Ва ўсім свеце гідраэлектрастанцыі вырабляюць каля 24 працэнтаў электраэнергіі ў свеце і забяспечваюць электраэнергіяй больш за 1 мільярд чалавек. Паводле звестак Нацыянальнай лабараторыі аднаўляльных крыніц энергіі, сусветныя гідраэлектрастанцыі выпрацоўваюць у агульнай складанасці 675 000 мегават, што адпавядае энергетычнаму эквіваленту 3,6 мільярда барэляў нафты. У Злучаных Штатах працуе больш за 2000 гідраэлектрастанцый, што робіць гідраэнергетыку найбуйнейшай аднаўляльнай крыніцай энергіі ў краіне.
У гэтым артыкуле мы разгледзім, як падаючая вада стварае энергію, і даведаемся пра гідралагічны цыкл, які стварае паток вады, неабходны для гідраэнергетыкі. Вы таксама атрымаеце ўяўленне пра адно ўнікальнае прымяненне гідраэнергетыкі, якое можа паўплываць на ваша паўсядзённае жыццё.
Калі вы назіраеце за плынню ракі, цяжка ўявіць сабе яе сілу. Калі вы калі-небудзь займаліся рафтынгам, то вы адчулі частку яе магутнасці. Парогі ўтвараюцца, калі рака нясе вялікую колькасць вады ўніз па цячэнні, ствараючы вузкія месцы праз вузкі праход. Калі рака праціскаецца праз гэты адтуліну, яе плынь паскараецца. Паводкі — яшчэ адзін прыклад таго, наколькі моцнай можа быць велізарная колькасць вады.
Гідраэлектрастанцыі выкарыстоўваюць энергію вады і з дапамогай простых механізмаў пераўтвараюць гэтую энергію ў электрычнасць. Насамрэч, гідраэлектрастанцыі заснаваныя на даволі простай канцэпцыі — вада, якая працякае праз плаціну, круціць турбіну, якая, у сваю чаргу, круціць генератар.
Вось асноўныя кампаненты звычайнай гідраэлектрастанцыі:
Вал, які злучае турбіну і генератар
Плаціна — Большасць гідраэлектрастанцый абапіраюцца на плаціну, якая ўтрымлівае ваду, ствараючы вялікае вадасховішча. Часта гэта вадасховішча выкарыстоўваецца як рэкрэацыйнае возера, напрыклад, возера Рузвельт на плаціне Гранд-Кулі ў штаце Вашынгтон.
Падача вады — засаўкі на плаціне адчыняюцца, і пад дзеяннем сілы цяжару вада праходзіць праз трубаправод, які вядзе да турбіны. Па меры праходжання праз гэтую трубу вада стварае ціск.
Турбіна — вада ўдарае і круціць вялікія лопасці турбіны, якая прымацавана да генератара над ёй з дапамогай вала. Найбольш распаўсюджаным тыпам турбін для гідраэлектрастанцый з'яўляецца турбіна Фрэнсіса, якая выглядае як вялікі дыск з выгнутымі лопасцямі. Турбіна можа важыць да 172 тон і круціцца з хуткасцю 90 абаротаў у хвіліну (аб/мін), паводле дадзеных Фонду адукацыі ў галіне вады і энергіі (FWEE).
Генератары – Па меры кручэння лапатак турбіны круціцца і шэраг магнітаў унутры генератара. Гіганцкія магніты круцяцца вакол медных шпулек, ствараючы пераменны ток (AC) шляхам перамяшчэння электронаў. (Больш падрабязна пра тое, як працуе генератар, вы даведаецеся пазней.)
Трансфарматар — трансфарматар унутры электрастанцыі прымае пераменны ток і пераўтварае яго ў ток больш высокага напружання.
Лініі электраперадач — ад кожнай электрастанцыі выходзяць чатыры правады: тры фазы электраэнергіі, якія выпрацоўваюцца адначасова, плюс нейтральны праваднік або зазямленне, агульны для ўсіх трох. (Даведайцеся больш пра перадачу электраэнергіі па лініях электраперадач, каб даведацца больш пра перадачу электраэнергіі.)
Адток — выкарыстаная вада падаецца па трубаправодах, якія называюцца адводнымі трубамі, і зноў паступае ў раку ніжэй па цячэнні.
Вада ў вадасховішчы лічыцца назапашанай энергіяй. Калі засаўкі адчыняюцца, вада, якая працякае праз напорны трубаправод, ператвараецца ў кінетычную энергію, таму што яна рухаецца. Колькасць выпрацоўваемай электраэнергіі вызначаецца некалькімі фактарамі. Два з гэтых фактараў - аб'ём патоку вады і велічыня гідраўлічнага напору. Напор адносіцца да адлегласці паміж паверхняй вады і турбінамі. Па меры павелічэння напору і патоку павялічваецца і выпрацоўваемая электраэнергія. Напор звычайна залежыць ад колькасці вады ў вадасховішчы.
Існуе яшчэ адзін тып гідраэлектрастанцыі, які называецца гідраакумулюючай электрастанцыяй. У звычайнай гідраэлектрастанцыі вада з вадасховішча працякае праз станцыю, выходзіць і пераносіцца ўніз па цячэнні. Гідраакумулюючая электрастанцыя мае два вадасховішчы:
Верхняе вадасховішча — як і звычайная гідраэлектрастанцыя, плаціна стварае вадасховішча. Вада з гэтага вадасховішча працякае праз гідраэлектрастанцыю для выпрацоўкі электрычнасці.
Ніжняе вадасховішча — вада, якая выходзіць з гідраэлектрастанцыі, паступае ў ніжняе вадасховішча, а не вяртаецца ў раку і цячэ ўніз па плыні.
З дапамогай рэверсіўнай турбіны электрастанцыя можа перапампоўваць ваду назад у верхні рэзервуар. Гэта робіцца ў гадзіны па-за пікам. Па сутнасці, другі рэзервуар папаўняе верхні рэзервуар. Перапампоўваючы ваду назад у верхні рэзервуар, электрастанцыя мае больш вады для выпрацоўкі электраэнергіі ў перыяды пікавага спажывання.
Генератар
Сэрцам гідраэлектрастанцыі з'яўляецца генератар. Большасць гідраэлектрастанцый маюць некалькі такіх генератараў.
Генератар, як вы маглі здагадацца, выпрацоўвае электрычнасць. Асноўны працэс выпрацоўкі электрычнасці такім чынам заключаецца ва кручэнні серыі магнітаў унутры шпулек з дроту. Гэты працэс перамяшчае электроны, што стварае электрычны ток.
Плаціна Гувера мае ў агульнай складанасці 17 генератараў, кожны з якіх можа выпрацоўваць да 133 мегават. Агульная магутнасць гідраэлектрастанцыі плаціны Гувера складае 2074 мегаваты. Кожны генератар складаецца з пэўных асноўных частак:
Калі турбіна круціцца, узбуджальнік пасылае электрычны ток на ротар. Ротар — гэта шэраг вялікіх электрамагнітаў, якія круцяцца ўнутры шчыльна наматанай шпулькі з меднага дроту, якая называецца статарам. Магнітнае поле паміж шпулькай і магнітамі стварае электрычны ток.
У плаціне Гувера ток сілай 16 500 ампер перамяшчаецца ад генератара да трансфарматара, дзе ток павялічваецца да 230 000 ампер, перш чым будзе перададзены ў цэль.
Гідраэлектрастанцыі выкарыстоўваюць перавагі натуральнага, бесперапыннага працэсу — працэсу, які выклікае выпадзенне дажджу і пад'ём узроўню рэк. Кожны дзень наша планета губляе невялікую колькасць вады праз атмасферу, бо ультрафіялетавыя прамяні разбураюць малекулы вады. Але ў той жа час новая вада выкідваецца з унутранай часткі Зямлі праз вулканічную актыўнасць. Колькасць створанай вады і колькасць страчанай вады прыкладна аднолькавая.
У любы момант часу агульны аб'ём вады ў свеце знаходзіцца ў розных формах. Яна можа быць вадкай, як у акіянах, рэках і дажджы; цвёрдай, як у ледавіках; або газападобнай, як нябачная вадзяная пара ў паветры. Вада змяняе свае станы, калі яе перамяшчаюць па планеце ветравыя патокі. Ветравыя патокі ўзнікаюць у выніку награвальнай актыўнасці сонца. Цыклы паветраных патокаў ствараюцца тым, што сонца свеціць больш на экватар, чым на іншыя раёны планеты.
Цыклы паветраных патокаў забяспечваюць запас вады на Зямлі праз свой уласны цыкл, які называецца гідралагічнай цыклетнасцю. Калі сонца награвае вадкую ваду, яна выпараецца і ператвараецца ў пару ў паветры. Сонца награвае паветра, у выніку чаго яно падымаецца ў атмасферу. Вышэй паветра халаднейшае, таму, калі вадзяная пара падымаецца, яна астуджаецца, кандэнсуючыся ў кроплі. Калі ў адной вобласці назапашваецца дастаткова кропель, яны могуць стаць дастаткова цяжкімі, каб выпасці на Зямлю ў выглядзе ападкаў.
Гідралагічны цыкл важны для гідраэлектрастанцый, таму што яны залежаць ад патоку вады. Калі паблізу станцыі не хапае дажджоў, вада не будзе збірацца вышэй па цячэнні. Калі вада не збіраецца вышэй па цячэнні, праз гідраэлектрастанцыю працякае менш вады і выпрацоўваецца менш электраэнергіі.
Асноўная ідэя гідраэнергетыкі заключаецца ў выкарыстанні энергіі рухомай вадкасці для кручэння лапаткі турбіны. Як правіла, для выканання гэтай функцыі пасярод ракі павінна быць пабудавана вялікая плаціна. Новы вынаход выкарыстоўвае ідэю гідраэнергетыкі ў значна меншым маштабе для забеспячэння электрычнасцю партатыўных электронных прылад.
Вынаходнік Роберт Камарэчка з Антарыё, Канада, прыдумаў размясціць невялікія гідрагенератары ў падэшвах абутку. Ён лічыць, што гэтыя мікратурбіны будуць генераваць дастаткова электрычнасці для харчавання практычна любой прылады. У маі 2001 года Камарэчка атрымаў патэнт на сваю ўнікальную прыладу, якая працуе на нагах.
Існуе вельмі просты прынцып нашай хады: падчас кожнага кроку ступня апускаецца з пяткі на насок. Калі ступня апускаецца на зямлю, сіла перадаецца праз пятку. Калі вы рыхтуецеся да наступнага кроку, вы перакочваеце ступню наперад, каб сіла перадавалася на падушачку ступні. Камарэчка, відаць, заўважыў гэты просты прынцып хады і распрацаваў ідэю, як выкарыстоўваць моц гэтай паўсядзённай дзейнасці.
Як апісана ў патэнце кампаніі «Камарэчка», «абутак з гідрагенератарам» складаецца з пяці частак:
Вадкасць — сістэма будзе выкарыстоўваць электраправодную вадкасць.
Мяшэчкі для ўтрымання вадкасці — адзін мяшэчак размяшчаецца ў пятцы, а другі — у наску абутку.
Каналы - Каналы злучаюць кожны мяшок з мікрагенератарам.
Турбіна — калі вада рухаецца туды-сюды ў падэшве, яна рухае лопасці малюсенькай турбіны.
Мікрагенератар — генератар размешчаны паміж двума мяшкамі, запоўненымі вадкасцю, і мае лапатны ротар, які прыводзіць у рух вал і круціць генератар.
Калі чалавек ходзіць, сцісканне вадкасці ў мяшэчку, размешчаным у пятцы абутку, прымушае вадкасць пранікаць праз трубку ў модуль гідраэлектрагенератара. Па меры таго, як карыстальнік працягвае хадзіць, пятка падымаецца, і на мяшэчак пад падушкай ступні аказваецца ціск уніз. Рух вадкасці будзе круціць ротар і вал для выпрацоўкі электрычнасці.
Для падлучэння правадоў да партатыўнай прылады будзе прадугледжана знешняя разетка. Таксама можа быць прадугледжаны выхадны блок кіравання харчаваннем, які можна насіць на поясе карыстальніка. Затым да гэтага выхаднога блока кіравання харчаваннем можна падключыць электронныя прылады, што забяспечыць стабільную падачу электрычнасці.
«З ростам колькасці партатыўных прылад, якія працуюць ад батарэек, — гаворыцца ў патэнце, — узрастае патрэба ў забеспячэнні даўгавечнай, адаптыўнай і эфектыўнай крыніцы электрычнасці». Камарэчка чакае, што яго прылада будзе выкарыстоўвацца для харчавання партатыўных кампутараў, мабільных тэлефонаў, CD-плэераў, GPS-прыёмнікаў і радыёсувязі.
Час публікацыі: 21 ліпеня 2022 г.
