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 điện. Năng lượng thủy điện là công nghệ chuyển đổi động năng của nước chuyển động thành năng lượng cơ học hoặc điện, và một trong những thiết bị sớm nhất được sử dụng để chuyển đổi năng lượng của 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, có loại đặt thẳng đứng, loại đặt nằm ngang, loại có hệ thống ròng rọc và bánh răng phức tạp, nhưng tất cả đều được thiết kế để thực hiện cùng một chức năng, đó là "chuyển đổi chuyển động tuyến tính của nước thành chuyển động quay, có thể được sử dụng để dẫn động bất kỳ thiết bị máy móc nào được kết nối với nó thông qua trục quay".

Thiết kế điển hình của cối xay nước
Những thiết kế cối xay nước thời kỳ đầu khá thô sơ và đơn giản, bao gồm một bánh xe gỗ thẳng đứng với các cánh hoặc gầu gỗ được gắn đều xung quanh chu vi của nó, tất cả được đỡ trên một trục nằm ngang. Lực của dòng nước chảy bên dưới đẩy bánh xe theo hướng tiếp tuyến, tác động lên các cánh.
Những bánh xe nước thẳng đứng này vượt trội hơn hẳn so với thiết kế bánh xe nước nằm ngang trước đó của người Hy Lạp và Ai Cập cổ đại, bởi vì chúng có thể hoạt động hiệu quả hơn trong việc chuyển hóa động lượng của nước thành năng lượng. Ròng rọc và bộ truyền động sau đó được gắn vào bánh xe nước cho phép thay đổi hướng quay của trục từ nằm ngang sang thẳng đứng để vận hành cối xay, cưa gỗ, nghiền quặng, dập và cắt, v.v.

Các kiểu 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 đặt theo chiều dọc và quay quanh một trục nằm ngang. Các loại bánh xe nước này được phân loại theo cách thức cấp nước vào bánh xe, so với trục quay của bánh xe. Như bạn có thể đoán, bánh xe nước là những cỗ máy tương đối lớn, quay với tốc độ góc thấp và có hiệu suất thấp do tổn thất ma sát và việc đổ đầy không hoàn toàn các gầu chứa nước, v.v.
Lực đẩy của nước tác động lên các bánh xe, gầu hoặc cánh quạt tạo ra mô-men xoắn trên trục, nhưng bằng cách hướng nước vào các cánh quạt và gầu từ các vị trí khác nhau trên bánh xe, tốc độ quay và hiệu suất của nó có thể được cải thiện. Hai kiểu thiết kế bánh xe nước phổ biến nhất là "bánh xe nước kiểu gầu dưới" và "bánh xe nước kiểu gầu trên".

Thiết kế bánh xe nước kiểu guồng quay dưới
Thiết kế bánh xe nước kiểu guồng quay dưới, 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 nó là loại bánh xe đơn giản, rẻ tiền và dễ chế tạo nhất.
Trong kiểu thiết kế cối xay nước này, bánh xe được đặt trực tiếp vào dòng sông chảy xiết và được đỡ từ phía trên. Chuyển động của nước bên dưới tạo ra lực đẩy tác động lên các cánh quạt ngập trong nước ở phần dưới của bánh xe, cho phép nó quay theo một hướng duy nhất so với hướng dòng chảy của nước.
Loại thiết kế cối xay 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 thiết kế cối xay nước khác, loại thiết kế này rất kém hiệu quả, chỉ sử dụng khoảng 20% ​​năng lượng tiềm năng của nước để thực sự làm quay bánh xe. Hơn nữa, năng lượng của nước chỉ được sử dụng một lần để làm quay bánh xe, sau đó nó chảy đi cùng với phần nước còn lại.
Một nhược điểm khác của cối xay nước kiểu guồng quay dưới là nó đòi hỏi một lượng nước lớn chảy với tốc độ cao. Do đó, cối xay nước kiểu guồng quay dưới thường được đặt trên bờ sông vì các dòng suối nhỏ không có đủ thế năng trong dòng nước chuyển động.
Một cách để cải thiện hiệu suất của bánh xe nước kiểu guồng quay dưới là chuyển hướng một phần nước trong sông vào một kênh hoặc ống dẫn hẹp sao cho 100% lượng nước được chuyển hướng được sử dụng để quay bánh xe. Để đạt được điều này, bánh xe guồng quay dưới phải hẹp và vừa khít với kênh dẫn để ngăn nước thoát ra xung quanh các cạnh, hoặc bằng cách tăng số lượng hoặc kích thước của các cánh quạt.

Thiết kế bánh xe nước kiểu tràn
Thiết kế guồng nước kiểu guồng quay trên là loại guồng nước phổ biến nhất. Guồng nước kiểu guồng quay trên phức tạp hơn về cấu tạo và thiết kế so với guồng nước kiểu guồng quay dưới trước đó vì nó sử dụng các xô hoặc các ngăn nhỏ để hứng và chứa nước.
Những chiếc xô này chứa đầy nước chảy vào từ phía trên của bánh xe. Trọng lực của nước trong các xô đầy khiến bánh xe quay quanh trục trung tâm của nó, trong khi các xô rỗng ở phía bên kia bánh xe trở nên nhẹ hơn.
Loại bánh xe nước này sử dụng trọng lực để tăng sản lượng cũng như chính bản thân nước, do đó bánh xe nước kiểu guồng quay trên hiệu quả hơn nhiều so với kiểu guồng quay dưới vì hầu hết nước và trọng lượng của nó đều được sử dụng để tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, như đã nói ở trên, 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.
Cối xay nước kiểu guồng quay trên cao được treo phía trên sông hoặc suối và thường được xây dựng trên sườn đồi, cung cấp nước từ trên cao với cột nước thấp (khoảng cách thẳng đứng giữa mực nước ở trên cùng và sông hoặc suối bên dưới) từ 5 đến 20 mét. Một con đập nhỏ hoặc đập tràn có thể được xây dựng và sử dụng để vừa dẫn nước vừa tăng tốc độ nước lên đỉnh bánh xe, giúp tăng năng lượng cho bánh xe, nhưng chính lượng nước chứ không phải tốc độ mới là yếu tố giúp bánh xe quay.

Nhìn chung, các cối xay nước kiểu guồng quay trên cao thường được xây dựng càng lớn càng tốt để tạo ra khoảng cách cột nước lớn nhất có thể, giúp trọng lực của nước làm quay bánh xe. Tuy nhiên, việc chế tạo cối xay nước đường kính lớn phức tạp và tốn kém hơn do trọng lượng của bánh xe và nước.
Khi các gáo nước được đổ đầy nước, trọng lực của nước sẽ làm cho bánh xe quay theo hướng dòng chảy của nước. Khi góc quay càng gần đáy bánh xe, nước trong gáo sẽ chảy hết xuống sông hoặc suối bên dưới, nhưng trọng lượng của các gáo quay phía sau khiến bánh xe tiếp tục quay với tốc độ của nó. Gáo rỗng tiếp tục quay quanh bánh xe cho đến khi nó quay trở lại đỉnh, sẵn sàng được đổ đầy nước hơn và chu kỳ lặp lại. Một trong những nhược điểm của thiết kế cối xay nước kiểu chảy tràn là nước chỉ được sử dụng một lần khi chảy qua bánh xe.

Thiết kế bánh xe nước kiểu Pitchback
Thiết kế bánh xe nước kiểu quay ngược là một biến thể của bánh xe nước kiểu guồng quay trên đỉnh trước đó, vì nó cũng sử dụng trọng lực của nước để giúp quay bánh xe, nhưng nó cũng sử dụng dòng chảy của nước thải bên dưới để tạo thêm lực đẩy. Loại thiết kế bánh xe nước này sử dụng hệ thống cấp nước cột nước thấp, cung cấp nước gần đỉnh bánh xe từ một máng phía trên.
Không giống như cối xay nước kiểu guồng quay trên (overshot waterwheel) dẫn nước trực tiếp qua bánh xe khiến nó quay theo chiều dòng chảy của nước, cối xay nước kiểu guồng quay dưới (pitchback waterwheel) dẫn nước thẳng đứng xuống dưới qua một cái phễu và vào gầu bên dưới, khiến bánh xe quay ngược chiều với dòng chảy của nước phía trên.
Cũng giống như guồng nước kiểu tràn trước đó, trọng lực của nước trong các gầu khiến bánh xe quay nhưng theo chiều ngược kim đồng hồ. Khi góc quay gần đến đáy bánh xe, nước bị giữ lại trong các gầu sẽ chảy xuống phía dưới. Khi gầu rỗng được gắn vào bánh xe, nó tiếp tục quay cùng với bánh xe như trước cho đến khi trở lại đỉnh để được đổ đầy nước hơn và chu kỳ lặp lại.
Điểm khác biệt lần này là nước thải đổ ra từ gầu quay sẽ chảy theo hướng bánh xe quay (vì nó không có nơi nào khác để đi), tương tự như nguyên lý của cối xay nước kiểu gầu dưới. Do đó, ưu điểm chính của cối xay nước kiểu gầu dưới 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, đạt hơn 80% năng lượng nước, vì nó được vận hành bởi cả trọng lực của nước chảy vào và lực hoặc áp suất của nước được đẩy vào các gầu từ phía trên, cũng như dòng nước thải bên dưới đẩy vào các gầu. Tuy nhiên, nhược điểm của bánh xe nước kiểu gầu xúc là nó cần một hệ thống cấp nước phức tạp hơn một chút ngay phía trên bánh xe với các máng và ống dẫn nước.

Thiết kế cối xay nước Breastshot
Thiết kế guồng nước kiểu Breastshot là một thiết kế guồng nước lắp đặt theo chiều dọc khác, trong đó nước chảy vào các gầu ở khoảng giữa trục hoặc ngay phía trên trục, và sau đó chảy ra ở phía dưới theo hướng quay của bánh xe. Nói chung, guồng nước kiểu Breastshot được sử dụng trong những trường hợp cột nước không đủ để vận hành guồng nước kiểu Overshot hoặc Pitchback từ phía trên.
Nhược điểm ở đây là trọng lực của nước chỉ được sử dụng trong khoảng một phần tư vòng quay, không giống như trước đây là trong một nửa vòng quay. Để khắc phục chiều cao cột nước 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 kiểu gáo nước đặt sấp sử dụng trọng lực của nước để quay bánh xe, nhưng vì chiều cao cột nước chỉ bằng khoảng một nửa so với bánh xe nước kiểu gáo nước đặt xuôi thông thường, nên các gáo nước rộng hơn nhiều so với các thiết kế bánh xe nước trước đây để tăng thể tích nước chứa trong gáo. Nhược điểm của loại thiết kế này là làm tăng chiều rộng và trọng lượng của nước mà mỗi gáo phải mang. Cũng giống như thiết kế gáo nước đặt xuôi, bánh xe nước kiểu gáo nước đặt sấp sử dụng năng lượng của nước gấp đôi vì bánh xe được thiết kế để nằm trong nước, cho phép nước thải hỗ trợ quay bánh xe khi chảy xuống hạ lưu.

Tạo ra điện bằng bánh xe nước
Trong lịch sử, bánh xe nước đã được sử dụng để xay bột, ngũ cốc và các công việc cơ khí khác. Nhưng bánh xe nước cũng có thể được sử dụng để sản xuất 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 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 sản xuất đủ điện để cung cấp năng lượng cho chiếu sáng và/hoặc các thiết bị điện trong một hộ gia đình trung bình.
Hãy tìm kiếm các 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, có thể sử dụng động cơ DC nhỏ làm máy phát điện tốc độ thấp hoặc máy phát điện xoay chiều ô tô, nhưng những thiết bị này được thiết kế để hoạt động ở tốc độ cao hơn nhiều nên có thể cần đến hệ thống truyền động bánh răng. Máy phát điện tuabin gió là một lựa chọn lý tưởng cho máy phát điện bánh xe nước vì nó được thiết kế để hoạt động ở tốc độ thấp với công suất cao.
Nếu gần nhà hoặc vườn nhà bạn có một con sông hoặc suối chảy khá nhanh mà bạn có thể sử dụng, thì hệ thống thủy điện quy mô nhỏ có thể là một lựa chọn tốt hơn so với các nguồn năng lượng tái tạo khác như "năng lượng gió" hoặc "năng lượng mặt trời" vì nó ít gây tác động đến cảnh quan hơn. Cũng giống như năng lượng gió và năng lượng mặt trời, với hệ thống phát điện bằng bánh xe nước quy mô nhỏ được kết nối với lưới điện địa phương, bất kỳ lượng điện nào bạn tạo ra nhưng không sử dụng đều có thể được bán lại cho công ty điện lực.
Trong bài hướng dẫn tiếp theo về năng lượng thủy điện, chúng ta sẽ xem xét các loại tuabin khác nhau có sẵn mà chúng ta có thể gắn vào thiết kế bánh xe nước của mình để phát điện thủy điện. Để biết thêm thông tin về thiết kế bánh xe nước và cách tự tạo ra điện bằng sức mạnh của nước, hoặc để tìm hiểu thêm thông tin về năng lượng thủy điện liên quan đến các thiết kế bánh xe nước khác nhau hiện có, hoặc để khám phá những ưu điểm và nhược điểm của năng lượng thủy điện, hãy Nhấp vào đây để đặt mua sách trên Amazon ngay hôm nay về nguyên lý và cấu tạo của bánh xe nước có thể được sử dụng để phát điện.