В световен мащаб водноелектрическите централи произвеждат около 24 процента от електроенергията в света и снабдяват с енергия над 1 милиард души. Според Националната лаборатория за възобновяема енергия, световните водноелектрически централи произвеждат общо 675 000 мегавата, което е енергиен еквивалент на 3,6 милиарда барела петрол. В Съединените щати работят над 2000 водноелектрически централи, което прави водноелектрическата енергия най-големият възобновяем енергиен източник в страната.
В тази статия ще разгледаме как падащата вода създава енергия и ще научим за хидроложкия цикъл, който създава водния поток, необходим за водноелектрическата енергия. Ще получите и представа за едно уникално приложение на водноелектрическата енергия, което може да повлияе на ежедневието ви.
Когато гледате как река тече, е трудно да си представите силата, която носи. Ако някога сте се занимавали с рафтинг, значи сте усетили малка част от мощта на реката. Бързеите се създават, когато реката носи голямо количество вода надолу по течението, създавайки стеснения през тесен проход. Когато реката се изтласка през този отвор, течението ѝ се ускорява. Наводненията са друг пример за това колко голяма сила може да има огромен обем вода.
Водноелектрическите централи използват енергията на водата и използват прости механизми, за да преобразуват тази енергия в електричество. Водноелектрическите централи всъщност се основават на доста проста концепция – водата, течаща през язовир, завърта турбина, която завърта генератор.
Ето основните компоненти на конвенционална водноелектрическа централа:
Валът, който свързва турбината и генератора
Язовир – Повечето водноелектрически централи разчитат на язовир, който задържа вода, създавайки голям резервоар. Често този резервоар се използва като езеро за отдих, като например езерото Рузвелт при язовир Гранд Кули в щата Вашингтон.
Вход – Шлюзовете на язовира се отварят и гравитацията изтегля водата през тръбопровода, който води до турбината. Водата натрупва налягане, докато тече през тази тръба.
Турбина – Водата удря и завърта големите лопатки на турбина, която е прикрепена към генератор над нея чрез вал. Най-разпространеният тип турбина за водноелектрически централи е турбината на Франсис, която изглежда като голям диск с извити лопатки. Според Фондацията за образование по вода и енергия (FWEE), турбината може да тежи до 172 тона и да се върти със скорост от 90 оборота в минута (rpm).
Генератори – С въртенето на лопатките на турбината се въртят и серия магнити вътре в генератора. Гигантски магнити се въртят около медни намотки, произвеждайки променлив ток (AC) чрез движение на електрони. (Ще научите повече за това как работи генераторът по-късно.)
Трансформатор – Трансформаторът вътре в електроцентралата приема променливия ток и го преобразува в ток с по-високо напрежение.
Електропроводи – От всяка електроцентрала излизат четири проводника: трите фази на енергията, произвеждани едновременно, плюс неутрала или заземление, общо за всичките три. (Прочетете „Как работят електроразпределителните мрежи“, за да научите повече за преноса по електропроводи.)
Отток – Използваната вода се пренася по тръбопроводи, наречени отводнителни тръби, и отново навлиза в реката надолу по течението.
Водата в резервоара се счита за съхранена енергия. Когато затворите се отворят, водата, протичаща през тръбопровода, се превръща в кинетична енергия, защото е в движение. Количеството генерирано електричество се определя от няколко фактора. Два от тези фактори са обемът на водния поток и количеството хидравличен напор. Напорът се отнася до разстоянието между водната повърхност и турбините. С увеличаването на напора и потока се увеличава и генерираното електричество. Напорът обикновено зависи от количеството вода в резервоара.
Съществува и друг вид водноелектрическа централа, наречена помпено-акумулираща електроцентрала. В конвенционалната водноелектрическа централа водата от резервоара преминава през централата, излиза и се отвежда надолу по течението. Помпено-акумулиращата електроцентрала има два резервоара:
Горен резервоар – Подобно на конвенционална водноелектрическа централа, язовирът създава резервоар. Водата в този резервоар преминава през водноелектрическата централа, за да произвежда електричество.
Долен резервоар – Водата, излизаща от водноелектрическата централа, се влива в долен резервоар, вместо да се връща в реката и да тече надолу по течението.
С помощта на обратима турбина, централата може да изпомпва вода обратно в горния резервоар. Това се прави извън пиковите часове. По същество вторият резервоар пълни горния резервоар. Чрез изпомпване на вода обратно в горния резервоар, централата разполага с повече вода за генериране на електроенергия по време на периоди на пиково потребление.
Генераторът
Сърцето на водноелектрическата централа е генераторът. Повечето водноелектрически централи имат няколко такива генератора.
Генераторът, както може би се досещате, генерира електричество. Основният процес на генериране на електричество по този начин е въртенето на серия магнити вътре в намотки от тел. Този процес движи електрони, което произвежда електрически ток.
Язовир Хувър има общо 17 генератора, всеки от които може да генерира до 133 мегавата. Общият капацитет на водноелектрическата централа на язовир Хувър е 2074 мегавата. Всеки генератор е изграден от определени основни части:
Докато турбината се върти, възбудителят изпраща електрически ток към ротора. Роторът е серия от големи електромагнити, които се въртят вътре в плътно навита намотка от медна тел, наречена статор. Магнитното поле между намотката и магнитите създава електрически ток.
В язовир Хувър ток от 16 500 ампера се движи от генератора към трансформатора, където токът се увеличава до 230 000 ампера, преди да бъде предаден.
Водноелектрическите централи се възползват от естествено протичащ, непрекъснат процес – процесът, който причинява падане на дъжд и покачване на нивото на реките. Всеки ден нашата планета губи малко количество вода през атмосферата, тъй като ултравиолетовите лъчи разграждат водните молекули. Но в същото време, нова вода се отделя от вътрешността на Земята чрез вулканична дейност. Количеството създадена вода и количеството загубена вода са приблизително еднакви.
Във всеки един момент общият обем вода в света е в много различни форми. Тя може да бъде течна, както в океаните, реките и дъжда; твърда, както в ледниците; или газообразна, както в невидимата водна пара във въздуха. Водата променя агрегатните си състояния, докато се движи около планетата от ветровите течения. Вятърните течения се генерират от топлинната активност на слънцето. Циклите на въздушните течения се създават от това, че слънцето грее повече върху екватора, отколкото върху други части на планетата.
Циклите на въздушните течения задвижват водните запаси на Земята чрез собствен цикъл, наречен хидрологичен цикъл. Докато слънцето нагрява течната вода, тя се изпарява и се превръща в пара във въздуха. Слънцето нагрява въздуха, което кара въздуха да се издига в атмосферата. Въздухът е по-студен по-високо, така че когато водната пара се издига, тя се охлажда, кондензирайки се в капчици. Когато достатъчно капчици се натрупат в една област, те могат да станат достатъчно тежки, за да паднат обратно на Земята като валежи.
Хидрологичният цикъл е важен за водноелектрическите централи, защото те зависят от водния поток. Ако в близост до централата няма дъжд, водата няма да се събира нагоре по течението. Без събиране на вода нагоре по течението, по-малко вода преминава през водноелектрическата централа и се генерира по-малко електроенергия.
Основната идея на водноелектрическата енергия е да се използва силата на движеща се течност, за да се завърти лопатката на турбината. Обикновено за изпълнението на тази функция трябва да се построи голям язовир по средата на реката. Ново изобретение се възползва от идеята за водноелектрическа енергия в много по-малък мащаб, за да осигурява електричество за преносими електронни устройства.
Изобретателят Робърт Комаречка от Онтарио, Канада, е измислил идеята да постави малки водноелектрически генератори в подметките на обувките. Той вярва, че тези микротурбини ще генерират достатъчно електричество, за да захранват почти всяка джаджа. През май 2001 г. Комаречка получава патент за своето уникално устройство, задвижвано от крак.
Има един много основен принцип в това как ходим: стъпалото ни се докосва от петата до пръстите по време на всяка стъпка. Когато стъпалото ви стъпи на земята, силата се предава надолу през петата ви. Когато се подготвяте за следващата си стъпка, извивате стъпалото си напред, така че силата се прехвърля към възглавничката на стъпалото ви. Комаречка очевидно е забелязал този основен принцип на ходене и е развил идея да използва силата на тази ежедневна дейност.
Както е описано в патента на „обувките с възел от хидроелектрически генератор“ на Комаречка, те се състоят от пет части:
Течност – Системата ще използва електропроводима течност.
Торбички за задържане на течността – една торбичка се поставя в петата, а друга в частта на обувката, при която е пръстите.
Тръбопроводи – Тръбопроводи свързват всяка торбичка с микрогенератор.
Турбина – Докато водата се движи напред-назад в подметката, тя движи лопатките на малка турбина.
Микрогенератор – Генераторът е разположен между двата сака, пълни с течност, и включва лопатков ротор, който задвижва вал и завърта генератора.
Докато човек ходи, компресията на течността в торбичката, разположена в петата на обувката, ще я изтласква през тръбопровода и в модула на хидроелектрическия генератор. Докато потребителят продължава да върви, петата ще се повдигне и ще се упражнява натиск надолу върху торбичката под възглавничката на стъпалото на човека. Движението на течността ще завърти ротора и вала, за да произведе електричество.
Ще бъде осигурен външен контакт за свързване на кабели към преносимо устройство. Може да бъде осигурен и изходен блок за управление на захранването, който да се носи на колана на потребителя. След това към този изходен блок за управление на захранването могат да се прикрепят електронни устройства, което ще осигури постоянно захранване с електричество.
„С увеличаването на броя на преносимите устройства, захранвани с батерии“, се казва в патента, „нараства нуждата от осигуряване на дълготраен, адаптивен и ефективен източник на електричество.“ Комаречка очаква, че устройството му ще се използва за захранване на преносими компютри, мобилни телефони, CD плейъри, GPS приемници и двупосочни радиостанции.
Време на публикуване: 21 юли 2022 г.
