Проектирование водяного колеса для гидроэнергетики
Гидроэнергетика — 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, было водяное колесо.
Конструкция водяных колес эволюционировала с течением времени: некоторые были ориентированы вертикально, некоторые горизонтально, а некоторые имели сложные шкивы и шестерни, но все они предназначены для выполнения одной и той же функции: «преобразовывать прямолинейное движение движущейся воды во вращательное движение, которое может быть использовано для привода любого механизма, соединенного с ним через вращающийся вал».
Типичная конструкция водяного колеса
Ранние конструкции водяных колес представляли собой довольно примитивные и простые машины, состоящие из вертикального деревянного колеса с деревянными лопастями или ковшами, равномерно расположенными по его окружности, и все это опиралось на горизонтальный вал, при этом сила потока воды, протекающего под колесом, толкала его в тангенциальном направлении против лопастей.
Эти вертикальные водяные колеса были значительно лучше более ранних горизонтальных водяных колес, созданных древними греками и египтянами, поскольку они могли работать более эффективно, преобразуя импульс движущейся воды в энергию. К водяному колесу затем были прикреплены шкивы и зубчатые передачи, которые позволяли изменять направление вращения вала с горизонтального на вертикальное для привода жерновов, распиловки 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 к колесу относительно оси колеса. Как и следовало ожидать, водяные колеса — это относительно большие машины, вращающиеся с низкими угловыми скоростями и имеющие низкую эффективность из-за потерь на трение и неполного заполнения ковшей и т. д.
Действие воды, воздействующей на лопасти или лопатки колес, создает крутящий момент на оси, но, направляя воду на эти лопатки и лопасти из разных точек колеса, можно повысить скорость вращения и его эффективность. Двумя наиболее распространенными типами конструкции водяных колес являются «нижнебойное водяное колесо» и «верхнебойное водяное колесо».
Конструкция нижнепоршневого водяного колеса
Водяное колесо нижнего поршня, также известное как «потоковое колесо», было наиболее распространенным типом водяного колеса, разработанным древними греками и римлянами, поскольку это самый простой, дешевый и легкий в изготовлении тип колеса.
В такой конструкции водяного колеса оно просто устанавливается непосредственно в быстротекущую реку и поддерживается сверху. Движение воды снизу создает толкающее воздействие на погруженные в воду лопасти в нижней части колеса, позволяя ему вращаться только в одном направлении относительно направления течения воды.
Этот тип конструкции водяного колеса обычно используется на равнинных участках без естественного уклона местности или там, где течение воды достаточно быстрое. По сравнению с другими конструкциями водяных колес, этот тип очень неэффективен: для вращения колеса используется всего около 20% потенциальной энергии воды. Кроме того, энергия воды используется для вращения колеса только один раз, после чего она утекает вместе с остальной водой.
Еще одним недостатком нижнебойного водяного колеса является необходимость использования больших объемов воды, движущейся с большой скоростью. Поэтому нижнебойные водяные колеса обычно устанавливаются на берегах рек, поскольку в небольших ручьях или потоках недостаточно потенциальной энергии движущейся воды.
Один из способов незначительно повысить эффективность нижнебойного водяного колеса — это отводить часть воды из реки по узкому каналу или водоводу так, чтобы 100% отводимой воды использовалось для вращения колеса. Для этого нижнебойное колесо должно быть узким и очень точно соответствовать каналу, чтобы предотвратить утечку воды по бокам, или же можно увеличить количество или размер лопастей.
Конструкция водяного колеса верхнего поршня
Верхнебойное водяное колесо — наиболее распространенный тип водяного колеса. Верхнебойное водяное колесо сложнее по конструкции, чем нижнебойное, поскольку в нем используются ковши или небольшие отсеки как для сбора, так и для удержания воды.
Эти ведра наполняются водой, поступающей сверху 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 силу тяжести, а также саму воду для повышения производительности, поэтому верхнебойные водяные колеса гораздо эффективнее нижнебойных, поскольку почти вся вода и её вес используются для выработки энергии. Однако, как и прежде, энергия воды используется только один раз для вращения колеса, после чего она утекает вместе с остальной водой.
Верхнебойные водяные колеса подвешиваются над рекой или ручьем и обычно строятся на склонах холмов, обеспечивая подачу воды сверху при низком напоре (вертикальное расстояние между водой в верхней части и рекой или ручьем внизу) от 5 до 20 метров. Для направления и увеличения скорости воды к верхней части колеса может быть построена небольшая плотина или водослив, что придает ему больше энергии, но вращать колесо помогает объем воды, а не ее скорость.
Как правило, верхнебойные водяные колеса строятся максимально большими, чтобы обеспечить максимально возможный напор для вращения колеса под действием силы тяжести воды. Однако водяные колеса большого диаметра сложнее и дороже в строительстве из-за веса колеса и воды.
Когда отдельные ведра наполняются водой, гравитационный вес воды заставляет колесо вращаться в направлении потока воды. По мере приближения угла поворота к нижней части колеса вода из ведра выливается в реку или ручей внизу, но вес вращающихся позади него ведер заставляет колесо продолжать вращаться с той же скоростью. Пустое ведро продолжает вращаться вокруг колеса, пока не поднимется обратно наверх, готовое к наполнению водой, и цикл повторяется. Одним из недостатков конструкции верхнебойного водяного колеса является то, что вода используется только один раз, поскольку она протекает через колесо.
Конструкция водяного колеса с наклонной задней частью
Конструкция водяного колеса с обратным наклоном — это вариация предыдущего верхнебойного водяного колеса, поскольку в ней также используется гравитационный вес воды для вращения колеса, а также поток сточных вод, находящихся под ним, для создания дополнительного толчка. В этой конструкции водяного колеса используется система подачи воды с низким напором, которая подает воду к верхней части колеса из расположенного выше желоба.
В отличие от верхнебойного водяного колеса, которое направляло воду непосредственно на колесо, заставляя его вращаться в направлении потока воды, в обратном водяном колесе вода подается вертикально вниз через воронку в расположенный ниже ковш, заставляя колесо вращаться в направлении, противоположном потоку воды сверху.
Как и в предыдущем верхнебойном водяном колесе, гравитационный вес воды в ведрах заставляет колесо вращаться, но против часовой стрелки. По мере приближения угла поворота к нижней точке колеса, вода, заключенная в ведрах, вытекает. Пустое ведро, прикрепленное к колесу, продолжает вращаться вместе с ним, как и прежде, пока не поднимется обратно наверх, готовое к наполнению водой, и цикл повторяется.
Разница в данном случае заключается в том, что сточные воды, вытекающие из вращающегося ковша, текут в направлении вращающегося колеса (поскольку им больше некуда деваться), подобно принципу работы нижнебойного водяного колеса. Таким образом, главное преимущество обратного водяного колеса состоит в том, что оно использует энергию воды дважды: один раз сверху и один раз снизу, для вращения колеса вокруг его центральной оси.
В результате эффективность конструкции водяного колеса значительно повышается, достигая более 80% энергии воды, поскольку оно приводится в движение как силой тяжести поступающей воды, так и силой или давлением воды, направляемой в ковши сверху, а также потоком сточных вод снизу, давящим на ковши. Однако недостатком поворотного водяного колеса является необходимость несколько более сложной системы водоснабжения непосредственно над колесом с желобами и водоотводными каналами.
Конструкция водяного колеса «Грудной выстрел»
Конструкция водяного колеса с вертикальным расположением лопастей (breastshot Water Wheel) — это ещё одна конструкция, при которой вода поступает в ковши примерно на половине высоты оси или чуть выше неё, а затем вытекает снизу в направлении вращения колёс. Как правило, водяное колесо с вертикальным расположением лопастей используется в ситуациях, когда напора воды недостаточно для работы водяного колеса с верхним или обратным ходом сверху.
Недостатком здесь является то, что гравитационный вес воды используется лишь примерно на четверть оборота, в отличие от прежних моделей, где он использовался на половину оборота. Для преодоления этого низкого напора ковши водяных колес делают шире, чтобы извлекать необходимое количество потенциальной энергии из воды.
Водяные колеса с верхним обратным ходом используют примерно тот же гравитационный вес воды для вращения колеса, но поскольку высота напора воды составляет примерно половину от высоты типичного водяного колеса с верхним обратным ходом, ковши значительно шире, чем в предыдущих конструкциях водяных колес, чтобы увеличить объем воды, собираемой в ковшах. Недостатком этой конструкции является увеличение ширины и веса воды, переносимой каждым ковшом. Как и в случае с колесами с обратным ходом, водяное колесо с верхним обратным ходом использует энергию воды дважды, поскольку оно спроектировано таким образом, чтобы находиться в воде, позволяя сточным водам помогать вращению колеса по мере того, как они текут вниз по течению.
Выработка электроэнергии с помощью водяного колеса
Исторически водяные колеса использовались для помола муки, зерновых и других подобных механических задач. Но водяные колеса также могут использоваться для выработки электроэнергии, что называется гидроэнергетической системой. Соединив электрический генератор с вращающимся валом водяного колеса, напрямую или косвенно с помощью приводных ремней и шкивов, водяные колеса могут непрерывно вырабатывать электроэнергию 24 часа в сутки, в отличие от солнечной энергии. При правильной конструкции водяное колесо может создать небольшую или «микро» гидроэлектростанцию, способную производить достаточно электроэнергии для питания освещения и/или электроприборов в среднем доме.
Ищите генераторы с водяным колесом, разработанные для получения оптимальной мощности на относительно низких скоростях. Для небольших проектов в качестве низкоскоростного генератора можно использовать небольшой двигатель постоянного тока или автомобильный генератор переменного тока, но они рассчитаны на работу на гораздо более высоких скоростях, поэтому может потребоваться редуктор. Генератор на ветряной турбине идеально подходит в качестве генератора с водяным колесом, поскольку он предназначен для работы на низких скоростях и с высокой мощностью.
Если рядом с вашим домом или садом протекает достаточно быстротекущая река или ручей, который вы можете использовать, то маломасштабная гидроэнергетическая система может стать лучшей альтернативой другим возобновляемым источникам энергии, таким как ветровая или солнечная энергия, поскольку она оказывает гораздо меньшее визуальное воздействие. Кроме того, как и в случае с ветровой и солнечной энергией, в случае с маломасштабной системой генерации электроэнергии на основе водяного колеса, подключенной к местной энергосети, любую выработанную, но неиспользованную электроэнергию можно продать обратно электроэнергетической компании.
В следующем уроке о гидроэнергетике мы рассмотрим различные типы турбин, которые можно установить на наше водяное колесо для выработки гидроэнергии. Для получения дополнительной информации о проектировании водяных колес и о том, как вырабатывать собственную электроэнергию, используя силу воды, или для получения дополнительной информации о различных конструкциях водяных колес, или для изучения преимуществ и недостатков гидроэнергетики, нажмите здесь, чтобы заказать сегодня на Amazon свою копию, посвященную принципам и конструкции водяных колес, которые можно использовать для выработки электроэнергии.
Дата публикации: 25 июня 2021 г.
