Ūdens izmantošana senatnē

            Jau 16. un 17.gs mijā ūdens enerģijas iegūšanā izmantoja vairākus ūdensriteņu tipus. Paši vienkāršākie bija horizontāli novietotie ūdensriteņi. Pirmajās ūdensdzirnavās nelielu horizontālu ūdensriteni nostiprināja vertikālas vārpstas apakšdaļā. Vārpstas augšgalu savienoja tieši ar dzirnakmeni. Šādu dzirnavu uzbūve neprasīja lielus līdzekļus, taču to jauda bija neliela apmēram 1 zirgspēks, un arī lietderības koeficents nepārsniedza 5-15%. Iekārtas ar horizontālu ūdensriteni bija grūti pielāgot citiem darbiem, izņemot graudu malšanu. Tādēļ to izmantošana ūdens enerģijas iegūšanā bija visai ierobežota.Daudz lielāka nozīme tehnisko līdzekļu attīstībā bija vertikālajam ūdensritenim. Plašāk tika izmantoti divu veidu- lāpstiņu un kausu vertikālie ūdensriteņi. Lāpstiņu ūdensriteņa konstrukcija bija vienkārša. Riteņa apmalei bija piestiprinātas lāpstiņas. Ūdens plūsma iedarbojās uz ūdenī iegremdētajām apakšējās daļas lāpstiņām, kas enerģiju saņēma un nodeva ritenim Šāda tipa ūdensriteņi labi darbojās šaurās caurtecēs ar mērenu plūsmas ātrumu. To lietderības koeficents sasniedza 20- 30 %.Kausa ūdensritenim ūdeni pievadīja no augšas, un tas piepildīja riteņa apmales kausus. Šajā gadījumā riteņa kustību nodrošināja gan ūdens plūsmas enerģija, gan ūdens smaguma spēks. Apakšā ūdens no kausiem izlija un tie tukši pacēlās augšup, kur no jauna piepildījās ar ūdeni un process atkārtojās. Kausa ūdensritenim izbūve bija dārgāka nekā kausa un horizontāla tipa ritenim, jo vajadzēja ierīkot aizsprostu, lai paceltu ūdenslīmeni. Ja ūdenslīmeņu starpība bija 3-12 m, tad kausa ūdensriteņa lietderības koeficents varēja sasniegt 50-70%, bet tā jauda atkarībā no apstākļiem bija 2-40 ZS. Vidēji šādu iekārtu jauda bija 5-7 ZS.Lāpstiņu un kausa ūdensriteņi bija izgudroti jau sen, taču Senajā Grieķijā un Romā tie plaši netika lietoti. 1. gadsimtā pirms mūsu ēras romiešu arhitekts un inženieris Vitrūvijs aprakstījis ūdensriteni savā traktātā „De architectura” (Desmit grāmatas par arhitektūru)- nodaļā, kur aplūkotas reti izmantotās tehniskās ierīces.

Ūdens izmantošana mūsdienās

       Arī mūsdienās ūdens izmantošanai ir ļoti liela nozīme mūsu dzīvē. Mūsdienās ar ūdens palīdzību HES saražo aptuveni 19% no visā pasaulē saražotās enerģijas. Ar ūdensratiem kādus izmantoja viduslaikos, ko tādu nebūtu iespējams paveikt. Lai palielinātu ūdens potenciālo enerģiju elektrības ražošanai, tiek celti milzīgi aizsprosti. Mūsdienās aizsprosti var sasniegt pat 200 m augstumu, taču lai noturētu milzīgo ūdens enerģiju aizsprostam jābūt ne tikai augstam, bet arī spēcīgam, lai ūdens to nespētu pārraut un izspiesties tam cauri. Bieži vien cilvēki uzskata. Ka dambji ir izgudroti nesen , taču ir atrastas liecības, ka pirmie aizsprosti aptuveni 2900 gadus p.m.ē. ir būvēti Senās Ēģiptes teritorijā uz Nīlas. To augstums ir sasniedzis 15 m. Mūsdienās pārsvarā izšķir divu veidu dambjus arkveida dambji un gravitācijas dambji.

Gravitācijas dambji

       Gravitācijas dambju stabilitāti un drošību nodrošina to izmērs, svars, kā arī forma, kas neļauj dambim sabrukt, apgāzties vai arī slīdēt uz priekšu. Šāda tipa dambis neapgāzīsies, jo ūdens spēks tā apgriešanās brīdī ir mazāks , ne kā dambja radītais spēks. Šāda veida dambji , ja tie ir uzbūvēti pareizās vietās, ir labākā alternatīva cita veida dambjiem. Tā kā mūsdienās daudzus pasaules reģionus apdraud lietusgāžu un vētru radītie plūdi, pamatojoties uz šo dambju izturību, tie tiek būvēti neskatoties uz to, ka arkveida dambji būtu ekonomiski izdevīgāki.
Gravitācijas dambji tiek iedalīti „cietajos” un „dobajos” un parasti ir izgatavoti no betōna vai no mūra. To sauc par „zonejumu” . Zonejums ir atkarīgs no- pieejamajiem materiāliem, finansiālajiem līdzekļiem un arī materiālu īpašībām. Lai dambja būvniecība neizmaksātu ļoti dārgi, parasti tiek būvēti „dobā” tipa dambji. Itaipu dambis pieder pie „dobajiem” dambjiem un Grand Kūli (Grand Coulee Dam) pieder pie “cietajiem” dambjiem. 

Arkveida dambji

       Arkveida aizsprostiem stabilitāte tiek panākta kombinējot arku un gravitācijas spēku.
Dambja augštecē darbu, lai noturētu ūdeni veica dambja svars, bet pēc tam, pateicoties arkveida formai , ūdens masa tiek spiesta uz leju. Šādas īpašības dēļ arkveida dambjus var būvēt nedaudz plānākus kā gravitācijas dambjus, taču šiem dambjiem ir viens ļoti liels mīnus. Šāda tipa dambjiem, dambja malās, ir nepieciešams spēcīgs balsts vai kanjona siena. Vispiemērotākā vieta arkveida dambjiem ir šaurs kanjons ar augstām kanjona sienām. Būvējot šādus dambjus kanjonā ir jāievēro ne tikai tas, lai dambis labi balstītos pret sienām, bet arī sienu sastāvs, jo šāda veida dambjiem ļoti liels spiediens tiek radīts tieši uz balstu. Ja balsts nebūs pietiekami stingrs, lielā spiediena rezultātā, kanjons sienas var sākt drupt, kas var novest pie milzīgām katastrofām, tāpēc pirms būvdarbu sākšanas dambja sienas ir rūpīgi jāpārbauda.

Turbīnas

       HES enerģijas ražošanai nepietiek tikai ar aizsprostiem, tāpēc HES mašīnzālē dabojas vairākas turbīnas. Par turbīnas priekštečiem var uzskatīt senos ūdensratus, kurus izmantoja viduslaikos, taču jau 16- 17. gs tika uzbūvēts ūdensrats, kuru uzskata par turbīnas prototipu, protams, ka šī rata izmēri un jauda ļoti atšķīrās no turbīnām, kuras izmanto mūsdienās.Mūsdienās pārsvarā izmanto turbīnas ar kausveida lāpstiņam. Vienas no populārākajām turbīnām ir Fransisa turbīnas , kuras nosauktas par godu atklājējam. Šāda veida turbīnas ir sastopamas lielākajās HES uz pasaules. Šo turbīnu darbības princips ir balstīts uz milzīgo ūdens enerģiju. Ūdens pa milzīgām caurulēm tiek pievadīts līdz turbīnai, kur tas gāžas virsū turbīnas ratam, kas pateicoties lāpstiņu formai, griež ģenerātoru un līdz ar to ražo enerģiju.

                Lielākās pasaules HES

Francis tipa turbīna

Kaplan tipa turbīna