Širom svijeta, hidroelektrane proizvode oko 24 posto svjetske električne energije i snabdijevaju više od milijardu ljudi energijom. Prema podacima Nacionalne laboratorije za obnovljivu energiju, svjetske hidroelektrane proizvode ukupno 675.000 megavata, što je energetski ekvivalent 3,6 milijardi barela nafte. U Sjedinjenim Državama radi više od 2.000 hidroelektrana, što hidroenergiju čini najvećim obnovljivim izvorom energije u zemlji.
U ovom članku ćemo pogledati kako padajuća voda stvara energiju i saznati više o hidrološkom ciklusu koji stvara protok vode neophodan za hidroenergiju. Također ćete dobiti uvid u jednu jedinstvenu primjenu hidroenergije koja može utjecati na vaš svakodnevni život.
Kada gledate kako rijeka teče, teško je zamisliti snagu koju nosi. Ako ste ikada bili na raftingu na divljim vodama, onda ste osjetili mali dio snage rijeke. Brzaci na divljim vodama nastaju kada rijeka nosi veliku količinu vode nizbrdo, stvarajući uska grla kroz uski prolaz. Kako se rijeka probija kroz ovaj otvor, njen tok se ubrzava. Poplave su još jedan primjer koliku silu može imati ogromna količina vode.
Hidroelektrane iskorištavaju energiju vode i koriste jednostavne mehanike za pretvaranje te energije u električnu energiju. Hidroelektrane se zapravo zasnivaju na prilično jednostavnom konceptu - voda koja teče kroz branu okreće turbinu, koja okreće generator.
Evo osnovnih komponenti konvencionalne hidroelektrane:
Osovina koja spaja turbinu i generator
Brana – Većina hidroelektrana oslanja se na branu koja zadržava vodu, stvarajući veliki rezervoar. Često se ovaj rezervoar koristi kao rekreacijsko jezero, kao što je jezero Roosevelt na brani Grand Coulee u državi Washington.
Usis – Kapije na brani se otvaraju i gravitacija povlači vodu kroz cjevovod, cjevovod koji vodi do turbine. Voda stvara pritisak dok teče kroz ovu cijev.
Turbina – Voda udara i okreće velike lopatice turbine, koja je pričvršćena za generator iznad nje pomoću osovine. Najčešći tip turbine za hidroelektrane je Francisova turbina, koja izgleda kao veliki disk sa zakrivljenim lopaticama. Turbina može težiti i do 172 tone i okretati se brzinom od 90 okretaja u minuti (rpm), prema podacima Fondacije za obrazovanje o vodi i energiji (FWEE).
Generatori – Kako se lopatice turbine okreću, okreće se i niz magneta unutar generatora. Divovski magneti rotiraju oko bakrenih zavojnica, proizvodeći naizmjeničnu struju (AC) pomicanjem elektrona. (Više o tome kako generator radi saznat ćete kasnije.)
Transformator – Transformator unutar elektrane prima naizmjeničnu struju i pretvara je u struju višeg napona.
Dalekovodi – Iz svake elektrane izlaze četiri žice: tri faze energije koje se proizvode istovremeno plus neutralni vod ili uzemljenje zajedničko za sve tri. (Pročitajte Kako funkcioniraju mreže za distribuciju električne energije da biste saznali više o prijenosu električne energije dalekovodima.)
Odvod – Iskorištena voda se provodi kroz cjevovode, koji se nazivaju odvodni kanali, i ponovo ulazi u rijeku nizvodno.
Voda u rezervoaru se smatra uskladištenom energijom. Kada se zatvarači otvore, voda koja teče kroz cjevovod postaje kinetička energija jer se kreće. Količina generirane električne energije određena je nekoliko faktora. Dva od tih faktora su volumen protoka vode i količina hidrauličkog pada. Pad se odnosi na udaljenost između površine vode i turbina. Kako se pritisak i protok povećavaju, tako se povećava i generirana električna energija. Pad obično zavisi od količine vode u rezervoaru.
Postoji još jedna vrsta hidroelektrane, koja se naziva pumpno-akumulacijska elektrana. U konvencionalnoj hidroelektrani, voda iz rezervoara teče kroz elektranu, izlazi i nosi se nizvodno. Pumpno-akumulacijska elektrana ima dva rezervoara:
Gornji rezervoar – Poput konvencionalne hidroelektrane, brana stvara rezervoar. Voda u ovom rezervoaru teče kroz hidroelektranu i proizvodi električnu energiju.
Donji rezervoar – Voda koja izlazi iz hidroelektrane ulijeva se u donji rezervoar umjesto da se ponovo ulije u rijeku i teče nizvodno.
Pomoću reverzibilne turbine, postrojenje može pumpati vodu nazad u gornji rezervoar. To se radi van vršnih sati. U suštini, drugi rezervoar dopunjuje gornji rezervoar. Pumpanjem vode nazad u gornji rezervoar, postrojenje ima više vode za proizvodnju električne energije tokom perioda vršne potrošnje.
Generator
Srce hidroelektrane je generator. Većina hidroelektrana ima nekoliko ovakvih generatora.
Generator, kao što ste možda pretpostavili, generira električnu energiju. Osnovni proces generiranja električne energije na ovaj način je rotiranje niza magneta unutar zavojnica žice. Ovaj proces pomiče elektrone, što proizvodi električnu struju.
Hooverova brana ima ukupno 17 generatora, od kojih svaki može generirati do 133 megavata. Ukupni kapacitet hidroelektrane Hooverove brane je 2.074 megavata. Svaki generator je napravljen od određenih osnovnih dijelova:
Dok se turbina okreće, pobudni mehanizam šalje električnu struju rotoru. Rotor je niz velikih elektromagneta koji se okreću unutar čvrsto namotane zavojnice od bakrene žice, koja se naziva stator. Magnetsko polje između zavojnice i magneta stvara električnu struju.
U Hooverovoj brani, struja od 16.500 ampera teče od generatora do transformatora, gdje se struja povećava na 230.000 ampera prije nego što se prenese.
Hidroelektrane koriste prednosti prirodnog, kontinuiranog procesa - procesa koji uzrokuje padanje kiše i porast rijeka. Svakog dana naša planeta gubi malu količinu vode kroz atmosferu jer ultraljubičasti zraci razgrađuju molekule vode. Ali istovremeno, nova voda se emituje iz unutrašnjosti Zemlje kroz vulkansku aktivnost. Količina stvorene vode i količina izgubljene vode je približno ista.
U bilo kojem trenutku, ukupna količina vode na svijetu nalazi se u mnogo različitih oblika. Može biti tečna, kao u okeanima, rijekama i kiši; čvrsta, kao u glečerima; ili gasovita, kao u nevidljivoj vodenoj pari u vazduhu. Voda mijenja agregatna stanja dok se kreće po planeti vjetrovnim strujama. Vjetrovne struje nastaju zagrijavanjem Sunca. Ciklusi zračnih struja nastaju kada Sunce više sija na ekvatoru nego na drugim područjima planete.
Ciklusi zračnih struja pokreću Zemljinu zalihu vode kroz vlastiti ciklus, koji se naziva hidrološki ciklus. Kako sunce zagrijava tekuću vodu, ona isparava u paru u zraku. Sunce zagrijava zrak, uzrokujući da se zrak diže u atmosferi. Zrak je hladniji na višim visinama, pa se vodena para, kako se diže, hladi i kondenzira u kapljice. Kada se dovoljno kapljica nakupi na jednom mjestu, kapljice mogu postati dovoljno teške da padnu natrag na Zemlju kao padavine.
Hidrološki ciklus je važan za hidroelektrane jer zavise od protoka vode. Ako u blizini elektrane nema kiše, voda se neće skupljati uzvodno. Bez sakupljanja vode uzvodno, manje vode teče kroz hidroelektranu i proizvodi se manje električne energije.
Osnovna ideja hidroenergije je korištenje snage pokretne tekućine za okretanje lopatica turbine. Obično se velika brana mora izgraditi usred rijeke da bi se izvršila ova funkcija. Novi izum iskorištava ideju hidroenergije u mnogo manjem obimu kako bi se obezbijedila električna energija za prenosive elektronske uređaje.
Izumitelj Robert Komarechka iz Ontarija, Kanada, došao je na ideju da u đonove cipela postavi male hidroelektrane. Vjeruje da će ove mikroturbine generirati dovoljno električne energije za napajanje gotovo svakog uređaja. U maju 2001. godine, Komarechka je dobio patent za svoj jedinstveni uređaj koji se pokreće nogama.
Postoji vrlo osnovni princip hodanja: stopalo pada od pete do prstiju tokom svakog koraka. Kada stopalo doskoči na tlo, sila se prenosi kroz petu. Kada se pripremate za sljedeći korak, kotrljate stopalo naprijed, tako da se sila prenosi na jagodicu stopala. Komarečka je očigledno primijetio ovaj osnovni princip hodanja i razvio ideju kako iskoristiti snagu ove svakodnevne aktivnosti.
Komarečkina "obuća sa sklopom hidroelektričnog generatora" sastoji se od pet dijelova, kako je opisano u patentu:
Fluid – Sistem će koristiti električno provodljiv fluid.
Vrećice za zadržavanje tekućine – Jedna vrećica se nalazi u peti, a druga u dijelu cipele koji se odnosi na prste.
Cjevovodi – Cjevovodi povezuju svaku vrećicu s mikrogeneratorom.
Turbina – Kako se voda kreće naprijed-nazad u đonu, ona pokreće lopatice male turbine.
Mikrogenerator – Generator se nalazi između dvije vreće ispunjene tekućinom i uključuje rotor s lopaticama koji pokreće osovinu i okreće generator.
Dok osoba hoda, kompresija tekućine u vrećici koja se nalazi u peti cipele će prisiliti tekućinu da prođe kroz kanal i u modul hidroelektričnog generatora. Kako korisnik nastavlja hodati, peta će se podići i pritisak prema dolje će se vršiti na vrećicu ispod jastučića stopala. Kretanje tekućine će rotirati rotor i osovinu kako bi se proizvela električna energija.
Vanjska utičnica će biti obezbijeđena za spajanje žica na prijenosni uređaj. Može se obezbijediti i izlazna jedinica za kontrolu napajanja koja se nosi na korisnikovom pojasu. Elektronski uređaji se zatim mogu priključiti na ovu izlaznu jedinicu za kontrolu napajanja, što će obezbijediti stabilno napajanje električnom energijom.
„S porastom broja prenosivih uređaja na baterije“, piše u patentu, „postoji sve veća potreba za dugotrajnim, prilagodljivim i efikasnim izvorom električne energije.“ Komarečka očekuje da će se njegov uređaj koristiti za napajanje prenosivih računara, mobilnih telefona, CD plejera, GPS prijemnika i dvosmjernih radio stanica.
Vrijeme objave: 21. jul 2022.
