水力発電プロジェクトの水車設計

水力エネルギーのための水車の設計
水力エネルギーアイコン水力エネルギーは、移動する水の運動エネルギーを機械的または電気的エネルギーに変換する技術であり、移動する水のエネルギーを使用可能な作業に変換するために使用された最も初期のデバイスの1つはウォーターホイールデザインでした。
水車の設計は、水車の一部を垂直に、一部を水平に、一部に精巧なプーリーと歯車を取り付けて進化してきましたが、すべて同じ機能を果たすように設計されており、「移動する水の線形運動を次のように変換します。回転シャフトを介してそれに接続された機械の任意の部分を駆動するために使用できる回転運動」。

典型的な水車の設計
初期の水車の設計は非常に原始的で単純な機械で、木製のブレードまたはバケットが周囲に均等に固定され、その下を流れる水の力でホイールをブレードに対して接線方向に押す力ですべて水平シャフトに支えられていました。 。
これらの垂直水車は、移動する水の勢いを力に変換するより効率的に動作できるため、古代ギリシャ人とエジプト人による以前の水平水車の設計よりもはるかに優れていました。次に、滑車とギアが水車に取り付けられ、石臼、製材、破砕鉱石、スタンピング、切断などを操作するために、回転シャフトの方向を水平から垂直に変更できるようになりました。

水車の設計の種類
ウォーターミルまたは単にウォーターホイールとしても知られているほとんどの水車は、水平軸を中心に回転する垂直に取り付けられたホイールであり、これらのタイプの水車は、ホイールの車軸に対して、水がホイールに適用される方法によって分類されます。ご想像のとおり、水車は比較的大型の機械で、低角速度で回転し、摩擦による損失やバケットの不完全な充填などにより効率が低くなります。
車輪のバケツまたはパドルを押す水の作用により車軸にトルクが発生しますが、これらのパドルおよびバケツに水を車輪のさまざまな位置から向けることにより、回転速度とその効率を向上させることができます。水車の設計の最も一般的な2つのタイプは、「アンダーショット水車」と「オーバーショット水車」です。

アンダーショット水車の設計
「ストリームホイール」としても知られるアンダーショット水車の設計は、古代ギリシャ人とローマ人によって設計された最も一般的に使用されているタイプの水車でした。
このタイプの水車の設計では、車輪は流れの速い川に直接配置され、上から支えられます。下の水の動きは、ホイールの下部にある水中のパドルに対して押す動作を作成し、水の流れの方向に対してのみ一方向に回転できるようにします。
このタイプの水車の設計は、一般に、土地の自然な傾斜がない平坦な領域、または水の流れが十分に速い場所で使用されます。他の水車の設計と比較すると、このタイプの設計は非常に非効率的であり、実際に水車を回転させるために使用される水の位置エネルギーはわずか20％です。また、水のエネルギーはホイールを回転させるために1回だけ使用され、その後、残りの水と一緒に流れ去ります。
アンダーショット水車のもう1つの欠点は、大量の水が高速で移動する必要があることです。したがって、小川や小川は移動する水に十分な位置エネルギーを持たないため、アンダーショット水車は通常、川の土手に配置されます。
アンダーショット水車の効率をわずかに改善する1つの方法は、狭い水路またはダクトに沿って川の水から一定の割合を迂回させ、迂回した水の100％がホイールの回転に使用されるようにすることです。これを達成するために、アンダーショットホイールは狭く、水が側面の周りに逃げるのを防ぐために、またはパドルの数またはサイズを増やすことによって、チャネル内に非常に正確にフィットする必要があります。

オーバーショット水車の設計
オーバーショット水車設計は、最も一般的なタイプの水車設計です。オーバーショット水車は、バケツまたは小さなコンパートメントを使用して水をキャッチおよび保持するため、以前のアンダーショット水車よりも構造と設計が複雑です。
これらのバケツは、ホイールの上部から流入する水で満たされます。満杯のバケツの中の水の重力重量により、ホイールの反対側にある空のバケツが軽くなるにつれて、ホイールはその中心軸を中心に回転します。
このタイプの水車は、重力を使用して出力と水自体を改善します。したがって、ほとんどすべての水とその重量が出力電力を生成するために使用されるため、オーバーシュート水車はアンダーショット設計よりもはるかに効率的です。ただし、以前と同様に、水のエネルギーはホイールを回転させるために1回だけ使用され、その後、残りの水とともに流れ去ります。
オーバーシュートした水車は、川や小川の上に吊るされており、通常、丘の側面に建設され、上からの給水を提供します。水頭（上部の水と下の川または小川の間の垂直距離）は5〜 -20メートル。小さなダムまたは堰を建設して、水の速度をホイールの上部に向けて上げるために使用して、より多くのエネルギーを与えることができますが、ホイールを回転させるのに役立つのは、水の速度ではなく水の量です。

一般に、オーバーシュート水車は、水車を回転させるための水の重力重量に対して可能な限り最大の水頭距離を与えるために、可能な限り大きく作られています。ただし、大口径の水車は、水車と水の重量のために、構築がより複雑で費用がかかります。
個々のバケツが水で満たされると、水の重力によってホイールが水の流れの方向に回転します。回転角がホイールの下部に近づくと、バケツ内の水は川または下の小川に流れ込みますが、バケツの後ろで回転するバケツの重量により、ホイールは回転速度を維持し続けます。空のバケツは、回転するホイールの周りを続けて、再び上部に戻り、さらに水を入れる準備ができて、サイクルが繰り返されます。オーバーシュート水車設計の欠点の1つは、水が水車の上を流れるときに一度しか使用されないことです。

ピッチバック水車の設計
ピッチバック水車の設計は、以前のオーバーシュート水車のバリエーションであり、水の重力重量を使用してホイールを回転させるだけでなく、その下の廃水の流れを使用して余分な力を与えます。このタイプの水車の設計では、頭の低いインフィードシステムを使用して、上のペントラフからホイールの上部近くに水を供給します。
水をホイールの真上に流して水の流れの方向に回転させるオーバーシュート水車とは異なり、ピッチバック水車は水を漏斗から下のバケツに垂直に下向きに供給し、ホイールを反対方向に回転させます上の水の流れへの方向。
前のオーバーシュート水車と同じように、バケツ内の水の重力重量により、ホイールは反時計回りに回転します。回転角がホイールの下部に近づくと、バケツの中に閉じ込められた水が下から空になります。空のバケツがホイールに取り付けられているので、それが再び上部に戻ってさらに水で満たされる準備ができてサイクルが繰り返されるまで、ホイールは以前と同じように回転し続けます。
今回の違いは、回転バケットから空になった廃水が、アンダーショット水車のプリンシパルと同様に、回転ホイールの方向に流れていくということです（他に行く場所がないため）。したがって、ピッチバック水車の主な利点は、水のエネルギーを2回使用することです。1回は上から、もう1回は下から、ホイールを中心軸を中心に回転させます。
その結果、水車の設計の効率は、流入する水の重力と、上からバケツに向けられた水の力または圧力の両方によって駆動されるため、水のエネルギーの80％以上に大幅に向上します。バケツを押す下の排水の流れも同様です。ピッチバック水車の欠点は、シュートとペントラフを備えたホイールの真上に少し複雑な給水装置が必要なことです。

ブレストショット水車のデザイン
ブレストショット水車デザインは、別の垂直に取り付けられた水車デザインで、水は車軸の高さの約半分、またはその真上でバケットに入り、下部からホイールの回転方向に流出します。一般的に、ブレストショット水車は、水頭がオーバーショットまたはピッチバック水車の設計に上から電力を供給するのに不十分な状況で使用されます。
ここでの不利な点は、水の重力重量が、以前の半分の回転とは異なり、約4分の1の回転にしか使用されないことです。この低い頭の高さを克服するために、水車のバケツは水から必要な量の位置エネルギーを抽出するために広くされています。
ブレストショット水車は、ほぼ同じ重力の水を使用してホイールを回転させますが、水の頭の高さは通常のオーバーショット水車の約半分であるため、バケットは以前の水車の設計よりもはるかに広く、水の量を増やしますバケツに引っかかった。このタイプの設計の欠点は、各バケツによって運ばれる水の幅と重量が増えることです。ピッチバック設計と同様に、水車は水中に配置されるように設計されているため、ブレストショットホイールは水のエネルギーを2回使用し、廃水が下流に流れるときにホイールの回転を助けます。

水車を使用して電気を生成する
歴史的に、水車は小麦粉、穀物、および他のそのような機械的作業を製粉するために使用されてきました。しかし、水車は水力発電システムと呼ばれる発電にも使用できます。発電機を水車の回転軸に直接または間接的に駆動ベルトと滑車を使用して接続することにより、水車は太陽エネルギーとは異なり、1日24時間連続して発電するために使用できます。水車が正しく設計されている場合、小型または「マイクロ」水力発電システムは、平均的な家庭の照明や電化製品に電力を供給するのに十分な電力を生成できます。
比較的低速で最適な出力を生成するように設計された水車発電機を探してください。小規模なプロジェクトでは、小型のDCモーターを低速の発電機または自動車のオルタネーターとして使用できますが、これらははるかに高速で動作するように設計されているため、何らかのギアリングが必要になる場合があります。風力タービン発電機は、低速、高出力の運転用に設計されているため、理想的な水車発電機になります。
自宅や庭の近くに、かなり速く流れる川や小川があり、それを使用できる場合は、小規模の水力発電システムが、「風力エネルギー」や「太陽エネルギー」などの他の形態の再生可能エネルギー源の代替として適している可能性があります。 」というのは、視覚的な影響がはるかに少ないためです。また、風力や太陽光エネルギーと同様に、グリッド接続された小規模水車設計の発電システムが地域のユーティリティグリッドに接続されているため、発電したが使用しない電力は電力会社に売り戻すことができます。
水力エネルギーに関する次のチュートリアルでは、水力発電用の水車設計に取り付けることができるさまざまなタイプのタービンについて説明します。水車の設計と水の力を使用して独自の電力を生成する方法の詳細、または利用可能なさまざまな水車の設計に関する水力エネルギーの詳細情報を取得する方法、または水力エネルギーの長所と短所を調べるには、ここをクリックしてコピーを注文してください発電に使用できる水車の原理と構造について、今日アマゾンから。