Ubunifu wa Gurudumu la Maji kwa Nishati ya Maji
Ikoni ya nishati ya majiNishati ya maji ni teknolojia inayobadilisha nishati ya kinetiki ya maji yanayosonga kuwa nishati ya mitambo au umeme, na moja ya vifaa vya mapema zaidi vilivyotumika kubadilisha nishati ya maji yanayosonga kuwa kazi inayoweza kutumika ilikuwa Ubunifu wa Gurudumu la Maji.
Ubunifu wa magurudumu ya maji umebadilika baada ya muda huku baadhi ya magurudumu ya maji yakielekezwa wima, mengine yakiwa yameelekezwa mlalo na mengine yakiwa na puli na gia zilizounganishwa, lakini yote yameundwa kufanya kazi sawa na hiyo pia, "kubadilisha mwendo wa mstari wa maji yanayotembea kuwa mwendo wa kuzunguka ambao unaweza kutumika kuendesha mashine yoyote iliyounganishwa nayo kupitia shimoni linalozunguka".
Ubunifu wa Kawaida wa Gurudumu la Maji
Ubunifu wa Mapema wa Magurudumu ya Maji ulikuwa mashine za kizamani na rahisi zilizojumuisha gurudumu la mbao lililo wima lenye vilemba vya mbao au ndoo zilizowekwa sawa kuzunguka mzingo wake zote zikiungwa mkono kwenye shimoni lenye mlalo huku nguvu ya maji ikitiririka chini yake ikisukuma gurudumu katika mwelekeo wa tangential dhidi ya vilemba.
Magurudumu haya ya maji ya wima yalikuwa bora zaidi kuliko muundo wa awali wa gurudumu la maji la mlalo na Wagiriki na Wamisri wa kale, kwa sababu yangeweza kufanya kazi kwa ufanisi zaidi ikibadilisha kasi ya maji yanayosonga kuwa nguvu. Kisha magurudumu na gia ziliunganishwa kwenye gurudumu la maji ambalo liliruhusu mabadiliko katika mwelekeo wa shimoni linalozunguka kutoka mlalo hadi wima ili kuendesha mawe ya kusagia, mbao za msumeno, kuponda madini, kukanyaga na kukata n.k.
Aina za Ubunifu wa Magurudumu ya Maji
Magurudumu mengi ya maji yanayojulikana pia kama Watermills au Magurudumu ya maji tu, ni magurudumu yaliyowekwa wima yanayozunguka ekseli ya mlalo, na aina hizi za magurudumu ya maji huainishwa kulingana na jinsi maji yanavyotumika kwenye gurudumu, ikilinganishwa na ekseli ya gurudumu. Kama unavyoweza kutarajia, magurudumu ya maji ni mashine kubwa kiasi ambazo huzunguka kwa kasi ya chini ya pembe, na zina ufanisi mdogo, kutokana na hasara kutokana na msuguano na kujaza ndoo bila kukamilika, n.k.
Kitendo cha maji kusukumana dhidi ya ndoo au makasia hujenga nguvu kwenye ekseli lakini kwa kuelekeza maji kwenye makasia na ndoo hizi kutoka nafasi tofauti kwenye gurudumu kasi ya kuzunguka na ufanisi wake inaweza kuboreshwa. Aina mbili za kawaida za muundo wa gurudumu la maji ni "gurudumu la maji la chini ya risasi" na "gurudumu la maji la juu ya risasi".
Ubunifu wa Gurudumu la Maji Chini ya Mchoro
Ubunifu wa Gurudumu la Maji la Chini ya Mto, unaojulikana pia kama "gurudumu la mkondo" ulikuwa aina ya gurudumu la maji lililotumiwa sana iliyoundwa na Wagiriki na Warumi wa kale kwani ni aina rahisi zaidi, ya bei rahisi na rahisi zaidi ya gurudumu kutengeneza.
Katika aina hii ya muundo wa gurudumu la maji, gurudumu huwekwa moja kwa moja kwenye mto unaotiririka kwa kasi na kuungwa mkono kutoka juu. Mwendo wa maji yaliyo chini huunda kitendo cha kusukuma dhidi ya makasia yaliyozama kwenye sehemu ya chini ya gurudumu na kuiruhusu kuzunguka katika mwelekeo mmoja tu kuhusiana na mwelekeo wa mtiririko wa maji.
Aina hii ya muundo wa gurudumu la maji kwa ujumla hutumika katika maeneo tambarare yasiyo na mteremko wa asili wa ardhi au ambapo mtiririko wa maji unasonga kwa kasi ya kutosha. Ikilinganishwa na miundo mingine ya gurudumu la maji, aina hii ya muundo haina ufanisi sana, huku asilimia 20 tu ya nishati inayowezekana ya maji ikitumika kuzungusha gurudumu. Pia nishati ya maji hutumika mara moja tu kuzungusha gurudumu, baada ya hapo hutiririka na maji mengine.
Ubaya mwingine wa gurudumu la maji la chini ya mstari ni kwamba linahitaji kiasi kikubwa cha maji yanayosonga kwa kasi. Kwa hivyo, magurudumu ya maji ya chini ya mstari kwa kawaida huwa kwenye kingo za mito kwani vijito vidogo au vijito havina nguvu ya kutosha katika maji yanayosonga.
Njia moja ya kuboresha ufanisi kidogo wa gurudumu la maji la chini ya mkondo ni kugeuza asilimia fulani kutoka kwenye maji mtoni kando ya mfereji mwembamba ili 100% ya maji yaliyoelekezwa yatumike kuzungusha gurudumu. Ili kufanikisha hili gurudumu la chini ya mkondo lazima liwe jembamba na liingie kwa usahihi ndani ya mfereji ili kuzuia maji kutoka pande zote au kwa kuongeza idadi au ukubwa wa makasia.
Ubunifu wa Gurudumu la Maji Linalozidi Urefu
Ubunifu wa Gurudumu la Maji la Overshot ndio aina ya kawaida ya muundo wa gurudumu la maji. Gurudumu la maji la overshot ni gumu zaidi katika ujenzi na usanifu wake kuliko gurudumu la maji la chini ya chini lililopita kwani hutumia ndoo au sehemu ndogo za kukamata na kushikilia maji.
Ndoo hizi hujaa maji yanayotiririka juu ya gurudumu. Uzito wa mvuto wa maji katika ndoo zilizojaa husababisha gurudumu kuzunguka mhimili wake wa kati huku ndoo tupu upande wa pili wa gurudumu zikizidi kuwa nyepesi.
Aina hii ya gurudumu la maji hutumia uvutano ili kuboresha utoaji wa maji pamoja na maji yenyewe, hivyo magurudumu ya maji yenye mduara wa juu yana ufanisi zaidi kuliko miundo ya chini ya mduara kwani karibu maji yote na uzito wake hutumika kutoa nguvu ya utoaji. Hata hivyo, kama hapo awali, nishati ya maji hutumika mara moja tu kuzunguka gurudumu, baada ya hapo hutiririka na maji mengine.
Magurudumu ya maji yanayopita juu ya mto au kijito na kwa kawaida hujengwa pande za vilima vinavyotoa usambazaji wa maji kutoka juu na sehemu ya chini (umbali wa wima kati ya maji juu na mto au kijito chini) wa kati ya mita 5 hadi 20. Bwawa dogo au ukuta wa maji unaweza kujengwa na kutumika kuelekeza na kuongeza kasi ya maji hadi juu ya gurudumu na kuyapa nishati zaidi lakini ni ujazo wa maji badala ya kasi yake ambayo husaidia kuzungusha gurudumu.
Kwa ujumla, magurudumu ya maji yanayopita juu ya mkondo hujengwa kwa ukubwa iwezekanavyo ili kutoa umbali mkubwa zaidi wa kichwa kwa uzito wa mvuto wa maji kuzunguka gurudumu. Hata hivyo, magurudumu ya maji yenye kipenyo kikubwa ni magumu zaidi na ni ghali zaidi kuyatengeneza kutokana na uzito wa gurudumu na maji.
Ndoo moja moja zinapojazwa maji, uzito wa mvuto wa maji husababisha gurudumu kuzunguka kuelekea mtiririko wa maji. Pembe ya kuzunguka inapokaribia chini ya gurudumu, maji ndani ya ndoo humwagika kwenye mto au kijito kilicho chini, lakini uzito wa ndoo zinazozunguka nyuma yake husababisha gurudumu kuendelea na kasi yake ya kuzunguka. Ndoo tupu inaendelea kuzunguka gurudumu linalozunguka hadi inaporudi juu tena tayari kujazwa maji zaidi na mzunguko unarudiwa. Mojawapo ya hasara za muundo wa gurudumu la maji linalopita juu ni kwamba maji hutumika mara moja tu yanapopita juu ya gurudumu.
Ubunifu wa Gurudumu la Maji la Pitchback
Ubunifu wa Gurudumu la Maji la Pitchback ni tofauti kwenye gurudumu la maji lililokuwa limepita juu kwani pia hutumia uzito wa uvutano wa maji kusaidia kuzunguka gurudumu, lakini pia hutumia mtiririko wa maji machafu chini yake kutoa msukumo wa ziada. Aina hii ya muundo wa gurudumu la maji hutumia mfumo wa kuingiza maji chini ambao hutoa maji karibu na sehemu ya juu ya gurudumu kutoka kwenye pentrough iliyo juu.
Tofauti na gurudumu la maji lililokuwa limepinduliwa ambalo lilielekeza maji moja kwa moja juu ya gurudumu na kusababisha yazunguke kuelekea mtiririko wa maji, gurudumu la maji la pitchback hulisha maji kwa wima chini kupitia funeli na kuingia kwenye ndoo iliyo chini na kusababisha gurudumu kuzunguka upande mwingine na mtiririko wa maji yaliyo juu.
Kama vile gurudumu la maji lililokuwa limepinduliwa hapo awali, uzito wa mvuto wa maji kwenye ndoo husababisha gurudumu kuzunguka lakini kwa mwelekeo kinyume na saa. Pembe ya mzunguko inapokaribia chini ya gurudumu, maji yaliyonaswa ndani ya ndoo hutoka chini. Ndoo tupu inapounganishwa kwenye gurudumu, inaendelea kuzunguka na gurudumu kama hapo awali hadi itakaporudi juu tena tayari kujazwa na maji zaidi na mzunguko unarudiwa.
Tofauti wakati huu ni kwamba maji machafu yanayomwagwa kutoka kwenye ndoo inayozunguka hutiririka kuelekea upande wa gurudumu linalozunguka (kwani halina mahali pengine pa kwenda), sawa na msingi wa gurudumu la maji la chini ya risasi. Kwa hivyo faida kuu ya gurudumu la maji la pitchback ni kwamba hutumia nishati ya maji mara mbili, mara moja kutoka juu na mara moja kutoka chini kuzunguka gurudumu kuzunguka mhimili wake wa kati.
Matokeo yake ni kwamba ufanisi wa muundo wa gurudumu la maji huongezeka sana hadi zaidi ya 80% ya nishati ya maji kwani inaendeshwa na uzito wa uvutano wa maji yanayoingia na kwa nguvu au shinikizo la maji linaloelekezwa kwenye ndoo kutoka juu, pamoja na mtiririko wa maji machafu yaliyo chini yanayosukuma dhidi ya ndoo. Hata hivyo, ubaya wa gurudumu la maji la pitchback ni kwamba linahitaji mpangilio mgumu zaidi wa usambazaji wa maji moja kwa moja juu ya gurudumu lenye chutes na pentroughs.
Ubunifu wa Gurudumu la Maji la Kifua
Ubunifu wa Gurudumu la Maji la Breastshot ni muundo mwingine wa gurudumu la maji lililowekwa wima ambapo maji huingia kwenye ndoo karibu nusu ya urefu wa ekseli, au juu yake tu, na kisha hutiririka kutoka chini kuelekea mzunguko wa magurudumu. Kwa ujumla, gurudumu la maji la breastshot hutumika katika hali ambapo kichwa cha maji hakitoshi kuendesha muundo wa gurudumu la maji la overshot au pitchback kutoka juu.
Ubaya hapa ni kwamba uzito wa mvuto wa maji hutumika kwa takriban robo moja ya mzunguko tofauti na hapo awali ambao ulikuwa nusu ya mzunguko. Ili kushinda urefu huu mdogo wa kichwa, ndoo za magurudumu ya maji hupanuliwa ili kutoa kiasi kinachohitajika cha nishati inayowezekana kutoka kwa maji.
Magurudumu ya maji ya Breastshot hutumia takriban uzito sawa wa uvutano wa maji kuzungusha gurudumu lakini kwa kuwa urefu wa kichwa cha maji ni karibu nusu ya urefu wa gurudumu la maji la kawaida, ndoo ni pana zaidi kuliko miundo ya gurudumu la maji ya awali ili kuongeza ujazo wa maji yaliyokamatwa kwenye ndoo. Ubaya wa aina hii ya muundo ni ongezeko la upana na uzito wa maji yanayobebwa na kila ndoo. Kama ilivyo kwa muundo wa pitchback, gurudumu la breastshot hutumia nishati ya maji mara mbili kuliko gurudumu la maji lililoundwa kukaa ndani ya maji na kuruhusu maji machafu kusaidia katika kuzunguka gurudumu linapotiririka kutoka kwenye mkondo.
Kuzalisha Umeme kwa Kutumia Kisu cha Maji
Kihistoria magurudumu ya maji yamekuwa yakitumika kwa ajili ya kusaga unga, nafaka na kazi zingine za kiufundi. Lakini magurudumu ya maji yanaweza pia kutumika kwa ajili ya kuzalisha umeme, unaoitwa mfumo wa Hydro Power. Kwa kuunganisha jenereta ya umeme kwenye shimoni linalozunguka magurudumu ya maji, ama moja kwa moja au kwa njia isiyo ya moja kwa moja kwa kutumia mikanda ya kuendesha na pulley, magurudumu ya maji yanaweza kutumika kuzalisha umeme mfululizo saa 24 kwa siku tofauti na nishati ya jua. Ikiwa gurudumu la maji limeundwa kwa usahihi, mfumo mdogo au "mdogo" wa umeme wa maji unaweza kutoa umeme wa kutosha kuwasha taa na/au vifaa vya umeme katika nyumba ya kawaida.
Tafuta Jenereta za Magurudumu ya Maji zilizoundwa ili kutoa uzalishaji wake bora kwa kasi ya chini. Kwa miradi midogo, mota ndogo ya DC inaweza kutumika kama jenereta ya kasi ya chini au mbadala wa magari lakini hizi zimeundwa kufanya kazi kwa kasi ya juu zaidi kwa hivyo aina fulani ya gia inaweza kuhitajika. Jenereta ya turbine ya upepo hutengeneza jenereta bora ya magurudumu ya maji kwani imeundwa kwa ajili ya uendeshaji wa kasi ya chini na wa juu.
Ikiwa kuna mto au kijito kinachotiririka kwa kasi karibu na nyumba au bustani yako ambacho unaweza kutumia, basi mfumo mdogo wa umeme wa maji unaweza kuwa mbadala bora kwa aina zingine za vyanzo vya nishati mbadala kama vile "Nishati ya Upepo" au "Nishati ya Jua" kwani hauna athari kubwa ya kuona. Pia kama vile nishati ya upepo na jua, ukiwa na mfumo mdogo wa kuzalisha umeme uliounganishwa na gridi ya maji uliounganishwa na gridi ya umeme ya eneo lako, umeme wowote unaozalisha lakini hutumii unaweza kuuzwa tena kwa kampuni ya umeme.
Katika mafunzo yanayofuata kuhusu Nishati ya Maji, tutaangalia aina tofauti za turbini zinazopatikana ambazo tunaweza kuziunganisha kwenye muundo wetu wa gurudumu la maji kwa ajili ya uzalishaji wa umeme wa maji. Kwa maelezo zaidi kuhusu Ubunifu wa Gurudumu la Maji na jinsi ya kuzalisha umeme wako mwenyewe kwa kutumia nguvu ya maji, au kupata taarifa zaidi za nishati ya maji kuhusu miundo mbalimbali ya gurudumu la maji inayopatikana, au kuchunguza faida na hasara za nishati ya maji, basi Bofya Hapa ili kuagiza nakala yako kutoka Amazon leo kuhusu kanuni na ujenzi wa gurudumu la maji ambalo linaweza kutumika kwa ajili ya kuzalisha umeme.
Muda wa chapisho: Juni-25-2021
