Vattenhjulsdesign för vattenkraftprojekt

Vattenhjulsdesign för vattenkraft
VattenkraftikonVattenkraft är en teknik som omvandlar den kinetiska energin från rörligt vatten till mekanisk eller elektrisk energi, och en av de tidigaste anordningarna som användes för att omvandla energin från rörligt vatten till användbart arbete var vattenhjulsdesignen.
Vattenhjulsdesignen har utvecklats över tid, med vissa vattenhjul orienterade vertikalt, vissa horisontellt och vissa med avancerade remskivor och kugghjul monterade, men de är alla utformade för att utföra samma funktion, och det vill säga "omvandla den linjära rörelsen hos det rörliga vattnet till en roterande rörelse som kan användas för att driva vilken maskin som helst som är ansluten till den via en roterande axel".

Typisk vattenhjulsdesign
Tidig vattenhjulsdesign var ganska primitiva och enkla maskiner bestående av ett vertikalt trähjul med träblad eller hinkar fixerade lika runt deras omkrets, alla uppburna på en horisontell axel, där vattenkraften som strömmar under den pressade hjulet i en tangentiell riktning mot bladen.
Dessa vertikala vattenhjul var vida överlägsna den tidigare horisontella vattenhjulskonstruktionen från de gamla grekerna och egyptierna, eftersom de kunde fungera mer effektivt och omvandla det rörliga vattnets rörelsemängd till kraft. Remskivor och kugghjul fästes sedan på vattenhjulet, vilket möjliggjorde en riktningsändring för en roterande axel från horisontell till vertikal för att driva kvarnstenar, såga trä, krossa malm, stansa och skära etc.

Typer av vattenhjulsdesign
De flesta vattenhjul, även kända som vattenkvarnar eller helt enkelt vattenhjul, är vertikalt monterade hjul som roterar kring en horisontell axel, och dessa typer av vattenhjul klassificeras efter hur vattnet appliceras på hjulet, i förhållande till hjulets axel. Som man kan förvänta sig är vattenhjul relativt stora maskiner som roterar med låga vinkelhastigheter och har låg verkningsgrad på grund av förluster genom friktion och ofullständig fyllning av hinkarna etc.
Vattnets tryck mot hjulens skopor eller paddlar utvecklar vridmoment på axeln, men genom att rikta vattnet mot dessa paddlar och skopor från olika positioner på hjulet kan rotationshastigheten och dess effektivitet förbättras. De två vanligaste typerna av vattenhjulskonstruktioner är "undershot water wheel" och "overshot water wheel".

Undershot vattenhjulsdesign
Undershot-vattenhjulsdesignen, även känd som ett "strömhjul", var den vanligaste typen av vattenhjul som designades av de antika grekerna och romarna, eftersom det är den enklaste, billigaste och lättaste typen av hjul att konstruera.
I den här typen av vattenhjulskonstruktion placeras hjulet helt enkelt direkt i en snabbt strömmande flod och stöds uppifrån. Vattnets rörelse nedanför skapar en tryckande verkan mot de nedsänkta paddlarna på hjulets nedre del, vilket gör att det kan rotera i endast en riktning i förhållande till vattnets flödesriktning.
Denna typ av vattenhjulskonstruktion används vanligtvis i plana områden utan naturlig lutning eller där vattenflödet är tillräckligt snabbt. Jämfört med andra vattenhjulskonstruktioner är denna typ av konstruktion mycket ineffektiv, då så lite som 20 % av vattnets potentiella energi används för att faktiskt rotera hjulet. Dessutom används vattnets energi bara en gång för att rotera hjulet, varefter den rinner bort med resten av vattnet.
En annan nackdel med underbettningshjulet är att det kräver stora mängder vatten som rör sig med hög hastighet. Därför placeras underbettningshjul vanligtvis vid flodstränder eftersom mindre bäckar eller vattendrag inte har tillräckligt med potentiell energi i det rörliga vattnet.
Ett sätt att förbättra effektiviteten något hos ett undervisande vattenhjul är att avleda en procentandel av vattnet i floden längs en smal kanal eller kanal så att 100 % av det avledda vattnet används för att rotera hjulet. För att uppnå detta måste undervisande hjulet vara smalt och passa mycket exakt in i kanalen för att förhindra att vattnet läcker ut runt sidorna, eller genom att öka antingen antalet eller storleken på paddlarna.

Överskottsvattenhjulsdesign
Överskottsvattenhjulsdesignen är den vanligaste typen av vattenhjulsdesign. Överskottsvattenhjulet är mer komplicerat i sin konstruktion och design än det tidigare underskottsvattenhjulet eftersom det använder hinkar eller små fack för att både fånga och hålla vattnet.
Dessa hinkar fylls med vatten som rinner in vid toppen av hjulet. Tyngdkraften från vattnet i de fulla hinkarna får hjulet att rotera runt sin centrala axel när de tomma hinkarna på andra sidan av hjulet blir lättare.
Denna typ av vattenhjul använder gravitationen för att förbättra produktionen såväl som själva vattnet, vilket innebär att överslagsvattenhjul är mycket effektivare än underslagsvattenhjul eftersom nästan allt vatten och dess vikt används för att producera uteffekt. Men precis som tidigare används vattnets energi bara en gång för att rotera hjulet, varefter det rinner bort med resten av vattnet.
Överskottsvattenhjul hänger ovanför en flod eller bäck och är vanligtvis byggda på sluttningarna av kullar och tillhandahåller vattenförsörjning ovanifrån med en låg vattenhöjd (det vertikala avståndet mellan vattnet i toppen och floden eller bäcken nedanför) på mellan 5 och 20 meter. En liten damm eller dam kan byggas och användas för att både kanalisera och öka vattnets hastighet till toppen av hjulet, vilket ger det mer energi, men det är vattenvolymen snarare än dess hastighet som hjälper till att rotera hjulet.

Generellt sett byggs överskottsvattenhjul så stora som möjligt för att ge största möjliga avstånd för vattnets gravitationskraft att rotera hjulet. Vattenhjul med stor diameter är dock mer komplicerade och dyra att konstruera på grund av hjulets och vattnets vikt.
När de enskilda hinkarna fylls med vatten, orsakar vattnets gravitationskraft att hjulet roterar i vattenflödets riktning. När rotationsvinkeln närmar sig hjulets botten, töms vattnet inuti hinken ut i floden eller bäcken nedanför, men vikten av hinkarna som roterar bakom den gör att hjulet fortsätter med sin rotationshastighet. Den tomma hinken fortsätter runt det roterande hjulet tills den kommer upp till toppen igen, redo att fyllas med mer vatten och cykeln upprepas. En av nackdelarna med ett övertrycksvattenhjul är att vattnet bara används en gång när det rinner över hjulet.

Pitchback-vattenhjulsdesignen
Pitchback-vattenhjulsdesignen är en variant av det tidigare överslagsvattenhjulet eftersom det också använder vattnets gravitationskraft för att rotera hjulet, men det använder också flödet av avloppsvattnet under det för att ge en extra knuff. Denna typ av vattenhjulsdesign använder ett lågtrycksinmatningssystem som tillför vattnet nära toppen av hjulet från en penetration ovanför.
Till skillnad från det överslagsvattenhjulet som kanaliserade vattnet direkt över hjulet och fick det att rotera i vattenflödets riktning, matar det bakåtriktade vattenhjulet vattnet vertikalt nedåt genom en tratt och in i hinken nedanför, vilket får hjulet att rotera i motsatt riktning mot vattenflödet ovanför.
Precis som med det föregående övergående vattenhjulet, får vattnets gravitationskraft i hinkarna hjulet att rotera, men moturs. När rotationsvinkeln närmar sig hjulets botten, töms vattnet som är fångat inuti hinkarna ut under. När den tomma hinken fästs på hjulet fortsätter den att rotera med hjulet som tidigare tills den kommer upp igen, redo att fyllas med mer vatten, och cykeln upprepas.
Skillnaden den här gången är att avloppsvattnet som töms ut ur den roterande hinken rinner bort i riktning mot det roterande hjulet (eftersom det inte har någon annanstans att ta vägen), ungefär som med undervattenshjulet. Den största fördelen med bakåtriktat vattenhjul är alltså att det använder vattnets energi två gånger, en gång uppifrån och en gång underifrån, för att rotera hjulet runt sin centrala axel.
Resultatet blir att vattenhjulets effektivitet ökar kraftigt, till över 80 % av vattnets energi, eftersom det drivs av både gravitationsvikten från det inkommande vattnet och av kraften eller trycket från vattnet som riktas in i hinkarna uppifrån, samt flödet av avloppsvattnet nedanför som trycker mot hinkarna. Nackdelen med ett bakåtlutande vattenhjul är dock att det behöver en något mer komplex vattenförsörjningsanordning direkt ovanför hjulet med rännor och rännor.

Breastshot-vattenhjulsdesignen
Breastshot-vattenhjulsdesignen är en annan vertikalt monterad vattenhjulsdesign där vattnet kommer in i hinkarna ungefär halvvägs upp vid axelhöjd, eller strax ovanför den, och sedan rinner ut längst ner i hjulens rotationsriktning. Generellt används bröstshot-vattenhjulet i situationer där vattenhöjden är otillräcklig för att driva ett övershot- eller bakåtriktat vattenhjulsdesign ovanifrån.
Nackdelen här är att vattnets gravitationskraft bara används under ungefär en fjärdedel av rotationen till skillnad från tidigare som var under halva rotationen. För att övervinna denna låga vattenpelarhöjd görs vattenhjulens skopor bredare för att utvinna den erforderliga mängden potentiell energi från vattnet.
Bröstskottshjul använder ungefär samma gravitationskraft som vattnet för att rotera hjulet, men eftersom vattnets höjd är ungefär hälften så hög som ett typiskt överskottshjul, är hinkarna mycket bredare än tidigare vattenhjulskonstruktioner för att öka volymen av vattnet som fångas i hinkarna. Nackdelen med denna typ av konstruktion är en ökning av bredden och vikten på vattnet som transporteras av varje hink. Precis som med pitchback-konstruktionen använder bröstskottshjulet vattnets energi dubbelt så mycket som vattenhjulet är utformat för att sitta i vattnet, vilket gör att avloppsvattnet kan hjälpa till att rotera hjulet när det rinner bort nedströms.

Generera elektricitet med hjälp av ett vattenhjul
Historiskt sett har vattenhjul använts för att mala mjöl, spannmål och andra sådana mekaniska uppgifter. Men vattenhjul kan också användas för att generera elektricitet, kallat vattenkraftsystem. Genom att ansluta en elektrisk generator till vattenhjulets roterande axel, antingen direkt eller indirekt med hjälp av drivremmar och remskivor, kan vattenhjul användas för att generera kraft kontinuerligt dygnet runt, till skillnad från solenergi. Om vattenhjulet är korrekt utformat kan ett litet eller "mikro" vattenkraftsystem producera tillräckligt med elektricitet för att driva belysning och/eller elektriska apparater i ett genomsnittligt hem.
Leta efter vattenhjulsgeneratorer som är konstruerade för att producera optimal effekt vid relativt låga hastigheter. För små projekt kan en liten likströmsmotor användas som låghastighetsgenerator eller generator i bilar, men dessa är konstruerade för att arbeta vid mycket högre hastigheter, så någon form av växellåda kan krävas. En vindturbingenerator är en idealisk vattenhjulsgenerator eftersom den är konstruerad för drift med låg hastighet och hög effekt.
Om det finns en ganska snabbt strömmande flod eller bäck nära ditt hem eller din trädgård som du kan använda, kan ett småskaligt vattenkraftsystem vara ett bättre alternativ till andra former av förnybara energikällor som "vindkraft" eller "solenergi" eftersom det har mycket mindre visuell påverkan. Precis som med vind- och solenergi kan all el du genererar men inte använder säljas tillbaka till elbolaget med ett nätanslutet småskaligt vattenhjulsdesignat elkraftsystem som är anslutet till det lokala elnätet.
I nästa handledning om vattenkraft kommer vi att titta på de olika typer av turbiner som finns tillgängliga och som vi kan koppla till vår vattenhjulsdesign för vattenkraftproduktion. För mer information om vattenhjulsdesign och hur du genererar din egen el med hjälp av vattenkraft, eller för att få mer information om vattenkraft om de olika tillgängliga vattenhjulsdesignerna, eller för att utforska fördelarna och nackdelarna med vattenkraft, klicka här för att beställa ditt exemplar från Amazon idag om principerna och konstruktionen av vattenhjul som kan användas för att generera el.