Vodní elektrárny celosvětově vyrábějí přibližně 24 procent světové elektřiny a zásobují elektřinou více než 1 miliardu lidí. Podle Národní laboratoře pro obnovitelné zdroje energie světové vodní elektrárny vyrábějí celkem 675 000 megawattů, což odpovídá energetickému ekvivalentu 3,6 miliardy barelů ropy. Ve Spojených státech je v provozu více než 2 000 vodních elektráren, což z vodní energie činí největší obnovitelný zdroj energie v zemi.
V tomto článku se podíváme na to, jak padající voda vytváří energii, a dozvíme se o hydrologickém cyklu, který vytváří tok vody nezbytný pro vodní energii. Také se podíváme na jedno unikátní využití vodní energie, které může ovlivnit váš každodenní život.
Když sledujete, jak se řeka valí, je těžké si představit sílu, kterou s sebou nese. Pokud jste někdy jezdili na raftech na divoké vodě, pak jste pocítili malou část síly řeky. Peřeje na divoké vodě vznikají, když řeka nese velké množství vody z kopce, tvořící úzká hrdla. Jak je řeka tlačena tímto otvorem, její tok se zrychluje. Povodně jsou dalším příkladem toho, jak velkou sílu může mít obrovské množství vody.
Vodní elektrárny využívají energii vody a pomocí jednoduchých mechanismů tuto energii přeměňují na elektřinu. Vodní elektrárny jsou ve skutečnosti založeny na poměrně jednoduchém konceptu – voda protékající přehradou otáčí turbínu, která otáčí generátor.
Zde jsou základní komponenty konvenční vodní elektrárny:
Hřídel, která spojuje turbínu a generátor
Přehrada – Většina vodních elektráren se spoléhá na přehradu, která zadržuje vodu a vytváří velkou nádrž. Tato nádrž se často využívá jako rekreační jezero, jako například jezero Roosevelt u přehrady Grand Coulee ve státě Washington.
Příjem – Stavidla na přehradě se otevírají a gravitace vtahuje vodu přes přivaděč, potrubí, které vede k turbíně. Voda při průtoku tímto potrubím vytváří tlak.
Turbína – Voda naráží na velké lopatky turbíny a otáčí je, jež je pomocí hřídele připojena ke generátoru nad ní. Nejběžnějším typem turbíny pro vodní elektrárny je Francisova turbína, která vypadá jako velký kotouč se zakřivenými lopatkami. Podle Nadace pro vzdělávání v oblasti vody a energie (FWEE) může turbína vážit až 172 tun a otáčet se rychlostí 90 otáček za minutu (ot/min).
Generátory – S otáčením lopatek turbíny se otáčejí i magnety uvnitř generátoru. Obrovské magnety se otáčejí kolem měděných cívek a pohybem elektronů vytvářejí střídavý proud (AC). (Více o tom, jak generátor funguje, se dozvíte později.)
Transformátor – Transformátor uvnitř elektrárny přijímá střídavý proud a přeměňuje ho na proud vyššího napětí.
Elektrické vedení – Z každé elektrárny vycházejí čtyři vodiče: tři fáze vyráběné současně a nulový vodič neboli uzemnění společné pro všechny tři. (Přečtěte si článek Jak fungují rozvodné sítě, kde se dozvíte více o přenosu energie po elektrickém vedení.)
Odtok – Použitá voda je odváděna potrubím, nazývaným odpadní kanály, a znovu se vlévá do řeky po proudu.
Voda v nádrži se považuje za akumulovanou energii. Když se uzávěry otevřou, voda protékající potrubím se stává kinetickou energií, protože je v pohybu. Množství generované elektřiny je určeno několika faktory. Dva z těchto faktorů jsou objem průtoku vody a výška hydraulického sloupce. Sloupcový sloupec se vztahuje k vzdálenosti mezi hladinou vody a turbínami. S rostoucím sloupcem a průtokem se zvyšuje i generovaná elektřina. Sloupcový sloupec obvykle závisí na množství vody v nádrži.
Existuje i jiný typ vodní elektrárny, nazývaný přečerpávací vodní elektrárna. V konvenční vodní elektrárně voda z nádrže protéká elektrárnou, vystupuje z ní a je odváděna po proudu. Přečerpávací vodní elektrárna má dvě nádrže:
Horní nádrž – Stejně jako konvenční vodní elektrárna vytváří přehrada nádrž. Voda v této nádrži protéká vodní elektrárnou a vyrábí elektřinu.
Dolní nádrž – Voda vystupující z vodní elektrárny teče do dolní nádrže, místo aby se znovu vlévala do řeky a tekla po proudu.
Pomocí reverzibilní turbíny může elektrárna čerpat vodu zpět do horní nádrže. To se děje mimo špičku. V podstatě druhá nádrž doplňuje horní nádrž. Čerpáním vody zpět do horní nádrže má elektrárna více vody na výrobu elektřiny během období špičkové spotřeby.
Generátor
Srdcem vodní elektrárny je generátor. Většina vodních elektráren má několik těchto generátorů.
Generátor, jak jste asi uhodli, vyrábí elektřinu. Základním procesem výroby elektřiny tímto způsobem je otáčení řady magnetů uvnitř cívek drátu. Tento proces pohybuje elektrony, což vytváří elektrický proud.
Hooverova přehrada má celkem 17 generátorů, z nichž každý může vyrábět až 133 megawattů. Celková kapacita vodní elektrárny Hooverovy přehrady je 2 074 megawattů. Každý generátor se skládá z určitých základních částí:
Jak se turbína otáčí, budič vysílá elektrický proud do rotoru. Rotor je řada velkých elektromagnetů, které se otáčí uvnitř pevně vinuté cívky z měděného drátu, nazývané stator. Magnetické pole mezi cívkou a magnety vytváří elektrický proud.
V Hooverovy přehradě protéká proud o síle 16 500 ampérů z generátoru do transformátoru, kde se proud před přenosem zvýší až na 230 000 ampérů.
Vodní elektrárny využívají přirozeně se vyskytujícího, nepřetržitého procesu – procesu, který způsobuje déšť a stoupání řek. Každý den naše planeta ztrácí malé množství vody atmosférou, protože ultrafialové paprsky rozkládají molekuly vody. Zároveň však z nitra Země v důsledku sopečné činnosti uniká nová voda. Množství vytvořené a ztracené vody je přibližně stejné.
Celkový objem vody na světě se v daném okamžiku nachází v mnoha různých formách. Může být kapalná, jako v oceánech, řekách a dešti; pevná, jako v ledovcích; nebo plynná, jako neviditelná vodní pára ve vzduchu. Voda mění skupenství, když je pohybována po planetě větrnými proudy. Větrné proudy vznikají tepelnou aktivitou Slunce. Cykly vzdušných proudů vznikají tím, že Slunce svítí více na rovník než na jiné oblasti planety.
Cykly vzdušných proudů pohánějí zásoby vody na Zemi vlastním cyklem, který se nazývá hydrologický cyklus. Jak slunce ohřívá kapalnou vodu, ta se ve vzduchu odpařuje a mění se na páru. Slunce ohřívá vzduch, což způsobuje, že vzduch stoupá do atmosféry. Vzduch je ve vyšších polohách chladnější, takže jak vodní pára stoupá, ochlazuje se a kondenzuje do kapiček. Když se v jedné oblasti nahromadí dostatek kapiček, mohou se stát dostatečně těžkými, aby dopadly zpět na Zemi jako srážky.
Hydrologický cyklus je pro vodní elektrárny důležitý, protože jsou závislé na průtoku vody. Pokud v blízkosti elektrárny neprší, voda se proti proudu neshromažďuje. Bez shromažďování vody proti proudu protéká vodní elektrárnou méně vody a vyrábí se méně elektřiny.
Základní myšlenkou vodní energie je využití síly pohybující se kapaliny k otáčení lopatek turbíny. Pro plnění této funkce je obvykle nutné postavit uprostřed řeky velkou přehradu. Nový vynález využívá myšlenku vodní energie v mnohem menším měřítku k výrobě elektřiny pro přenosná elektronická zařízení.
Vynálezce Robert Komarečka z Ontaria v Kanadě přišel s nápadem umístit malé vodní generátory do podrážek bot. Věří, že tyto mikroturbíny vygenerují dostatek elektřiny k napájení téměř jakéhokoli zařízení. V květnu 2001 získal Komarečka patent na své unikátní zařízení poháněné nohou.
Existuje jeden velmi základní princip, jakým chodíme: Při každém kroku se chodidlo dotýká paty a špičky. Jakmile se chodidlo dotkne země, síla se přenáší dolů přes patu. Když se připravujete na další krok, posunete nohu dopředu, takže síla se přenese na bříško chodidla. Komarečka si zřejmě tohoto základního principu chůze všiml a vymyslel nápad, jak využít sílu této každodenní činnosti.
Komarečkova „sestava obuvi s hydroelektrickým generátorem“, jak je popsáno v jejím patentu, se skládá z pěti částí:
Kapalina – Systém bude používat elektricky vodivou kapalinu.
Vaky pro zadržování tekutiny – Jeden vak je umístěn v patě a druhý v části špičky boty.
Trubice – Trubice spojují každý vak s mikrogenerátorem.
Turbína – Jak se voda pohybuje v podrážce tam a zpět, pohybuje lopatkami malé turbíny.
Mikrogenerátor – Generátor je umístěn mezi dvěma vaky naplněnými tekutinou a obsahuje lopatkový rotor, který pohání hřídel a otáčí generátor.
Při chůzi člověk stlačuje tekutinu v vaku umístěném v patě boty a tlačí ji skrz potrubí do modulu hydroelektrického generátoru. Jak uživatel pokračuje v chůzi, pata se zvedá a na vak pod bříškem chodidla je vyvíjen tlak směrem dolů. Pohyb tekutiny otáčí rotor a hřídel a vyrábí elektřinu.
Pro připojení vodičů k přenosnému zařízení bude k dispozici externí zásuvka. Uživatel může také nosit na opasku výstupní jednotku pro řízení napájení. K této výstupní jednotce pro řízení napájení lze připojit elektronická zařízení, která zajistí stálý přívod elektřiny.
„S nárůstem počtu přenosných zařízení napájených bateriemi,“ uvádí se v patentu, „roste potřeba poskytnout dlouhotrvající, přizpůsobivý a účinný zdroj elektrické energie.“ Komarečka očekává, že jeho zařízení bude použito k napájení přenosných počítačů, mobilních telefonů, CD přehrávačů, GPS přijímačů a obousměrných rádií.
Čas zveřejnění: 21. července 2022
