Hidroelektrane diljem svijeta proizvode oko 24 posto svjetske električne energije i opskrbljuju više od milijardu ljudi energijom. Prema Nacionalnom laboratoriju za obnovljivu energiju, svjetske hidroelektrane proizvode ukupno 675.000 megavata, što je energetski ekvivalent 3,6 milijardi barela nafte. U Sjedinjenim Državama radi više od 2000 hidroelektrana, što hidroenergiju čini najvećim obnovljivim izvorom energije u zemlji.
U ovom ćemo članku pogledati kako padajuća voda stvara energiju i saznati više o hidrološkom ciklusu koji stvara protok vode neophodan za hidroenergiju. Također ćete dobiti uvid u jednu jedinstvenu primjenu hidroenergije koja može utjecati na vaš svakodnevni život.
Kada gledate kako rijeka teče, teško je zamisliti snagu koju nosi. Ako ste ikada bili na raftingu na divljim vodama, onda ste osjetili mali dio snage rijeke. Brzaci na divljim vodama nastaju kada rijeka nosi veliku količinu vode nizbrdo, stvarajući uska grla kroz uski prolaz. Kako se rijeka probija kroz taj otvor, njezin tok se ubrzava. Poplave su još jedan primjer koliku silu može imati ogromna količina vode.
Hidroelektrane iskorištavaju energiju vode i koriste jednostavne mehanike za pretvaranje te energije u električnu energiju. Hidroelektrane se zapravo temelje na prilično jednostavnom konceptu - voda koja teče kroz branu okreće turbinu, koja okreće generator.
Evo osnovnih komponenti konvencionalne hidroelektrane:
Osovina koja spaja turbinu i generator
Brana – Većina hidroelektrana oslanja se na branu koja zadržava vodu, stvarajući veliki rezervoar. Često se ovaj rezervoar koristi kao rekreacijsko jezero, poput jezera Roosevelt na brani Grand Coulee u državi Washington.
Usis – Zapornice na brani se otvaraju i gravitacija povlači vodu kroz cjevovod, cjevovod koji vodi do turbine. Voda stvara tlak dok teče kroz ovu cijev.
Turbina – Voda udara i okreće velike lopatice turbine, koja je osovinom pričvršćena za generator iznad nje. Najčešći tip turbine za hidroelektrane je Francisova turbina, koja izgleda kao veliki disk sa zakrivljenim lopaticama. Turbina može težiti i do 172 tone i okretati se brzinom od 90 okretaja u minuti (rpm), prema Zakladi za obrazovanje o vodi i energiji (FWEE).
Generatori – Kako se lopatice turbine okreću, okreće se i niz magneta unutar generatora. Divovski magneti okreću se oko bakrenih zavojnica, proizvodeći izmjeničnu struju (AC) pomicanjem elektrona. (Više o tome kako generator radi saznat ćete kasnije.)
Transformator – Transformator unutar elektrane prima izmjeničnu struju i pretvara je u struju višeg napona.
Dalekovodi – Iz svake elektrane izlaze četiri žice: tri faze energije koje se proizvode istovremeno plus neutralni vod ili uzemljenje zajedničko za sve tri. (Pročitajte Kako funkcioniraju mreže za distribuciju električne energije kako biste saznali više o prijenosu dalekovodima.)
Odvod – Iskorištena voda se provodi cjevovodima, koji se nazivaju odvodni kanali, i ponovno ulazi u rijeku nizvodno.
Voda u rezervoaru smatra se pohranjenom energijom. Kada se zatvarači otvore, voda koja teče kroz cjevovod postaje kinetička energija jer se kreće. Količina proizvedene električne energije određena je nekoliko čimbenika. Dva od tih čimbenika su volumen protoka vode i količina hidrauličkog tlaka. Tlak se odnosi na udaljenost između površine vode i turbina. Kako se tlak i protok povećavaju, tako se povećava i proizvedena električna energija. Tlak obično ovisi o količini vode u rezervoaru.
Postoji još jedna vrsta hidroelektrane, nazvana reverzibilna hidroelektrana. U konvencionalnoj hidroelektrani voda iz rezervoara teče kroz elektranu, izlazi i nosi se nizvodno. Reverzibilna hidroelektrana ima dva rezervoara:
Gornji rezervoar – Poput konvencionalne hidroelektrane, brana stvara rezervoar. Voda u ovom rezervoaru teče kroz hidroelektranu i proizvodi električnu energiju.
Donji rezervoar – Voda koja izlazi iz hidroelektrane teče u donji rezervoar umjesto da se ponovno ulijeva u rijeku i teče nizvodno.
Pomoću reverzibilne turbine, postrojenje može pumpati vodu natrag u gornji rezervoar. To se radi izvan vršnih sati. U osnovi, drugi rezervoar puni gornji rezervoar. Pumpanjem vode natrag u gornji rezervoar, postrojenje ima više vode za proizvodnju električne energije tijekom razdoblja vršne potrošnje.
Generator
Srce hidroelektrane je generator. Većina hidroelektrana ima nekoliko takvih generatora.
Generator, kao što ste mogli pretpostaviti, generira električnu energiju. Osnovni proces generiranja električne energije na ovaj način je rotacija niza magneta unutar zavojnica žice. Ovaj proces pomiče elektrone, što proizvodi električnu struju.
Hooverova brana ima ukupno 17 generatora, od kojih svaki može generirati do 133 megavata. Ukupni kapacitet hidroelektrane Hooverove brane je 2074 megavata. Svaki generator je napravljen od određenih osnovnih dijelova:
Dok se turbina okreće, pobudni element šalje električnu struju rotoru. Rotor je niz velikih elektromagneta koji se okreću unutar čvrsto namotane zavojnice od bakrene žice, koja se naziva stator. Magnetsko polje između zavojnice i magneta stvara električnu struju.
U Hooverovoj brani, struja od 16 500 ampera teče od generatora do transformatora, gdje struja raste do 230 000 ampera prije nego što se prenese.
Hidroelektrane koriste prirodni, kontinuirani proces - proces koji uzrokuje padanje kiše i porast rijeka. Svaki dan naš planet gubi malu količinu vode kroz atmosferu jer ultraljubičaste zrake razgrađuju molekule vode. Ali istovremeno, nova voda se emitira iz unutrašnjosti Zemlje kroz vulkansku aktivnost. Količina stvorene vode i količina izgubljene vode je otprilike ista.
U bilo kojem trenutku, ukupna količina vode na svijetu nalazi se u mnogo različitih oblika. Može biti tekuća, kao u oceanima, rijekama i kiši; kruta, kao u ledenjacima; ili plinovita, kao u nevidljivoj vodenoj pari u zraku. Voda mijenja agregatna stanja dok je vjetrovne struje kreću po planetu. Vjetrovne struje nastaju zagrijavanjem Sunca. Ciklusi zračnih struja nastaju kada Sunce više sja na ekvatoru nego na drugim područjima planeta.
Ciklusi zračnih struja pokreću Zemljinu zalihu vode kroz vlastiti ciklus, nazvan hidrološki ciklus. Kako sunce zagrijava tekuću vodu, ona isparava u paru u zraku. Sunce zagrijava zrak, uzrokujući uspon zraka u atmosferi. Zrak je hladniji na višim visinama, pa se vodena para, kako se diže, hladi i kondenzira u kapljice. Kada se dovoljno kapljica nakupi na jednom području, kapljice mogu postati dovoljno teške da padnu natrag na Zemlju kao oborina.
Hidrološki ciklus je važan za hidroelektrane jer ovise o protoku vode. Ako u blizini elektrane nema kiše, voda se neće skupljati uzvodno. Bez sakupljanja vode uzvodno, manje vode teče kroz hidroelektranu i proizvodi se manje električne energije.
Osnovna ideja hidroenergije je korištenje snage pokretne tekućine za okretanje lopatica turbine. Obično se velika brana mora izgraditi usred rijeke kako bi se izvršila ta funkcija. Novi izum iskorištava ideju hidroenergije u mnogo manjem opsegu kako bi osigurao električnu energiju za prijenosne elektroničke uređaje.
Izumitelj Robert Komarechka iz Ontarija u Kanadi došao je na ideju postavljanja malih hidroelektrana u potplate cipela. Vjeruje da će ove mikroturbine generirati dovoljno električne energije za napajanje gotovo svakog uređaja. U svibnju 2001. Komarechka je dobio patent za svoj jedinstveni uređaj koji se pokreće nogama.
Postoji vrlo osnovni princip hodanja: stopalo pada od pete do prstiju tijekom svakog koraka. Kada stopalo doskoči na tlo, sila se prenosi kroz petu. Kada se pripremate za sljedeći korak, kotrljate stopalo prema naprijed, tako da se sila prenosi na jagodicu stopala. Komarečka je očito primijetio ovaj osnovni princip hodanja i razvio ideju kako iskoristiti snagu ove svakodnevne aktivnosti.
Komarečkina "obuća s hidroelektričnim generatorom" sastoji se od pet dijelova, kako je opisano u patentu:
Tekućina – Sustav će koristiti električno vodljivu tekućinu.
Vrećice za zadržavanje tekućine – Jedna vrećica se nalazi u peti, a druga u dijelu cipele za prste.
Cjevovodi – Cjevovodi povezuju svaku vrećicu s mikrogeneratorom.
Turbina – Kako se voda kreće naprijed-natrag u potplatu, ona pokreće lopatice male turbine.
Mikrogenerator – Generator se nalazi između dvije vreće ispunjene tekućinom i uključuje rotor s lopaticama koji pokreće osovinu i okreće generator.
Dok osoba hoda, kompresija tekućine u vrećici koja se nalazi u peti cipele potiskuje tekućinu kroz kanal i u modul hidroelektričnog generatora. Kako korisnik nastavlja hodati, peta će se podići i pritisak prema dolje će se vršiti na vrećicu ispod jastučića stopala. Kretanje tekućine će rotirati rotor i osovinu kako bi se proizvela električna energija.
Vanjska utičnica bit će predviđena za spajanje žica na prijenosni uređaj. Može se predvidjeti i izlazna jedinica za upravljanje napajanjem koja se nosi na korisnikovom pojasu. Elektronički uređaji tada se mogu priključiti na ovu izlaznu jedinicu za upravljanje napajanjem, što će osigurati stalnu opskrbu električnom energijom.
„S porastom broja prijenosnih uređaja na baterije“, stoji u patentu, „postoji sve veća potreba za dugotrajnim, prilagodljivim i učinkovitim izvorom električne energije.“ Komarečka očekuje da će se njegov uređaj koristiti za napajanje prijenosnih računala, mobitela, CD playera, GPS prijemnika i dvosmjernih radio stanica.
Vrijeme objave: 21. srpnja 2022.
