Проектирование водяного колеса для гидроэнергетики
Значок гидроэнергетикиГидроэнергетика — это технология, которая преобразует кинетическую энергию движущейся воды в механическую или электрическую энергию, и одним из первых устройств, использовавшихся для преобразования энергии движущейся воды в полезную работу, была конструкция водяного колеса.
Конструкция водяного колеса со временем претерпела изменения: некоторые водяные колеса были ориентированы вертикально, некоторые — горизонтально, а некоторые имели сложные шкивы и шестерни, но все они были разработаны для выполнения одной и той же функции, а именно: «преобразовывать поступательное движение движущейся воды во вращательное движение, которое может использоваться для приведения в действие любой части механизма, соединенного с ним посредством вращающегося вала».
Типичная конструкция водяного колеса
Ранние конструкции водяных колес представляли собой довольно примитивные и простые машины, состоящие из вертикального деревянного колеса с деревянными лопастями или ведрами, закрепленными равномерно по всей окружности, которые поддерживались на горизонтальном валу, а сила текущей под ним воды толкала колесо в тангенциальном направлении к лопастям.
Эти вертикальные водяные колеса значительно превосходили более раннюю конструкцию горизонтального водяного колеса древних греков и египтян, потому что они могли работать более эффективно, преобразуя импульс движущейся воды в энергию. Затем к водяному колесу были прикреплены шкивы и зубчатые передачи, что позволяло изменять направление вращающегося вала с горизонтального на вертикальное для управления жерновами, пиления древесины, дробления руды, штамповки и резки и т. д.
Типы конструкций водяных колес
Большинство водяных колес, также известных как водяные мельницы или просто водяные колеса, представляют собой вертикально установленные колеса, вращающиеся вокруг горизонтальной оси, и эти типы водяных колес классифицируются по способу подачи воды на колесо относительно оси колеса. Как и следовало ожидать, водяные колеса представляют собой относительно большие машины, которые вращаются с низкой угловой скоростью и имеют низкую эффективность из-за потерь на трение и неполного заполнения ведер и т. д.
Действие воды, толкающей колеса, ковши или лопатки, создает крутящий момент на оси, но, направляя воду на эти лопатки и лопатки с разных позиций на колесе, можно улучшить скорость вращения и его эффективность. Два наиболее распространенных типа конструкции водяного колеса — это «водяное колесо с нижним подносом» и «водяное колесо с верхним подносом».
Конструкция водяного колеса с нижним расположением цилиндров
Конструкция водяного колеса с нижним подъёмом, также известная как «ручьевое колесо», была наиболее распространённым типом водяного колеса, разработанным древними греками и римлянами, поскольку это самый простой, дешёвый и лёгкий в изготовлении тип колеса.
В этом типе конструкции водяного колеса колесо просто помещается прямо в быстро текущую реку и поддерживается сверху. Движение воды внизу создает толкающее действие против погруженных лопастей в нижней части колеса, позволяя ему вращаться только в одном направлении относительно направления потока воды.
Этот тип конструкции водяного колеса обычно используется на плоских участках без естественного уклона земли или там, где поток воды движется достаточно быстро. По сравнению с другими конструкциями водяного колеса этот тип конструкции очень неэффективен, так как для фактического вращения колеса используется всего лишь 20% потенциальной энергии воды. Кроме того, энергия воды используется только один раз для вращения колеса, после чего она утекает вместе с остальной водой.
Другим недостатком колеса с нижним подсосом является то, что оно требует большого количества воды, движущейся с большой скоростью. Поэтому колеса с нижним подсосом обычно располагаются на берегах рек, поскольку у более мелких ручьев или потоков недостаточно потенциальной энергии в движущейся воде.
Один из способов немного повысить эффективность водяного колеса с нижним подсосом — отвести часть воды в реке по узкому каналу или протоку, чтобы 100% отведенной воды использовалось для вращения колеса. Чтобы добиться этого, колесо с нижним подсосом должно быть узким и очень точно подходить к каналу, чтобы вода не вытекала по сторонам, или увеличить количество или размер лопастей.
Конструкция водяного колеса с верхним выбросом
Конструкция водяного колеса с верхним выбросом является наиболее распространенным типом конструкции водяного колеса. Конструкция и дизайн водяного колеса с верхним выбросом сложнее, чем у предыдущего водяного колеса с нижним выбросом, поскольку в нем используются ведра или небольшие отсеки для сбора и удержания воды.
Эти ведра наполняются водой, которая поступает в верхнюю часть колеса. Гравитационный вес воды в полных ведрах заставляет колесо вращаться вокруг своей центральной оси, в то время как пустые ведра с другой стороны колеса становятся легче.
Этот тип водяного колеса использует гравитацию для улучшения производительности, а также саму воду, поэтому водяные колеса с верхним выбросом намного эффективнее, чем конструкции с нижним выбросом, поскольку почти вся вода и ее вес используются для производства выходной мощности. Однако, как и прежде, энергия воды используется только один раз для вращения колеса, после чего она утекает вместе с остальной водой.
Водяные колеса с верхним выбросом подвешиваются над рекой или ручьем и обычно строятся на склонах холмов, обеспечивая подачу воды сверху с низким напором (вертикальное расстояние между водой наверху и рекой или ручьем внизу) от 5 до 20 метров. Можно построить небольшую плотину или водослив и использовать их как для направления, так и для увеличения скорости воды к вершине колеса, давая ей больше энергии, но вращать колесо помогает объем воды, а не ее скорость.
Обычно водяные колеса с верхним выбросом строятся как можно большего размера, чтобы обеспечить максимально возможное расстояние напора для гравитационного веса воды, вращающего колесо. Однако водяные колеса большого диаметра сложнее и дороже в изготовлении из-за веса колеса и воды.
Когда отдельные ведра заполнены водой, гравитационный вес воды заставляет колесо вращаться в направлении потока воды. По мере того, как угол поворота приближается к нижней части колеса, вода внутри ведра выливается в реку или ручей внизу, но вес ведер, вращающихся позади него, заставляет колесо продолжать вращаться с его скоростью. Пустое ведро продолжает вращаться вокруг вращающегося колеса, пока не поднимется наверх, готовое к заполнению большим количеством воды, и цикл повторяется. Одним из недостатков конструкции водяного колеса с верхним выбросом является то, что вода используется только один раз, когда она протекает по колесу.
Проект водяного колеса Pitchback
Конструкция водяного колеса Pitchback является вариацией предыдущего водяного колеса с верхним выбросом, поскольку она также использует гравитационный вес воды для вращения колеса, но также использует поток сточных вод под ним для придания дополнительного толчка. Этот тип конструкции водяного колеса использует систему подачи с низким напором, которая подает воду близко к верхней части колеса из пентагона выше.
В отличие от водяного колеса с верхним расположением вала, которое направляло воду непосредственно на колесо, заставляя его вращаться в направлении потока воды, водяное колесо с обратным расположением вала подает воду вертикально вниз через воронку в ведро, расположенное ниже, заставляя колесо вращаться в направлении, противоположном потоку воды сверху.
Как и в предыдущем перевернутом водяном колесе, гравитационный вес воды в ведрах заставляет колесо вращаться, но против часовой стрелки. По мере того, как угол поворота приближается к нижней части колеса, вода, запертая внутри ведер, выливается внизу. Когда пустое ведро прикреплено к колесу, оно продолжает вращаться вместе с колесом, как и прежде, пока не поднимется наверх, готовый к заполнению водой, и цикл повторяется.
Разница на этот раз в том, что сточная вода, выливаемая из вращающегося ковша, течет в направлении вращающегося колеса (так как ей больше некуда идти), аналогично принципу нижнего водяного колеса. Таким образом, главное преимущество нижнего водяного колеса заключается в том, что оно использует энергию воды дважды, один раз сверху и один раз снизу, чтобы вращать колесо вокруг его центральной оси.
В результате эффективность конструкции водяного колеса значительно увеличивается до более чем 80% энергии воды, поскольку она приводится в действие как гравитационным весом входящей воды, так и силой или давлением воды, направленной в ведра сверху, а также потоком сточных вод снизу, толкающим ведра. Однако недостатком водяного колеса с наклоном является то, что оно требует немного более сложного устройства подачи воды непосредственно над колесом с желобами и желобами.
Конструкция водяного колеса Breastshot
Конструкция водометного колеса Breastshot — это еще одна конструкция вертикально установленного водометного колеса, в которой вода поступает в ковши примерно на полпути на высоте оси или чуть выше нее, а затем вытекает снизу в направлении вращения колес. Как правило, водометное колесо Breastshot используется в ситуациях, когда напор воды недостаточен для приведения в действие конструкции водометного колеса Overshot или Pitchback сверху.
Недостатком здесь является то, что гравитационный вес воды используется только для четверти оборота, в отличие от предыдущего, когда он использовался для половины оборота. Чтобы преодолеть эту низкую высоту напора, ковши водяных колес сделаны шире, чтобы извлечь необходимое количество потенциальной энергии из воды.
Водяные колеса Breastshot используют примерно тот же гравитационный вес воды для вращения колеса, но поскольку высота напора воды составляет примерно половину от типичного водяного колеса Overshot, ковши намного шире, чем в предыдущих конструкциях водяных колес, чтобы увеличить объем воды, попавшей в ведра. Недостатком этого типа конструкции является увеличение ширины и веса воды, переносимой каждым ведром. Как и в конструкции Pitchback, колесо Breastshot использует энергию воды дважды, поскольку водяное колесо спроектировано так, чтобы находиться в воде, позволяя сточной воде помогать вращению колеса, поскольку она стекает вниз по течению.
Генерация электроэнергии с помощью водяного колеса
Исторически водяные колеса использовались для помола муки, злаков и других подобных механических задач. Но водяные колеса также могут использоваться для выработки электроэнергии, называемой гидроэнергетической системой. Подключив электрический генератор к вращающемуся валу водяных колес, напрямую или косвенно с помощью приводных ремней и шкивов, водяные колеса могут использоваться для непрерывной выработки электроэнергии 24 часа в сутки в отличие от солнечной энергии. Если водяное колесо спроектировано правильно, небольшая или «микро» гидроэлектростанция может производить достаточно электроэнергии для питания освещения и/или электроприборов в обычном доме.
Ищите генераторы с водяным колесом, предназначенные для получения оптимальной мощности на относительно низких скоростях. Для небольших проектов небольшой двигатель постоянного тока может использоваться в качестве низкоскоростного генератора или автомобильного генератора переменного тока, но они предназначены для работы на гораздо более высоких скоростях, поэтому может потребоваться некоторая форма передачи. Генератор с ветровой турбиной является идеальным генератором с водяным колесом, поскольку он предназначен для работы на низкой скорости и высокой мощности.
Если рядом с вашим домом или садом есть довольно быстрая река или ручей, которые вы можете использовать, то небольшая гидроэнергетическая система может быть лучшей альтернативой другим формам возобновляемых источников энергии, таким как «ветровая энергия» или «солнечная энергия», поскольку она оказывает гораздо меньшее визуальное воздействие. Также, как и ветровая и солнечная энергия, с подключенной к сети небольшой системой генерации, спроектированной на основе водяного колеса, подключенной к местной коммунальной сети, любое электричество, которое вы производите, но не используете, можно продать обратно в электроэнергетическую компанию.
В следующем уроке о гидроэнергетике мы рассмотрим различные типы доступных турбин, которые мы могли бы присоединить к нашей конструкции водяного колеса для выработки гидроэнергии. Для получения дополнительной информации о конструкции водяного колеса и о том, как вырабатывать собственное электричество с помощью энергии воды, или получения дополнительной информации о гидроэнергетике о различных доступных конструкциях водяных колес, или для изучения преимуществ и недостатков гидроэнергетики, нажмите здесь, чтобы заказать копию на Amazon сегодня о принципах и конструкции водяных колес, которые можно использовать для выработки электроэнергии.
Время публикации: 25 июня 2021 г.
