Hidroelektrik Enerji için Su Çarkı Tasarımı
Hidro enerji, hareket halindeki suyun kinetik enerjisini mekanik veya elektrik enerjisine dönüştüren bir teknolojidir ve hareket halindeki suyun enerjisini kullanılabilir işe dönüştürmek için kullanılan en eski cihazlardan biri Su Çarkı Tasarımıdır.
Su çarkı tasarımı zaman içinde evrim geçirmiştir; bazıları dikey, bazıları yatay, bazıları ise karmaşık kasnak ve dişli sistemleriyle donatılmıştır. Ancak hepsinin amacı aynıdır: "Hareket halindeki suyun doğrusal hareketini, dönen bir şaft aracılığıyla kendisine bağlı herhangi bir makineyi çalıştırmak için kullanılabilen dönme hareketine dönüştürmek".
Tipik Su Çarkı Tasarımı
İlk su çarkı tasarımları oldukça ilkel ve basit makinelerdi; dikey bir ahşap çarktan ve çevresine eşit olarak yerleştirilmiş ahşap kanatlardan veya kovalardan oluşuyordu. Tüm bunlar yatay bir şaft üzerinde destekleniyor ve altından akan suyun kuvveti çarkı kanatlara teğetsel bir yönde itiyordu.
Bu dikey su çarkları, eski Yunan ve Mısırlıların daha önceki yatay su çarkı tasarımlarına göre çok daha üstündü, çünkü hareket eden suyun momentumunu güce dönüştürmede daha verimli çalışabiliyorlardı. Daha sonra su çarkına kasnaklar ve dişliler takıldı; bu da dönen milin yönünü yataydan dikeye değiştirmeye olanak tanıyarak değirmen taşlarını çalıştırmayı, odun kesmeyi, cevher kırmayı, damgalama ve kesmeyi vb. sağlıyordu.
Su Çarkı Tasarım Çeşitleri
Su çarklarının çoğu, dikey olarak monte edilmiş ve yatay bir eksen etrafında dönen tekerleklerdir ve bu su çarkı türleri, suyun tekerleğe uygulanma şekline göre sınıflandırılır. Tahmin edebileceğiniz gibi, su çarkları nispeten büyük makinelerdir, düşük açısal hızlarda dönerler ve sürtünme kayıpları ve kovaların eksik doldurulması vb. nedenlerle düşük verimliliğe sahiptirler.
Suyun çarkın kepçelerine veya kanatlarına uyguladığı itme kuvveti, aks üzerinde tork oluşturur; ancak suyu çark üzerindeki farklı konumlardan bu kanatlara ve kepçelere yönlendirerek dönüş hızı ve verimliliği artırılabilir. En yaygın iki su çarkı tasarımı "alttan beslemeli su çarkı" ve "üstten beslemeli su çarkı"dır.
Alttan Su Çarkı Tasarımı
Alttan su alan su çarkı tasarımı, "akarsu çarkı" olarak da bilinir ve eski Yunanlılar ve Romalılar tarafından en yaygın kullanılan su çarkı türüydü; çünkü yapımı en basit, en ucuz ve en kolay çark türüydü.
Bu tip su çarkı tasarımında, çark doğrudan hızlı akan bir nehre yerleştirilir ve yukarıdan desteklenir. Alttaki suyun hareketi, çarkın alt kısmındaki suya batmış kanatçıklara karşı bir itme etkisi yaratır ve bu da çarkın suyun akış yönüne göre yalnızca tek yönde dönmesini sağlar.
Bu tip su çarkı tasarımı genellikle arazi eğiminin olmadığı düz alanlarda veya su akışının yeterince hızlı olduğu yerlerde kullanılır. Diğer su çarkı tasarımlarıyla karşılaştırıldığında, bu tasarım çok verimsizdir; suyun potansiyel enerjisinin yalnızca %20'si çarkı döndürmek için kullanılır. Ayrıca, suyun enerjisi çarkı döndürmek için sadece bir kez kullanılır, sonrasında suyun geri kalanıyla birlikte akar gider.
Alttan su alan su çarkının bir diğer dezavantajı da, yüksek hızda hareket eden büyük miktarda suya ihtiyaç duymasıdır. Bu nedenle, alttan su alan su çarkları genellikle nehir kıyılarına yerleştirilir, çünkü daha küçük akarsular veya derelerde hareket eden suda yeterli potansiyel enerji bulunmaz.
Alttan su alan bir su çarkının verimliliğini biraz artırmanın bir yolu, nehirdeki suyun bir kısmını dar bir kanal veya boru boyunca yönlendirerek, yönlendirilen suyun %100'ünün çarkı döndürmek için kullanılmasını sağlamaktır. Bunu başarmak için, alttan su alan çarkın dar olması ve suyun yanlardan kaçmasını önlemek için kanala çok hassas bir şekilde oturması veya kanat sayısının veya boyutunun artırılması gerekir.
Üstten Su Çarkı Tasarımı
Üstten su alan su çarkı tasarımı, en yaygın su çarkı tasarım türüdür. Üstten su alan su çarkı, suyu hem yakalamak hem de tutmak için kovalar veya küçük bölmeler kullandığı için, önceki alttan su alan su çarkına göre yapım ve tasarım açısından daha karmaşıktır.
Bu kovalar, çarkın üst kısmından akan suyla dolar. Dolu kovalardaki suyun yerçekimi ağırlığı, çarkın merkez ekseni etrafında dönmesine neden olurken, çarkın diğer tarafındaki boş kovalar hafifler.
Bu tip su çarkı, suyun kendisinin yanı sıra yerçekimini de kullanarak verimliliği artırır; bu nedenle üstten su alan su çarkları, alttan su alan tasarımlara göre çok daha verimlidir, çünkü suyun ve ağırlığının neredeyse tamamı güç üretmek için kullanılır. Ancak daha önce de belirtildiği gibi, suyun enerjisi çarkı döndürmek için yalnızca bir kez kullanılır, ardından suyun geri kalanıyla birlikte akar gider.
Üstten su alan su çarkları, bir nehir veya derenin üzerinde asılı durur ve genellikle tepelerin yamaçlarına inşa edilir; bu sayede yukarıdan gelen su, 5 ila 20 metre arasında düşük bir düşüşle (tepedeki su ile aşağıdaki nehir veya dere arasındaki dikey mesafe) beslenir. Suyu yönlendirmek ve hızını artırmak için küçük bir baraj veya bent inşa edilebilir ve bu da çarka daha fazla enerji sağlar; ancak çarkı döndürmeye yardımcı olan şey suyun hızı değil, hacmidir.
Genellikle, üstten su alan su çarkları, suyun yerçekimi ağırlığının çarkı döndürmesi için mümkün olan en büyük yükseklik farkını sağlamak amacıyla olabildiğince büyük inşa edilir. Bununla birlikte, büyük çaplı su çarklarının yapımı, çarkın ve suyun ağırlığı nedeniyle daha karmaşık ve pahalıdır.
Kovalar suyla dolduğunda, suyun yerçekimi ağırlığı çarkın su akış yönünde dönmesine neden olur. Dönme açısı çarkın dibine yaklaştıkça, kovanın içindeki su aşağıdaki nehre veya dereye boşalır, ancak arkasındaki dönen kovaların ağırlığı çarkın dönme hızını korumasına neden olur. Boş kova, tekrar yukarıya ulaşana kadar dönen çarkın etrafında dönmeye devam eder ve daha fazla suyla doldurulmaya hazır hale gelir ve döngü tekrarlanır. Üstten su alan su çarkı tasarımının dezavantajlarından biri, suyun çarkın üzerinden aktığı için sadece bir kez kullanılmasıdır.
Pitchback Su Çarkı Tasarımı
Geriye doğru eğimli su çarkı tasarımı, önceki üstten beslemeli su çarkının bir varyasyonudur; çünkü çarkın dönmesine yardımcı olmak için suyun yerçekimi ağırlığını kullanır, ancak aynı zamanda altındaki atık su akışını da ek bir itme gücü sağlamak için kullanır. Bu tip su çarkı tasarımı, suyun yukarıdaki bir oluktan çarkın tepesine yakın bir yere ulaşmasını sağlayan düşük basınçlı bir besleme sistemi kullanır.
Suyun doğrudan çarkın üzerinden geçmesini sağlayarak çarkın su akış yönünde dönmesine neden olan üstten su alan su çarkının aksine, geriye doğru eğimli su çarkı suyu dikey olarak bir huni aracılığıyla aşağıya, aşağıdaki kovaya besler ve bu da çarkın yukarıdaki su akışının ters yönünde dönmesine neden olur.
Önceki üstten su çarkında olduğu gibi, kovalardaki suyun yerçekimi ağırlığı çarkın dönmesine neden olur, ancak saat yönünün tersine. Dönme açısı çarkın dibine yaklaştıkça, kovaların içinde hapsolmuş su aşağıya boşalır. Boş kova çarka bağlı olduğu için, tekrar yukarıya çıkana kadar çarkla birlikte dönmeye devam eder ve daha fazla suyla doldurulmaya hazır hale gelir ve döngü tekrarlanır.
Bu seferki fark, dönen kovadan boşaltılan atık suyun (başka gidecek yeri olmadığı için) alttan su alan su çarkı prensibine benzer şekilde, dönen çark yönünde akmasıdır. Dolayısıyla, geri eğimli su çarkının en büyük avantajı, çarkı merkezi ekseni etrafında döndürmek için suyun enerjisini iki kez, bir kez yukarıdan ve bir kez aşağıdan kullanmasıdır.
Sonuç olarak, su çarkı tasarımının verimliliği, gelen suyun yerçekimi ağırlığı ve yukarıdan kovalara yönlendirilen suyun kuvveti veya basıncı ile birlikte, aşağıdan kovalara karşı iten atık su akışı sayesinde suyun enerjisinin %80'inden fazlasına kadar büyük ölçüde artırılır. Bununla birlikte, eğimli su çarkının dezavantajı, çarkın hemen üzerinde oluklar ve su kanalları içeren biraz daha karmaşık bir su besleme düzenlemesine ihtiyaç duymasıdır.
Breastshot Su Çarkı Tasarımı
Göğüs hizasından su alan su çarkı tasarımı, suyun kovalara aks yüksekliğinin yaklaşık yarısında veya biraz üzerinde girdiği ve daha sonra çarkın dönüş yönünde alttan aktığı, dikey olarak monte edilmiş bir diğer su çarkı tasarımıdır. Genellikle göğüs hizasından su alan su çarkı, su yüksekliğinin yukarıdan su alan veya geriye doğru eğimli su çarkı tasarımlarını çalıştırmak için yetersiz olduğu durumlarda kullanılır.
Buradaki dezavantaj, suyun yerçekimi ağırlığının, daha önce olduğu gibi dönüşün yarısı yerine yalnızca yaklaşık dörtte biri için kullanılmasıdır. Bu düşük su seviyesi farkını gidermek için, su çarkının kovaları, sudan gerekli miktarda potansiyel enerjiyi çıkarmak amacıyla daha geniş yapılmıştır.
Göğüs hizasında su çarkları, çarkı döndürmek için suyun yerçekimi ağırlığını yaklaşık olarak aynı şekilde kullanır, ancak suyun yüksekliği tipik bir üstten su çarkınınkinin yaklaşık yarısı kadar olduğundan, kovalar önceki su çarkı tasarımlarına göre çok daha geniştir ve bu da kovalarda toplanan su hacmini artırır. Bu tasarımın dezavantajı, her bir kovanın taşıdığı suyun genişliğinin ve ağırlığının artmasıdır. Geriye doğru eğimli tasarımda olduğu gibi, göğüs hizasında su çarkı da suyun enerjisini iki kez kullanır, çünkü su çarkı suyun içinde duracak şekilde tasarlanmıştır ve atık su, akıntı yönünde akarken çarkın dönmesine yardımcı olur.
Su Çarkı Kullanarak Elektrik Üretme
Tarihsel olarak su çarkları un, tahıl ve benzeri mekanik işlerde öğütme amacıyla kullanılmıştır. Ancak su çarkları, hidroelektrik santrali olarak adlandırılan bir sistemle elektrik üretimi için de kullanılabilir. Elektrik jeneratörünü, tahrik kayışları ve kasnaklar kullanılarak doğrudan veya dolaylı olarak su çarkının dönen miline bağlayarak, su çarkları güneş enerjisinin aksine günde 24 saat kesintisiz olarak elektrik üretebilir. Su çarkı doğru şekilde tasarlanırsa, küçük veya "mikro" bir hidroelektrik sistemi, ortalama bir evdeki aydınlatma ve/veya elektrikli ev aletlerini çalıştırmak için yeterli elektrik üretebilir.
Nispeten düşük hızlarda optimum çıkış üretmek üzere tasarlanmış su çarkı jeneratörleri arayın. Küçük projeler için, düşük hızlı jeneratör olarak küçük bir DC motor veya otomotiv alternatörü kullanılabilir, ancak bunlar çok daha yüksek hızlarda çalışmak üzere tasarlanmıştır, bu nedenle bir tür dişli sistemi gerekebilir. Rüzgar türbini jeneratörü, düşük hızda yüksek çıkışlı çalışma için tasarlandığı için ideal bir su çarkı jeneratörüdür.
Eğer evinizin veya bahçenizin yakınında kullanabileceğiniz, oldukça hızlı akan bir nehir veya dere varsa, küçük ölçekli bir hidroelektrik santrali, "Rüzgar Enerjisi" veya "Güneş Enerjisi" gibi diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına göre daha az görsel etkiye sahip olduğu için daha iyi bir alternatif olabilir. Ayrıca, tıpkı rüzgar ve güneş enerjisinde olduğu gibi, yerel elektrik şebekesine bağlı küçük ölçekli bir su çarkı tasarımlı üretim sistemiyle, ürettiğiniz ancak kullanmadığınız elektriği elektrik şirketine geri satabilirsiniz.
Hidroelektrik enerji hakkındaki bir sonraki eğitimde, hidroelektrik enerji üretimi için su çarkı tasarımımıza takabileceğimiz farklı türbin türlerine bakacağız. Su çarkı tasarımı ve suyun gücünü kullanarak kendi elektriğinizi nasıl üreteceğiniz hakkında daha fazla bilgi edinmek, mevcut çeşitli su çarkı tasarımları hakkında daha fazla bilgi almak veya hidroelektrik enerjinin avantaj ve dezavantajlarını keşfetmek için, elektrik üretmek için kullanılabilecek su çarklarının prensipleri ve yapımı hakkında bilgi edinmek üzere Amazon'dan kopyanızı sipariş etmek için buraya tıklayın.
Yayın tarihi: 25 Haz-2021
