Конструкція водяного колеса для гідроенергетики
Гідроенергія — це технологія, яка перетворює кінетичну енергію рухомої води на механічну або електричну енергію, і одним із найперших пристроїв, що використовувалися для перетворення енергії рухомої води на корисну роботу, була конструкція водяного колеса.
Конструкція водяного колеса з часом еволюціонувала: деякі водяні колеса були орієнтовані вертикально, деякі горизонтально, а деякі — зі складними шківами та шестернями, але всі вони призначені для виконання однієї й тієї ж функції, а саме: «перетворення лінійного руху води в обертальний рух, який можна використовувати для приводу будь-якого механізму, з'єднаного з ним через обертовий вал».
Типова конструкція водяного колеса
Ранні конструкції водяних коліс були досить примітивними та простими машинами, що складалися з вертикального дерев'яного колеса з дерев'яними лопатями або відрами, закріпленими рівномірно по їх колу, всі вони підтримувалися на горизонтальному валу, причому сила води, що тече під ним, штовхала колесо в тангенціальному напрямку до лопатей.
Ці вертикальні водяні колеса значно перевершували попередні горизонтальні водяні колеса, розроблені стародавніми греками та єгиптянами, оскільки вони могли працювати ефективніше, перетворюючи імпульс рухомої води на потужність. До водяного колеса потім прикріплювали шківи та зубчасті передачі, що дозволяло змінювати напрямок обертання вала з горизонтального на вертикальний, щоб керувати жорнами, пиляти деревину, дробити руду, штампувати та різати тощо.
Типи конструкцій водяних коліс
Більшість водяних коліс, також відомих як водяні млини або просто водяні колеса, являють собою вертикально встановлені колеса, що обертаються навколо горизонтальної осі, і ці типи водяних коліс класифікуються за способом подачі води на колесо відносно осі колеса. Як і слід було очікувати, водяні колеса — це відносно великі машини, які обертаються з низькими кутовими швидкостями та мають низький ККД через втрати на тертя та неповне заповнення ковшів тощо.
Дія води, що тисне на ковші або лопаті коліс, створює крутний момент на осі, але, спрямовуючи воду на ці лопаті та ковші з різних положень на колесі, можна покращити швидкість обертання та його ефективність. Два найпоширеніші типи конструкцій водяного колеса - це «водяне колесо з недострілом» та «водяне колесо з надстрілом».
Конструкція водяного колеса з підрізанням
Конструкція водяного колеса з підрізом, також відома як «потокове колесо», була найпоширенішим типом водяного колеса, розробленим стародавніми греками та римлянами, оскільки це найпростіший, найдешевший та найлегший для будівництва тип колеса.
У цьому типі конструкції водяного колеса колесо просто розміщується безпосередньо у швидкій річці та підтримується зверху. Рух води знизу створює штовхаючу дію на занурені лопаті в нижній частині колеса, дозволяючи йому обертатися лише в одному напрямку відносно напрямку потоку води.
Цей тип конструкції водяного колеса зазвичай використовується на рівнинних ділянках без природного схилу або там, де потік води рухається досить швидко. Порівняно з іншими конструкціями водяних коліс, цей тип конструкції дуже неефективний, оскільки лише 20% потенційної енергії води використовується для фактичного обертання колеса. Крім того, енергія води використовується лише один раз для обертання колеса, після чого вона відтікає разом з рештою води.
Ще одним недоліком водяного колеса з нижнім струменем є те, що воно вимагає великої кількості води, що рухається зі швидкістю. Тому водяні колеса з нижнім струменем зазвичай розташовуються на берегах річок, оскільки менші струмки або струмки не мають достатньої потенційної енергії у воді, що рухається.
Один зі способів дещо підвищити ефективність водяного колеса з нижнім обстрілом – це відвести певний відсоток води в річці вузьким каналом або протокою, щоб 100% відведеної води використовувалося для обертання колеса. Для досягнення цього колесо з нижнім обстрілом має бути вузьким і дуже точно розміщуватися в каналі, щоб запобігти витоку води по боках, або збільшити кількість або розмір лопатей.
Дизайн водяного колеса Overshot
Конструкція водяного колеса з перепадом об'єму є найпоширенішим типом конструкції водяного колеса. Водяне колесо з перепадом об'єму має складнішу конструкцію та дизайн, ніж попереднє водяне колесо з перепадом об'єму, оскільки в ньому використовуються відра або невеликі відсіки як для збору, так і для утримання води.
Ці відра наповнюються водою, що стікає у верхній частині колеса. Гравітаційна вага води в повних відрах змушує колесо обертатися навколо своєї центральної осі, оскільки порожні відра з іншого боку колеса стають легшими.
Цей тип водяного колеса використовує силу тяжіння для покращення продуктивності, а також саму воду, таким чином, водяні колеса з перепадом об'єму набагато ефективніші, ніж конструкції з перепадом об'єму, оскільки майже вся вода та її вага використовуються для виробництва вихідної потужності. Однак, як і раніше, енергія води використовується лише один раз для обертання колеса, після чого вона відтікає разом з рештою води.
Водяні колеса з перепускним потоком підвішені над річкою або струмком і зазвичай будуються на схилах пагорбів, забезпечуючи подачу води зверху з низьким напором (вертикальна відстань між водою зверху та річкою або струмком знизу) від 5 до 20 метрів. Невелику дамбу або водозлив можна побудувати та використовувати як для спрямування, так і для збільшення швидкості води до вершини колеса, надаючи йому більше енергії, але саме об'єм води, а не її швидкість, допомагає обертати колесо.
Зазвичай, водяні колеса з перевантаженням будуються якомога більшими, щоб забезпечити найбільшу можливу відстань напору для обертання колеса під дією сили тяжіння води. Однак водяні колеса великого діаметра є складнішими та дорожчими у виготовленні через вагу колеса та води.
Коли окремі відра наповнюються водою, гравітаційна вага води змушує колесо обертатися у напрямку потоку води. Коли кут обертання наближається до нижньої частини колеса, вода всередині відра витікає в річку або струмок внизу, але вага відер, що обертаються позаду нього, змушує колесо продовжувати обертатися зі своєю швидкістю. Порожнє відро продовжує обертатися навколо обертового колеса, доки воно знову не підніметься нагору, готове до заповнення водою, і цикл повторюється. Одним з недоліків конструкції водяного колеса з перевантаженням є те, що вода використовується лише один раз, коли вона протікає по колесу.
Конструкція водяного колеса Pitchback
Конструкція водяного колеса з нахилом назад є варіацією попереднього водяного колеса з перекиданням, оскільки вона також використовує гравітаційну вагу води для обертання колеса, але також використовує потік стічних вод під ним для додаткового поштовху. Цей тип конструкції водяного колеса використовує систему подачі з низьким напором, яка забезпечує подачу води поблизу верхньої частини колеса з периметрального жолоба зверху.
На відміну від водяного колеса з овершотом, яке направляло воду безпосередньо над колесом, змушуючи його обертатися у напрямку потоку води, водяне колесо з нахилом назад подає воду вертикально вниз через лійку у відро знизу, змушуючи колесо обертатися у напрямку, протилежному потоку води зверху.
Як і у випадку з попереднім водяним колесом з перевантаженням, гравітаційна вага води у відрах змушує колесо обертатися, але проти годинникової стрілки. Коли кут повороту наближається до нижньої частини колеса, вода, що знаходиться всередині відер, витікає вниз. Коли порожнє відро прикріплюється до колеса, воно продовжує обертатися разом з колесом, як і раніше, доки знову не підніметься нагору, готове до заповнення водою, і цикл повторюється.
Різниця цього разу полягає в тому, що стічна вода, що зливається з обертового відра, стікає в напрямку обертового колеса (оскільки їй більше нікуди подітися), подібно до принципу роботи з водяним колесом з підкиданням. Таким чином, головною перевагою водяного колеса з підкиданням є те, що воно використовує енергію води двічі, один раз зверху, а інший раз знизу, для обертання колеса навколо його центральної осі.
В результаті ефективність конструкції водяного колеса значно зростає, до понад 80% енергії води, оскільки вона приводиться в рух як гравітаційною вагою води, що надходить, так і силою або тиском води, що спрямовується в відра зверху, а також потоком стічних вод знизу, що тисне на відра. Недоліком водяного колеса з нахилом назад є те, що воно потребує дещо складнішої системи подачі води безпосередньо над колесом з жолобами та прохідними жолобами.
Конструкція водяного колеса Breastshot
Конструкція водяного колеса з поштовхом на грудях – це ще одна конструкція вертикально встановленого водяного колеса, де вода надходить у відра приблизно на півдорозі до висоти осі або трохи вище неї, а потім витікає внизу у напрямку обертання коліс. Як правило, водяне колесо з поштовхом на грудях використовується в ситуаціях, коли напір води недостатній для живлення водяного колеса з поштовхом на грудях або з відкидним валом зверху.
Недоліком тут є те, що гравітаційна вага води використовується лише приблизно на чверть оберту, на відміну від раніше, коли це було на половині оберту. Щоб подолати цю низьку висоту напору, ковші водяних коліс робляться ширшими, щоб витягти необхідну кількість потенційної енергії з води.
Водяні колеса з бруском використовують приблизно таку ж гравітаційну вагу води для обертання колеса, але оскільки висота голови води приблизно вдвічі менша, ніж у типового водяного колеса з перекидом, відра набагато ширші, ніж у попередніх конструкцій водяних коліс, що збільшує об'єм води, що збирається у відрах. Недоліком цього типу конструкції є збільшення ширини та ваги води, яку переносить кожне відро. Як і у випадку з конструкцією з нахилом назад, колесо з бруском використовує енергію води вдвічі, оскільки водяне колесо сконструйоване так, щоб знаходитися у воді, дозволяючи стічним водам допомагати в обертанні колеса, коли воно стікає за течією.
Вироблення електроенергії за допомогою водяного колеса
Історично водяні колеса використовувалися для помелу борошна, круп та інших подібних механічних завдань. Але водяні колеса також можна використовувати для виробництва електроенергії, що називається гідроенергетичною системою. Підключивши електричний генератор до обертового валу водяних коліс, прямо або опосередковано за допомогою приводних ременів та шківів, водяні колеса можна використовувати для безперервного виробництва енергії 24 години на добу, на відміну від сонячної енергії. Якщо водяне колесо спроектовано правильно, невелика або «мікро» гідроелектрична система може виробляти достатньо електроенергії для живлення освітлення та/або електроприладів у середньому будинку.
Шукайте генератори з водяним колесом, розроблені для отримання оптимальної потужності на відносно низьких швидкостях. Для невеликих проектів як низькошвидкісний генератор можна використовувати невеликий двигун постійного струму або автомобільний генератор змінного струму, але вони призначені для роботи на набагато вищих швидкостях, тому може знадобитися певний вид редуктора. Вітрова турбіна є ідеальним генератором з водяним колесом, оскільки вона розроблена для роботи на низькій швидкості з високою потужністю.
Якщо поблизу вашого будинку чи саду є досить швидка річка або струмок, який ви можете використовувати, то мала гідроенергетична система може бути кращою альтернативою іншим формам відновлюваних джерел енергії, таким як «енергія вітру» або «сонячна енергія», оскільки вона має набагато менший візуальний вплив. Також, як і у випадку з вітровою та сонячною енергією, завдяки підключеній до мережі невеликій системі генерації на основі водяного колеса, підключеній до місцевої комунальної мережі, будь-яку електроенергію, яку ви генеруєте, але не використовуєте, можна продати назад електроенергетичній компанії.
У наступному посібнику про гідроенергетику ми розглянемо різні типи доступних турбін, які ми можемо приєднати до нашої конструкції водяного колеса для виробництва гідроенергії. Щоб отримати додаткову інформацію про конструкцію водяного колеса та про те, як виробляти власну електроенергію, використовуючи силу води, або отримати більше інформації про гідроенергетику про різні доступні конструкції водяних коліс, або дослідити переваги та недоліки гідроенергії, натисніть тут, щоб замовити свою копію на Amazon сьогодні про принципи та конструкцію водяних коліс, які можна використовувати для виробництва електроенергії.
Час публікації: 25 червня 2021 р.
