Projeto de roda d'água para projeto hidrelétrico

Projeto de roda d'água para energia hidrelétrica
ícone de energia hidrelétricaA energia hidrelétrica é uma tecnologia que converte a energia cinética da água em movimento em energia mecânica ou elétrica, e um dos primeiros dispositivos usados ​​para converter a energia da água em movimento em trabalho utilizável foi o projeto da roda d'água.
O design das rodas d'água evoluiu ao longo do tempo, com algumas rodas d'água orientadas verticalmente, algumas horizontalmente e algumas com polias e engrenagens elaboradas acopladas, mas todas foram projetadas para desempenhar a mesma função, que é "converter o movimento linear da água em movimento em um movimento rotativo que pode ser usado para acionar qualquer máquina conectada a ela por meio de um eixo giratório".

Projeto típico de roda d'água
Os primeiros projetos de rodas d'água eram máquinas bastante primitivas e simples, consistindo em uma roda vertical de madeira com lâminas ou baldes de madeira fixados igualmente ao redor de sua circunferência, todos apoiados em um eixo horizontal com a força da água fluindo por baixo empurrando a roda em uma direção tangencial contra as lâminas.
Essas rodas d'água verticais eram muito superiores ao projeto de rodas d'água horizontais dos antigos gregos e egípcios, pois podiam operar com mais eficiência, traduzindo o impulso da água em movimento em energia. Polias e engrenagens eram então acopladas à roda d'água, o que permitia a mudança da direção de um eixo rotativo da horizontal para a vertical, permitindo o acionamento de mós, serragem de madeira, britagem de minério, estampagem e corte, etc.

Tipos de projeto de roda d'água
A maioria das rodas d'água, também conhecidas como moinhos d'água ou simplesmente rodas d'água, são rodas montadas verticalmente que giram em torno de um eixo horizontal. Esses tipos de rodas d'água são classificados pela forma como a água é aplicada à roda, em relação ao eixo da roda. Como você pode imaginar, as rodas d'água são máquinas relativamente grandes que giram em baixas velocidades angulares e têm baixa eficiência, devido a perdas por atrito e ao enchimento incompleto dos baldes, etc.
A ação da água empurrando as pás ou baldes das rodas gera torque no eixo, mas, ao direcionar a água para essas pás e baldes de diferentes posições na roda, a velocidade de rotação e sua eficiência podem ser melhoradas. Os dois tipos mais comuns de projeto de roda d'água são a "roda d'água com projecção inferior" e a "roda d'água com projecção superior".

Projeto de roda d'água com prognatismo inferior
O projeto de roda d'água inferior, também conhecido como “roda de riacho”, era o tipo de roda d'água mais comumente usado pelos antigos gregos e romanos, pois é o tipo de roda mais simples, barato e fácil de construir.
Neste tipo de projeto de roda d'água, a roda é simplesmente colocada diretamente em um rio de fluxo rápido e sustentada por cima. O movimento da água abaixo cria uma ação de empuxo contra as pás submersas na parte inferior da roda, permitindo que ela gire em apenas uma direção em relação à direção do fluxo da água.
Este tipo de projeto de roda d'água é geralmente utilizado em áreas planas, sem declive natural do terreno ou onde o fluxo de água é suficientemente rápido. Comparado a outros projetos de roda d'água, este tipo de projeto é muito ineficiente, com apenas 20% da energia potencial da água sendo utilizada para girar a roda. Além disso, a energia da água é utilizada apenas uma vez para girar a roda, após o que ela flui com o restante da água.
Outra desvantagem da roda d'água submersa é que ela requer grandes quantidades de água em movimento rápido. Portanto, as rodas d'água submersas geralmente são instaladas nas margens dos rios, pois riachos ou córregos menores não têm energia potencial suficiente na água em movimento.
Uma maneira de melhorar ligeiramente a eficiência de uma roda d'água submersa é desviar uma porcentagem da água do rio ao longo de um canal ou duto estreito, de modo que 100% da água desviada seja usada para girar a roda. Para isso, a roda submersa precisa ser estreita e encaixar-se com muita precisão no canal para evitar que a água escape pelas laterais, ou aumentando o número ou o tamanho das pás.

Projeto de roda d'água Overshot
O projeto de roda d'água com sobreposição é o tipo mais comum de projeto de roda d'água. A roda d'água com sobreposição é mais complexa em sua construção e projeto do que a roda d'água com sobreposição anterior, pois utiliza baldes ou pequenos compartimentos para coletar e reter a água.
Esses baldes se enchem com água fluindo pela parte superior da roda. O peso gravitacional da água nos baldes cheios faz com que a roda gire em torno de seu eixo central, enquanto os baldes vazios do outro lado da roda ficam mais leves.
Este tipo de roda d'água utiliza a gravidade para melhorar a vazão, bem como a própria água. Portanto, as rodas d'água com sobreprojeção são muito mais eficientes do que as rodas d'água com subprojeção, pois quase toda a água e seu peso são utilizados para produzir a potência de saída. No entanto, como antes, a energia da água é usada apenas uma vez para girar a roda, após o que ela flui com o restante da água.
Rodas d'água suspensas são suspensas sobre um rio ou córrego e geralmente são construídas nas encostas de morros, fornecendo água de cima com uma queda d'água baixa (a distância vertical entre a água no topo e o rio ou córrego abaixo) entre 5 e 20 metros. Uma pequena barragem ou vertedouro pode ser construída e usada para canalizar e aumentar a velocidade da água até o topo da roda, fornecendo-lhe mais energia, mas é o volume de água, e não sua velocidade, que ajuda a girar a roda.

Geralmente, rodas d'água de grande diâmetro são construídas com o maior tamanho possível para proporcionar a maior altura possível para que o peso gravitacional da água gire a roda. No entanto, rodas d'água de grande diâmetro são mais complicadas e caras de construir devido ao peso da roda e da água.
Quando os baldes individuais são enchidos com água, o peso gravitacional da água faz com que a roda gire na direção do fluxo de água. À medida que o ângulo de rotação se aproxima da base da roda, a água dentro do balde é despejada no rio ou córrego abaixo, mas o peso dos baldes girando atrás dela faz com que a roda continue em sua velocidade de rotação. O balde vazio continua girando ao redor da roda giratória até retornar ao topo, pronto para ser enchido com mais água, e o ciclo se repete. Uma das desvantagens de um projeto de roda d'água com sobre-golpe é que a água é usada apenas uma vez enquanto flui sobre a roda.

O projeto da roda d'água de recuo
O projeto de roda d'água de inclinação é uma variação da roda d'água de inclinação anterior, pois também utiliza o peso gravitacional da água para ajudar a girar a roda, mas também utiliza o fluxo de águas residuais abaixo dela para dar um impulso extra. Este tipo de projeto de roda d'água utiliza um sistema de alimentação de baixa altura manométrica que fornece a água para perto do topo da roda a partir de uma calha acima.
Ao contrário da roda d'água de projeção superior, que canalizava a água diretamente sobre a roda, fazendo-a girar na direção do fluxo da água, a roda d'água de projeção inferior alimenta a água verticalmente para baixo, através de um funil, para o balde abaixo, fazendo com que a roda gire na direção oposta ao fluxo da água acima.
Assim como na roda d'água anterior, o peso gravitacional da água nos baldes faz com que a roda gire, mas no sentido anti-horário. À medida que o ângulo de rotação se aproxima da base da roda, a água presa dentro dos baldes é despejada. À medida que o balde vazio é fixado à roda, ele continua girando com a roda como antes até retornar ao topo, pronto para ser enchido com mais água, e o ciclo se repete.
A diferença desta vez é que a água residual despejada do balde giratório flui na direção da roda giratória (já que não tem para onde ir), semelhante ao princípio da roda d'água de propulsão inferior. Portanto, a principal vantagem da roda d'água de propulsão inferior é que ela utiliza a energia da água duas vezes, uma de cima e outra de baixo, para girar a roda em torno de seu eixo central.
O resultado é que a eficiência do projeto da roda d'água é significativamente aumentada, chegando a mais de 80% da energia da água, pois é impulsionada tanto pelo peso gravitacional da água que entra quanto pela força ou pressão da água direcionada para os baldes por cima, bem como pelo fluxo de águas residuais abaixo, que empurra os baldes. A desvantagem, porém, de uma roda d'água de inclinação reversa é que ela requer um arranjo de abastecimento de água um pouco mais complexo diretamente acima da roda, com calhas e canais.

O design da roda d'água Breastshot
O projeto de roda d'água de peito é outro projeto de roda d'água montada verticalmente, em que a água entra nos baldes aproximadamente na metade da altura do eixo, ou logo acima dele, e então flui para fora na parte inferior, na direção da rotação das rodas. Geralmente, a roda d'água de peito é usada em situações em que a altura manométrica é insuficiente para acionar uma roda d'água de sobreprojeção ou recuo por cima.
A desvantagem aqui é que o peso gravitacional da água é usado apenas por cerca de um quarto da rotação, ao contrário do que acontecia antes, que era usado por metade da rotação. Para superar essa baixa altura manométrica, os baldes das rodas d'água são alargados para extrair a quantidade necessária de energia potencial da água.
Rodas d'água de arremesso usam aproximadamente o mesmo peso gravitacional da água para girar, mas como a altura da coluna d'água é cerca de metade da de uma roda d'água de arremesso típico, os baldes são muito mais largos do que os projetos anteriores de rodas d'água para aumentar o volume de água coletado neles. A desvantagem desse tipo de projeto é o aumento na largura e no peso da água transportada por cada balde. Assim como no projeto de arremesso, a roda d'água de arremesso usa a energia da água duas vezes, pois a roda d'água é projetada para ficar imersa na água, permitindo que as águas residuais ajudem na rotação da roda à medida que ela flui rio abaixo.

Gerar eletricidade usando uma roda d'água
Historicamente, rodas d'água têm sido usadas para moer farinha, cereais e outras tarefas mecânicas semelhantes. Mas rodas d'água também podem ser usadas para a geração de eletricidade, o que é chamado de sistema hidrelétrico. Ao conectar um gerador elétrico ao eixo giratório da roda d'água, direta ou indiretamente por meio de correias e polias, as rodas d'água podem ser usadas para gerar energia continuamente 24 horas por dia, ao contrário da energia solar. Se a roda d'água for projetada corretamente, um sistema hidrelétrico pequeno ou "micro" pode produzir eletricidade suficiente para alimentar a iluminação e/ou aparelhos elétricos em uma casa comum.
Procure geradores de roda d'água projetados para produzir a potência ideal em velocidades relativamente baixas. Para projetos pequenos, um pequeno motor CC pode ser usado como gerador de baixa velocidade ou alternador automotivo, mas estes são projetados para operar em velocidades muito mais altas, portanto, pode ser necessário algum tipo de engrenagem. Um gerador de turbina eólica é um gerador de roda d'água ideal, pois é projetado para operação em baixa velocidade e alta potência.
Se houver um rio ou riacho de fluxo relativamente rápido perto de sua casa ou jardim que você possa usar, um sistema hidrelétrico de pequena escala pode ser uma alternativa melhor a outras formas de fontes de energia renováveis, como "energia eólica" ou "energia solar", pois tem um impacto visual muito menor. Além disso, assim como a energia eólica e solar, com um sistema de geração de energia projetado por uma roda d'água de pequena escala conectado à rede elétrica local, qualquer eletricidade que você gerar, mas não usar, pode ser vendida de volta para a concessionária de energia.
No próximo tutorial sobre Energia Hidrelétrica, veremos os diferentes tipos de turbinas disponíveis que podemos acoplar ao nosso projeto de roda d'água para geração de energia hidrelétrica. Para mais informações sobre o projeto de roda d'água e como gerar sua própria eletricidade usando a força da água, ou obter mais informações sobre energia hidrelétrica sobre os diversos projetos de rodas d'água disponíveis, ou para explorar as vantagens e desvantagens da energia hidrelétrica, clique aqui para encomendar seu exemplar na Amazon hoje mesmo sobre os princípios e a construção de rodas d'água que podem ser usadas para gerar eletricidade.