Maailmanlaajuisesti vesivoimalaitokset tuottavat noin 24 prosenttia maailman sähköstä ja toimittavat sähköä yli miljardille ihmiselle. Maailman vesivoimalaitokset tuottavat yhteensä 675 000 megawattia, mikä vastaa 3,6 miljardia barrelia öljyä, National Renewable Energy Laboratoryn mukaan. Yhdysvalloissa on toiminnassa yli 2 000 vesivoimalaitosta, mikä tekee vesivoimasta maan suurimman uusiutuvan energian lähteen.
Tässä artikkelissa tarkastelemme, miten putoava vesi luo energiaa, ja opimme hydrologisesta kierrosta, joka luo vesivoimalle välttämättömän veden virtauksen. Saat myös vilauksen yhdestä ainutlaatuisesta vesivoiman sovelluksesta, joka voi vaikuttaa jokapäiväiseen elämääsi.
Joen virtausta katsellessa on vaikea kuvitella sen kantamaa voimaa. Jos olet joskus laskenut koskenlaskua, olet varmasti tuntenut pienen osan joen voimasta. Koskikot syntyvät joesta, joka kuljettaa suuren määrän vettä alamäkeen ja muodostaa pullonkauloja kapean käytävän läpi. Kun joki pakotetaan tämän aukon läpi, sen virtaus kiihtyy. Tulvat ovat toinen esimerkki siitä, kuinka paljon voimaa valtava vesimäärä voi aiheuttaa.
Vesivoimalaitokset valjastavat veden energiaa ja käyttävät yksinkertaista mekaniikkaa muuntaakseen sen sähköksi. Vesivoimalaitokset perustuvat itse asiassa melko yksinkertaiseen konseptiin – padon läpi virtaava vesi pyörittää turbiinia, joka puolestaan pyörittää generaattoria.
Tässä ovat perinteisen vesivoimalaitoksen peruskomponentit:
Akseli, joka yhdistää turbiinin ja generaattorin
Pato – Useimmat vesivoimalaitokset käyttävät vettä pidättävää patoa, joka luo suuren tekojärven. Usein tätä tekojärveä käytetään virkistysjärvenä, kuten esimerkiksi Washingtonin osavaltiossa sijaitsevaa Grand Coulee -padolla sijaitsevaa Roosevelt-järveä.
Imuputki – Padon portit avautuvat ja painovoima vetää veden sulkuputken läpi, joka johtaa turbiiniin. Veden paine kasvaa sen virratessa tämän putken läpi.
Turbiini – Vesi iskee turbiinin suuriin lapoihin ja pyörittää niitä. Turbiini on kiinnitetty akselin avulla sen yläpuolella olevaan generaattoriin. Yleisin vesivoimalaitoksissa käytetty turbiinityyppi on Francis-turbiini, joka näyttää suurelta kiekolta, jossa on kaarevat lavat. Turbiini voi painaa jopa 172 tonnia ja pyöriä nopeudella 90 kierrosta minuutissa (rpm), Foundation for Water & Energy Educationin (FWEE) mukaan.
Generaattorit – Turbiinin lapojen pyöriessä myös generaattorin sisällä olevat magneetit pyörivät. Jättimäiset magneetit pyörivät kuparikäämien ohi ja tuottavat vaihtovirtaa (AC) liikuttamalla elektroneja. (Tutustut myöhemmin lisää generaattorin toiminnasta.)
Muuntaja – Voimalaitoksen sisällä oleva muuntaja ottaa vaihtovirran vastaan ja muuntaa sen korkeammaksi jännitteeksi.
Voimalinjat – Jokaisesta voimalaitoksesta lähtee neljä johdinta: kolme sähkön vaihetta tuotetaan samanaikaisesti sekä nollajohdin tai maadoitusjohdin, joka on yhteinen kaikille kolmelle. (Lue lisää sähkönjakeluverkkojen toiminnasta artikkelista Miten sähkönjakeluverkot toimivat.)
Ulosvirtaus – Käytetty vesi kuljetetaan putkistoja, joita kutsutaan alajuoksuiksi, pitkin ja palaa jokeen alavirtaan.
Säiliössä olevaa vettä pidetään varastoituna energiana. Kun portit avautuvat, paineilmaputken läpi virtaava vesi muuttuu kineettiseksi energiaksi, koska se on liikkeessä. Tuotetun sähkön määrä riippuu useista tekijöistä. Kaksi näistä tekijöistä on veden virtausmäärä ja hydraulinen paine. Paine viittaa veden pinnan ja turbiinien väliseen etäisyyteen. Painekorkeuden ja virtauksen kasvaessa myös tuotetun sähkön määrä kasvaa. Painekorkeus riippuu yleensä säiliössä olevan veden määrästä.
On olemassa toisenlainen vesivoimalaitos, jota kutsutaan pumppausvoimalaitokseksi. Perinteisessä vesivoimalaitoksessa säiliön vesi virtaa laitoksen läpi, poistuu ja kulkeutuu alavirtaan. Pumppuvoimalaitoksessa on kaksi säiliötä:
Ylempi tekojärvi – Kuten tavanomainen vesivoimalaitos, pato luo tekojärven. Tämän tekojärven vesi virtaa vesivoimalaitoksen läpi ja tuottaa sähköä.
Alempi tekojärvi – Vesivoimalaitoksesta poistuva vesi virtaa alempaan tekojärveen sen sijaan, että se palaisi jokeen ja virtaisi alavirtaan.
Käännettävän turbiinin avulla laitos voi pumpata vettä takaisin ylempään säiliöön. Tämä tehdään ruuhka-aikojen ulkopuolella. Pohjimmiltaan toinen säiliö täyttää ylemmän säiliön uudelleen. Pumppaamalla vettä takaisin ylempään säiliöön laitoksella on enemmän vettä sähkön tuottamiseen huippukulutuksen aikana.
Generaattori
Vesivoimalaitoksen sydän on generaattori. Useimmissa vesivoimalaitoksissa on useita näitä generaattoreita.
Kuten olet ehkä arvannut, generaattori tuottaa sähköä. Sähkön tuottamisen perusprosessi tällä tavalla on pyörittää sarjaa magneetteja lankakelojen sisällä. Tämä prosessi liikuttaa elektroneja, mikä tuottaa sähkövirtaa.
Hooverin padolla on yhteensä 17 generaattoria, joista jokainen voi tuottaa jopa 133 megawattia. Hooverin padon vesivoimalaitoksen kokonaiskapasiteetti on 2 074 megawattia. Jokainen generaattori koostuu tietyistä perusosista:
Turbiinin pyöriessä heräte lähettää sähkövirran roottoriin. Roottori on sarja suuria sähkömagneetteja, jotka pyörivät tiukasti kierretyn kuparilankakelan, jota kutsutaan staattoriksi, sisällä. Käämin ja magneettien välinen magneettikenttä luo sähkövirran.
Hooverin padolla 16 500 ampeerin virta kulkee generaattorista muuntajaan, jossa virta nousee 230 000 ampeeriin ennen siirtymistä.
Vesivoimalaitokset hyödyntävät luonnossa tapahtuvaa, jatkuvaa prosessia – prosessia, joka aiheuttaa sateita ja jokien nousua. Joka päivä planeettamme menettää pienen määrän vettä ilmakehän kautta, kun ultraviolettisäteet hajottavat vesimolekyylejä. Mutta samaan aikaan uutta vettä purkautuu maapallon sisäosista vulkaanisen toiminnan kautta. Syntyvän veden määrä ja menetetty veden määrä ovat suunnilleen sama.
Maailman vesivarannot ovat millä tahansa hetkellä monissa eri muodoissa. Se voi olla nestemäistä, kuten valtamerissä, joissa ja sateessa; kiinteää, kuten jäätiköissä; tai kaasumaista, kuten ilman näkymätöntä vesihöyryä. Vesi vaihtaa olomuotoaan, kun sitä liikuttaa planeetan ympäri tuulivirtausten vaikutuksesta. Tuulivirrat syntyvät auringon lämmittävästä toiminnasta. Ilman virtausten kiertokulut syntyvät, kun aurinko paistaa enemmän päiväntasaajalle kuin muille planeetan alueille.
Ilman virtauskierto ohjaa maapallon vesihuoltoa oman kiertokulkunsa läpi, jota kutsutaan hydrologiseksi kiertokuluksi. Kun aurinko lämmittää nestemäistä vettä, vesi haihtuu höyryksi ilmassa. Aurinko lämmittää ilmaa, jolloin ilman lämpötila nousee ilmakehässä. Ylempänä ilma on kylmempää, joten vesihöyryn noustessa se jäähtyy ja tiivistyy pisaroiksi. Kun riittävästi pisaroita kerääntyy yhteen kohtaan, pisaroista voi tulla niin painavia, että ne putoavat takaisin maan pinnalle sateena.
Hydrologinen kierto on tärkeä vesivoimalaitoksille, koska ne ovat riippuvaisia veden virtauksesta. Jos laitoksen lähellä ei ole sadetta, vesi ei keräänny ylävirtaan. Kun ylävirtaan ei keräänny vettä, vesivoimalaitoksen läpi virtaa vähemmän vettä ja sähköä tuotetaan vähemmän.
Vesivoiman perusajatuksena on käyttää liikkuvan nesteen voimaa turbiinin lavan pyörittämiseen. Tyypillisesti tämän toiminnon suorittamiseksi joen keskelle on rakennettava suuri pato. Uusi keksintö hyödyntää vesivoiman ideaa paljon pienemmässä mittakaavassa sähkön tuottamiseksi kannettaville elektronisille laitteille.
Kanadalainen keksijä Robert Komarechka on keksinyt sijoittaa pieniä vesivoimageneraattoreita kengänpohjiin. Hän uskoo, että nämä mikroturbiinit tuottavat tarpeeksi sähköä lähes minkä tahansa laitteen käyttämiseen. Toukokuussa 2001 Komarechka sai patentin ainutlaatuiselle jalkakäyttöiselle laitteelleen.
Kävelyssämme on hyvin perusperiaate: jalka laskeutuu kantapäästä varpaaseen jokaisella askeleella. Kun jalka laskeutuu maahan, voima välittyy alas kantapään kautta. Kun valmistaudut seuraavaan askeleeseesi, käännät jalkaasi eteenpäin, jolloin voima siirtyy päkiään. Komarechka ilmeisesti huomasi tämän kävelyn perusperiaatteen ja on kehittänyt idean valjastaa tämän jokapäiväisen toiminnan voiman.
Komarechkan "jalkineissa, joissa on vesivoimageneraattorikokoonpano", on viisi osaa, kuten sen patentissa kuvataan:
Neste – Järjestelmä käyttää sähköä johtavaa nestettä.
Nesteen pidättävät pussit – Yksi pussi asetetaan kengän kantapäähän ja toinen kärkiosaan.
Putket – Putket yhdistävät jokaisen pussin mikrogeneraattoriin.
Turbiini – Kun vesi liikkuu edestakaisin pohjassa, se liikuttaa pienen turbiinin lapoja.
Mikrogeneraattori – Generaattori sijaitsee kahden nesteellä täytetyn pussin välissä ja sisältää siipiroottorin, joka käyttää akselia ja pyörittää generaattoria.
Kävellessä kengän kantapäässä olevan pussin nesteen puristus pakottaa nesteen putken läpi vesigeneraattorimoduuliin. Kävellessä kantapää nousee ja päkiän alla olevaan pussiin kohdistuu alaspäin suuntautuva paine. Nesteen liike pyörittää roottoria ja akselia, jolloin syntyy sähköä.
Ulkoinen pistorasia on tarkoitettu kannettavan laitteen johtojen kytkemiseen. Käyttäjä voi myös käyttää vyöllä pidettävää virransäätöyksikköä. Tähän virransäätöyksikköön voidaan liittää elektronisia laitteita, jotka tarjoavat tasaisen virransyötön.
”Akkukäyttöisten kannettavien laitteiden määrän kasvun myötä”, patentissa todetaan, ”on kasvava tarve tarjota pitkäikäinen, mukautuva ja tehokas sähkölähde.” Komarechka odottaa, että hänen laitettaan käytetään kannettavien tietokoneiden, matkapuhelimien, CD-soittimien, GPS-vastaanottimien ja radiopuhelinten virranlähteenä.
Julkaisun aika: 21.7.2022
