Návrh vodného kolesa pre vodnú energiu
ikona vodnej energieVodná energia je technológia, ktorá premieňa kinetickú energiu tečúcej vody na mechanickú alebo elektrickú energiu a jedným z prvých zariadení používaných na premenu energie tečúcej vody na využiteľnú prácu bol dizajn vodného kolesa.
Konštrukcia vodných kolies sa časom vyvíjala, pričom niektoré vodné kolesá boli orientované vertikálne, niektoré horizontálne a niektoré s prepracovanými kladkami a ozubenými kolesami, ale všetky sú navrhnuté tak, aby vykonávali rovnakú funkciu, a to „premieňať lineárny pohyb tečúcej vody na rotačný pohyb, ktorý možno použiť na pohon akéhokoľvek stroja, ktorý je k nej pripojený prostredníctvom rotujúceho hriadeľa“.
Typický dizajn vodného kolesa
Rané konštrukcie vodných kolies boli pomerne primitívne a jednoduché stroje pozostávajúce z vertikálneho dreveného kolesa s drevenými lopatkami alebo vedrami rovnomerne upevnenými po ich obvode, všetky podopreté na horizontálnom hriadeli, pričom sila vody tečúcej pod ním tlačila koleso v tangenciálnom smere voči lopatkám.
Tieto vertikálne vodné kolesá boli oveľa lepšie ako skoršie horizontálne vodné kolesá, ktoré používali starí Gréci a Egypťania, pretože dokázali efektívnejšie premieňať hybnosť tečúcej vody na energiu. K vodnému kolesu boli pripevnené kladky a ozubené kolesá, ktoré umožňovali zmenu smeru otáčania hriadeľa z horizontálneho na vertikálny, čo umožnilo ovládať mlynské kamene, píliť drevo, drviť rudu, raziť a rezať atď.
Typy konštrukcií vodných kolies
Väčšina vodných kolies, známych aj ako vodné mlyny alebo jednoducho vodné kolesá, sú vertikálne namontované kolesá otáčajúce sa okolo vodorovnej osi a tieto typy vodných kolies sa klasifikujú podľa spôsobu, akým sa voda privádza na koleso, vzhľadom na os kolesa. Ako sa dá očakávať, vodné kolesá sú relatívne veľké stroje, ktoré sa otáčajú nízkymi uhlovými rýchlosťami a majú nízku účinnosť v dôsledku strát trením a neúplného naplnenia vedier atď.
Pôsobenie vody tlačiacej na vedrá alebo lopatky kolies vytvára krútiaci moment na náprave, ale smerovaním vody na tieto lopatky a vedrá z rôznych polôh na kolese je možné zlepšiť rýchlosť otáčania a jeho účinnosť. Dva najbežnejšie typy konštrukcie vodného kolesa sú „podstrekované vodné koleso“ a „predstrekované vodné koleso“.
Návrh vodného kolesa s podstrekom
Dizajn vodného kolesa s podstrekom, tiež známy ako „prúdové koleso“, bol najbežnejšie používaným typom vodného kolesa navrhnutého starými Grékmi a Rimanmi, pretože je to najjednoduchší, najlacnejší a najľahšie konštruovateľný typ kolesa.
Pri tomto type konštrukcie vodného kolesa sa koleso jednoducho umiestni priamo do rýchlo tečúcej rieky a je podopreté zhora. Pohyb vody pod ním vytvára tlak na ponorené lopatky na spodnej časti kolesa, čo mu umožňuje otáčať sa iba v jednom smere vzhľadom na smer prúdenia vody.
Tento typ konštrukcie vodného kolesa sa zvyčajne používa v rovinatých oblastiach bez prirodzeného sklonu terénu alebo tam, kde je tok vody dostatočne rýchly. V porovnaní s inými konštrukciami vodných kolies je tento typ konštrukcie veľmi neefektívny, pretože na skutočné otáčanie kolesa sa využíva len 20 % potenciálnej energie vody. Energia vody sa tiež využíva na otáčanie kolesa iba raz, po čom odteká so zvyškom vody.
Ďalšou nevýhodou podtlakového vodného kolesa je, že vyžaduje veľké množstvo vody pohybujúcej sa rýchlosťou. Preto sa podtlakové vodné kolesá zvyčajne nachádzajú na brehoch riek, pretože menšie potoky alebo potôčiky nemajú v tečúcej vode dostatok potenciálnej energie.
Jedným zo spôsobov, ako mierne zlepšiť účinnosť vodného kolesa s podtlakom, je odviesť určité percento vody v rieke pozdĺž úzkeho kanála alebo potrubia tak, aby sa 100 % odvedenej vody použilo na otáčanie kolesa. Na dosiahnutie tohto cieľa musí byť koleso s podtlakom úzke a veľmi presne musí zapadať do kanála, aby sa zabránilo úniku vody po stranách, alebo sa musí zvýšiť buď počet, alebo veľkosť lopatiek.
Návrh vodného kolesa s predstihom
Konštrukcia vodného kolesa s predhozom je najbežnejším typom konštrukcie vodného kolesa. Vodné koleso s predhozom je svojou konštrukciou a dizajnom zložitejšie ako predchádzajúce vodné koleso s podhozom, pretože používa vedrá alebo malé priehradky na zachytávanie aj udržiavanie vody.
Tieto vedrá sa napĺňajú vodou, ktorá prúdi v hornej časti kolesa. Gravitačná hmotnosť vody v plných vedrách spôsobuje, že sa koleso otáča okolo svojej stredovej osi, zatiaľ čo prázdne vedrá na druhej strane kolesa sa stávajú ľahšími.
Tento typ vodného kolesa využíva gravitáciu na zlepšenie výkonu, ako aj samotnú vodu, takže predtočené vodné kolesá sú oveľa účinnejšie ako konštrukcie s podtočením, pretože takmer všetka voda a jej hmotnosť sa využívajú na výrobu výstupného výkonu. Avšak, ako predtým, energia vody sa použije iba raz na otáčanie kolesa, po ktorom odtečie so zvyškom vody.
Vodné kolesá s prehnaným prúdom sú zavesené nad riekou alebo potokom a zvyčajne sa stavajú na svahoch kopcov, čím zabezpečujú prívod vody zhora s nízkym spádom (vertikálna vzdialenosť medzi vodou na vrchole a riekou alebo potokom pod ňou) od 5 do 20 metrov. Na usmernenie a zvýšenie rýchlosti vody k vrcholu kolesa je možné postaviť malú priehradu alebo hať, ktorá sa dá použiť na usmernenie a zvýšenie rýchlosti vody k vrcholu kolesa, čím mu dodáva viac energie, ale skôr objem vody než jej rýchlosť pomáha otáčať koleso.
Vo všeobecnosti sa predhrotované vodné kolesá konštruujú čo najväčšie, aby sa zabezpečila čo najväčšia vzdialenosť hlavy pre gravitačnú hmotnosť vody na otáčanie kolesa. Vodné kolesá s veľkým priemerom sú však zložitejšie a drahšie na výrobu kvôli hmotnosti kolesa a vody.
Keď sa jednotlivé vedrá naplnia vodou, gravitačná hmotnosť vody spôsobí, že sa koleso otáča v smere prúdenia vody. Ako sa uhol otáčania približuje k spodnej časti kolesa, voda vo vnútri vedra sa vyprázdňuje do rieky alebo potoka pod ním, ale hmotnosť vedier otáčajúcich sa za ním spôsobí, že koleso pokračuje v otáčaní svojou rýchlosťou. Prázdne vedro pokračuje v otáčaní okolo rotujúceho kolesa, kým sa opäť nedostane nahor, aby bolo pripravené na naplnenie ďalšou vodou a cyklus sa opakuje. Jednou z nevýhod konštrukcie vodného kolesa s preťažením je, že voda sa použije iba raz, keď preteká cez koleso.
Dizajn vodného kolesa Pitchback
Dizajn vodného kolesa s rotáciou Pitchback je variáciou predchádzajúceho vodného kolesa s predstihom, pretože využíva gravitačnú hmotnosť vody na pomoc s otáčaním kolesa, ale tiež využíva tok odpadovej vody pod ním na poskytnutie dodatočného tlaku. Tento typ konštrukcie vodného kolesa používa systém prívodu s nízkym tlakom, ktorý dodáva vodu blízko vrcholu kolesa z prechodového žľabu nad ním.
Na rozdiel od predhrotovaného vodného kolesa, ktoré usmerňovalo vodu priamo cez koleso a spôsobovalo jeho otáčanie v smere prúdenia vody, spätne natočené vodné koleso privádza vodu vertikálne nadol cez lievik do vedra pod ním, čo spôsobuje, že sa koleso otáča v opačnom smere ako prúdenie vody nad ním.
Rovnako ako v prípade predchádzajúceho vodného kolesa s preťažením, gravitačná hmotnosť vody vo vedrách spôsobuje, že sa koleso otáča, ale proti smeru hodinových ručičiek. Keď sa uhol otáčania blíži k spodnej časti kolesa, voda zachytená vo vnútri vedier sa vyprázdňuje dole. Keď je prázdne vedro pripevnené ku kolesu, pokračuje v otáčaní s kolesom ako predtým, až kým sa opäť nedostane nahor, pripravené na naplnenie ďalšou vodou, a cyklus sa opakuje.
Rozdiel je tentoraz v tom, že odpadová voda vyprázdnená z rotujúceho vedra odteká v smere rotujúceho kolesa (pretože nemá kam inam ísť), podobne ako pri princípe vodného kolesa s podhryznutím. Hlavnou výhodou vodného kolesa s podhryznutím je teda to, že využíva energiu vody dvakrát, raz zhora a raz zdola, na otáčanie kolesa okolo jeho stredovej osi.
Výsledkom je, že účinnosť konštrukcie vodného kolesa sa výrazne zvyšuje na viac ako 80 % energie vody, pretože je poháňaná gravitačnou hmotnosťou pritekajúcej vody a silou alebo tlakom vody smerovanej do vedier zhora, ako aj prúdom odpadovej vody zospodu, ktorá tlačí na vedrá. Nevýhodou vodného kolesa s nakloneným spätným chodom je, že vyžaduje o niečo zložitejšie usporiadanie prívodu vody priamo nad kolesom so žľabmi a priechodmi.
Dizajn vodného kolesa Breastshot
Vodné koleso typu „breastshot“ je ďalšie vertikálne namontované vodné koleso, kde voda vstupuje do vedier približne v polovici výšky nápravy alebo tesne nad ňou a potom vyteká dole v smere otáčania kolies. Vodné koleso typu „breastshot“ sa vo všeobecnosti používa v situáciách, keď spád vody nestačí na to, aby poháňalo vodné koleso typu „predstrek“ alebo „spätný tok“ zhora.
Nevýhodou je, že gravitačná hmotnosť vody sa využíva iba približne na jednu štvrtinu otáčky, na rozdiel od predtým, keď sa využívala na polovicu otáčky. Aby sa prekonala táto nízka výška spádu, vedierka vodných kolies sa rozšíria, aby sa z vody získalo potrebné množstvo potenciálnej energie.
Vodné kolesá s výstrelom do vody využívajú na otáčanie kolesa približne rovnakú gravitačnú hmotnosť vody, ale keďže výška hladiny vody je približne polovičná oproti typickému vodnému kolesu s predhriatím, vedrá sú oveľa širšie ako predchádzajúce konštrukcie vodných kolies, aby sa zvýšil objem vody zachytenej vo vedrách. Nevýhodou tohto typu konštrukcie je zväčšenie šírky a hmotnosti vody, ktorú každé vedro prenáša. Rovnako ako pri konštrukcii s nakloneným vodným kolesom, aj koleso s výstrelom do vody využíva energiu vody dvakrát, pretože vodné koleso je navrhnuté tak, aby zostalo vo vode, čo umožňuje odpadovej vode pomáhať pri otáčaní kolesa, keď odteká po prúde.
Výroba elektriny pomocou vodného kolesa
Vodné kolesá sa historicky používali na mletie múky, obilnín a iné podobné mechanické úlohy. Vodné kolesá sa však dajú použiť aj na výrobu elektriny, čo sa nazýva systém vodnej energie. Pripojením elektrického generátora k rotujúcej hriadeli vodných kolies, či už priamo alebo nepriamo pomocou hnacích remeňov a kladiek, je možné vodné kolesá použiť na nepretržitú výrobu energie 24 hodín denne, na rozdiel od slnečnej energie. Ak je vodné koleso správne navrhnuté, malý alebo „mikro“ vodný systém dokáže vyrobiť dostatok elektriny na napájanie osvetlenia a/alebo elektrických spotrebičov v priemernej domácnosti.
Hľadajte generátory s vodným kolesom, ktoré sú navrhnuté tak, aby dosahovali optimálny výkon pri relatívne nízkych otáčkach. Pre malé projekty možno ako nízkorýchlostný generátor použiť malý jednosmerný motor alebo automobilový alternátor, ale tie sú navrhnuté tak, aby pracovali pri oveľa vyšších otáčkach, takže môže byť potrebný nejaký druh prevodovky. Generátor s veternou turbínou je ideálnym generátorom s vodným kolesom, pretože je navrhnutý na prevádzku s nízkymi otáčkami a vysokým výkonom.
Ak sa v blízkosti vášho domu alebo záhrady nachádza pomerne rýchlo tečúca rieka alebo potok, ktorý môžete využiť, potom môže byť malá vodná elektráreň lepšou alternatívou k iným formám obnoviteľných zdrojov energie, ako je „veterná energia“ alebo „solárna energia“, pretože má oveľa menší vizuálny dopad. Rovnako ako pri veternej a solárnej energii, aj s malým systémom výroby energie s vodným kolesom pripojeným k sieti, ktorý je napojený na miestnu rozvodnú sieť, môžete všetku elektrinu, ktorú vyrobíte, ale nespotrebujete, predať späť energetickej spoločnosti.
V ďalšom návode o vodnej energii sa pozrieme na rôzne typy dostupných turbín, ktoré by sme mohli pripojiť k nášmu vodnému kolesu na výrobu vodnej energie. Ak chcete získať viac informácií o konštrukcii vodného kolesa a o tom, ako si vyrobiť vlastnú elektrinu pomocou energie vody, získať viac informácií o vodnej energii o rôznych dostupných konštrukciách vodných kolies alebo preskúmať výhody a nevýhody vodnej energie, kliknite sem a objednajte si ešte dnes na Amazone kópiu o princípoch a konštrukcii vodných kolies, ktoré možno použiť na výrobu elektriny.
Čas uverejnenia: 25. júna 2021
