Projeto de roda d'água para usina hidrelétrica

Projeto de roda d'água para energia hidrelétrica
A 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 útil foi a roda d'água.
O design das rodas d'água evoluiu ao longo do tempo, com algumas orientadas verticalmente, outras horizontalmente e algumas com polias e engrenagens elaboradas acopladas, mas todas são projetadas para realizar 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 de madeira vertical com pás ou baldes de madeira fixados uniformemente ao redor de sua circunferência, tudo apoiado em um eixo horizontal, com a força da água fluindo por baixo empurrando a roda tangencialmente contra as pás.
Essas rodas d'água verticais eram muito superiores ao projeto anterior de roda d'água horizontal dos antigos gregos e egípcios, pois podiam operar com mais eficiência, convertendo o impulso da água em energia. Polias e engrenagens eram então acopladas à roda d'água, permitindo a mudança da direção de rotação do eixo, de horizontal para vertical, para acionar mós, serrar madeira, triturar minério, estampar, cortar, etc.

Tipos de projeto de roda d'água
A maioria das rodas d'água, também conhecidas como moinhos de 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 de acordo com a forma como a água é aplicada à roda em relação ao seu eixo. Como se pode imaginar, as rodas d'água são máquinas relativamente grandes que giram a baixas velocidades angulares e têm baixa eficiência, devido às perdas por atrito e ao enchimento incompleto das pás, etc.
A ação da água contra as pás ou conchas da roda gera torque no eixo, mas direcionando a água para essas pás e conchas a partir 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 de queda inferior" e a "roda d'água de queda superior".

Design de roda d'água de fluxo inferior
O projeto de roda d'água de fluxo inferior, também conhecido como "roda de riacho", foi o tipo de roda d'água mais comumente usado pelos antigos gregos e romanos, por ser o mais simples, barato e fácil de construir.
Nesse tipo de roda d'água, a roda é simplesmente colocada diretamente em um rio de correnteza rápida e sustentada por cima. O movimento da água abaixo cria uma força 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 roda d'água é geralmente utilizado em áreas planas, sem declive natural do terreno, ou onde o fluxo de água é suficientemente rápido. Comparado com outros modelos de roda d'água, este é muito ineficiente, utilizando apenas cerca de 20% da energia potencial da água para girar a roda. Além disso, a energia da água é utilizada apenas uma vez para girar a roda, sendo posteriormente dissipada juntamente com o restante da água.
Outra desvantagem da roda d'água de fluxo inferior é que ela exige grandes quantidades de água em movimento rápido. Portanto, as rodas d'água de fluxo inferior geralmente são instaladas nas margens de rios, pois pequenos riachos ou córregos não possuem energia potencial suficiente na água em movimento.
Uma forma de melhorar ligeiramente a eficiência de uma roda d'água de fluxo inferior é desviar uma porcentagem da água do rio por um canal estreito, de modo que 100% da água desviada seja usada para girar a roda. Para conseguir isso, a roda d'água de fluxo inferior precisa ser estreita e encaixar-se com muita precisão no canal para evitar que a água escape pelas laterais, ou então aumentar o número ou o tamanho das pás.

Projeto de roda d'água de queda superior
O projeto de roda d'água de queda superior é o tipo mais comum de projeto de roda d'água. A roda d'água de queda superior é mais complexa em sua construção e projeto do que a roda d'água de queda inferior, pois utiliza caçambas ou pequenos compartimentos para captar e armazenar a água.
Esses baldes se enchem com a água que entra pela parte superior da roda. O peso 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 e a própria água para melhorar a produção de energia; assim, as rodas d'água de queda superior são muito mais eficientes do que as de queda inferior, pois quase toda a água e seu peso são utilizados para gerar energia. No entanto, como antes, a energia da água é usada apenas uma vez para girar a roda, após o que ela escoa com o resto da água.
As rodas d'água de queda superior são suspensas acima de um rio ou riacho e geralmente são construídas nas encostas de colinas, fornecendo água por cima com uma queda baixa (a distância vertical entre a água no topo e o rio ou riacho abaixo) de 5 a 20 metros. Uma pequena barragem ou açude pode ser construído e usado para canalizar e aumentar a velocidade da água até o topo da roda, dando-lhe mais energia, mas é o volume de água, e não sua velocidade, que ajuda a girar a roda.

Geralmente, as rodas d'água de queda superior são construídas o maior possível para proporcionar a maior distância de queda possível para que o peso gravitacional da água gire a roda. No entanto, rodas d'água de grande diâmetro são mais complexas e caras de construir devido ao peso da roda e da água.
Quando os baldes individuais são enchidos com água, o peso da gravidade faz com que a roda gire na direção do fluxo da água. À medida que o ângulo de rotação se aproxima da base da roda, a água dentro do balde esvazia-se no rio ou riacho abaixo, mas o peso dos baldes girando atrás dela faz com que a roda continue girando. O balde vazio continua girando em torno da roda até chegar novamente ao topo, pronto para ser enchido com mais água, e o ciclo se repete. Uma das desvantagens de um projeto de roda d'água de queda superior é que a água é usada apenas uma vez, ao fluir sobre a roda.

O design da roda d'água Pitchback
O projeto de roda d'água de inclinação reversa é uma variação da roda d'água de queda superior anterior, pois utiliza não apenas o peso da gravidade da água para auxiliar na rotação da roda, mas também o fluxo de águas residuais abaixo dela para fornecer um impulso extra. Este tipo de projeto de roda d'água utiliza um sistema de alimentação de baixa queda que fornece água próxima ao topo da roda a partir de uma calha superior.
Ao contrário da roda d'água de queda superior, que canalizava a água diretamente sobre a roda, fazendo-a girar na direção do fluxo da água, a roda d'água de inclinação reversa alimenta a água verticalmente para baixo através de um funil e para dentro da pá abaixo, fazendo com que a roda gire na direção oposta ao fluxo da água acima.
Assim como na roda d'água de queda superior anterior, o peso da água nos baldes faz a roda girar, mas no sentido anti-horário. À medida que o ângulo de rotação se aproxima da base da roda, a água retida nos baldes escoa. Quando o balde vazio é acoplado à roda, ele continua girando com ela, 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 esvaziada do balde giratório flui na direção da rotação da roda (já que não tem para onde ir), de forma semelhante ao princípio da roda d'água de fluxo inferior. Assim, a principal vantagem da roda d'água de recuo é que ela utiliza a energia da água duas vezes, uma vez 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 aumenta consideravelmente, para mais de 80% da energia da água, já que ela é acionada tanto pelo peso gravitacional da água que entra quanto pela força ou pressão da água direcionada para as pás por cima, além do fluxo de água residual abaixo, que empurra as pás. A desvantagem, porém, de uma roda d'água de pás invertidas é que ela precisa de um sistema de abastecimento de água um pouco mais complexo diretamente acima da roda, com calhas e canais de distribuição.

Design da roda d'água Breastshot
O projeto de roda d'água de fluxo frontal é outro modelo de roda d'água montada verticalmente, onde a água entra nas pás aproximadamente na metade da altura do eixo, ou um pouco acima, e então flui pela parte inferior na direção da rotação da roda. Geralmente, a roda d'água de fluxo frontal é usada em situações onde a queda d'água é insuficiente para acionar uma roda d'água de fluxo superior ou de fluxo reverso.
A desvantagem aqui é que o peso gravitacional da água é utilizado apenas durante cerca de um quarto da rotação, diferentemente do que acontecia anteriormente, quando era utilizado durante metade da rotação. Para compensar essa baixa altura de queda, as pás das rodas d'água são alargadas para extrair a quantidade necessária de energia potencial da água.
As rodas d'água de queda frontal utilizam aproximadamente o mesmo peso gravitacional da água para girar a roda, mas como a altura da água é cerca de metade da de uma roda d'água de queda superior típica, as pás são muito mais largas do que nos projetos anteriores, aumentando o volume de água captado. A desvantagem desse tipo de projeto é o aumento na largura e no peso da água transportada por cada pá. Assim como no projeto de queda regressiva, a roda d'água de queda frontal utiliza a energia da água duas vezes, pois é projetada para ficar submersa, permitindo que a água residual contribua para a rotação da roda à medida que flui rio abaixo.

Gere eletricidade usando uma roda d'água.
Historicamente, as rodas d'água têm sido usadas para moer farinha, cereais e outras tarefas mecânicas semelhantes. Mas elas também podem ser usadas para a geração de eletricidade, em um sistema chamado de energia hidrelétrica. Conectando um gerador elétrico ao eixo rotativo da roda d'água, direta ou indiretamente por meio de correias e polias, é possível gerar energia continuamente, 24 horas por dia, diferentemente da energia solar. Se a roda d'água for projetada corretamente, um pequeno sistema hidrelétrico, ou micro-hidrelétrico, pode produzir eletricidade suficiente para alimentar a iluminação e/ou os eletrodomésticos de uma residência comum.
Procure geradores de roda d'água projetados para produzir sua potência máxima em velocidades relativamente baixas. Para projetos pequenos, um pequeno motor CC pode ser usado como gerador de baixa velocidade ou um alternador automotivo, mas estes são projetados para funcionar em velocidades muito mais altas, então algum tipo de engrenagem pode ser necessário. 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 com correnteza relativamente forte perto de sua casa ou jardim que você possa utilizar, um sistema de geração de energia hidrelétrica em pequena escala pode ser uma alternativa melhor a outras fontes de energia renovável, como a energia eólica ou solar, pois tem um impacto visual muito menor. Além disso, assim como a energia eólica e solar, com um sistema de geração de energia em pequena escala baseado em roda d'água conectado à rede elétrica local, qualquer eletricidade gerada e não utilizada pode ser vendida de volta à concessionária.
No próximo tutorial sobre Energia Hidrelétrica, analisaremos os diferentes tipos de turbinas disponíveis que podemos acoplar ao nosso projeto de roda d'água para geração de energia hidrelétrica. Para obter mais informações sobre o projeto de rodas d'água e como gerar sua própria eletricidade usando a força da água, ou para obter mais informações sobre os diversos projetos de rodas d'água disponíveis, ou ainda para explorar as vantagens e desvantagens da energia hidrelétrica, clique aqui para encomendar hoje mesmo seu exemplar na Amazon sobre os princípios e a construção de rodas d'água que podem ser usadas para gerar eletricidade.