Design della ruota idraulica per l'energia idroelettrica
icona dell'energia idroelettrica L'energia idroelettrica è una tecnologia che converte l'energia cinetica dell'acqua in movimento in energia meccanica o elettrica e uno dei primi dispositivi utilizzati per convertire l'energia dell'acqua in movimento in lavoro utilizzabile è stato il Waterwheel Design.
Il design della ruota idraulica si è evoluto nel tempo con alcune ruote idrauliche orientate verticalmente, alcune orizzontalmente e alcune con elaborate pulegge e ingranaggi attaccati, ma sono tutte progettate per svolgere la stessa funzione e anche questo è "convertire il movimento lineare dell'acqua in movimento in un movimento rotatorio che può essere utilizzato per azionare qualsiasi macchina ad esso collegata tramite un albero rotante”.
Tipico design della ruota idraulica
I primi Waterwheel Design erano macchine abbastanza primitive e semplici costituite da una ruota verticale di legno con lame di legno o secchi fissati ugualmente attorno alla loro circonferenza, tutte supportate su un albero orizzontale con la forza dell'acqua che scorre sotto di essa spingendo la ruota in direzione tangenziale contro le lame .
Queste ruote idrauliche verticali erano di gran lunga superiori al precedente progetto di ruota idraulica orizzontale degli antichi greci ed egiziani, perché potevano funzionare in modo più efficiente traducendo lo slancio dell'acqua in movimento in potenza.Pulegge e ingranaggi sono stati quindi fissati alla ruota idraulica che ha consentito di cambiare la direzione di un albero rotante da orizzontale a verticale per azionare macine, segare legno, frantumare minerale, stampare e tagliare ecc.
Tipi di design della ruota idraulica
La maggior parte delle ruote idrauliche, note anche come mulini ad acqua o semplicemente ruote idrauliche, sono ruote montate verticalmente che ruotano attorno a un asse orizzontale e questi tipi di ruote idrauliche sono classificati dal modo in cui l'acqua viene applicata alla ruota, rispetto all'asse della ruota.Come ci si può aspettare, le ruote idrauliche sono macchine relativamente grandi che ruotano a basse velocità angolari e hanno una bassa efficienza, a causa delle perdite per attrito e del riempimento incompleto delle benne, ecc.
L'azione dell'acqua che spinge contro le ruote secchi o palette sviluppa coppia sull'asse ma dirigendo l'acqua su queste palette e secchi da diverse posizioni sulla ruota è possibile migliorare la velocità di rotazione e la sua efficienza.I due tipi più comuni di design della ruota idraulica sono la "ruota idraulica undershot" e la "ruota idraulica overshot".
Design della ruota idraulica undershot
Il design della ruota idraulica Undershot, noto anche come "ruota del flusso", era il tipo di ruota idraulica più comunemente usato progettato dagli antichi greci e romani in quanto è il tipo di ruota più semplice, economico e facile da costruire.
In questo tipo di design della ruota idraulica, la ruota viene semplicemente posizionata direttamente in un fiume che scorre veloce e supportata dall'alto.Il movimento dell'acqua sottostante crea un'azione di spinta contro le pale sommerse nella parte inferiore della ruota permettendole di ruotare in una sola direzione rispetto alla direzione del flusso dell'acqua.
Questo tipo di design a ruota idraulica è generalmente utilizzato in aree pianeggianti senza pendenza naturale del terreno o dove il flusso d'acqua è sufficientemente rapido.Rispetto agli altri modelli di ruote idrauliche, questo tipo di design è molto inefficiente, con solo il 20% dell'energia potenziale dell'acqua utilizzata per ruotare effettivamente la ruota.Anche l'energia dell'acqua viene utilizzata una sola volta per far girare la ruota, dopodiché defluisce con il resto dell'acqua.
Un altro svantaggio della ruota idraulica inferiore è che richiede grandi quantità di acqua che si muovono a velocità.Pertanto, le ruote idrauliche undershot sono solitamente situate sulle rive dei fiumi poiché torrenti o ruscelli più piccoli non hanno abbastanza energia potenziale nell'acqua in movimento.
Un modo per migliorare leggermente l'efficienza di una ruota idraulica inferiore è deviare una percentuale dall'acqua nel fiume lungo uno stretto canale o condotto in modo che il 100% dell'acqua deviata venga utilizzato per ruotare la ruota.Per ottenere ciò, la ruota inferiore deve essere stretta e adattarsi molto accuratamente all'interno del canale per evitare che l'acqua fuoriesca lungo i lati o aumentando il numero o le dimensioni delle pale.
Progettazione della ruota idraulica superata
Il design della ruota idraulica Overshot è il tipo più comune di design della ruota idraulica.La ruota idraulica overshot è più complicata nella sua costruzione e design rispetto alla precedente ruota idraulica undershot poiché utilizza secchi o piccoli scomparti sia per catturare che per trattenere l'acqua.
Questi secchi si riempiono d'acqua che scorre nella parte superiore della ruota.Il peso gravitazionale dell'acqua nei secchi pieni fa sì che la ruota ruoti attorno al suo asse centrale mentre i secchi vuoti sull'altro lato della ruota diventano più leggeri.
Questo tipo di ruota idraulica utilizza la gravità per migliorare la produzione e l'acqua stessa, quindi le ruote idrauliche superate sono molto più efficienti dei modelli undershot poiché quasi tutta l'acqua e il suo peso vengono utilizzati per produrre potenza in uscita.Tuttavia, come prima, l'energia dell'acqua viene utilizzata una sola volta per far girare la ruota, dopodiché defluisce con il resto dell'acqua.
Le ruote idrauliche superate sono sospese sopra un fiume o ruscello e sono generalmente costruite sui lati delle colline fornendo un approvvigionamento idrico dall'alto con una prevalenza bassa (la distanza verticale tra l'acqua in alto e il fiume o ruscello sottostante) compresa tra 5 e -20 metri.Una piccola diga o uno sbarramento possono essere costruiti e utilizzati sia per incanalare che per aumentare la velocità dell'acqua nella parte superiore della ruota dandogli più energia, ma è il volume dell'acqua piuttosto che la sua velocità che aiuta a ruotare la ruota.
Generalmente, le ruote idrauliche superate sono costruite il più grande possibile per dare la massima distanza di testa possibile affinché il peso gravitazionale dell'acqua ruoti la ruota.Tuttavia, le ruote idrauliche di grande diametro sono più complicate e costose da costruire a causa del peso della ruota e dell'acqua.
Quando i singoli secchi sono pieni d'acqua, il peso gravitazionale dell'acqua fa ruotare la ruota nella direzione del flusso d'acqua.Quando l'angolo di rotazione si avvicina al fondo della ruota, l'acqua all'interno del secchio sfocia nel fiume o nel ruscello sottostante, ma il peso dei secchi che ruotano dietro di esso fa sì che la ruota continui con la sua velocità di rotazione.Il secchio vuoto continua attorno alla ruota rotante fino a quando non torna in cima pronto per essere riempito con altra acqua e il ciclo si ripete.Uno degli svantaggi di un design overshot waterwheel è che l'acqua viene utilizzata solo una volta mentre scorre sopra la ruota.
Il design della ruota idraulica Pitchback
Il design della ruota idraulica Pitchback è una variazione della precedente ruota idraulica superata in quanto utilizza anche il peso gravitazionale dell'acqua per aiutare a ruotare la ruota, ma utilizza anche il flusso delle acque reflue sotto di essa per dare una spinta in più.Questo tipo di design della ruota idraulica utilizza un sistema di alimentazione a bassa prevalenza che fornisce l'acqua vicino alla parte superiore della ruota da una mansarda sopra.
A differenza della ruota idraulica superata che incanalava l'acqua direttamente sopra la ruota facendola ruotare nella direzione del flusso dell'acqua, la ruota idraulica inclinata alimenta l'acqua verticalmente verso il basso attraverso un imbuto e nel secchio sottostante facendo ruotare la ruota in senso opposto direzione del flusso dell'acqua soprastante.
Proprio come la precedente ruota idraulica superata, il peso gravitazionale dell'acqua nei secchi fa ruotare la ruota ma in senso antiorario.Quando l'angolo di rotazione si avvicina al fondo della ruota, l'acqua intrappolata all'interno dei secchi si svuota al di sotto.Quando il secchio vuoto è attaccato alla ruota, continua a ruotare con la ruota come prima fino a quando non torna in cima pronto per essere riempito con altra acqua e il ciclo si ripete.
La differenza questa volta è che l'acqua di scarico svuotata dal secchio rotante defluisce nella direzione della ruota rotante (poiché non ha altro posto dove andare), in modo simile al principio della ruota idraulica inferiore.Quindi il vantaggio principale della ruota idraulica pitchback è che utilizza l'energia dell'acqua due volte, una dall'alto e una dal basso per ruotare la ruota attorno al suo asse centrale.
Il risultato è che l'efficienza del design della ruota idraulica è notevolmente aumentata a oltre l'80% dell'energia dell'acqua poiché è guidata sia dal peso gravitaionale dell'acqua in entrata che dalla forza o pressione dell'acqua diretta nei secchi dall'alto, poiché così come il flusso delle acque reflue sottostanti che spingono contro i secchi.Lo svantaggio però di una ruota idraulica pitchback è che necessita di una disposizione di approvvigionamento idrico leggermente più complessa direttamente sopra la ruota con scivoli e attici.
Il design della ruota idraulica Breastshot
Il design della ruota idraulica Breastshot è un altro design della ruota idraulica montata verticalmente in cui l'acqua entra nei secchi a circa metà altezza all'altezza dell'asse, o appena sopra, e quindi defluisce nella parte inferiore nella direzione di rotazione delle ruote.Generalmente, la ruota idraulica del seno viene utilizzata in situazioni in cui la testa d'acqua non è sufficiente per alimentare un progetto di ruota idraulica di sorpasso o pitchback dall'alto.
Lo svantaggio qui è che il peso gravitazionale dell'acqua viene utilizzato solo per circa un quarto della rotazione a differenza di prima che era per metà della rotazione.Per superare questa bassa altezza della testa, i secchi delle ruote idrauliche sono più larghi per estrarre la quantità necessaria di energia potenziale dall'acqua.
Le ruote idrauliche Breastshot utilizzano all'incirca lo stesso peso gravitazionale dell'acqua per ruotare la ruota, ma poiché l'altezza della testa dell'acqua è circa la metà di quella di una tipica ruota idraulica overshot, i secchi sono molto più larghi rispetto ai precedenti modelli di ruota idraulica per aumentare il volume dell'acqua preso nei secchi.Lo svantaggio di questo tipo di design è un aumento della larghezza e del peso dell'acqua trasportata da ciascun secchio.Come con il design del pitchback, la ruota del seno utilizza l'energia dell'acqua due volte poiché la ruota idraulica è progettata per sedersi nell'acqua consentendo all'acqua di scarico di aiutare nella rotazione della ruota mentre scorre a valle.
Genera elettricità usando una ruota idraulica
Storicamente le ruote idrauliche sono state utilizzate per la macinazione di farina, cereali e altre attività meccaniche simili.Ma le ruote idrauliche possono essere utilizzate anche per la generazione di elettricità, chiamata sistema Hydro Power.Collegando un generatore elettrico all'albero rotante delle ruote idrauliche, direttamente o indirettamente tramite cinghie di trasmissione e pulegge, le ruote idrauliche possono essere utilizzate per generare energia ininterrottamente 24 ore al giorno a differenza dell'energia solare.Se la ruota idraulica è progettata correttamente, un sistema idroelettrico piccolo o "micro" può produrre elettricità sufficiente per alimentare l'illuminazione e/o gli elettrodomestici in una casa media.
Cerca i generatori a ruota idraulica progettati per produrre la sua potenza ottimale a velocità relativamente basse.Per piccoli progetti, un piccolo motore CC può essere utilizzato come generatore a bassa velocità o alternatore automobilistico, ma questi sono progettati per funzionare a velocità molto più elevate, quindi potrebbe essere necessaria una qualche forma di ingranaggi.Un generatore eolico è un generatore a ruota idraulica ideale poiché è progettato per operazioni a bassa velocità e ad alto rendimento.
Se c'è un fiume o un ruscello che scorre abbastanza veloce vicino alla tua casa o al tuo giardino che puoi usare, allora un sistema idroelettrico su piccola scala potrebbe essere un'alternativa migliore ad altre forme di fonti di energia rinnovabile come "Energia eolica" o "Energia solare ” in quanto ha un impatto visivo molto inferiore.Inoltre, proprio come l'energia eolica e solare, con un sistema di generazione progettato da una ruota idraulica su piccola scala collegato alla rete e collegato alla rete locale, l'elettricità generata ma non utilizzata può essere rivenduta alla compagnia elettrica.
Nel prossimo tutorial sull'energia idroelettrica, esamineremo i diversi tipi di turbine disponibili che potremmo collegare al nostro progetto di ruota idraulica per la produzione di energia idroelettrica.Per ulteriori informazioni su Waterwheel Design e su come generare la propria elettricità utilizzando l'energia dell'acqua, o ottenere maggiori informazioni sull'energia idroelettrica sui vari modelli di waterwheel disponibili, o per esplorare i vantaggi e gli svantaggi dell'energia idroelettrica, quindi fare clic qui per ordinare la tua copia da Amazon oggi sui principi e la costruzione di ruote idrauliche che possono essere utilizzate per generare elettricità.
Tempo di pubblicazione: 25-giu-2021
