Vattenhjulsdesign för vattenkraft
vattenenergiikonVattenenergi är en teknik som omvandlar den kinetiska energin från rörligt vatten till mekanisk eller elektrisk energi, och en av de tidigaste enheterna som användes för att omvandla energin från rörligt vatten till användbart arbete var Waterwheel Design.
Vattenhjulsdesign har utvecklats över tiden med vissa vattenhjul orienterade vertikalt, några horisontellt och några med utarbetade remskivor och kugghjul monterade, men de är alla designade för att göra samma funktion och det är också, "omvandla den linjära rörelsen av det rörliga vattnet till en roterande rörelse som kan användas för att driva vilken maskin som helst som är ansluten till den via en roterande axel”.
Typisk vattenhjulsdesign
Den tidiga vattenhjulsdesignen var ganska primitiva och enkla maskiner som bestod av ett vertikalt trähjul med träblad eller skopor fixerade jämnt runt sin omkrets, alla stödda på en horisontell axel med kraften från vattnet som strömmade under den och trycker hjulet i tangentiell riktning mot bladen .
Dessa vertikala vattenhjul var mycket överlägsna den tidigare horisontella vattenhjulsdesignen av de gamla grekerna och egyptierna, eftersom de kunde fungera mer effektivt och översätta farten i det rörliga vattnet till makt.Remskivor och kugghjul fästes sedan på vattenhjulet vilket möjliggjorde en riktningsändring av en roterande axel från horisontell till vertikal för att driva kvarnstenar, såga virke, krossa malm, stansa och skära etc.
Typer av vattenhjulsdesign
De flesta vattenhjul, även kända som vattenkvarnar eller helt enkelt vattenhjul, är vertikalt monterade hjul som roterar runt en horisontell axel, och dessa typer av vattenhjul klassificeras efter det sätt på vilket vattnet appliceras på hjulet, i förhållande till hjulets axel.Som du kan förvänta dig är vattenhjul relativt stora maskiner som roterar med låga vinkelhastigheter och har låg verkningsgrad, på grund av friktionsförluster och ofullständig fyllning av skoporna, etc.
Verkan av vattnet som trycker mot hjulens skopor eller skovlar utvecklar vridmoment på axeln, men genom att rikta vattnet mot dessa skovlar och skopor från olika positioner på hjulet kan rotationshastigheten och dess effektivitet förbättras.De två vanligaste typerna av vattenhjulsdesign är "undershot waterwheel" och "overshot waterwheel".
Undershot Water Wheel Design
Undershot Water Wheel Design, även känd som ett "strömhjul" var den mest använda typen av vattenhjul designad av de gamla grekerna och romarna eftersom det är den enklaste, billigaste och lättaste typen av hjul att konstruera.
I denna typ av vattenhjulsdesign placeras hjulet helt enkelt direkt i en snabbt strömmande flod och stöds uppifrån.Vattnets rörelse under skapar en tryckande verkan mot de nedsänkta paddlarna på den nedre delen av hjulet, vilket gör att det kan rotera i en riktning endast i förhållande till riktningen för vattnets flöde.
Denna typ av vattenhjulsdesign används vanligtvis i plana områden utan naturlig sluttning av marken eller där vattenflödet rör sig tillräckligt snabbt.Jämfört med andra vattenhjulsdesigner är denna typ av design mycket ineffektiv, med så lite som 20 % av vattnets potentiella energi som används för att faktiskt rotera hjulet.Vattenenergin används bara en gång för att rotera hjulet, varefter det rinner iväg med resten av vattnet.
En annan nackdel med det underliggande vattenhjulet är att det kräver stora mängder vatten som rör sig i hastighet.Därför är undervattenshjul vanligtvis placerade på flodstranden eftersom mindre bäckar eller bäckar inte har tillräckligt med potentiell energi i det rörliga vattnet.
Ett sätt att förbättra effektiviteten något av ett undervattenshjul är att avleda en procentandel av vattnet i floden längs en smal kanal eller kanal så att 100 % av det avledda vattnet används för att rotera hjulet.För att uppnå detta måste underskottshjulet vara smalt och passa mycket exakt i kanalen för att förhindra att vattnet rinner ut runt sidorna eller genom att öka antingen antalet eller storleken på skovlarna.
Overshot Waterwheel Design
Overshot Water Wheel Design är den vanligaste typen av vattenhjulsdesign.Det överskjutande vattenhjulet är mer komplicerat i sin konstruktion och design än det tidigare underliggande vattenhjulet eftersom det använder hinkar eller små fack för att både fånga upp och hålla vattnet.
Dessa hinkar fylls med vatten som rinner in längst upp på hjulet.Vattnets gravitationsvikt i de fulla hinkarna gör att hjulet roterar runt sin centrala axel när de tomma hinkarna på andra sidan av hjulet blir lättare.
Den här typen av vattenhjul använder gravitation för att förbättra produktionen såväl som vattnet i sig, så överskridande vattenhjul är mycket effektivare än underskottsdesigner eftersom nästan allt vatten och dess vikt används för att producera uteffekt.Men som tidigare används vattnets energi bara en gång för att rotera hjulet, varefter det rinner iväg med resten av vattnet.
Översvängda vattenhjul är upphängda ovanför en flod eller bäck och är vanligtvis byggda på sidorna av kullar som ger en vattenförsörjning uppifrån med en låg höjd (det vertikala avståndet mellan vattnet på toppen och floden eller bäcken nedanför) på mellan 5 till -20 meter.En liten damm eller damm kan konstrueras och användas för att både kanalisera och öka hastigheten på vattnet till toppen av hjulet vilket ger det mer energi, men det är vattenvolymen snarare än dess hastighet som hjälper till att rotera hjulet.
I allmänhet är översvängda vattenhjul byggda så stora som möjligt för att ge största möjliga huvudavstånd för att vattnets gravitationsvikt ska rotera hjulet.Vattenhjul med stor diameter är dock mer komplicerade och dyra att konstruera på grund av hjulets och vattnets vikt.
När de enskilda hinkarna är fyllda med vatten får vattnets gravitationsvikt att hjulet roterar i vattenflödets riktning.När rotationsvinkeln närmar sig botten av hjulet, töms vattnet inuti skopan ut i floden eller bäcken nedanför, men vikten av de skopor som roterar bakom det gör att hjulet fortsätter med sin rotationshastighet.Den tomma hinken fortsätter runt det roterande hjulet tills den kommer tillbaka till toppen igen redo att fyllas med mer vatten och cykeln upprepas.En av nackdelarna med en överskridande vattenhjulsdesign är att vattnet bara används en gång när det rinner över hjulet.
The Pitchback Waterwheel Design
Pitchback Water Wheel Design är en variant på det tidigare översvängda vattenhjulet eftersom det också använder vattnets gravitationsvikt för att hjälpa till att rotera hjulet, men det använder också flödet av avloppsvattnet under det för att ge en extra push.Denna typ av vattenhjulsdesign använder ett inmatningssystem med lågt huvud som ger vattnet nära toppen av hjulet från en öppning ovanför.
Till skillnad från det översvängda vattenhjulet som kanaliserade vattnet direkt över hjulet och fick det att rotera i riktningen för vattnets flöde, matar pitchback-vattenhjulet vattnet vertikalt nedåt genom en tratt och in i hinken nedanför vilket får hjulet att rotera i motsatt riktning. riktning mot vattnets flöde ovanför.
Precis som det tidigare översvängda vattenhjulet får vattnets gravitationsvikt i skoporna att rotera hjulet men moturs.När rotationsvinkeln närmar sig botten av hjulet, töms vattnet som är fångat inuti hinkarna ut nedanför.När den tomma hinken fästs på hjulet fortsätter den att rotera med hjulet som tidigare tills den kommer tillbaka till toppen igen redo att fyllas med mer vatten och cykeln upprepas.
Skillnaden den här gången är att avloppsvattnet som töms ur den roterande skopan rinner iväg i riktning mot det roterande hjulet (eftersom det inte har någon annanstans att ta vägen), på samma sätt som undervattenhjulets princip.Den största fördelen med pitchback-vattenhjulet är alltså att det använder vattnets energi två gånger, en gång uppifrån och en gång underifrån för att rotera hjulet runt sin centrala axel.
Resultatet är att effektiviteten hos vattenhjulskonstruktionen ökas avsevärt till över 80 % av vattenenergin eftersom den drivs av både gravitationsvikten hos det inkommande vattnet och av kraften eller trycket från vatten som riktas in i hinkarna ovanifrån, som samt flödet av avloppsvattnet under trycker mot hinkarna.Nackdelen med ett pitchback-vattenhjul är dock att det behöver ett lite mer komplext vattenförsörjningsarrangemang direkt ovanför hjulet med rännor och öppningar.
The Breastshot Waterwheel Design
Breastshot Water Wheel Design är en annan vertikalt monterad vattenhjulskonstruktion där vattnet kommer in i skoporna ungefär halvvägs upp på axelhöjd, eller precis ovanför det, och sedan rinner ut längst ner i hjulens rotationsriktning.Vanligtvis används vattenhjulet med bröstskott i situationer där vattenhuvudet är otillräckligt för att driva en översvängnings- eller pitchback-vattenhjulsdesign från ovan.
Nackdelen här är att vattnets gravitationsvikt endast används för ungefär en fjärdedel av rotationen till skillnad från tidigare som var för halva rotationen.För att övervinna denna låga huvudhöjd görs vattenhjulens skopor bredare för att utvinna den nödvändiga mängden potentiell energi från vattnet.
Breastshot-vattenhjul använder ungefär samma gravitationsvikt som vattnet för att rotera hjulet, men eftersom huvudhöjden på vattnet är ungefär hälften så stor som ett typiskt översvängt vattenhjul, är skoporna mycket bredare än tidigare vattenhjulskonstruktioner för att öka vattenvolymen fångad i hinkarna.Nackdelen med denna typ av design är en ökning av bredden och vikten av vattnet som bärs av varje hink.Precis som med pitchback-designen använder bröstskottshjulet vattnets energi två gånger eftersom vattenhjulet är utformat för att sitta i vattnet, vilket låter avloppsvattnet hjälpa till att rotera hjulet när det rinner iväg nedströms.
Generera elektricitet med hjälp av ett vattenhjul
Historiskt har vattenhjul använts för malning av mjöl, spannmål och andra sådana mekaniska uppgifter.Men vattenhjul kan också användas för att generera el, ett så kallat vattenkraftsystem.Genom att ansluta en elektrisk generator till vattenhjulens roterande axel, antingen direkt eller indirekt med hjälp av drivremmar och remskivor, kan vattenhjul användas för att generera kraft kontinuerligt 24 timmar om dygnet till skillnad från solenergi.Om vattenhjulet är rätt konstruerat kan ett litet eller "mikro" vattenkraftssystem producera tillräckligt med el för att driva belysning och/eller elektriska apparater i ett genomsnittligt hem.
Leta efter vattenhjulsgeneratorer som är utformade för att producera sin optimala effekt vid relativt låga hastigheter.För små projekt kan en liten likströmsmotor användas som en låghastighetsgenerator eller en bilgenerator, men dessa är designade för att arbeta med mycket högre hastigheter så någon form av växling kan krävas.En vindturbingenerator är en idealisk vattenhjulsgenerator eftersom den är designad för drift med låg hastighet och hög effekt.
Om det finns en ganska snabbt strömmande flod eller bäck nära ditt hem eller trädgård som du kan använda, kan ett småskaligt vattenkraftsystem vara ett bättre alternativ till andra former av förnybara energikällor som "vindenergi" eller "solenergi". ” eftersom det har mycket mindre visuell påverkan.Precis som vind- och solenergi, med ett nätanslutet småskaligt vattenhjul designat genereringssystem kopplat till det lokala elnätet, kan all el du genererar men inte använder säljas tillbaka till elbolaget.
I nästa handledning om Hydro Energy kommer vi att titta på de olika typerna av turbiner som finns tillgängliga som vi kan koppla till vår vattenhjulsdesign för vattenkraftsproduktion.För mer information om Waterwheel Design och hur du genererar din egen elektricitet med hjälp av vattenkraften, eller få mer vattenenergiinformation om de olika vattenhjulsdesignerna som finns tillgängliga, eller för att utforska fördelarna och nackdelarna med vattenkraft, klicka här för att beställa ditt exemplar från Amazon idag om principerna och konstruktionen av vattenhjul som kan användas för att generera el.
Posttid: 2021-jun-25
