Конструкция водяного колеса для гидроэнергетики
значок гидроэнергииГидроэнергия — это технология, которая преобразует кинетическую энергию движущейся воды в механическую или электрическую энергию, и одним из первых устройств, используемых для преобразования энергии движущейся воды в полезную работу, была конструкция водяного колеса.
Конструкция водяного колеса развивалась с течением времени: некоторые водяные колеса были ориентированы вертикально, некоторые горизонтально, а некоторые с прикрепленными сложными шкивами и шестернями, но все они предназначены для выполнения одной и той же функции, а именно «преобразования линейного движения движущейся воды в движение». вращательное движение, которое может быть использовано для привода любого механизма, соединенного с ним посредством вращающегося вала».
Типичная конструкция водяного колеса
Ранняя конструкция водяного колеса представляла собой довольно примитивные и простые машины, состоящие из вертикального деревянного колеса с деревянными лопастями или ковшами, закрепленными одинаково по их окружности, и все они опирались на горизонтальный вал, при этом сила воды, протекающей под ним, толкала колесо в тангенциальном направлении к лопастям. .
Эти вертикальные водяные колеса значительно превосходили более раннюю конструкцию горизонтальных водяных колес древних греков и египтян, потому что они могли работать более эффективно, преобразовывая импульс движущейся воды в энергию.Затем к водяному колесу были прикреплены шкивы и зубчатая передача, что позволяло изменять направление вращения вала с горизонтального на вертикальное, чтобы управлять жерновами, распиливать древесину, дробить руду, штамповать и резать и т. д.
Типы конструкции водяного колеса
Большинство водяных колес, также известных как водяные мельницы или просто водяные колеса, представляют собой вертикально установленные колеса, вращающиеся вокруг горизонтальной оси, и эти типы водяных колес классифицируются по способу подачи воды на колесо относительно оси колеса.Как и следовало ожидать, водяные колеса — это относительно большие машины, которые вращаются с малыми угловыми скоростями и имеют низкий КПД из-за потерь на трение, неполного заполнения ведер и т. д.
Действие воды, толкающей ковши или лопасти колес, создает крутящий момент на оси, но, направляя воду на эти лопасти и лопасти из разных положений на колесе, можно повысить скорость вращения и его эффективность.Двумя наиболее распространенными типами конструкции водяного колеса являются «водяное колесо с недоливом» и «водяное колесо с недоливом».
Дизайн водяного колеса с недоливом
Водяное колесо с недоливом, также известное как «ручное колесо», было наиболее часто используемым типом водяного колеса, разработанным древними греками и римлянами, поскольку это самый простой, дешевый и легкий в изготовлении тип колеса.
В этом типе конструкции водяного колеса колесо просто помещается прямо в быструю реку и поддерживается сверху.Движение воды внизу создает толкающее действие на погруженные в воду лопасти в нижней части колеса, позволяя ему вращаться только в одном направлении относительно направления потока воды.
Этот тип конструкции водяного колеса обычно используется на плоских участках без естественного уклона земли или там, где поток воды движется достаточно быстро.По сравнению с другими конструкциями водяного колеса, этот тип конструкции очень неэффективен: всего 20% потенциальной энергии воды используется для фактического вращения колеса.Также энергия воды используется только один раз для вращения колеса, после чего она утекает вместе с остальной водой.
Еще одним недостатком водяного колеса с недоливом является то, что для него требуется большое количество воды, движущейся со скоростью.Поэтому недоливные водяные колеса обычно располагаются на берегах рек, так как более мелкие ручьи или ручейки не обладают достаточной потенциальной энергией движущейся воды.
Один из способов немного повысить эффективность водяного колеса с недоливом - отвести часть воды в реке по узкому каналу или каналу, чтобы 100% отводимой воды использовалось для вращения колеса.Для этого поддонное колесо должно быть узким и очень точно входить в канал, чтобы вода не вытекала по бокам, или за счет увеличения количества или размера лопастей.
Дизайн водяного колеса с промахом
Конструкция водяного колеса Overshot является наиболее распространенным типом конструкции водяного колеса.Водяное колесо с переливом более сложное по своей конструкции и конструкции, чем предыдущее водяное колесо с недоливом, поскольку в нем используются ведра или небольшие отсеки как для сбора, так и для удержания воды.
Эти ведра наполняются водой, поступающей в верхнюю часть колеса.Гравитационный вес воды в полных ведрах заставляет колесо вращаться вокруг своей центральной оси, а пустые ведра с другой стороны колеса становятся легче.
Этот тип водяного колеса использует гравитацию для повышения производительности, а также саму воду, поэтому водяные колеса с переливом намного эффективнее, чем конструкции с недоливом, поскольку почти вся вода и ее вес используются для производства выходной мощности.Однако, как и прежде, энергия воды используется только один раз для вращения колеса, после чего она утекает вместе с остальной водой.
Водяные колеса с переливом подвешиваются над рекой или ручьем и обычно сооружаются на склонах холмов, обеспечивающих подачу воды сверху с низким напором (расстояние по вертикали между водой наверху и рекой или ручьем внизу) от 5 до -20 метров.Небольшую плотину или водослив можно построить и использовать как для направления, так и для увеличения скорости воды к верхней части колеса, давая ей больше энергии, но именно объем воды, а не ее скорость, помогает вращать колесо.
Как правило, водяные колеса с овершотом строятся как можно большего размера, чтобы обеспечить максимально возможное расстояние до головы, чтобы гравитационный вес воды вращал колесо.Однако водяные колеса большого диаметра более сложны и дороги в изготовлении из-за веса колеса и воды.
Когда отдельные ведра заполнены водой, гравитационный вес воды заставляет колесо вращаться в направлении потока воды.По мере того, как угол поворота приближается к нижней части колеса, вода внутри ведра выливается в реку или ручей внизу, но вес ведер, вращающихся позади него, заставляет колесо продолжать вращаться со своей скоростью.Пустое ведро продолжает вращаться вокруг вращающегося колеса, пока оно снова не поднимается наверх, готовое для заполнения водой, и цикл повторяется.Одним из недостатков конструкции водяного колеса с переливом является то, что вода используется только один раз, когда она течет по колесу.
Дизайн водяного колеса Pitchback
Конструкция водяного колеса Pitchback представляет собой вариацию предыдущего водяного колеса с опрокидыванием, поскольку оно также использует гравитационный вес воды, чтобы помочь вращать колесо, но также использует поток сточных вод под ним, чтобы дать дополнительный толчок.В этом типе конструкции водяного колеса используется система подачи с низким напором, которая подает воду к верхней части колеса из прохода наверху.
В отличие от водяного колеса с переливом, которое направляет воду прямо над колесом, заставляя его вращаться в направлении потока воды, водяное колесо с наклоном назад подает воду вертикально вниз через воронку в ведро ниже, заставляя колесо вращаться в противоположном направлении. направление к потоку воды выше.
Как и в предыдущем водяном колесе с промахом, гравитационный вес воды в ведрах заставляет колесо вращаться, но против часовой стрелки.По мере того, как угол поворота приближается к нижней части колеса, вода, попавшая в ведра, выливается вниз.Поскольку пустое ведро прикреплено к колесу, оно продолжает вращаться вместе с колесом, как и раньше, пока не вернется наверх, снова готовый для заполнения водой, и цикл повторяется.
Разница на этот раз заключается в том, что сточные воды, вытекающие из вращающегося ведра, утекают в направлении вращающегося колеса (поскольку ей больше некуда), аналогично принципу водяного колеса с недоливом.Таким образом, основное преимущество водяного колеса с наклонной спинкой заключается в том, что оно использует энергию воды дважды, один раз сверху и один раз снизу, чтобы вращать колесо вокруг своей центральной оси.
В результате эффективность конструкции водяного колеса значительно увеличивается до более чем 80% энергии воды, поскольку оно приводится в движение как гравитационным весом поступающей воды, так и силой или давлением воды, направленной в ведра сверху, как а также поток сточных вод внизу, толкающий ведра.Однако недостатком водяного колеса с откидной спинкой является то, что для него требуется немного более сложная система подачи воды непосредственно над колесом с желобами и водосточными желобами.
Дизайн водяного колеса для груди
Конструкция водяного колеса «Breastshot» — это еще одна вертикально установленная конструкция водяного колеса, в которой вода поступает в ведра примерно на полпути на высоте оси или чуть выше нее, а затем вытекает снизу в направлении вращения колес.Как правило, водяное колесо с напором на грудь используется в ситуациях, когда напор воды недостаточен для приведения в действие конструкции водяного колеса с овершотом или наклоном сверху.
Недостатком здесь является то, что гравитационный вес воды используется только примерно на одну четверть оборота, в отличие от того, что раньше было на половину оборота.Чтобы преодолеть эту низкую высоту напора, ковши водяных колес делаются шире, чтобы извлекать необходимое количество потенциальной энергии из воды.
Водяные колеса с переливом используют примерно такой же гравитационный вес воды для вращения колеса, но, поскольку высота напора воды примерно вдвое меньше, чем у типичного водяного колеса с промахом, ковши намного шире, чем предыдущие конструкции водяного колеса, чтобы увеличить объем воды. попали в ведра.Недостатком этого типа конструкции является увеличение ширины и веса воды, переносимой каждым ведром.Как и в случае с наклонной конструкцией, колесо для набрасывания использует энергию воды дважды, поскольку водяное колесо предназначено для того, чтобы сидеть в воде, позволяя сточной воде способствовать вращению колеса, когда оно стекает вниз по течению.
Генерация электричества с помощью водяного колеса
Исторически водяные колеса использовались для измельчения муки, круп и других подобных механических задач.Но водяные колеса также можно использовать для выработки электроэнергии, называемой гидроэнергетической системой.Подключив электрический генератор к вращающемуся валу водяного колеса, прямо или косвенно с помощью приводных ремней и шкивов, водяное колесо можно использовать для непрерывной выработки электроэнергии 24 часа в сутки, в отличие от солнечной энергии.Если водяное колесо спроектировано правильно, небольшая или «микро» гидроэлектростанция может производить достаточно электроэнергии для питания освещения и/или электроприборов в обычном доме.
Ищите генераторы водяного колеса, предназначенные для получения оптимальной мощности при относительно низких скоростях.Для небольших проектов небольшой двигатель постоянного тока можно использовать в качестве низкоскоростного генератора или автомобильного генератора переменного тока, но они предназначены для работы на гораздо более высоких скоростях, поэтому может потребоваться некоторая форма зубчатой передачи.Генератор ветряной турбины является идеальным генератором водяного колеса, поскольку он предназначен для работы на низкой скорости и с высокой выходной мощностью.
Если рядом с вашим домом или садом есть довольно быстротекущая река или ручей, которым вы можете воспользоваться, то небольшая гидроэнергетическая система может стать лучшей альтернативой другим формам возобновляемых источников энергии, таким как «энергия ветра» или «солнечная энергия». ”, так как он имеет гораздо меньше визуального воздействия.Точно так же, как ветровая и солнечная энергия, с подключенной к сети небольшой системой генерации с водяным колесом, подключенной к местной коммунальной сети, любое электричество, которое вы производите, но не используете, может быть продано обратно электроэнергетической компании.
В следующем уроке о гидроэнергетике мы рассмотрим различные типы доступных турбин, которые мы могли бы присоединить к нашей конструкции водяного колеса для производства гидроэлектроэнергии.Для получения дополнительной информации о дизайне водяного колеса и о том, как генерировать собственное электричество с помощью силы воды, или получить дополнительную информацию о гидроэнергетике о различных доступных конструкциях водяного колеса, или изучить преимущества и недостатки гидроэнергетики, щелкните здесь, чтобы заказать свою копию. от Amazon сегодня о принципах и конструкции водяных колес, которые можно использовать для выработки электроэнергии.
Время публикации: 25 июня 2021 г.
