Üle maailma toodavad hüdroelektrijaamad umbes 24 protsenti maailma elektrist ja varustavad elektriga enam kui miljardit inimest. Riikliku Taastuvenergia Laboratooriumi andmetel toodavad maailma hüdroelektrijaamad kokku 675 000 megavatti, mis on energiaekvivalent 3,6 miljardile barrelile naftat. Ameerika Ühendriikides töötab üle 2000 hüdroelektrijaama, mis teeb hüdroenergiast riigi suurima taastuvenergiaallika.
Selles artiklis vaatleme, kuidas langev vesi energiat tekitab ja õpime tundma hüdroloogilist tsüklit, mis loob hüdroenergia jaoks olulise veevoolu. Samuti saate pilguheite ühele ainulaadsele hüdroenergia rakendusele, mis võib teie igapäevaelu mõjutada.
Jõe mööduvat voogu vaadates on raske ette kujutada selle jõudu. Kui olete kunagi kärestikusõitu harrastanud, siis olete tundnud väikest osa jõe jõust. Kärestikud tekivad jõena, kandes suures koguses vett allamäge, tekitades kitsastes õõnsustes pudelikaelu. Kui jõgi sellest avausest läbi surutakse, kiireneb selle vool. Üleujutused on veel üks näide sellest, kui suurt jõudu tohutu veekogus avaldada võib.
Hüdroelektrijaamad rakendavad vee energiat ja kasutavad selle energia elektriks muundamiseks lihtsat mehaanikat. Hüdroelektrijaamad põhinevad tegelikult üsna lihtsal kontseptsioonil – läbi tammi voolav vesi paneb tööle turbiini, mis omakorda paneb tööle generaatori.
Siin on tavapärase hüdroelektrijaama põhikomponendid:
Võll, mis ühendab turbiini ja generaatorit
Tamm – Enamik hüdroelektrijaamu tugineb tammile, mis hoiab vett tagasi, luues suure veehoidla. Sageli kasutatakse seda veehoidlat puhkejärvena, näiteks Washingtoni osariigis Grand Coulee tammi juures asuvas Roosevelti järves.
Sisselaskeava – Tammi väravad avanevad ja gravitatsioon tõmbab vee läbi survetoru, mis viib turbiinini. Läbi selle toru voolav vesi tekitab rõhku.
Turbiin – Vesi lööb vastu turbiini ja paneb selle suuri labasid pöörlema. Turbiin on võlli abil kinnitatud selle kohal asuva generaatori külge. Hüdroelektrijaamade kõige levinum turbiinitüüp on Francise turbiin, mis näeb välja nagu suur kumerate labadega ketas. Vee- ja energiahariduse fondi (FWEE) andmetel võib turbiin kaaluda kuni 172 tonni ja pöörata kiirusega 90 pööret minutis (rpm).
Generaatorid – Turbiinilabade pöörlemisega pöörleb ka generaatori sees olev magnetite seeria. Hiiglaslikud magnetid pöörlevad mööda vaskmähiseid, tekitades elektronide liigutamise teel vahelduvvoolu. (Generaatori tööpõhimõtte kohta saate lisateavet hiljem.)
Trafo – Jõujaamas olev trafo võtab vastu vahelduvvoolu ja muundab selle kõrgema pingega vooluks.
Elektriliinid – Igast elektrijaamast tuleb välja neli juhet: samaaegselt toodetakse kolme elektri faasi, millele lisandub kõigile kolmele ühine neutraal- või maandusjuhe. (Lisateavet elektriliinide ülekande kohta leiate artiklist „Kuidas elektrijaotusvõrgud töötavad“.)
Väljavool – Kasutatud vesi juhitakse läbi torujuhtmete, mida nimetatakse sabakanaliteks, ja see voolab tagasi jõkke allavoolu.
Reservuaaris olevat vett peetakse salvestatud energiaks. Kui väravad avanevad, muutub läbi pumbatoru voolav vesi liikumise tõttu kineetiliseks energiaks. Tekkiva elektrienergia hulka määravad mitmed tegurid. Kaks neist teguritest on veevoolu maht ja hüdraulilise pea suurus. Pea viitab kaugusele veepinna ja turbiinide vahel. Kui pea ja vooluhulk suurenevad, suureneb ka tekitatud elekter. Pea sõltub tavaliselt reservuaaris oleva vee hulgast.
On olemas ka teist tüüpi hüdroelektrijaam, mida nimetatakse pump-akumulatsioonijaamaks. Tavapärases hüdroelektrijaamas voolab reservuaarist tulev vesi läbi jaama, väljub ja kandub allavoolu. Pump-akumulatsioonijaamal on kaks reservuaari:
Ülemine veehoidla – Nagu tavaline hüdroelektrijaam, loob tamm veehoidla. Selle veehoidla vesi voolab läbi hüdroelektrijaama, et toota elektrit.
Alumine veehoidla – Hüdroelektrijaamast väljuv vesi voolab alumisse veehoidlasse, selle asemel, et jõkke tagasi siseneda ja allavoolu voolata.
Pööratava turbiini abil saab tehas vett tagasi ülemisse reservuaari pumbata. Seda tehakse väljaspool tipptundi. Põhimõtteliselt täidab teine reservuaar ülemise reservuaari uuesti. Vee tagasi ülemisse reservuaari pumbates on tehasel tipptarbimise perioodidel rohkem vett elektri tootmiseks.
Generaator
Hüdroelektrijaama süda on generaator. Enamikul hüdroelektrijaamadel on mitu sellist generaatorit.
Nagu arvata võis, toodab generaator elektrit. Sel viisil elektri genereerimise põhiprotsess on pöörata juhtmete vahel mitu magnetit. See protsess liigutab elektrone, mis tekitab elektrivoolu.
Hooveri tammil on kokku 17 generaatorit, millest igaüks suudab toota kuni 133 megavatti. Hooveri tammi hüdroelektrijaama koguvõimsus on 2074 megavatti. Iga generaator koosneb teatud põhiosadest:
Turbiini pöörlemisel saadab ergastaja rootorile elektrivoolu. Rootor on suurte elektromagnetite seeria, mis pöörleb tihedalt keritud vasktraadist mähise, mida nimetatakse staatoriks, sees. Mähise ja magnetite vaheline magnetväli tekitab elektrivoolu.
Hooveri tammis liigub generaatorist trafosse 16 500 ampri suurune vool, kus see enne edastamist tõuseb 230 000 amprini.
Hüdroelektrijaamad kasutavad ära looduslikult toimuvat pidevat protsessi – protsessi, mis põhjustab vihma sadamist ja jõgede veetaseme tõusu. Iga päev kaotab meie planeet atmosfääri kaudu väikese koguse vett, kuna ultraviolettkiired lõhustavad veemolekule. Kuid samal ajal eraldub Maa sisemusest vulkaanilise tegevuse tõttu uut vett. Tekkiva vee hulk ja kaotatud vee hulk on umbes sama.
Igal ajahetkel esineb maailma vee kogumaht paljudes erinevates olekutes. See võib olla vedel, nagu ookeanides, jõgedes ja vihmas; tahke, nagu liustikes; või gaasiline, nagu õhus olev nähtamatu veeaur. Vesi muudab oma olekut, kui seda tuulevoolude abil planeedil liigutatakse. Tuulevoolud tekivad päikese soojendava aktiivsuse tõttu. Õhuvoolude tsüklid tekivad seetõttu, et päike paistab ekvaatoril rohkem kui planeedi teistes piirkondades.
Õhuvoolude tsüklid juhivad Maa veevarustust läbi omaette tsükli, mida nimetatakse hüdroloogiliseks tsükliks. Kui päike soojendab vedelat vett, aurustub vesi õhus auruks. Päike soojendab õhku, põhjustades õhu tõusu atmosfääris. Üleval on õhk külmem, seega jahtub veeaur tõustes ja kondenseerub piiskadeks. Kui ühte piirkonda koguneb piisavalt piisku, võivad need muutuda piisavalt raskeks, et sademetena Maale tagasi langeda.
Hüdroloogiline tsükkel on hüdroelektrijaamade jaoks oluline, kuna need sõltuvad veevoolust. Kui jaama lähedal vihma ei saja, ei kogune vesi ülesvoolu. Kui ülesvoolu vett ei kogune, voolab läbi hüdroelektrijaama vähem vett ja toodetakse vähem elektrit.
Hüdroenergia põhiidee on kasutada liikuva vedeliku jõudu turbiinilaba pööramiseks. Tavaliselt tuleb selle funktsiooni täitmiseks ehitada jõe keskele suur tamm. Uus leiutis kasutab hüdroenergia ideed palju väiksemas mahus, et toota elektrit kaasaskantavatele elektroonikaseadmetele.
Kanada Ontariost pärit leiutaja Robert Komarechka on tulnud välja ideega paigutada väikesed hüdrogeneraatorid kingade taldadesse. Ta usub, et need mikroturbiinid toodavad piisavalt elektrit peaaegu iga vidina toiteks. 2001. aasta mais sai Komarechka patendi oma ainulaadsele jalaga töötavale seadmele.
Meie kõndimisel on üks väga lihtne põhimõte: iga sammu ajal langeb jalg kannalt varvastele. Kui jalg maapinnale maandub, suunatakse jõud läbi kanna alla. Järgmiseks sammuks valmistudes veeretad jalga ettepoole, nii et jõud kandub üle jala päkale. Komarechka ilmselt märkas seda kõndimise põhiprintsiipi ja on välja töötanud idee, kuidas selle igapäevase tegevuse jõudu rakendada.
Komarechka patendikirjelduse kohaselt koosneb "hüdroelektrilise generaatori komplektiga jalatsitest" viis osa:
Vedelik – Süsteem kasutab elektrijuhtivat vedelikku.
Vedeliku hoidmiseks mõeldud kotid – üks kotike asetatakse kinga kannaosasse ja teine varbaosasse.
Kanalid – Kanalid ühendavad iga koti mikrogeneraatoriga.
Turbiin – Kui vesi talla sees edasi-tagasi liigub, paneb see liigutama pisikese turbiini labasid.
Mikrogeneraator – Generaator asub kahe vedelikuga täidetud kotikese vahel ja sisaldab labarootorit, mis ajab võlli ja paneb generaatorit pöörlema.
Kõndides surub kinga kannas asuvas kotis olev vedelik vedelikku läbi kanali hüdrogeneraatori moodulisse. Kui kasutaja jätkab kõndimist, tõuseb kand ja inimese jala päka all asuvale kotile avaldatakse allapoole suunatud survet. Vedeliku liikumine paneb rootori ja võlli pöörlema, et toota elektrit.
Kaasaskantava seadme juhtmete ühendamiseks on ette nähtud väline pistikupesa. Samuti võib olla ette nähtud toite juhtimise väljundseade, mida saab kanda vööl. Seejärel saab selle toite juhtimise väljundseadme külge ühendada elektroonilisi seadmeid, mis tagavad pideva elektrivarustuse.
„Akutoitel töötavate kaasaskantavate seadmete arvu suurenemisega,“ seisab patendis, „on üha suurem vajadus pakkuda kauakestvat, kohandatavat ja tõhusat elektriallikat.“ Komarechka loodab, et tema seadet hakatakse kasutama kaasaskantavate arvutite, mobiiltelefonide, CD-mängijate, GPS-vastuvõtjate ja kahesuunaliste raadiosaatjate toiteks.
Postituse aeg: 21. juuli 2022
