A tot el món, les centrals hidroelèctriques produeixen aproximadament el 24% de l'electricitat mundial i subministren energia a més de 1.000 milions de persones. Les centrals hidroelèctriques del món produeixen un total combinat de 675.000 megawatts, l'equivalent energètic de 3.600 milions de barrils de petroli, segons el Laboratori Nacional d'Energies Renovables. Hi ha més de 2.000 centrals hidroelèctriques en funcionament als Estats Units, cosa que converteix l'energia hidroelèctrica en la font d'energia renovable més gran del país.
En aquest article, veurem com la caiguda de l'aigua crea energia i aprendrem sobre el cicle hidrològic que crea el flux d'aigua essencial per a l'energia hidroelèctrica. També podreu veure una aplicació única de l'energia hidroelèctrica que pot afectar la vostra vida quotidiana.
Quan veus passar un riu, és difícil imaginar la força que porta. Si alguna vegada has fet ràfting en aigües braves, has sentit una petita part de la força del riu. Els ràpids d'aigües braves es creen a mesura que un riu transporta una gran quantitat d'aigua costa avall, colls d'ampolla a través d'un pas estret. A mesura que el riu és forçat a travessar aquesta obertura, el seu cabal s'accelera. Les inundacions són un altre exemple de la força que pot tenir un volum enorme d'aigua.
Les centrals hidroelèctriques aprofiten l'energia de l'aigua i utilitzen una mecànica senzilla per convertir aquesta energia en electricitat. Les centrals hidroelèctriques es basen en un concepte força simple: l'aigua que flueix a través d'una presa fa girar una turbina, que a la seva vegada fa girar un generador.
Aquests són els components bàsics d'una central hidroelèctrica convencional:
L'eix que connecta la turbina i el generador
Presa: la majoria de centrals hidroelèctriques depenen d'una presa que reté l'aigua i crea un gran embassament. Sovint, aquest embassament s'utilitza com a llac recreatiu, com ara el llac Roosevelt a la presa de Grand Coulee a l'estat de Washington.
Entrada: les comportes de la presa s'obren i la gravetat arrossega l'aigua a través de la canonada forçada, una canonada que condueix a la turbina. L'aigua acumula pressió a mesura que flueix per aquesta canonada.
Turbina: l'aigua colpeja i fa girar les grans pales d'una turbina, que està unida a un generador a sobre mitjançant un eix. El tipus de turbina més comú per a les centrals hidroelèctriques és la turbina Francis, que sembla un gran disc amb pales corbes. Una turbina pot pesar fins a 172 tones i girar a una velocitat de 90 revolucions per minut (rpm), segons la Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generadors: a mesura que giren les pales de la turbina, també ho fan una sèrie d'imants dins del generador. Uns imants gegants giren al llarg de les bobines de coure, produint corrent altern (CA) movent electrons. (Més endavant aprendreu més sobre com funciona el generador.)
Transformador: el transformador dins de la central elèctrica agafa el corrent altern i el converteix en corrent d'alt voltatge.
Línies elèctriques: de cada central elèctrica surten quatre cables: les tres fases d'energia que es produeixen simultàniament més un neutre o terra comú a les tres. (Llegiu Com funcionen les xarxes de distribució d'energia per obtenir més informació sobre la transmissió per línies elèctriques.)
Sortida: l'aigua usada es transporta a través de canonades, anomenades conductes de cua, i torna a entrar al riu aigües avall.
L'aigua del dipòsit es considera energia emmagatzemada. Quan les comportes s'obren, l'aigua que flueix a través de la conducció forçada es converteix en energia cinètica perquè està en moviment. La quantitat d'electricitat que es genera està determinada per diversos factors. Dos d'aquests factors són el volum de cabal d'aigua i la quantitat de càrrega hidràulica. La càrrega es refereix a la distància entre la superfície de l'aigua i les turbines. A mesura que augmenten la càrrega i el cabal, també ho fa l'electricitat generada. La càrrega sol dependre de la quantitat d'aigua del dipòsit.
Hi ha un altre tipus de central hidroelèctrica, anomenada central de bombament. En una central hidroelèctrica convencional, l'aigua del dipòsit flueix a través de la central, surt i es transporta riu avall. Una central de bombament té dos dipòsits:
Dipòsit superior: igual que una central hidroelèctrica convencional, una presa crea un embassament. L'aigua d'aquest embassament flueix a través de la central hidroelèctrica per generar electricitat.
Embassament inferior: l'aigua que surt de la central hidroelèctrica flueix cap a un embassament inferior en lloc de tornar a entrar al riu i fluir riu avall.
Mitjançant una turbina reversible, la planta pot bombar aigua de tornada al dipòsit superior. Això es fa en hores vall. Essencialment, el segon dipòsit reomple el dipòsit superior. En bombar aigua de tornada al dipòsit superior, la planta té més aigua per generar electricitat durant els períodes de consum màxim.
El generador
El cor de la central hidroelèctrica és el generador. La majoria de centrals hidroelèctriques tenen diversos d'aquests generadors.
El generador, com ja haureu endevinat, genera l'electricitat. El procés bàsic per generar electricitat d'aquesta manera és fer girar una sèrie d'imants dins de bobines de filferro. Aquest procés mou electrons, cosa que produeix corrent elèctric.
La presa Hoover té un total de 17 generadors, cadascun dels quals pot generar fins a 133 megawatts. La capacitat total de la central hidroelèctrica de la presa Hoover és de 2.074 megawatts. Cada generador està format per certes peces bàsiques:
A mesura que la turbina gira, l'excitador envia un corrent elèctric al rotor. El rotor és una sèrie de grans electroimants que giren dins d'una bobina de filferro de coure ben enrotllada, anomenada estator. El camp magnètic entre la bobina i els imants crea un corrent elèctric.
A la presa Hoover, un corrent de 16.500 amperes es mou del generador al transformador, on el corrent augmenta fins a 230.000 amperes abans de ser transmès.
Les centrals hidroelèctriques aprofiten un procés natural i continu: el procés que fa que plogui i que els rius creixin. Cada dia, el nostre planeta perd una petita quantitat d'aigua a través de l'atmosfera a mesura que els raigs ultraviolats trenquen les molècules d'aigua. Però al mateix temps, s'emet aigua nova des de la part interior de la Terra a través de l'activitat volcànica. La quantitat d'aigua creada i la quantitat d'aigua perduda és aproximadament la mateixa.
En qualsevol moment, el volum total d'aigua del món es troba en moltes formes diferents. Pot ser líquida, com en els oceans, els rius i la pluja; sòlida, com en les glaceres; o gasosa, com en el vapor d'aigua invisible de l'aire. L'aigua canvia d'estat a mesura que es mou pel planeta pels corrents de vent. Els corrents de vent són generats per l'activitat d'escalfament del sol. Els cicles de corrents d'aire són creats pel sol que brilla més a l'equador que a altres zones del planeta.
Els cicles dels corrents d'aire impulsen el subministrament d'aigua de la Terra a través d'un cicle propi, anomenat cicle hidrològic. A mesura que el sol escalfa l'aigua líquida, l'aigua s'evapora i es converteix en vapor a l'aire. El sol escalfa l'aire, fent que l'aire pugi a l'atmosfera. L'aire és més fred a dalt, de manera que a mesura que el vapor d'aigua puja, es refreda i es condensa en gotes. Quan s'acumulen prou gotes en una zona, les gotes poden arribar a ser prou pesades per tornar a caure a la Terra en forma de precipitació.
El cicle hidrològic és important per a les centrals hidroelèctriques perquè depenen del cabal d'aigua. Si no hi ha pluja a prop de la central, l'aigua no s'acumularà riu amunt. Sense acumulació d'aigua riu amunt, flueix menys aigua a través de la central hidroelèctrica i es genera menys electricitat.
La idea bàsica de l'energia hidroelèctrica és utilitzar la força d'un líquid en moviment per fer girar una pala de turbina. Normalment, s'ha de construir una gran presa al mig d'un riu per dur a terme aquesta funció. Un nou invent aprofita la idea de l'energia hidroelèctrica a una escala molt més petita per proporcionar electricitat a dispositius electrònics portàtils.
L'inventor Robert Komarechka d'Ontario, Canadà, ha tingut la idea de col·locar petits generadors hidroelèctrics a les soles de les sabates. Creu que aquestes microturbines generaran prou electricitat per alimentar gairebé qualsevol aparell. El maig de 2001, Komarechka va rebre una patent pel seu dispositiu únic que funciona amb els peus.
Hi ha un principi molt bàsic en com caminem: el peu cau taló amb punta durant cada pas. Quan el peu aterra a terra, la força es fa baixar a través del taló. Quan et prepares per al següent pas, fas rodar el peu cap endavant, de manera que la força es transfereix a la punta del peu. Pel que sembla, Komarechka va notar aquest principi bàsic de caminar i ha desenvolupat una idea per aprofitar el poder d'aquesta activitat quotidiana.
El "calçat amb conjunt de generador hidroelèctric" de Komarechka consta de cinc parts, tal com es descriu a la seva patent:
Fluid: el sistema utilitzarà un fluid conductor elèctric.
Sacs per contenir el líquid: es col·loca un sac al taló i un altre a la secció dels dits de la sabata.
Conductes: els conductes connecten cada sac a un microgenerador.
Turbina – A mesura que l'aigua es mou endavant i endarrere per la sola, mou les pales d'una petita turbina.
Microgenerador: el generador es troba entre els dos sacs plens de fluid i inclou un rotor de pales, que acciona un eix i fa girar el generador.
A mesura que una persona camina, la compressió del fluid al sac situat al taló de la sabata forçarà el fluid a través del conducte i cap al mòdul generador hidroelèctric. A mesura que l'usuari continua caminant, el taló s'aixecarà i s'exercirà pressió cap avall sobre el sac sota la planta del peu de la persona. El moviment del fluid girarà el rotor i l'eix per produir electricitat.
Es proporcionarà una presa exterior per connectar els cables a un dispositiu portàtil. També es pot proporcionar una unitat de sortida de control d'alimentació per portar al cinturó. Els dispositius electrònics es poden connectar a aquesta unitat de sortida de control d'alimentació, que proporcionarà un subministrament constant d'electricitat.
«Amb l'augment del nombre de dispositius portàtils que funcionen amb bateria», diu la patent, «hi ha una necessitat creixent de proporcionar una font d'electricitat duradora, adaptable i eficient». Komarechka espera que el seu dispositiu s'utilitzi per alimentar ordinadors portàtils, telèfons mòbils, reproductors de CD, receptors GPS i ràdios bidireccionals.
Data de publicació: 21 de juliol de 2022
