Thiết kế bánh xe nước cho dự án thủy điện

Thiết kế bánh xe nước cho năng lượng thủy điện
Biểu tượng năng lượng thủy điệnNăng lượng thủy điện là công nghệ chuyển đổi động năng của dòng nước chuyển động thành năng lượng cơ học hoặc điện, và một trong những thiết bị đầu tiên được sử dụng để chuyển đổi năng lượng của dòng nước chuyển động thành công năng hữu ích là Thiết kế bánh xe nước.
Thiết kế bánh xe nước đã phát triển theo thời gian với một số bánh xe nước được định hướng theo chiều dọc, một số theo chiều ngang và một số có ròng rọc và bánh răng phức tạp gắn kèm, nhưng tất cả đều được thiết kế để thực hiện cùng một chức năng, đó là "biến chuyển động thẳng của nước đang chuyển động thành chuyển động quay có thể được sử dụng để truyền động cho bất kỳ máy móc nào được kết nối với nó thông qua một trục quay".

Thiết kế bánh xe nước điển hình
Thiết kế bánh xe nước ban đầu khá thô sơ và đơn giản, bao gồm một bánh xe gỗ thẳng đứng với các lưỡi gỗ hoặc xô gỗ cố định đều xung quanh chu vi của chúng, tất cả đều được hỗ trợ trên một trục nằm ngang với lực của nước chảy bên dưới đẩy bánh xe theo phương tiếp tuyến với các lưỡi gỗ.
Những bánh xe nước thẳng đứng này vượt trội hơn nhiều so với thiết kế bánh xe nước nằm ngang trước đó của người Hy Lạp và Ai Cập cổ đại, vì chúng có thể hoạt động hiệu quả hơn khi chuyển động của nước thành năng lượng. Sau đó, ròng rọc và bánh răng được gắn vào bánh xe nước, cho phép thay đổi hướng của trục quay từ ngang sang dọc để vận hành cối xay, cưa gỗ, nghiền quặng, dập và cắt, v.v.

Các loại thiết kế bánh xe nước
Hầu hết các Bánh xe nước còn được gọi là Cối xay nước hoặc đơn giản là Bánh xe nước, là những bánh xe được lắp theo chiều dọc quay quanh một trục nằm ngang, và các loại bánh xe nước này được phân loại theo cách nước được đưa vào bánh xe, so với trục của bánh xe. Như bạn có thể mong đợi, bánh xe nước là những cỗ máy tương đối lớn quay ở tốc độ góc thấp và có hiệu suất thấp, do mất mát do ma sát và không đổ đầy xô, v.v.
Tác động của nước đẩy vào các bánh xe gầu hoặc mái chèo tạo ra mô men xoắn trên trục nhưng bằng cách hướng nước vào các mái chèo và gầu này từ các vị trí khác nhau trên bánh xe, tốc độ quay và hiệu quả của nó có thể được cải thiện. Hai loại thiết kế bánh xe nước phổ biến nhất là "bánh xe nước undershot" và "bánh xe nước overshot".

Thiết kế bánh xe nước Undershot
Thiết kế bánh xe nước Undershot, còn được gọi là “bánh xe dòng chảy”, là loại bánh xe nước được sử dụng phổ biến nhất do người Hy Lạp và La Mã cổ đại thiết kế vì đây là loại bánh xe đơn giản nhất, rẻ nhất và dễ chế tạo nhất.
Trong kiểu thiết kế bánh xe nước này, bánh xe chỉ đơn giản được đặt trực tiếp vào dòng sông chảy xiết và được hỗ trợ từ phía trên. Chuyển động của nước bên dưới tạo ra lực đẩy chống lại các mái chèo chìm ở phần dưới của bánh xe cho phép nó chỉ quay theo một hướng so với hướng dòng nước chảy.
Kiểu thiết kế bánh xe nước này thường được sử dụng ở những vùng đất bằng phẳng không có độ dốc tự nhiên hoặc nơi dòng nước chảy đủ nhanh. So với các kiểu thiết kế bánh xe nước khác, kiểu thiết kế này rất kém hiệu quả, chỉ sử dụng được 20% năng lượng tiềm tàng của nước để thực sự làm quay bánh xe. Ngoài ra, năng lượng của nước chỉ được sử dụng một lần để làm quay bánh xe, sau đó nó sẽ trôi đi cùng với phần nước còn lại.
Một nhược điểm khác của bánh xe nước undershot là nó đòi hỏi lượng nước lớn di chuyển với tốc độ cao. Do đó, bánh xe nước undershot thường được đặt trên bờ sông vì các dòng suối nhỏ hơn không có đủ năng lượng tiềm tàng trong nước di chuyển.
Một cách để cải thiện hiệu quả một chút của bánh xe nước undershot là chuyển hướng một phần trăm nước trong sông dọc theo một kênh hẹp hoặc ống dẫn để 100% lượng nước được chuyển hướng được sử dụng để quay bánh xe. Để đạt được điều này, bánh xe undershot phải hẹp và vừa khít với kênh để ngăn nước thoát ra xung quanh các cạnh hoặc bằng cách tăng số lượng hoặc kích thước của mái chèo.

Thiết kế bánh xe nước Overshot
Thiết kế bánh xe nước Overshot là loại thiết kế bánh xe nước phổ biến nhất. Bánh xe nước Overshot phức tạp hơn về mặt kết cấu và thiết kế so với bánh xe nước Undershot trước đây vì nó sử dụng xô hoặc ngăn nhỏ để vừa hứng vừa giữ nước.
Những chiếc xô này chứa đầy nước chảy vào ở phía trên của bánh xe. Trọng lượng hấp dẫn của nước trong những chiếc xô đầy khiến bánh xe quay quanh trục trung tâm của nó khi những chiếc xô rỗng ở phía bên kia của bánh xe trở nên nhẹ hơn.
Loại bánh xe nước này sử dụng trọng lực để cải thiện sản lượng cũng như bản thân nước, do đó bánh xe nước overshot hiệu quả hơn nhiều so với thiết kế undershot vì hầu như toàn bộ nước và trọng lượng của nó được sử dụng để tạo ra công suất đầu ra. Tuy nhiên, như trước đây, năng lượng của nước chỉ được sử dụng một lần để quay bánh xe, sau đó nó chảy đi cùng với phần nước còn lại.
Bánh xe nước Overshot được treo trên một con sông hoặc suối và thường được xây dựng trên sườn đồi cung cấp nguồn nước từ trên cao với độ cao thấp (khoảng cách thẳng đứng giữa nước ở đỉnh và sông hoặc suối bên dưới) từ 5 đến 20 mét. Một con đập hoặc đập tràn nhỏ có thể được xây dựng và sử dụng để dẫn và tăng tốc độ của nước lên đỉnh bánh xe, cung cấp cho nó nhiều năng lượng hơn nhưng chính thể tích nước chứ không phải tốc độ của nước giúp bánh xe quay.

Nhìn chung, bánh xe nước overshot được chế tạo càng lớn càng tốt để tạo ra khoảng cách đầu lớn nhất có thể cho trọng lượng hấp dẫn của nước làm quay bánh xe. Tuy nhiên, bánh xe nước đường kính lớn phức tạp hơn và tốn kém hơn khi chế tạo do trọng lượng của bánh xe và nước.
Khi từng xô riêng lẻ được đổ đầy nước, trọng lượng hấp dẫn của nước khiến bánh xe quay theo hướng dòng nước chảy. Khi góc quay gần đáy bánh xe hơn, nước bên trong xô đổ ra sông hoặc suối bên dưới, nhưng trọng lượng của các xô quay phía sau nó khiến bánh xe tiếp tục quay với tốc độ của nó. Xô rỗng tiếp tục quay quanh bánh xe đang quay cho đến khi nó lại nổi lên trên đỉnh một lần nữa, sẵn sàng để được đổ thêm nước và chu kỳ lặp lại. Một trong những nhược điểm của thiết kế bánh xe nước overshot là nước chỉ được sử dụng một lần khi nó chảy qua bánh xe.

Thiết kế bánh xe nước Pitchback
Thiết kế bánh xe nước Pitchback là một biến thể của bánh xe nước overshot trước đây vì nó cũng sử dụng trọng lực của nước để giúp bánh xe quay, nhưng nó cũng sử dụng dòng nước thải bên dưới để tạo thêm lực đẩy. Kiểu thiết kế bánh xe nước này sử dụng hệ thống cấp nước đầu thấp cung cấp nước gần đỉnh bánh xe từ một máng nước ở phía trên.
Không giống như bánh xe nước overshot dẫn nước trực tiếp qua bánh xe khiến nó quay theo hướng dòng nước chảy, bánh xe nước pitchback dẫn nước theo phương thẳng đứng xuống dưới qua một cái phễu và vào xô bên dưới khiến bánh xe quay theo hướng ngược lại với dòng nước chảy ở phía trên.
Giống như bánh xe nước overshot trước đó, trọng lượng hấp dẫn của nước trong các xô khiến bánh xe quay nhưng theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Khi góc quay gần đến đáy bánh xe, nước bị giữ lại bên trong các xô sẽ đổ ra bên dưới. Khi xô rỗng được gắn vào bánh xe, nó tiếp tục quay cùng với bánh xe như trước cho đến khi nó quay trở lại đỉnh một lần nữa, sẵn sàng để được đổ thêm nước và chu kỳ lặp lại.
Sự khác biệt lần này là nước thải được đổ ra khỏi gầu quay chảy theo hướng bánh xe quay (vì nó không có nơi nào khác để đi), tương tự như nguyên lý bánh xe nước undershot. Do đó, lợi thế chính của bánh xe nước pitchback là nó sử dụng năng lượng của nước hai lần, một lần từ phía trên và một lần từ phía dưới để quay bánh xe quanh trục trung tâm của nó.
Kết quả là hiệu suất của thiết kế bánh xe nước được tăng lên đáng kể, lên đến hơn 80% năng lượng của nước vì nó được điều khiển bởi cả trọng lượng hấp dẫn của nước chảy vào và lực hoặc áp suất của nước hướng vào các xô từ phía trên, cũng như dòng nước thải bên dưới đẩy vào các xô. Tuy nhiên, nhược điểm của bánh xe nước giật lùi là nó cần một hệ thống cung cấp nước phức tạp hơn một chút ngay phía trên bánh xe với máng xối và máng xối.

Thiết kế bánh xe nước Breastshot
Thiết kế bánh xe nước Breastshot là một thiết kế bánh xe nước lắp theo chiều dọc khác, trong đó nước đi vào các thùng ở khoảng giữa chiều cao trục, hoặc ngay phía trên, rồi chảy ra ở phía dưới theo hướng quay của bánh xe. Nhìn chung, bánh xe nước Breastshot được sử dụng trong các trường hợp mà đầu nước không đủ để cung cấp năng lượng cho thiết kế bánh xe nước overshot hoặc pitchback từ phía trên.
Nhược điểm ở đây là trọng lượng hấp dẫn của nước chỉ được sử dụng cho khoảng một phần tư vòng quay không giống như trước đây là một nửa vòng quay. Để khắc phục chiều cao đầu thấp này, các gầu của bánh xe nước được làm rộng hơn để trích xuất lượng năng lượng tiềm năng cần thiết từ nước.
Bánh xe nước Breastshot sử dụng trọng lượng hấp dẫn của nước gần như tương đương để làm quay bánh xe nhưng vì chiều cao đầu của nước chỉ bằng khoảng một nửa so với bánh xe nước overshot thông thường, nên các thùng rộng hơn nhiều so với các thiết kế bánh xe nước trước đây để tăng thể tích nước được giữ trong các thùng. Nhược điểm của loại thiết kế này là làm tăng chiều rộng và trọng lượng của nước được mỗi thùng mang theo. Giống như thiết kế pitchback, bánh xe Breastshot sử dụng năng lượng của nước gấp đôi vì bánh xe nước được thiết kế để nằm trong nước cho phép nước thải hỗ trợ bánh xe quay khi nó chảy xuống hạ lưu.

Tạo ra điện bằng cách sử dụng bánh xe nước
Theo truyền thống, bánh xe nước được sử dụng để xay bột, ngũ cốc và các công việc cơ học khác. Nhưng bánh xe nước cũng có thể được sử dụng để tạo ra điện, được gọi là hệ thống Thủy điện. Bằng cách kết nối máy phát điện với trục quay của bánh xe nước, trực tiếp hoặc gián tiếp bằng dây đai truyền động và ròng rọc, bánh xe nước có thể được sử dụng để tạo ra điện liên tục 24 giờ một ngày không giống như năng lượng mặt trời. Nếu bánh xe nước được thiết kế đúng cách, một hệ thống thủy điện nhỏ hoặc "siêu nhỏ" có thể tạo ra đủ điện để cung cấp điện cho đèn và/hoặc các thiết bị điện trong một ngôi nhà trung bình.
Tìm Máy phát điện bánh xe nước được thiết kế để tạo ra công suất tối ưu ở tốc độ tương đối thấp. Đối với các dự án nhỏ, một động cơ DC nhỏ có thể được sử dụng làm máy phát điện tốc độ thấp hoặc máy phát điện ô tô nhưng chúng được thiết kế để hoạt động ở tốc độ cao hơn nhiều nên có thể cần một số dạng bánh răng. Máy phát điện tua bin gió là máy phát điện bánh xe nước lý tưởng vì nó được thiết kế để hoạt động ở tốc độ thấp, công suất cao.
Nếu có một con sông hoặc dòng suối chảy khá nhanh gần nhà hoặc vườn của bạn mà bạn có thể sử dụng, thì hệ thống thủy điện quy mô nhỏ có thể là giải pháp thay thế tốt hơn cho các hình thức nguồn năng lượng tái tạo khác như "Năng lượng gió" hoặc "Năng lượng mặt trời" vì nó có tác động trực quan ít hơn nhiều. Cũng giống như năng lượng gió và mặt trời, với hệ thống phát điện được thiết kế theo guồng nước quy mô nhỏ được kết nối với lưới điện, bất kỳ lượng điện nào bạn tạo ra nhưng không sử dụng đều có thể được bán lại cho công ty điện.
Trong hướng dẫn tiếp theo về Hydro Energy, chúng ta sẽ xem xét các loại tua bin khác nhau có sẵn mà chúng ta có thể gắn vào thiết kế bánh xe nước của mình để tạo ra thủy điện. Để biết thêm thông tin về Thiết kế bánh xe nước và cách tạo ra điện của riêng bạn bằng sức mạnh của nước, hoặc để có thêm thông tin về năng lượng thủy điện về các thiết kế bánh xe nước khác nhau có sẵn, hoặc để khám phá những ưu điểm và nhược điểm của năng lượng thủy điện, hãy Nhấp vào đây để đặt mua bản sao của bạn từ Amazon ngay hôm nay về các nguyên tắc và cấu trúc của bánh xe nước có thể được sử dụng để tạo ra điện.