obrót z tą samą prędkością. Puste wiadro krąży wokół obracającego się koła, aż znajdzie się ponownie na górze, gotowe do napełnienia kolejną porcją wody, i cykl się powtarza. Jedną z wad konstrukcji koła wodnego z nadsiębiernym przepływem wody jest to, że jest ona wykorzystywana tylko raz, przepływając przez koło.

Projekt koła wodnego Pitchback
Konstrukcja koła wodnego Pitchback jest odmianą poprzedniego koła wodnego typu overshot, ponieważ wykorzystuje grawitację wody do napędzania obrotu koła, a także przepływ ścieków poniżej, aby zapewnić dodatkową siłę napędową. Ten typ konstrukcji koła wodnego wykorzystuje system niskiego ciśnienia, który dostarcza wodę do 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 poprzednim kole wodnym typu overshot, grawitacyjny ciężar wody w wiadrach powoduje obrót koła, ale w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Gdy kąt obrotu zbliża się do dolnej krawędzi koła, woda uwięziona w wiadrach wypływa na dół. Po przymocowaniu pustego wiadra do koła, kontynuuje ono obrót wraz z kołem, aż znajdzie się ono ponownie na górze, gotowe do napełnienia wodą, a cykl się powtarza.
Różnica polega na tym, że ścieki wypompowywane z obracającego się wiadra spływają w kierunku obracającego się koła (ponieważ nie mają dokąd spłynąć), podobnie jak w przypadku koła wodnego podsiębiernego. Główną zaletą koła wodnego z odchylonym kołem jest zatem dwukrotne wykorzystanie energii wody – raz z góry, a raz z dołu – do obrotu koła wokół jego osi centralnej.
W rezultacie wydajność konstrukcji koła wodnego znacznie wzrasta, przekraczając 80% energii wody, ponieważ jest ono napędzane zarówno siłą grawitacji napływającej wody, jak i siłą lub ciśnieniem wody kierowanej do wiader z góry, a także przepływem ścieków od dołu, napierającym na wiadra. Wadą koła wodnego z odchylonym kołem jest jednak konieczność zastosowania nieco bardziej złożonego układu doprowadzania wody bezpośrednio nad kołem, ze zsypami i korytami.

Projekt koła wodnego Breastshot
Konstrukcja koła wodnego Breastshot to kolejna konstrukcja koła wodnego montowanego pionowo, w której woda wpływa do wiader mniej więcej do połowy wysokości osi lub tuż nad nią, a następnie wypływa u dołu, zgodnie z kierunkiem obrotu kół. Zasadniczo koło wodne Breastshot jest stosowane w sytuacjach, gdy ciśnienie wody jest niewystarczające do napędzania koła wodnego typu overshot lub pitchback od góry.
Wadą jest to, że siła grawitacji wody jest wykorzystywana tylko przez około jedną czwartą obrotu, w przeciwieństwie do poprzedniej metody, która obejmowała połowę obrotu. Aby zniwelować tę niską wysokość podnoszenia, czerpaki kół wodnych są szersze, aby wydobyć wymaganą ilość energii potencjalnej z wody.
Koła wodne typu breastshot wykorzystują do obrotu mniej więcej taką samą siłę grawitacji wody, jak w typowych kołach typu overshot, ale ponieważ wysokość słupa wody wynosi około połowę wysokości typowego koła typu overshot, czerpaki są znacznie szersze niż w poprzednich konstrukcjach kół wodnych, co zwiększa objętość wody w nich zbieranej. Wadą tego typu konstrukcji jest zwiększenie szerokości i ciężaru wody przenoszonej przez każde czerpak. Podobnie jak w przypadku konstrukcji typu pitchback, koło typu breastshot wykorzystuje energię wody dwukrotnie, ponieważ jest zaprojektowane tak, aby zanurzać się w wodzie, pozwalając ściekom wspomagać obrót koła podczas jego spływania.

Wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą koła wodnego
Historycznie koła wodne były używane do mielenia mąki, zbóż i innych tego typu zadań mechanicznych. Koła wodne mogą być również wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej, co nazywa się systemem hydroenergetycznym. Poprzez podłączenie generatora elektrycznego do obracającego się wału koła wodnego, bezpośrednio lub pośrednio za pomocą pasów napędowych i kół pasowych, koła wodne mogą być wykorzystywane 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 energię elektryczną wystarczającą do zasilania oświetlenia i/lub urządzeń elektrycznych w przeciętnym domu.
Szukaj generatorów z kołem wodnym zaprojektowanych tak, aby generować optymalną moc przy stosunkowo niskich obrotach. 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 z turbiną wiatrową jest idealnym generatorem z kołem wodnym, ponieważ jest zaprojektowany do pracy z niską prędkością i wysoką mocą.
Jeśli w pobliżu domu lub ogrodu znajduje się rzeka lub strumień o dość szybkim nurcie, z którego możesz skorzystać, mała elektrownia wodna może być lepszą alternatywą dla innych form odnawialnych źródeł energii, takich jak energia wiatrowa czy słoneczna, ponieważ ma znacznie mniejszy wpływ na estetykę. Podobnie jak w przypadku energii wiatrowej i słonecznej, w przypadku małej elektrowni wodnej podłączonej do sieci elektroenergetycznej, która jest zaprojektowana w oparciu o koło wodne, każda wytworzona, ale niewykorzystana energia elektryczna może zostać odsprzedana do zakładu energetycznego.
W kolejnym samouczku poświęconym energii wodnej przyjrzymy się różnym typom turbin, które możemy dołączyć do naszego projektu koła wodnego w celu wytwarzania energii wodnej. Aby dowiedzieć się więcej o projektowaniu koła wodnego i sposobach wytwarzania własnej energii elektrycznej z wykorzystaniem energii wody, uzyskać więcej informacji o różnych dostępnych konstrukcjach kół wodnych lub poznać zalety i wady energii wodnej, kliknij tutaj, aby zamówić swój egzemplarz z Amazon już dziś, o zasadach i konstrukcji kół wodnych, które mogą być wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej.