På verdensplan producerer vandkraftværker omkring 24 procent af verdens elektricitet og forsyner mere end 1 milliard mennesker med strøm. Verdens vandkraftværker producerer i alt 675.000 megawatt, hvilket svarer til 3,6 milliarder tønder olie, ifølge National Renewable Energy Laboratory. Der er mere end 2.000 vandkraftværker i drift i USA, hvilket gør vandkraft til landets største vedvarende energikilde.
I denne artikel vil vi se på, hvordan faldende vand skaber energi, og lære om den hydrologiske cyklus, der skaber den vandstrøm, der er afgørende for vandkraft. Du får også et glimt af en unik anvendelse af vandkraft, der kan påvirke din dagligdag.
Når man ser en flod rulle forbi, er det svært at forestille sig den kraft, den bærer. Hvis du nogensinde har været ude at rafte, har du mærket en lille del af flodens kraft. Hvidvandsstrømme skabes, når en flod fører en stor mængde vand ned ad bakke, flaskehalse gennem en smal passage. Når floden presses gennem denne åbning, øges dens strømning. Oversvømmelser er et andet eksempel på, hvor stor kraft en enorm mængde vand kan have.
Vandkraftværker udnytter vandets energi og bruger simpel mekanik til at omdanne denne energi til elektricitet. Vandkraftværker er faktisk baseret på et ret simpelt koncept – vand, der strømmer gennem en dæmning, driver en turbine, som derefter driver en generator.
Her er de grundlæggende komponenter i et konventionelt vandkraftværk:
Akslen, der forbinder turbinen og generatoren
Dæmning – De fleste vandkraftværker er afhængige af en dæmning, der holder vand tilbage og skaber et stort reservoir. Dette reservoir bruges ofte som en rekreativ sø, såsom Lake Roosevelt ved Grand Coulee-dæmningen i staten Washington.
Indløb – Dæmningens porte åbner sig, og tyngdekraften trækker vandet gennem pumpehuset, en rørledning der fører til turbinen. Vandet opbygger tryk, når det strømmer gennem dette rør.
Turbine – Vandet rammer og drejer de store vinger på en turbine, som er fastgjort til en generator ovenover via en aksel. Den mest almindelige type turbine til vandkraftværker er Francis-turbinen, som ligner en stor skive med buede vinger. En turbine kan veje op til 172 tons og dreje med en hastighed på 90 omdrejninger i minuttet (rpm), ifølge Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generatorer – Når turbinebladene drejer, drejer en række magneter inde i generatoren sig også. Kæmpemagneter roterer forbi kobberspoler og producerer vekselstrøm (AC) ved at bevæge elektroner. (Du lærer mere om, hvordan generatoren fungerer senere.)
Transformer – Transformeren inde i kraftværket tager vekselstrømmen og konverterer den til strøm med højere spænding.
Strømledninger – Fra hvert kraftværk kommer fire ledninger: de tre faser af strøm, der produceres samtidigt, plus en neutral eller jord, der er fælles for alle tre. (Læs Hvordan strømforsyningsnet fungerer for at lære mere om strømledningstransmission.)
Udstrømning – Brugt vand føres gennem rørledninger, kaldet tailraces, og løber tilbage i floden nedstrøms.
Vandet i reservoiret betragtes som lagret energi. Når portene åbner, bliver vandet, der strømmer gennem rørledningen, til kinetisk energi, fordi det er i bevægelse. Mængden af elektricitet, der genereres, bestemmes af flere faktorer. To af disse faktorer er vandgennemstrømningens volumen og den hydrauliske trykhøjde. Trykhøjden refererer til afstanden mellem vandoverfladen og turbinerne. Når trykhøjden og strømmen stiger, øges den genererede elektricitet også. Trykhøjden afhænger normalt af mængden af vand i reservoiret.
Der findes en anden type vandkraftværk, kaldet pumpekraftværket. I et konventionelt vandkraftværk strømmer vandet fra reservoiret gennem anlægget, udløber og føres nedstrøms. Et pumpekraftværk har to reservoirer:
Øvre reservoir – Ligesom et konventionelt vandkraftværk skaber en dæmning et reservoir. Vandet i dette reservoir strømmer gennem vandkraftværket for at producere elektricitet.
Nedre reservoir – Vand, der forlader vandkraftværket, strømmer ind i et nedre reservoir i stedet for at løbe tilbage i floden og nedstrøms.
Ved hjælp af en reversibel turbine kan kraftværket pumpe vand tilbage til det øvre reservoir. Dette gøres uden for myldretiden. Det andet reservoir fylder i bund og grund det øvre reservoir. Ved at pumpe vand tilbage til det øvre reservoir har kraftværket mere vand til at generere elektricitet i perioder med spidsbelastning.
Generatoren
Hjertet i vandkraftværket er generatoren. De fleste vandkraftværker har flere af disse generatorer.
Generatoren, som du måske har gættet, genererer elektriciteten. Den grundlæggende proces til at generere elektricitet på denne måde er at rotere en række magneter inde i trådspoler. Denne proces bevæger elektroner, hvilket producerer elektrisk strøm.
Hooverdæmningen har i alt 17 generatorer, som hver kan generere op til 133 megawatt. Den samlede kapacitet af Hooverdæmningens vandkraftværk er 2.074 megawatt. Hver generator er lavet af visse grundlæggende dele:
Når turbinen drejer, sender excitoren en elektrisk strøm til rotoren. Rotoren er en række store elektromagneter, der roterer inde i en tætviklet spole af kobbertråd, kaldet statoren. Magnetfeltet mellem spolen og magneterne skaber en elektrisk strøm.
I Hoover-dæmningen bevæger en strøm på 16.500 ampere sig fra generatoren til transformeren, hvor strømmen stiger til 230.000 ampere, før den overføres.
Vandkraftværker udnytter en naturligt forekommende, kontinuerlig proces – den proces, der får regn til at falde og floder til at stige. Hver dag mister vores planet en lille mængde vand gennem atmosfæren, når ultraviolette stråler nedbryder vandmolekyler. Men samtidig udledes nyt vand fra Jordens indre gennem vulkansk aktivitet. Mængden af vand, der skabes, og mængden af vand, der går tabt, er omtrent den samme.
På et hvilket som helst tidspunkt kan verdens samlede vandmængde forekomme i mange forskellige former. Det kan være flydende, som i havene, floder og regn; fast, som i gletsjere; eller gasformigt, som i den usynlige vanddamp i luften. Vand ændrer tilstand, når det bevæges rundt på planeten af vindstrømme. Vindstrømme genereres af solens opvarmningsaktivitet. Luftstrømscyklusser skabes af, at solen skinner mere på ækvator end på andre områder af planeten.
Luftstrømskredsløb driver Jordens vandforsyning gennem en cyklus, kaldet den hydrologiske cyklus. Når solen opvarmer flydende vand, fordamper vandet til damp i luften. Solen opvarmer luften, hvilket får luften til at stige op i atmosfæren. Luften er koldere højere oppe, så når vanddampen stiger, afkøles den og kondenserer til dråber. Når der ophobes nok dråber på ét område, kan dråberne blive tunge nok til at falde tilbage til Jorden som nedbør.
Det hydrologiske kredsløb er vigtigt for vandkraftværker, fordi de er afhængige af vandgennemstrømning. Hvis der ikke er regn i nærheden af kraftværket, vil vandet ikke samle sig opstrøms. Uden vandopsamling opstrøms strømmer der mindre vand gennem vandkraftværket, og der genereres mindre elektricitet.
Den grundlæggende idé bag vandkraft er at bruge kraften fra en strømmende væske til at dreje et turbineblad. Typisk skal der bygges en stor dæmning midt i en flod for at udføre denne funktion. En ny opfindelse udnytter ideen om vandkraft i en meget mindre skala til at levere elektricitet til bærbare elektroniske enheder.
Opfinderen Robert Komarechka fra Ontario, Canada, har fået ideen om at placere små vandkraftgeneratorer i skosåler. Han mener, at disse mikroturbiner vil generere nok elektricitet til at drive næsten enhver gadget. I maj 2001 fik Komarechka patent på sin unikke foddrevne enhed.
Der er et meget grundlæggende princip for, hvordan vi går: Foden falder hæl-til-tå under hvert skridt. Når din fod lander på jorden, føres der kraft ned gennem din hæl. Når du forbereder dig på dit næste skridt, ruller du din fod fremad, så kraften overføres til din fodballe. Komarechka bemærkede tilsyneladende dette grundlæggende princip for gang og har udviklet en idé til at udnytte kraften i denne hverdagsaktivitet.
Der er fem dele til Komarechkas "fodtøj med vandkraftgeneratorenhed", som beskrevet i patentet:
Væske – Systemet bruger en elektrisk ledende væske.
Sække til at holde væsken – En sæk placeres i hælen og en anden i skoens tåsektion.
Rør – Rør forbinder hver sæk til en mikrogenerator.
Turbine – Når vandet bevæger sig frem og tilbage i sålen, bevæger det vingerne på en lille turbine.
Mikrogenerator – Generatoren er placeret mellem de to væskefyldte sækker og omfatter en vingehjulsrotor, der driver en aksel og drejer generatoren.
Når en person går, vil kompressionen af væsken i sækken i skoens hæl tvinge væsken gennem røret og ind i vandkraftgeneratormodulet. Når brugeren fortsætter med at gå, vil hælen blive løftet, og der vil blive udøvet et nedadgående tryk på sækken under personens fodballe. Væskens bevægelse vil rotere rotoren og akslen for at producere elektricitet.
Der vil blive installeret en udvendig stikkontakt til at forbinde ledninger til en bærbar enhed. Der kan også installeres en strømstyringsenhed, der kan bæres i brugerens bælte. Elektroniske enheder kan derefter tilsluttes denne strømstyringsenhed, hvilket vil give en stabil strømforsyning.
"Med stigningen i antallet af batteridrevne, bærbare enheder," står der i patentet, "er der et stigende behov for at levere en langtidsholdbar, tilpasningsdygtig og effektiv strømkilde." Komarechka forventer, at hans enhed vil blive brugt til at drive bærbare computere, mobiltelefoner, cd-afspillere, GPS-modtagere og tovejsradioer.
Opslagstidspunkt: 21. juli 2022
