Zasnova vodnega kolesa za projekt hidroelektrarne

Zasnova vodnega kolesa za hidroenergijo
ikona hidroenergijeHidroenergija je tehnologija, ki pretvarja kinetično energijo premikajoče se vode v mehansko ali električno energijo, ena najzgodnejših naprav, ki so se uporabljale za pretvorbo energije premikajoče se vode v uporabno delo, pa je bila zasnova vodnega kolesa.
Zasnova vodnih koles se je sčasoma razvijala, pri čemer so bila nekatera vodna kolesa usmerjena navpično, nekatera vodoravno, nekatera pa so imela pritrjene dovršene jermenice in zobnike, vendar so vsa zasnovana za isto funkcijo, in sicer »pretvorbo linearnega gibanja tekoče vode v rotacijsko gibanje, ki ga je mogoče uporabiti za pogon katerega koli stroja, ki je nanj priključen preko vrteče se gredi«.

Tipična zasnova vodnega kolesa
Zgodnja vodna kolesa so bila precej primitivni in preprosti stroji, sestavljeni iz navpičnega lesenega kolesa z lesenimi lopaticami ali vedri, enakomerno pritrjenimi po obodu, vsa podprta na vodoravni gredi, pri čemer je sila vode, ki teče pod njo, potiskala kolo v tangencialni smeri proti lopaticam.
Ta navpična vodna kolesa so bila veliko boljša od prejšnjih horizontalnih vodnih koles, ki so jih zasnovali stari Grki in Egipčani, saj so lahko delovala učinkoviteje in pretvarjala gibalno količino tekoče vode v moč. Na vodno kolo so nato pritrdili jermenice in zobnike, ki so omogočali spremembo smeri vrtenja gredi iz vodoravne v navpično, da bi lahko poganjali mlinske kamne, žagali les, drobili rudo, štancali in rezali itd.

Vrste zasnove vodnih koles
Večina vodnih koles, znanih tudi kot vodni mlini ali preprosto vodna kolesa, so navpično nameščena kolesa, ki se vrtijo okoli vodoravne osi, te vrste vodnih koles pa so razvrščene glede na način, kako se voda dovaja na kolo glede na os kolesa. Kot lahko pričakujete, so vodna kolesa relativno veliki stroji, ki se vrtijo z nizkimi kotnimi hitrostmi in imajo nizek izkoristek zaradi izgub zaradi trenja in nepopolnega polnjenja veder itd.
Delovanje vode, ki pritiska na vedra ali lopatice koles, ustvari navor na osi, vendar se z usmerjanjem vode na te lopatice in lopatice z različnih mest na kolesu lahko izboljša hitrost vrtenja in njegova učinkovitost. Dve najpogostejši vrsti zasnove vodnega kolesa sta "podstrelno vodno kolo" in "nadstrelno vodno kolo".

Zasnova vodnega kolesa pod košem
Zasnova vodnega kolesa pod košem, znana tudi kot "potočno kolo", je bila najpogosteje uporabljena vrsta vodnega kolesa, ki so ga zasnovali stari Grki in Rimljani, saj je najpreprostejša, najcenejša in najlažja vrsta kolesa za izdelavo.
Pri tej vrsti zasnove vodnega kolesa se kolo preprosto postavi neposredno v hitro tekočo reko in se podpira od zgoraj. Gibanje vode spodaj ustvarja potisno delovanje na potopljene lopatice na spodnjem delu kolesa, kar mu omogoča, da se vrti le v eno smer glede na smer toka vode.
Ta vrsta zasnove vodnega kolesa se običajno uporablja na ravnih območjih brez naravnega naklona ali kjer je tok vode dovolj hiter. V primerjavi z drugimi zasnovami vodnih koles je ta vrsta zasnove zelo neučinkovita, saj se za dejansko vrtenje kolesa porabi le 20 % potencialne energije vode. Prav tako se energija vode za vrtenje kolesa porabi le enkrat, nato pa odteče s preostalo vodo.
Druga pomanjkljivost podtočnega vodnega kolesa je, da zahteva velike količine vode, ki se premika s hitrostjo. Zato so podtočna vodna kolesa običajno postavljena na bregovih rek, saj manjši potoki ali hudourniki nimajo dovolj potencialne energije v tekoči vodi.
Eden od načinov za rahlo izboljšanje učinkovitosti podvodnega vodnega kolesa je preusmeritev odstotka vode v reki vzdolž ozkega kanala ali kanala, tako da se 100 % preusmerjene vode uporabi za vrtenje kolesa. Da bi to dosegli, mora biti podvodno kolo ozko in se zelo natančno prilegati kanalu, da se prepreči uhajanje vode ob straneh, ali pa se poveča število ali velikost lopatic.

Zasnova vodnega kolesa Overshot
Zasnova vodnega kolesa z odtočnim tokom je najpogostejša vrsta zasnove vodnega kolesa. Vodno kolo z odtočnim tokom je v svoji konstrukciji in zasnovi bolj zapleteno kot prejšnje vodno kolo z odtočnim tokom, saj uporablja vedra ali majhne predelke za zajemanje in zadrževanje vode.
Ta vedra se napolnijo z vodo, ki priteka na vrhu kolesa. Gravitacijska teža vode v polnih vedrih povzroči, da se kolo vrti okoli svoje osrednje osi, medtem ko prazna vedra na drugi strani kolesa postanejo lažja.
Ta vrsta vodnega kolesa uporablja gravitacijo za izboljšanje izhoda in same vode, zato so vodna kolesa z nadtokom veliko učinkovitejša od vodnih koles z podtokom, saj se skoraj vsa voda in njena teža uporabljata za proizvodnjo izhodne moči. Vendar se kot prej energija vode porabi le enkrat za vrtenje kolesa, nato pa odteče s preostalo vodo.
Vodna kolesa z odtočnim tokom so nameščena nad reko ali potokom in so običajno zgrajena na pobočjih hribov, ki zagotavljajo dovod vode od zgoraj z nizkim padcem (navpična razdalja med vodo na vrhu in reko ali potokom spodaj) med 5 in 20 metri. Zgraditi je mogoče majhen jez ali preliv, ki se uporablja tako za usmerjanje kot za povečanje hitrosti vode do vrha kolesa, kar mu daje več energije, vendar je pri vrtenju kolesa bolj pomembna količina vode kot njena hitrost.

Na splošno so vodna kolesa z odtočnim tokom zgrajena čim večja, da se zagotovi največja možna razdalja glave, da gravitacijska teža vode vrti kolo. Vendar pa so vodna kolesa velikega premera zaradi teže kolesa in vode bolj zapletena in dražja za izdelavo.
Ko so posamezna vedra napolnjena z vodo, gravitacijska teža vode povzroči, da se kolo vrti v smeri toka vode. Ko se kot vrtenja približuje dnu kolesa, se voda v vedru izprazni v reko ali potok spodaj, vendar teža veder, ki se vrtijo za njim, povzroči, da kolo nadaljuje s svojo hitrostjo vrtenja. Prazno vedro se nadaljuje okoli vrtečega se kolesa, dokler se ne vrne na vrh, kjer je pripravljeno, da se napolni z več vode, in cikel se ponovi. Ena od slabosti zasnove vodnega kolesa s preobremenjenim vodnim kolesom je, da se voda porabi le enkrat, ko teče čez kolo.

Zasnova vodnega kolesa Pitchback
Zasnova vodnega kolesa Pitchback je različica prejšnjega vodnega kolesa z odklonom, saj prav tako uporablja gravitacijsko težo vode za vrtenje kolesa, hkrati pa uporablja tudi tok odpadne vode pod njo za dodaten potisk. Ta vrsta zasnove vodnega kolesa uporablja sistem dovoda z nizkim tlakom, ki zagotavlja vodo blizu vrha kolesa iz zgornjega žleba.
Za razliko od previsokega vodnega kolesa, ki je vodo usmerjalo neposredno čez kolo in ga vrtelo v smeri toka vode, nagnjeno vodno kolo dovaja vodo navpično navzdol skozi lijak v vedro spodaj, zaradi česar se kolo vrti v nasprotni smeri od toka vode zgoraj.
Tako kot pri prejšnjem preobremenjenem vodnem kolesu gravitacijska teža vode v vedrih povzroči vrtenje kolesa, vendar v nasprotni smeri urinega kazalca. Ko se kot vrtenja približa dnu kolesa, se voda, ujeta v vedrih, izprazni spodaj. Ko je prazno vedro pritrjeno na kolo, se še naprej vrti skupaj s kolesom kot prej, dokler se ne vrne na vrh, kjer je pripravljeno, da se napolni z več vode, in cikel se ponovi.
Razlika je tokrat v tem, da odpadna voda, izpraznjena iz vrtečega se vedra, odteka v smeri vrtečega se kolesa (ker nima kam drugam iti), podobno kot pri vodnem kolesu z odklonom. Glavna prednost vodnega kolesa z odklonom je torej v tem, da energijo vode uporabi dvakrat, enkrat od zgoraj in enkrat od spodaj, za vrtenje kolesa okoli njegove osrednje osi.
Posledica tega je, da se učinkovitost zasnove vodnega kolesa močno poveča na več kot 80 % energije vode, saj ga poganja tako gravitacijska teža dotoka vode kot tudi sila ali tlak vode, usmerjene v vedra od zgoraj, ter tok odpadne vode od spodaj, ki pritiska na vedra. Slabost vodnega kolesa z nagibom nazaj pa je, da potrebuje nekoliko bolj zapleteno ureditev dovoda vode neposredno nad kolesom z žlebovi in ​​​​prebojnimi kanali.

Zasnova vodnega kolesa Breastshot
Vodno kolo z odtočnim udarcem je še ena navpično nameščena zasnova vodnega kolesa, pri kateri voda vstopi v vedra približno na polovici višine osi ali tik nad njo in nato izteče na dnu v smeri vrtenja koles. Vodno kolo z odtočnim udarcem se običajno uporablja v situacijah, ko višina vode ne zadostuje za pogon vodnega kolesa z odtočnim udarcem ali udarcem nazaj od zgoraj.
Slabost je, da se gravitacijska teža vode uporablja le za približno četrtino vrtenja, za razliko od prej, ko se je uporabljala za polovico vrtenja. Da bi premagali to nizko višino tlaka, so vedra vodnih koles širša, da iz vode izvlečejo potrebno količino potencialne energije.
Vodna kolesa z vrtenjem prsnega koša uporabljajo približno enako gravitacijsko težo vode za vrtenje kolesa, vendar ker je višina vode približno polovica višine tipičnega vodnega kolesa z vrtenjem navzdol, so vedra veliko širša od prejšnjih zasnov vodnih koles, da se poveča prostornina vode, ujete v vedrih. Slabost te vrste zasnove je povečanje širine in teže vode, ki jo prenaša vsako vedro. Tako kot pri zasnovi z vrtenjem nazaj tudi kolo z vrtenjem prsnega koša dvakrat porabi energijo vode, saj je vodno kolo zasnovano tako, da stoji v vodi, kar omogoča, da odpadna voda pomaga pri vrtenju kolesa, ko odteka navzdol.

Proizvodnja električne energije z vodnim kolesom
Vodna kolesa so se v preteklosti uporabljala za mletje moke, žitaric in druga podobna mehanska opravila. Vodna kolesa pa se lahko uporabljajo tudi za proizvodnjo električne energije, kar imenujemo hidroelektrarniški sistem. Z neposrednim ali posrednim priklopom električnega generatorja na vrtečo se gred vodnih koles z uporabo pogonskih jermenov in jermenic se lahko vodna kolesa uporabljajo za neprekinjeno proizvodnjo energije 24 ur na dan, za razliko od sončne energije. Če je vodno kolo pravilno zasnovano, lahko majhen ali »mikro« hidroelektrarniški sistem proizvede dovolj električne energije za napajanje razsvetljave in/ali električnih naprav v povprečnem gospodinjstvu.
Iščite generatorje z vodnim kolesom, ki so zasnovani za optimalno izhodno moč pri relativno nizkih hitrostih. Za manjše projekte se lahko kot generator z nizko hitrostjo ali avtomobilski alternator uporabi majhen enosmerni motor, vendar so ti zasnovani za delovanje pri veliko višjih hitrostih, zato bo morda potrebna neka oblika zobnika. Generator z vetrno turbino je idealen generator z vodnim kolesom, saj je zasnovan za delovanje pri nizki hitrosti in visoki moči.
Če je v bližini vašega doma ali vrta dokaj hitra reka ali potok, ki ga lahko uporabite, je lahko mala hidroelektrarna boljša alternativa drugim oblikam obnovljivih virov energije, kot sta vetrna ali sončna energija, saj ima veliko manjši vizualni vpliv. Prav tako kot pri vetrni in sončni energiji lahko z majhnim proizvodnim sistemom, zasnovanim kot vodno kolo, priključenim na omrežje in priključenim na lokalno komunalno omrežje, vso elektriko, ki jo proizvedete, a je ne porabite, prodate nazaj elektroenergetskemu podjetju.
V naslednjem vodiču o hidroenergiji si bomo ogledali različne vrste turbin, ki jih lahko pritrdimo na našo zasnovo vodnega kolesa za proizvodnjo hidroelektrarne. Za več informacij o zasnovi vodnega kolesa in o tem, kako sami proizvajati elektriko z uporabo energije vode, ali za pridobitev več informacij o hidroenergiji o različnih razpoložljivih zasnovah vodnih koles ali za raziskovanje prednosti in slabosti hidroenergije kliknite tukaj, da danes naročite svoj izvod pri Amazonu o načelih in konstrukciji vodnih koles, ki se lahko uporabljajo za proizvodnjo električne energije.