Proiectarea roților hidraulice pentru energie hidroelectrică
Energia hidroelectrică este o tehnologie care transformă energia cinetică a apei în mișcare în energie mecanică sau electrică, iar unul dintre primele dispozitive utilizate pentru a converti energia apei în mișcare în lucru mecanic utilizabil a fost designul roții de apă.
Designul roților hidraulice a evoluat în timp, unele roți hidraulice fiind orientate vertical, altele orizontal și altele cu scripeți și angrenaje elaborate atașate, dar toate sunt proiectate să îndeplinească aceeași funcție și anume „să transforme mișcarea liniară a apei în mișcare într-o mișcare de rotație care poate fi utilizată pentru a acționa orice mașină conectată la aceasta printr-un arbore rotativ”.
Design tipic al roții de apă
Proiectele timpurii ale roților hidraulice erau mașini destul de primitive și simple, constând dintr-o roată verticală de lemn cu lame sau găleți de lemn fixate în mod egal în jurul circumferinței lor, toate susținute pe un ax orizontal, forța apei care curgea pe sub ea împingând roata tangențial împotriva lamelor.
Aceste roți hidraulice verticale erau mult superioare designului anterior al roților hidraulice orizontale ale grecilor și egiptenilor antici, deoarece puteau funcționa mai eficient, transformând impulsul apei în putere. Scripetele și angrenajele erau apoi atașate la roata hidraulică, ceea ce permitea schimbarea direcției unui arbore rotativ de la orizontală la verticală pentru a acționa pietrele de moară, a tăia lemn, a zdrobi minereul, a ștanța și tăia etc.
Tipuri de design al roților de apă
Majoritatea roților hidraulice, cunoscute și sub denumirea de mori de apă sau, pur și simplu, roți hidraulice, sunt roți montate vertical care se rotesc în jurul unei axe orizontale, iar aceste tipuri de roți hidraulice sunt clasificate în funcție de modul în care apa este aplicată pe roată, în raport cu axa roții. După cum vă puteți aștepta, roțile hidraulice sunt mașini relativ mari care se rotesc la viteze unghiulare mici și au o eficiență scăzută, din cauza pierderilor prin frecare și a umplerii incomplete a găleților etc.
Acțiunea apei care împinge roțile (cupele sau paletele) dezvoltă un cuplu pe axă, dar prin direcționarea apei către aceste palete și găleți din poziții diferite pe roată, viteza de rotație și eficiența acesteia pot fi îmbunătățite. Cele două tipuri cele mai comune de roți hidraulice sunt „roata hidraulică cu proeminență inferioară” și „roata hidraulică cu proeminență superioară”.
Designul roții de apă Undershot
Designul roții hidraulice Undershot, cunoscut și sub numele de „roată de pârâu”, a fost cel mai frecvent utilizat tip de roată hidraulică proiectată de grecii și romanii antici, deoarece este cel mai simplu, cel mai ieftin și cel mai ușor tip de roată de construit.
În acest tip de roată hidraulică, roata este pur și simplu plasată direct într-un râu cu curgere rapidă și susținută de sus. Mișcarea apei de dedesubt creează o acțiune de împingere împotriva paletelor scufundate din partea inferioară a roții, permițându-i acesteia să se rotească într-o singură direcție față de direcția de curgere a apei.
Acest tip de roată hidraulică este utilizat în general în zone plate, fără pantă naturală a terenului sau unde fluxul de apă este suficient de rapid. Comparativ cu alte modele de roți hidraulice, acest tip de design este foarte ineficient, doar 20% din energia potențială a apei fiind utilizată pentru a roti roata. De asemenea, energia apei este utilizată o singură dată pentru a roti roata, după care se scurge odată cu restul apei.
Un alt dezavantaj al roților hidralice cu debit redus este acela că necesită cantități mari de apă care se mișcă cu viteză. Prin urmare, roțile hidralice cu debit redus sunt de obicei situate pe malurile râurilor, deoarece pâraiele sau pâraiele mai mici nu au suficientă energie potențială în apa în mișcare.
O modalitate de a îmbunătăți ușor eficiența unei roți hidrostatice cu debit redus este de a devia un procent din apa râului de-a lungul unui canal sau conductă îngustă, astfel încât 100% din apa deviată să fie utilizată pentru rotirea roții. Pentru a realiza acest lucru, roata cu debit redus trebuie să fie îngustă și să se potrivească foarte precis în canal pentru a preveni scurgerea apei pe margini sau prin creșterea numărului sau a dimensiunii paletelor.
Designul roții de apă supraîncărcate
Designul roții hidrostatice cu supratensiune este cel mai comun tip de roată hidrostatică. Roata hidrostatică cu supratensiune este mai complicată în ceea ce privește construcția și designul său decât roata hidrostatică anterioară cu supratensiune inferioară, deoarece folosește găleți sau compartimente mici atât pentru a capta, cât și pentru a reține apa.
Aceste găleți se umplu cu apă care curge prin partea superioară a roții. Greutatea gravitațională a apei din gălețile pline face ca roata să se rotească în jurul axei sale centrale, pe măsură ce gălețile goale de pe cealaltă parte a roții devin mai ușoare.
Acest tip de roată hidraulică folosește gravitația pentru a îmbunătăți producția, precum și apa în sine, astfel încât roțile hidraulice cu supraîncărcare sunt mult mai eficiente decât modelele cu supraîncărcare subîncărcare, deoarece aproape toată apa și greutatea acesteia sunt folosite pentru a produce putere de ieșire. Cu toate acestea, ca și înainte, energia apei este folosită o singură dată pentru a roti roata, după care se scurge odată cu restul apei.
Roțile hidraulice deversate sunt suspendate deasupra unui râu sau a unui pârâu și sunt în general construite pe versanții dealurilor, asigurând o alimentare cu apă de sus, cu o înălțime mică (distanța verticală dintre apa de la vârf și râul sau pârâul de dedesubt) între 5 și 20 de metri. Un mic baraj sau deversoar poate fi construit și utilizat atât pentru a canaliza, cât și pentru a crește viteza apei către vârful roții, oferindu-i mai multă energie, dar volumul apei, mai degrabă decât viteza acesteia, este cel care ajută la rotirea roții.
În general, roțile hidraulice cu diametru mare sunt construite cât mai mari posibil pentru a oferi cea mai mare distanță posibilă de înălțime pentru ca greutatea gravitațională a apei să rotească roata. Cu toate acestea, roțile hidraulice cu diametru mare sunt mai complicate și mai scumpe de construit din cauza greutății roții și a apei.
Când gălețile individuale sunt umplute cu apă, greutatea gravitațională a apei determină roata să se rotească în direcția curgerii apei. Pe măsură ce unghiul de rotație se apropie de partea inferioară a roții, apa din interiorul găleții se golește în râul sau pârâul de dedesubt, dar greutatea găleților care se rotesc în spatele ei determină roata să își continue viteza de rotație. Găleata goală continuă să se învârtă în jurul roții care se rotește până când ajunge din nou în partea de sus, gata să fie umplută cu mai multă apă, iar ciclul se repetă. Unul dintre dezavantajele unui design al roții hidraulice supraîncărcate este că apa este folosită o singură dată pe măsură ce curge peste roată.
Designul roții hidraulice Pitchback
Designul roții hidralice Pitchback este o variantă a roții hidralice overshot anterioare, deoarece folosește și greutatea gravitațională a apei pentru a ajuta la rotirea roții, dar folosește și curgerea apei uzate de sub ea pentru a oferi un impuls suplimentar. Acest tip de design al roții hidralice utilizează un sistem de alimentare cu înălțime joasă, care furnizează apa aproape de vârful roții dintr-un pentrough de deasupra.
Spre deosebire de roata hidraulică cu deviere, care canaliza apa direct peste roată, determinând-o să se rotească în direcția fluxului de apă, roata hidraulică cu înclinare inversă alimentează apa vertical în jos printr-o pâlnie și în găleata de dedesubt, determinând roata să se rotească în direcția opusă fluxului de apă de deasupra.
La fel ca în cazul roții hidralice anterioare, greutatea gravitațională a apei din găleți face ca roata să se rotească, dar în sens invers acelor de ceasornic. Pe măsură ce unghiul de rotație se apropie de partea inferioară a roții, apa prinsă în interiorul găleților se golește în partea de jos. Pe măsură ce găleata goală este atașată la roată, aceasta continuă să se rotească odată cu roata ca înainte, până când ajunge din nou în partea de sus, gata să fie umplută cu mai multă apă, iar ciclul se repetă.
Diferența de data aceasta este că apa uzată golită din găleata rotativă se scurge în direcția roții în rotație (deoarece nu are unde să se ducă), similar principiului roții hidralice cu deviere de la bază. Astfel, principalul avantaj al roții hidralice cu înclinare inversă este că folosește energia apei de două ori, o dată de sus și o dată de jos, pentru a roti roata în jurul axei sale centrale.
Rezultatul este că eficiența designului roții hidraulice este mult crescută, la peste 80% din energia apei, deoarece aceasta este acționată atât de greutatea gravitațională a apei care intră, cât și de forța sau presiunea apei dirijată în găleți de sus, precum și de fluxul de apă uzată de dedesubt care împinge gălețile. Dezavantajul unei roți hidraulice cu înclinare inversă este însă că necesită un aranjament de alimentare cu apă puțin mai complex, direct deasupra roții, cu jgheaburi și putrezitoare.
Designul roții de apă Breastshot
Designul roții hidrostatice cu împingere la piept este un alt design de roată hidrostatică montată vertical, în care apa intră în cupe la aproximativ jumătatea înălțimii axei sau puțin deasupra acesteia, și apoi curge afară pe partea inferioară în direcția de rotație a roților. În general, roata hidrostatică cu împingere la piept este utilizată în situațiile în care înălțimea apei este insuficientă pentru a alimenta un design de roată hidrostatică cu împingere la piept sau cu înclinare inversă de sus.
Dezavantajul este că greutatea gravitațională a apei este utilizată doar pentru aproximativ un sfert din rotație, spre deosebire de perioada anterioară, care era utilizată pentru jumătate din rotație. Pentru a depăși această înălțime redusă a apei, cupele roților hidraulice sunt lărgite pentru a extrage cantitatea necesară de energie potențială din apă.
Roțile hidraulice cu acționare în piept folosesc aproximativ aceeași greutate gravitațională a apei pentru a roti roata, dar deoarece înălțimea apei este de aproximativ jumătate din cea a unei roți hidraulice tipice cu acționare în piept, cupele sunt mult mai late decât modelele anterioare de roți hidraulice pentru a crește volumul de apă captată în cupe. Dezavantajul acestui tip de design este o creștere a lățimii și greutății apei transportate de fiecare cupă. Ca și în cazul designului cu înclinare inversă, roata hidraulică cu acționare în piept folosește energia apei de două ori, deoarece roata hidraulică este proiectată să stea în apă, permițând apei uzate să ajute la rotirea roții pe măsură ce aceasta curge în aval.
Generați electricitate folosind o roată hidraulică
Din punct de vedere istoric, roțile hidraulice au fost folosite pentru măcinarea făinii, a cerealelor și alte sarcini mecanice similare. Dar roțile hidraulice pot fi folosite și pentru generarea de electricitate, numită sistem hidroelectric. Prin conectarea unui generator electric la arborele rotativ al roților hidraulice, fie direct, fie indirect, folosind curele de transmisie și scripeți, roțile hidraulice pot fi utilizate pentru a genera energie continuu 24 de ore pe zi, spre deosebire de energia solară. Dacă roata hidraulică este proiectată corect, un sistem hidroelectric mic sau „micro” poate produce suficientă electricitate pentru a alimenta iluminatul și/sau aparatele electrice dintr-o locuință obișnuită.
Căutați generatoare cu roți hidraulice proiectate să producă puterea optimă la viteze relativ mici. Pentru proiecte mici, un motor de curent continuu mic poate fi utilizat ca generator de viteză redusă sau ca alternator auto, dar acestea sunt proiectate să funcționeze la viteze mult mai mari, așa că poate fi necesară o anumită formă de angrenare. Un generator cu turbină eoliană este un generator cu roți hidraulice ideal, deoarece este proiectat pentru funcționare la viteză redusă și putere mare.
Dacă există un râu sau un pârâu cu curgere destul de rapidă în apropierea casei sau grădinii dumneavoastră pe care îl puteți utiliza, atunci un sistem hidroelectric la scară mică poate fi o alternativă mai bună la alte forme de surse de energie regenerabilă, cum ar fi „energia eoliană” sau „energia solară”, deoarece are un impact vizual mult mai mic. De asemenea, la fel ca energia eoliană și solară, cu un sistem de generare la scară mică, proiectat ca o roată hidraulică, conectat la rețeaua locală de utilități, orice energie electrică pe care o generați, dar nu o utilizați, poate fi vândută înapoi companiei de electricitate.
În următorul tutorial despre energia hidroelectrică, vom analiza diferitele tipuri de turbine disponibile pe care le-am putea atașa la designul roții noastre hidraulice pentru generarea de energie hidroelectrică. Pentru mai multe informații despre designul roților hidraulice și despre cum să generați propria electricitate folosind puterea apei sau pentru a obține mai multe informații despre energia hidroelectrică despre diferitele modele de roți hidraulice disponibile sau pentru a explora avantajele și dezavantajele energiei hidroelectrice, faceți clic aici pentru a comanda astăzi exemplarul de la Amazon despre principiile și construcția roților hidraulice care pot fi utilizate pentru generarea de energie electrică.
Data publicării: 25 iunie 2021
