نحوه کار نیروگاه‌های برق آبی

در سراسر جهان، نیروگاه‌های برق آبی حدود ۲۴ درصد از برق جهان را تولید می‌کنند و به بیش از ۱ میلیارد نفر برق می‌دهند. طبق گزارش آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر، نیروگاه‌های برق آبی جهان در مجموع ۶۷۵۰۰۰ مگاوات برق تولید می‌کنند که معادل انرژی ۳.۶ میلیارد بشکه نفت است. بیش از ۲۰۰۰ نیروگاه برق آبی در ایالات متحده فعال هستند که انرژی برق آبی را به بزرگترین منبع انرژی تجدیدپذیر این کشور تبدیل می‌کند.
در این مقاله، نگاهی خواهیم انداخت به اینکه چگونه آب در حال سقوط انرژی تولید می‌کند و در مورد چرخه هیدرولوژیکی که جریان آب ضروری برای انرژی آبی را ایجاد می‌کند، مطالبی خواهیم آموخت. همچنین نگاهی اجمالی به یکی از کاربردهای منحصر به فرد انرژی آبی خواهیم داشت که ممکن است بر زندگی روزمره شما تأثیر بگذارد.
هنگام تماشای رودخانه‌ای که در حال عبور است، تصور نیرویی که حمل می‌کند دشوار است. اگر تا به حال در آب‌های خروشان قایق‌سواری کرده باشید، بخش کوچکی از قدرت رودخانه را احساس کرده‌اید. تنداب‌های آب خروشان به صورت رودخانه‌ای ایجاد می‌شوند که مقدار زیادی آب را از طریق یک گذرگاه باریک به پایین تپه حمل می‌کنند. با عبور رودخانه از این دهانه، جریان آن تسریع می‌شود. سیل نمونه دیگری از نیرویی است که حجم عظیمی از آب می‌تواند داشته باشد.
نیروگاه‌های برق آبی انرژی آب را مهار می‌کنند و از مکانیک ساده‌ای برای تبدیل آن انرژی به برق استفاده می‌کنند. نیروگاه‌های برق آبی در واقع بر اساس یک مفهوم نسبتاً ساده بنا شده‌اند - آبی که از سد عبور می‌کند، توربین را می‌چرخاند و توربین نیز ژنراتور را به حرکت در می‌آورد.

اجزای اصلی یک نیروگاه برق آبی معمولی عبارتند از:
سد - بیشتر نیروگاه‌های برق آبی به سدی متکی هستند که آب را نگه می‌دارد و یک مخزن بزرگ ایجاد می‌کند. اغلب، این مخزن به عنوان یک دریاچه تفریحی استفاده می‌شود، مانند دریاچه روزولت در سد گرند کولی در ایالت واشنگتن.
ورودی آب - دریچه‌های سد باز می‌شوند و نیروی جاذبه، آب را از طریق دریچه آبگیر، خط لوله‌ای که به توربین منتهی می‌شود، می‌کشد. آب با جریان یافتن در این لوله، فشار ایجاد می‌کند.
توربین - آب به پره‌های بزرگ یک توربین که از طریق یک شفت به ژنراتوری در بالای آن متصل است، برخورد کرده و آنها را می‌چرخاند. رایج‌ترین نوع توربین برای نیروگاه‌های برق آبی، توربین فرانسیس است که شبیه یک دیسک بزرگ با پره‌های خمیده است. طبق گفته بنیاد آموزش آب و انرژی (FWEE)، یک توربین می‌تواند تا ۱۷۲ تن وزن داشته باشد و با سرعت ۹۰ دور در دقیقه بچرخد.
ژنراتورها - همزمان با چرخش پره‌های توربین، مجموعه‌ای از آهنرباها درون ژنراتور نیز می‌چرخند. آهنرباهای غول‌پیکر از میان کویل‌های مسی می‌چرخند و با حرکت الکترون‌ها، جریان متناوب (AC) تولید می‌کنند. (بعداً در مورد نحوه کار ژنراتور بیشتر خواهید آموخت.)
ترانسفورماتور - ترانسفورماتور داخل نیروگاه، جریان متناوب (AC) را دریافت کرده و آن را به جریان با ولتاژ بالاتر تبدیل می‌کند.
خطوط برق - از هر نیروگاه چهار سیم خارج می‌شود: سه فاز برق که همزمان تولید می‌شوند به علاوه یک نول یا زمین مشترک برای هر سه. (برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد انتقال خطوط برق، «نحوه کار شبکه‌های توزیع برق» را بخوانید.)
جریان خروجی - آب استفاده شده از طریق خطوط لوله، به نام خطوط لوله فرعی، حمل می‌شود و دوباره وارد رودخانه در پایین دست می‌شود.
آب موجود در مخزن، انرژی ذخیره شده در نظر گرفته می‌شود. وقتی دریچه‌ها باز می‌شوند، آبی که از طریق دریچه آبگیر جریان می‌یابد، به دلیل حرکت، به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. مقدار برق تولید شده توسط چندین عامل تعیین می‌شود. دو مورد از این عوامل، حجم جریان آب و میزان هد هیدرولیکی است. هد به فاصله بین سطح آب و توربین‌ها اشاره دارد. با افزایش هد و جریان، برق تولید شده نیز افزایش می‌یابد. هد معمولاً به مقدار آب موجود در مخزن بستگی دارد.

نوع دیگری از نیروگاه برق آبی وجود دارد که نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای نامیده می‌شود. در یک نیروگاه برق آبی معمولی، آب مخزن از میان نیروگاه عبور می‌کند، خارج می‌شود و به پایین دست رودخانه منتقل می‌شود. یک نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای دو مخزن دارد:
مخزن بالایی - مانند یک نیروگاه برق آبی معمولی، یک سد یک مخزن ایجاد می‌کند. آب موجود در این مخزن از طریق نیروگاه برق آبی جریان می‌یابد تا برق تولید کند.
مخزن پایینی - آبی که از نیروگاه برق آبی خارج می‌شود به جای اینکه دوباره وارد رودخانه شود و به پایین دست جریان یابد، به مخزن پایینی جریان می‌یابد.
با استفاده از یک توربین برگشت‌پذیر، این نیروگاه می‌تواند آب را به مخزن بالایی پمپ کند. این کار در ساعات غیر اوج مصرف انجام می‌شود. اساساً، مخزن دوم، مخزن بالایی را دوباره پر می‌کند. با پمپ کردن آب به مخزن بالایی، نیروگاه در دوره‌های اوج مصرف، آب بیشتری برای تولید برق خواهد داشت.

ژنراتور
قلب نیروگاه برق آبی، ژنراتور است. اکثر نیروگاه‌های برق آبی چندین عدد از این ژنراتورها را دارند.
همانطور که احتمالاً حدس زده‌اید، ژنراتور برق تولید می‌کند. فرآیند اساسی تولید برق به این روش، چرخاندن یک سری آهنربا درون سیم‌پیچ‌ها است. این فرآیند الکترون‌ها را حرکت می‌دهد که جریان الکتریکی تولید می‌کند.
سد هوور در مجموع ۱۷ ژنراتور دارد که هر کدام می‌توانند تا ۱۳۳ مگاوات برق تولید کنند. ظرفیت کل نیروگاه برق آبی سد هوور ۲۰۷۴ مگاوات است. هر ژنراتور از قطعات اساسی خاصی ساخته شده است:
شفت
محرک
روتور
استاتور
با چرخش توربین، محرک جریان الکتریکی را به روتور ارسال می‌کند. روتور مجموعه‌ای از آهنرباهای الکتریکی بزرگ است که درون یک سیم‌پیچ مسی محکم به نام استاتور می‌چرخد. میدان مغناطیسی بین سیم‌پیچ و آهنرباها جریان الکتریکی ایجاد می‌کند.
در سد هوور، جریانی معادل ۱۶۵۰۰ آمپر از ژنراتور به ترانسفورماتور منتقل می‌شود، جایی که جریان قبل از انتقال به ۲۳۰۰۰۰ آمپر افزایش می‌یابد.

نیروگاه‌های برق آبی از یک فرآیند طبیعی و مداوم بهره می‌برند - فرآیندی که باعث بارش باران و بالا آمدن آب رودخانه‌ها می‌شود. هر روز، سیاره ما مقدار کمی آب را از طریق جو از دست می‌دهد، زیرا اشعه ماوراء بنفش مولکول‌های آب را از هم جدا می‌کند. اما در عین حال، آب جدیدی از قسمت داخلی زمین از طریق فعالیت آتشفشانی ساطع می‌شود. مقدار آب ایجاد شده و مقدار آب از دست رفته تقریباً یکسان است.
در هر زمان، حجم کل آب جهان به اشکال مختلفی وجود دارد. می‌تواند مایع باشد، مانند اقیانوس‌ها، رودخانه‌ها و باران؛ جامد باشد، مانند یخچال‌های طبیعی؛ یا گازی باشد، مانند بخار آب نامرئی در هوا. آب هنگام جابجایی در اطراف سیاره توسط جریان‌های باد تغییر حالت می‌دهد. جریان‌های باد توسط فعالیت گرمایشی خورشید ایجاد می‌شوند. چرخه‌های جریان هوا توسط تابش بیشتر خورشید بر خط استوا نسبت به سایر مناطق سیاره ایجاد می‌شوند.
چرخه‌های جریان هوا، منابع آب زمین را از طریق چرخه‌ای به نام چرخه هیدرولوژیکی هدایت می‌کنند. با گرم شدن آب مایع توسط خورشید، آب در هوا تبخیر شده و به بخار تبدیل می‌شود. خورشید هوا را گرم می‌کند و باعث می‌شود هوا در جو بالا برود. هوا در ارتفاعات سردتر است، بنابراین با بالا رفتن بخار آب، سرد شده و به قطرات تبدیل می‌شود. وقتی قطرات کافی در یک منطقه جمع شوند، قطرات ممکن است به اندازه کافی سنگین شوند که به صورت بارش به زمین برگردند.
چرخه هیدرولوژیکی برای نیروگاه‌های برق آبی مهم است زیرا آنها به جریان آب وابسته هستند. اگر در نزدیکی نیروگاه باران نبارد، آب در بالادست جمع نمی‌شود. بدون جمع شدن آب در بالادست، آب کمتری در نیروگاه برق آبی جریان می‌یابد و برق کمتری تولید می‌شود.