การออกแบบกังหันน้ำสำหรับโครงการไฟฟ้าพลังน้ำ

การออกแบบกังหันน้ำสำหรับพลังงานน้ำ
ไอคอนพลังงานน้ำ พลังงานไฮโดรเป็นเทคโนโลยีที่แปลงพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของน้ำให้เป็นพลังงานกลหรือพลังงานไฟฟ้า และหนึ่งในอุปกรณ์แรกสุดที่ใช้ในการแปลงพลังงานของน้ำที่เคลื่อนที่ให้กลายเป็นงานที่ใช้งานได้คือการออกแบบกังหันน้ำ
การออกแบบกังหันน้ำได้พัฒนาขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป โดยล้อน้ำบางอันจะวางในแนวตั้ง บางอันในแนวนอน และบางอันมีรอกและเฟืองอันประณีตติดอยู่ แต่ทั้งหมดนั้นได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ทำหน้าที่เดียวกัน และนั่นก็เหมือนกัน "เปลี่ยนการเคลื่อนที่เชิงเส้นของน้ำที่กำลังเคลื่อนที่เป็น การเคลื่อนที่แบบหมุนซึ่งสามารถใช้ขับเคลื่อนชิ้นส่วนของเครื่องจักรที่เชื่อมต่อผ่านเพลาหมุนได้”

การออกแบบกังหันน้ำทั่วไป
การออกแบบกังหันน้ำในยุคแรกเป็นเครื่องจักรที่ค่อนข้างดั้งเดิมและเรียบง่าย ซึ่งประกอบด้วยล้อไม้แนวตั้งที่มีใบมีดหรือถังไม้จับจ้องอยู่ที่เส้นรอบวงเท่าๆ กัน ทั้งหมดนี้รองรับเพลาแนวนอนด้วยแรงของน้ำที่ไหลอยู่ใต้ล้อดันล้อไปในแนวสัมผัสปะทะกับใบพัด .
กังหันน้ำแนวตั้งเหล่านี้เหนือกว่าการออกแบบกังหันน้ำในแนวนอนรุ่นก่อนๆ โดยชาวกรีกและอียิปต์โบราณอย่างมาก เพราะพวกเขาทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแปลโมเมนตัมของน้ำที่เคลื่อนตัวเป็นพลังงานจากนั้นติดรอกและเฟืองเกียร์เข้ากับกังหันน้ำ ซึ่งอนุญาตให้เปลี่ยนทิศทางของเพลาหมุนจากแนวนอนเป็นแนวตั้งเพื่อใช้งานหินโม่ เลื่อยไม้ แร่บด ปั๊มและตัด ฯลฯ

ประเภทของการออกแบบกังหันน้ำ
Waterwheels ส่วนใหญ่ยังเป็นที่รู้จักกันในนาม Watermills หรือเพียงแค่ Water Wheels เป็นล้อที่ติดตั้งในแนวตั้งซึ่งหมุนรอบเพลาแนวนอน และ waterwheels ประเภทนี้จำแนกตามวิธีที่น้ำถูกนำไปใช้กับล้อซึ่งสัมพันธ์กับเพลาของล้ออย่างที่คุณคาดไว้ กังหันน้ำเป็นเครื่องจักรที่ค่อนข้างใหญ่ซึ่งหมุนด้วยความเร็วเชิงมุมต่ำ และมีประสิทธิภาพต่ำ อันเนื่องมาจากความสูญเสียจากแรงเสียดทานและการเติมถังที่ไม่สมบูรณ์ เป็นต้น
การกระทำของน้ำที่ดันถังหรือแป้นเหยียบของล้อทำให้เกิดแรงบิดบนเพลา แต่ด้วยการควบคุมน้ำที่แป้นและถังเหล่านี้จากตำแหน่งต่างๆ บนล้อ ความเร็วในการหมุนและประสิทธิภาพสามารถปรับปรุงได้การออกแบบกังหันน้ำสองประเภทที่พบบ่อยที่สุดคือ "กังหันน้ำอันเดอร์ช็อต" และ "กังหันน้ำโอเวอร์ช็อต"

การออกแบบวงล้อน้ำอันเดอร์ช็อต
การออกแบบวงล้อน้ำอันเดอร์ช็อต หรือที่เรียกว่า “วงล้อกระแสน้ำ” เป็นกังหันน้ำประเภทที่นิยมใช้กันมากที่สุด ซึ่งออกแบบโดยชาวกรีกและโรมันโบราณ เนื่องจากเป็นวงล้อประเภทที่ง่ายที่สุด ถูกที่สุด และง่ายที่สุดในการสร้าง
ในการออกแบบกังหันน้ำประเภทนี้ วงล้อจะถูกวางลงในแม่น้ำที่ไหลเร็วโดยตรงและได้รับการสนับสนุนจากด้านบนการเคลื่อนที่ของน้ำเบื้องล่างทำให้เกิดแรงผลักกับแป้นพายที่จมอยู่ใต้น้ำที่ส่วนล่างของวงล้อทำให้สามารถหมุนได้ในทิศทางเดียวเท่านั้นที่สัมพันธ์กับทิศทางการไหลของน้ำ
โดยทั่วไปแล้วการออกแบบกังหันน้ำประเภทนี้มักใช้ในพื้นที่ราบซึ่งไม่มีความลาดชันตามธรรมชาติของแผ่นดินหรือในบริเวณที่กระแสน้ำเคลื่อนที่เร็วเพียงพอเมื่อเทียบกับการออกแบบกังหันน้ำอื่นๆ การออกแบบประเภทนี้ไม่มีประสิทธิภาพมาก โดยใช้พลังงานศักย์น้ำเพียง 20% เพื่อหมุนวงล้อจริงๆนอกจากนี้ พลังงานของน้ำยังถูกใช้เพียงครั้งเดียวในการหมุนวงล้อ หลังจากนั้นมันก็จะไหลออกไปพร้อมกับน้ำที่เหลือ
ข้อเสียอีกประการของกังหันน้ำใต้น้ำคือต้องใช้น้ำปริมาณมากเคลื่อนที่ด้วยความเร็วดังนั้นกังหันน้ำที่อยู่ด้านล่างมักจะตั้งอยู่ริมฝั่งแม่น้ำเนื่องจากลำธารหรือลำธารขนาดเล็กไม่มีพลังงานเพียงพอในน้ำที่เคลื่อนที่
วิธีหนึ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของกังหันน้ำอันเดอร์ช็อตเล็กน้อยคือการเปลี่ยนเปอร์เซ็นต์จากน้ำในแม่น้ำตามช่องทางหรือท่อแคบๆ เพื่อให้น้ำที่เบี่ยงเบนไป 100% ใช้เพื่อหมุนวงล้อเพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ ล้อด้านล่างจะต้องแคบและพอดีกับร่องน้ำอย่างแม่นยำมาก เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำไหลออกจากด้านข้างหรือโดยการเพิ่มจำนวนหรือขนาดของแป้นพาย

การออกแบบกังหันน้ำ Overshot
การออกแบบล้อ Overshot Water Wheel เป็นการออกแบบกังหันน้ำที่พบมากที่สุดกังหันน้ำที่โอเวอร์ช็อตนั้นซับซ้อนกว่าในการก่อสร้างและการออกแบบมากกว่ากังหันน้ำอันเดอร์ช็อตก่อนหน้า เนื่องจากใช้ถังหรือช่องขนาดเล็กเพื่อดักจับน้ำทั้งสอง
ถังเหล่านี้เต็มไปด้วยน้ำไหลเข้าที่ด้านบนของล้อน้ำหนักแรงโน้มถ่วงของน้ำในถังเต็มทำให้ล้อหมุนรอบแกนกลางเมื่อถังเปล่าที่อยู่อีกด้านของล้อเบาลง
กังหันน้ำประเภทนี้ใช้แรงโน้มถ่วงเพื่อปรับปรุงผลผลิตและตัวน้ำ ดังนั้นกังหันน้ำที่โอเวอร์ช็อตจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าการออกแบบอันเดอร์ช็อต เนื่องจากน้ำเกือบทั้งหมดและน้ำหนักของมันถูกใช้เพื่อผลิตกำลังขับอย่างไรก็ตาม ก่อนหน้านี้ พลังงานน้ำถูกใช้เพียงครั้งเดียวเพื่อหมุนวงล้อ หลังจากนั้นมันก็จะไหลออกไปพร้อมกับน้ำที่เหลือ
กังหันน้ำ Overshot ถูกแขวนไว้เหนือแม่น้ำหรือลำธาร และโดยทั่วไปแล้วจะถูกสร้างขึ้นที่ด้านข้างของเนินเขาเพื่อให้มีการจ่ายน้ำจากด้านบนด้วยหัวที่ต่ำ (ระยะห่างในแนวตั้งระหว่างน้ำที่ด้านบนกับแม่น้ำหรือลำธารด้านล่าง) ระหว่าง 5 ถึง -20 เมตรเขื่อนหรือฝายขนาดเล็กสามารถสร้างและใช้ทั้งสองช่องทางและเพิ่มความเร็วของน้ำที่ด้านบนของล้อทำให้มีพลังงานมากขึ้น แต่เป็นปริมาณน้ำมากกว่าความเร็วซึ่งช่วยหมุนล้อ

โดยทั่วไป กังหันน้ำโอเวอร์ช็อตจะถูกสร้างขึ้นให้มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้ระยะห่างของส่วนหัวมากที่สุดสำหรับน้ำหนักแรงโน้มถ่วงของน้ำในการหมุนวงล้ออย่างไรก็ตาม กังหันน้ำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่นั้นซับซ้อนกว่าและมีราคาแพงกว่าในการสร้างเนื่องจากน้ำหนักของล้อและน้ำ
เมื่อเติมน้ำลงในถังแต่ละถัง น้ำหนักแรงโน้มถ่วงของน้ำจะทำให้วงล้อหมุนไปในทิศทางของการไหลของน้ำเมื่อมุมการหมุนเข้าใกล้ด้านล่างของวงล้อมากขึ้น น้ำในถังจะไหลออกสู่แม่น้ำหรือลำธารด้านล่าง แต่น้ำหนักของถังที่หมุนไปด้านหลังทำให้ล้อหมุนต่อไปด้วยความเร็วรอบถังเปล่าจะเดินต่อไปรอบวงล้อหมุนจนกว่าจะกลับขึ้นด้านบนอีกครั้งเพื่อเตรียมพร้อมที่จะเติมน้ำมากขึ้นและวงจรจะเกิดซ้ำข้อเสียอย่างหนึ่งของการออกแบบกังหันน้ำแบบโอเวอร์ช็อตคือน้ำจะถูกใช้เพียงครั้งเดียวในขณะที่ไหลผ่านวงล้อ

การออกแบบกังหันน้ำ Pitchback
การออกแบบล้อน้ำ Pitchback เป็นรูปแบบหนึ่งของกังหันน้ำโอเวอร์ช็อตก่อนหน้านี้ เนื่องจากยังใช้น้ำหนักแรงโน้มถ่วงของน้ำเพื่อช่วยหมุนวงล้อ แต่ยังใช้การไหลของน้ำเสียด้านล่างเพื่อเพิ่มแรงกดอีกด้วยการออกแบบกังหันน้ำประเภทนี้ใช้ระบบป้อนเข้าที่หัวต่ำซึ่งให้น้ำใกล้กับส่วนบนของวงล้อจากเพนทรูดด้านบน
ต่างจากกังหันน้ำ overshot ซึ่งส่งน้ำโดยตรงเหนือวงล้อทำให้หมุนไปในทิศทางของการไหลของน้ำ กังหันน้ำ pitchback ป้อนน้ำในแนวตั้งลงทางกรวยและลงในถังด้านล่างทำให้วงล้อหมุนไปในทางตรงข้าม ทิศทางการไหลของน้ำด้านบน
เช่นเดียวกับกังหันน้ำโอเวอร์ช็อตก่อนหน้า น้ำหนักแรงโน้มถ่วงของน้ำในถังทำให้ล้อหมุน แต่ไปในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาเมื่อมุมการหมุนเข้าใกล้ด้านล่างของวงล้อ น้ำที่ขังอยู่ภายในถังจะระบายออกด้านล่างเนื่องจากถังเปล่าติดอยู่กับล้อ ล้อจะหมุนต่อไปด้วยล้อเหมือนเดิมจนกว่าจะกลับขึ้นไปด้านบนอีกครั้งเพื่อเตรียมพร้อมที่จะเติมน้ำมากขึ้นและวงจรจะเกิดซ้ำ
ความแตกต่างในครั้งนี้คือน้ำเสียที่ระบายออกจากถังหมุนจะไหลออกไปในทิศทางของวงล้อหมุน (เนื่องจากไม่มีที่อื่นให้ไป) คล้ายกับหลักการของกังหันน้ำด้านล่างดังนั้น ข้อได้เปรียบหลักของกังหันน้ำ pitchback คือใช้พลังงานของน้ำสองครั้ง หนึ่งครั้งจากด้านบนและอีกครั้งจากด้านล่างเพื่อหมุนวงล้อรอบแกนกลาง
ผลลัพธ์คือประสิทธิภาพของการออกแบบกังหันน้ำเพิ่มขึ้นอย่างมากเป็นมากกว่า 80% ของพลังงานน้ำ เนื่องจากขับเคลื่อนโดยทั้งน้ำหนักแรงโน้มถ่วงของน้ำที่ไหลเข้ามาและด้วยแรงหรือแรงดันของน้ำที่พุ่งเข้าสู่ถังจากด้านบน รวมไปถึงการไหลของน้ำเสียที่อยู่ด้านล่างกระทบถังข้อเสียของกังหันน้ำแบบ pitchback คือต้องมีการจัดระบบจ่ายน้ำที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยตรงเหนือวงล้อด้วยรางน้ำและเพนทรู

การออกแบบกังหันน้ำช็อตช็อต
การออกแบบกังหันน้ำแบบช็อตช็อตเป็นอีกหนึ่งการออกแบบกังหันน้ำที่ติดตั้งในแนวตั้ง โดยที่น้ำจะเข้าสู่ถังประมาณครึ่งทางขึ้นที่ความสูงของเพลาหรือสูงกว่านั้น แล้วไหลออกที่ด้านล่างตามทิศทางการหมุนของล้อโดยทั่วไป กังหันน้ำช็อตช็อตจะใช้ในสถานการณ์ที่หัวน้ำไม่เพียงพอที่จะจ่ายพลังงานให้กับการออกแบบกังหันน้ำแบบโอเวอร์ช็อตหรือแบบย้อนกลับจากด้านบน
ข้อเสียคือน้ำหนักโน้มถ่วงของน้ำใช้เพียงประมาณหนึ่งในสี่ของการหมุนรอบ ซึ่งแตกต่างจากเดิมที่ใช้สำหรับการหมุนเพียงครึ่งเดียวในการเอาชนะความสูงของหัวไม้ที่ต่ำนี้ ถังกังหันน้ำถูกขยายให้กว้างขึ้นเพื่อดึงพลังงานศักย์ที่จำเป็นออกจากน้ำ
กังหันน้ำแบบช็อตช็อตใช้น้ำหนักความโน้มถ่วงของน้ำเท่ากันในการหมุนวงล้อ แต่เนื่องจากความสูงของหัวน้ำอยู่ที่ประมาณครึ่งหนึ่งของกังหันน้ำโอเวอร์ช็อตทั่วไป ถังจึงกว้างกว่าการออกแบบกังหันน้ำรุ่นก่อนมากเพื่อเพิ่มปริมาณน้ำ ติดอยู่ในถังข้อเสียของการออกแบบประเภทนี้คือการเพิ่มความกว้างและน้ำหนักของน้ำที่แต่ละถังบรรทุกเช่นเดียวกับการออกแบบแบบ pitchback wheel shot wheel ใช้พลังงานของน้ำสองครั้ง เนื่องจากกังหันน้ำได้รับการออกแบบให้นั่งในน้ำ โดยให้น้ำเสียช่วยในการหมุนของวงล้อในขณะที่ไหลลงสู่กระแสน้ำ

ผลิตไฟฟ้าโดยใช้กังหันน้ำ
กังหันน้ำในอดีตเคยใช้สำหรับการโม่แป้ง ซีเรียล และงานเชิงกลอื่นๆแต่วงล้อน้ำยังสามารถใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าที่เรียกว่าระบบพลังน้ำด้วยการเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้ากับเพลาหมุนของกังหันน้ำ ไม่ว่าจะโดยตรงหรือโดยอ้อมโดยใช้สายพานขับเคลื่อนและรอก กังหันน้ำจึงสามารถผลิตพลังงานได้อย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง ซึ่งแตกต่างจากพลังงานแสงอาทิตย์หากกังหันน้ำได้รับการออกแบบอย่างถูกต้อง ระบบไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กหรือ "ไมโคร" จะสามารถผลิตไฟฟ้าได้เพียงพอสำหรับจ่ายไฟให้แสงสว่างและ/หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านทั่วไป
มองหาเครื่องกำเนิดกังหันน้ำที่ออกแบบมาเพื่อให้ผลผลิตสูงสุดที่ความเร็วค่อนข้างต่ำสำหรับโครงการขนาดเล็ก มอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็กสามารถใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วต่ำหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับในรถยนต์ได้ แต่สิ่งเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานที่ความเร็วสูงกว่ามาก ดังนั้นอาจต้องใช้รูปแบบการใส่เกียร์บางรูปแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันลมทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันน้ำเหมาะอย่างยิ่ง เนื่องจากได้รับการออกแบบสำหรับการทำงานที่ความเร็วต่ำและให้ผลผลิตสูง
หากมีแม่น้ำหรือลำธารที่ไหลค่อนข้างเร็วใกล้บ้านหรือสวนของคุณซึ่งคุณสามารถใช้ ระบบไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กอาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่าแหล่งพลังงานหมุนเวียนรูปแบบอื่นๆ เช่น "พลังงานลม" หรือ "พลังงานแสงอาทิตย์" ” เนื่องจากมีผลกระทบทางสายตาน้อยกว่ามากเช่นเดียวกับพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ด้วยกังหันน้ำขนาดเล็กที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าซึ่งออกแบบโดยระบบผลิตไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายสาธารณูปโภคในท้องถิ่น ไฟฟ้าใดๆ ที่คุณสร้างแต่ไม่ได้ใช้สามารถขายคืนให้กับบริษัทไฟฟ้าได้
ในบทช่วยสอนถัดไปเกี่ยวกับพลังงานน้ำ เราจะดูกังหันประเภทต่างๆ ที่มีอยู่ ซึ่งเราสามารถแนบไปกับการออกแบบกังหันน้ำของเราสำหรับการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำสำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการออกแบบกังหันน้ำและวิธีสร้างกระแสไฟฟ้าของคุณเองโดยใช้พลังน้ำ หรือรับข้อมูลพลังงานน้ำเพิ่มเติมเกี่ยวกับการออกแบบกังหันน้ำต่างๆ ที่มีอยู่ หรือเพื่อสำรวจข้อดีและข้อเสียของพลังงานน้ำ คลิกที่นี่ เพื่อสั่งซื้อสำเนา จากอเมซอนในวันนี้เกี่ยวกับหลักการและการสร้างกังหันน้ำที่สามารถนำมาใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้