تصميم عجلة مائية لمشروع الطاقة الكهرومائية

تصميم عجلة الماء للطاقة المائية
رمز الطاقة المائية هي تقنية تحول الطاقة الحركية لتحريك المياه إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية ، وكان تصميم عجلة الماء أحد أقدم الأجهزة المستخدمة لتحويل طاقة نقل المياه إلى عمل قابل للاستخدام.
لقد تطور تصميم عجلة المياه بمرور الوقت مع توجيه بعض عجلات المياه رأسيًا ، وبعضها أفقيًا وبعضها مزود ببكرات وتروس متقنة ، ولكنها مصممة جميعًا للقيام بنفس الوظيفة وهي أيضًا "تحويل الحركة الخطية للماء المتحرك إلى حركة دورانية يمكن استخدامها لدفع أي قطعة من الآلات متصلة بها عبر عمود دوار ".

تصميم نموذجي لعجلة الماء
كان التصميم المبكر للعجلة المائية بدائيًا للغاية وآلات بسيطة تتكون من عجلة خشبية عمودية مع شفرات خشبية أو دلاء مثبتة بالتساوي حول محيطها كلها مدعومة على عمود أفقي مع قوة تدفق المياه تحتها تدفع العجلة في اتجاه عرضي ضد الشفرات .
كانت دواليب الماء العمودية هذه متفوقة بشكل كبير على التصميم الأفقي السابق لعجلة الماء من قبل الإغريق والمصريين القدماء ، لأنها يمكن أن تعمل بكفاءة أكبر لترجمة زخم نقل المياه إلى طاقة.تم بعد ذلك ربط البكرات والتروس بالعجلة المائية مما سمح بتغيير اتجاه عمود الدوران من الأفقي إلى الرأسي من أجل تشغيل أحجار الرحى وخشب المنشار وسحق الخام والختم والقطع وما إلى ذلك.

أنواع تصميم عجلة المياه
تُعرف معظم العجلات المائية أيضًا باسم طواحين المياه أو ببساطة عجلات المياه ، وهي عبارة عن عجلات مثبتة رأسياً تدور حول محور أفقي ، ويتم تصنيف هذه الأنواع من دواليب المياه حسب الطريقة التي يتم بها تطبيق الماء على العجلة ، بالنسبة إلى محور العجلة.كما قد تتوقع ، فإن دواليب المياه هي آلات كبيرة نسبيًا تدور بسرعات زاويّة منخفضة ، وذات كفاءة منخفضة ، بسبب الفقد الناتج عن الاحتكاك وعدم اكتمال ملء الدلاء ، إلخ.
يعمل عمل الماء الذي يدفع ضد جرافات العجلات أو المجاذيف على تطوير عزم الدوران على المحور ، ولكن من خلال توجيه الماء في هذه المجاديف والجرافات من مواضع مختلفة على العجلة ، يمكن تحسين سرعة الدوران وكفاءته.النوعان الأكثر شيوعًا من تصميم العجلة المائية هما "العجلة المائية السفلية" و "العجلة المائية الزائدة عن الحد".

تصميم عجلة المياه تحت الرفع
كان تصميم عجلة المياه Undershot ، المعروف أيضًا باسم "عجلة التدفق" ، أكثر أنواع العجلة المائية شيوعًا التي صممها الإغريق والرومان القدماء لأنها أبسط وأرخص وأسهل نوع من العجلات في البناء.
في هذا النوع من تصميم العجلة المائية ، يتم وضع العجلة ببساطة في نهر سريع التدفق ويتم دعمها من الأعلى.حركة الماء في الأسفل تخلق حركة دفع ضد المجاذيف المغمورة في الجزء السفلي من العجلة مما يسمح لها بالدوران في اتجاه واحد فقط بالنسبة لاتجاه تدفق الماء.
يستخدم هذا النوع من تصميم الدولاب بشكل عام في المناطق المسطحة التي لا يوجد بها منحدر طبيعي للأرض أو حيث يكون تدفق المياه سريعًا بدرجة كافية.بالمقارنة مع تصميمات دولاب الماء الأخرى ، فإن هذا النوع من التصميم غير فعال للغاية ، حيث يتم استخدام أقل من 20٪ من الطاقة الكامنة للمياه لتدوير العجلة بالفعل.كما يتم استخدام طاقة الماء مرة واحدة فقط لتدوير العجلة ، وبعد ذلك تتدفق بعيدًا مع بقية الماء.
هناك عيب آخر لعجلة المياه السفلية وهي أنها تتطلب كميات كبيرة من الماء تتحرك بسرعة.لذلك ، عادة ما توجد النواعير المائية السفلية على ضفاف الأنهار حيث لا تحتوي الجداول أو الجداول الأصغر على طاقة كامنة كافية في المياه المتحركة.
تتمثل إحدى طرق تحسين الكفاءة بشكل طفيف للعجلة المائية غير السائلة في تحويل نسبة مئوية من الماء في النهر على طول قناة أو مجرى ضيق بحيث يتم استخدام 100٪ من المياه المحولة لتدوير العجلة.من أجل تحقيق ذلك ، يجب أن تكون العجلة السفلية ضيقة وملائمة بدقة شديدة داخل القناة لمنع الماء من الهروب حول الجوانب أو عن طريق زيادة عدد أو حجم المجاديف.

تصميم عجلة الماء الزائدة
يعد تصميم عجلة المياه الزائدة عن الحد هو النوع الأكثر شيوعًا لتصميم عجلة الماء.تعتبر العجلة المائية أكثر تعقيدًا في بنائها وتصميمها من العجلة المائية السفلية السفلية السابقة لأنها تستخدم دلاء أو مقصورات صغيرة لتجميع المياه والاحتفاظ بها.
تمتلئ هذه الدلاء بالمياه المتدفقة في الجزء العلوي من العجلة.يتسبب الوزن الثقالي للماء في الجرافات الممتلئة في دوران العجلة حول محورها المركزي حيث تصبح الجرافات الفارغة على الجانب الآخر من العجلة أخف وزناً.
يستخدم هذا النوع من عجلة المياه الجاذبية لتحسين الإنتاج وكذلك الماء نفسه ، وبالتالي فإن دواليب الماء المتجاوزة أكثر كفاءة بكثير من التصميمات السفلية حيث يتم استخدام كل الماء تقريبًا ووزنه لإنتاج طاقة الإخراج.ولكن كما في السابق ، يتم استخدام طاقة المياه مرة واحدة فقط لتدوير العجلة ، وبعد ذلك تتدفق بعيدًا مع بقية الماء.
يتم تعليق نواعير المياه الزائدة فوق نهر أو مجرى مائي ويتم بناؤها عمومًا على جوانب التلال التي توفر مصدرًا للمياه من الأعلى برأس منخفض (المسافة الرأسية بين الماء في الأعلى والنهر أو المجرى أدناه) من 5 إلى - 20 مترا.يمكن إنشاء سد أو سد صغير واستخدامهما في كل من القناة وزيادة سرعة الماء إلى أعلى العجلة مما يمنحها مزيدًا من الطاقة ولكن حجم الماء وليس سرعته هو الذي يساعد على تدوير العجلة.

بشكل عام ، يتم تصنيع العجلات المائية الزائدة بأكبر حجم ممكن لإعطاء أكبر مسافة ممكنة للرأس لوزن جاذبية الماء لتدوير العجلة.ومع ذلك ، فإن دواليب المياه ذات القطر الكبير أكثر تعقيدًا وتكلفة في البناء بسبب وزن العجلة والمياه.
عندما تمتلئ الدلاء الفردية بالماء ، يتسبب الوزن الثقالي للماء في دوران العجلة في اتجاه تدفق الماء.عندما تقترب زاوية الدوران من أسفل العجلة ، فإن الماء الموجود داخل الدلو يفرغ في النهر أو التدفق أدناه ، لكن وزن الدلاء التي تدور خلفها يتسبب في استمرار العجلة في سرعتها الدورانية.يستمر الدلو الفارغ حول العجلة الدوارة حتى يعود إلى القمة مرة أخرى جاهزًا لملئه بمزيد من الماء وتتكرر الدورة.من عيوب تصميم العجلة المائية الزائدة هو أن الماء يُستخدم مرة واحدة فقط أثناء تدفقه فوق العجلة.

تصميم Pitchback Waterwheel
تصميم عجلة المياه Pitchback هو تباين في العجلة المائية السابقة الزائدة لأنه يستخدم أيضًا وزن جاذبية الماء للمساعدة في تدوير العجلة ، ولكنه يستخدم أيضًا تدفق مياه الصرف تحتها لإعطاء دفعة إضافية.يستخدم هذا النوع من تصميم العجلة المائية نظام تغذية منخفض الرأس يوفر الماء بالقرب من الجزء العلوي من العجلة من حفرة فوقية.
على عكس الدولاب المائي الذي يوجه الماء مباشرة فوق العجلة مما يتسبب في دورانها في اتجاه تدفق الماء ، فإن العجلة المائية تقوم بتغذية الماء عموديًا لأسفل من خلال قمع وفي الدلو أدناه مما يتسبب في دوران العجلة في الاتجاه المعاكس اتجاه تدفق الماء أعلاه.
تمامًا مثل العجلة المائية السابقة ، يتسبب وزن الجاذبية للماء في الدلاء في تدوير العجلة ولكن في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة.نظرًا لأن زاوية الدوران تقترب من أسفل العجلة ، فإن الماء المحبوس داخل الجرافات يفرغ من الأسفل.نظرًا لتوصيل الدلو الفارغ بالعجلة ، فإنه يستمر في الدوران مع العجلة كما كان من قبل حتى يعود إلى القمة مرة أخرى جاهزًا لملئه بالمزيد من الماء وتتكرر الدورة.
الاختلاف هذه المرة هو أن المياه العادمة التي يتم تفريغها من الدلو الدوار تتدفق بعيدًا في اتجاه العجلة الدوارة (حيث لا يوجد مكان آخر تذهب إليه) ، على غرار مبدأ العجلة المائية السفلية.وبالتالي فإن الميزة الرئيسية للعجلة المائية هي أنها تستخدم طاقة الماء مرتين ، مرة من الأعلى ومرة ​​من الأسفل لتدوير العجلة حول محورها المركزي.
والنتيجة هي زيادة كفاءة تصميم العجلة المائية بشكل كبير إلى أكثر من 80٪ من طاقة المياه حيث يتم دفعها بواسطة كل من الوزن الثقالي للمياه الواردة وقوة أو ضغط الماء الموجه إلى الدلاء من الأعلى ، كما فضلا عن تدفق المياه العادمة أدناه دفع ضد الدلاء.على الرغم من عيب العجلة المائية هو أنها تحتاج إلى ترتيب أكثر تعقيدًا لإمداد المياه مباشرة فوق العجلة مع المزالق والمخروط.

تصميم العجلة المائية Breastshot
تصميم عجلة المياه Breastshot هو تصميم آخر لعجلة مائية مثبتة رأسياً حيث يدخل الماء الدلاء في منتصف الطريق للأعلى عند ارتفاع المحور ، أو فوقه بقليل ، ثم يتدفق في الأسفل في اتجاه دوران العجلات.بشكل عام ، يتم استخدام العجلة المائية ذات السوط عند الصدر في المواقف التي يكون فيها رأس الماء غير كافٍ لتشغيل تصميم العجلة المائية المتجاوز أو المنحدر من الأعلى.
العيب هنا هو أن الوزن الثقالي للماء يستخدم فقط لحوالي ربع الدوران على عكس السابق الذي كان نصف الدوران.للتغلب على هذا الارتفاع المنخفض للرأس ، تم توسيع دلاء سلال المياه لاستخراج الكمية المطلوبة من الطاقة الكامنة من الماء.
تستخدم دواليب الماء نفس الوزن الثقالي للماء لتدوير العجلة ، ولكن نظرًا لأن ارتفاع رأس الماء يقارب نصف ارتفاع العجلة المائية المعتادة ، فإن الدلاء أكبر بكثير من تصميمات العجلة المائية السابقة لزيادة حجم الماء اشتعلت في الدلاء.عيب هذا النوع من التصميم هو زيادة عرض ووزن الماء الذي يحمله كل دلو.كما هو الحال مع تصميم الملاعب ، تستخدم عجلة الصدور طاقة الماء مرتين حيث تم تصميم العجلة المائية للجلوس في الماء مما يسمح لمياه الصرف بالمساعدة في تدوير العجلة أثناء تدفقها بعيدًا عن التيار.

توليد الكهرباء باستخدام عجلة مائية
تاريخياً ، تم استخدام عجلات المياه لطحن الدقيق والحبوب وغيرها من المهام الميكانيكية.ولكن يمكن أيضًا استخدام عجلات المياه لتوليد الكهرباء ، والتي تسمى نظام الطاقة المائية.من خلال توصيل مولد كهربائي بعمود دوران عجلات المياه ، سواء بشكل مباشر أو غير مباشر باستخدام أحزمة وبكرات المحرك ، يمكن استخدام دواليب المياه لتوليد الطاقة بشكل مستمر 24 ساعة في اليوم على عكس الطاقة الشمسية.إذا تم تصميم العجلة المائية بشكل صحيح ، فيمكن أن ينتج نظام كهربائي مائي صغير أو "دقيق" ما يكفي من الكهرباء لتشغيل الإضاءة و / أو الأجهزة الكهربائية في منزل متوسط.
ابحث عن المولدات ذات العجلات المائية المصممة لإنتاج أفضل إنتاج لها بسرعات منخفضة نسبيًا.بالنسبة للمشروعات الصغيرة ، يمكن استخدام محرك DC صغير كمولد منخفض السرعة أو مولد تيار متناوب للسيارات ، لكن هذه المحركات مصممة للعمل بسرعات أعلى بكثير ، لذا قد تكون هناك حاجة إلى بعض أشكال التروس.مولد توربينات الرياح يصنع مولدًا مثاليًا لعجلة الماء لأنه مصمم لتشغيل منخفض السرعة وعالي الإنتاج.
إذا كان هناك نهر أو مجرى سريع التدفق إلى حد ما بالقرب من منزلك أو حديقتك ويمكنك استخدامه ، فقد يكون نظام الطاقة المائية الصغير بديلاً أفضل لأشكال أخرى من مصادر الطاقة المتجددة مثل "طاقة الرياح" أو "الطاقة الشمسية "لأن تأثيره المرئي أقل بكثير.أيضًا تمامًا مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية ، مع نظام توليد مصمم على نطاق صغير متصل بالشبكة متصل بشبكة المرافق المحلية ، يمكن بيع أي كهرباء تولدها ولكن لا تستخدمها إلى شركة الكهرباء.
في البرنامج التعليمي التالي حول Hydro Energy ، سنلقي نظرة على الأنواع المختلفة من التوربينات المتاحة والتي يمكننا ربطها بتصميم العجلة المائية لتوليد الطاقة الكهرومائية.لمزيد من المعلومات حول تصميم Waterwheel وكيفية توليد الكهرباء الخاصة بك باستخدام طاقة الماء ، أو للحصول على مزيد من معلومات الطاقة المائية حول التصميمات المختلفة المتاحة لعجلة المياه ، أو لاستكشاف مزايا وعيوب الطاقة المائية ، ثم انقر هنا لطلب نسختك من أمازون اليوم حول مبادئ وبناء نواعير المياه التي يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء.