Világszerte a vízerőművek a világ villamosenergia-termelésének mintegy 24 százalékát termelik, és több mint 1 milliárd embert látnak el árammal. A világ vízerőművei összesen 675 000 megawattot termelnek, ami 3,6 milliárd hordó olaj energiamennyiségének felel meg a Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium adatai szerint. Az Egyesült Államokban több mint 2000 vízerőmű működik, így a vízenergia az ország legnagyobb megújuló energiaforrása.
Ebben a cikkben megvizsgáljuk, hogyan termel energiát a leeső víz, és megismerkedünk a hidrológiai ciklussal, amely létrehozza a vízenergia-termeléshez elengedhetetlen vízáramlást. Emellett bepillantást nyerhet a vízenergia egy egyedi alkalmazásába is, amely befolyásolhatja a mindennapi életünket.
Amikor egy folyó hömpölyögését nézzük, nehéz elképzelni, mekkora erőt hordoz. Ha valaha is vadvízi eveztünk, akkor már éreztük a folyó erejének egy kis részét. A vadvízi zuhatagok folyóként jönnek létre, nagy mennyiségű vizet szállítva lefelé, szűk keresztmetszeteket képezve egy keskeny átjárón keresztül. Ahogy a folyó áttöri magát ezen a nyíláson, az áramlása felgyorsul. Az áradások egy másik példa arra, hogy mekkora erővel bírhat egy hatalmas vízmennyiség.
A vízerőművek a víz energiáját hasznosítják, és egyszerű mechanikát alkalmaznak az elektromos árammá alakítására. A vízerőművek valójában egy meglehetősen egyszerű koncepción alapulnak – a gáton átfolyó víz megforgat egy turbinát, ami pedig megforgat egy generátort.
Íme egy hagyományos vízerőmű alapvető alkotóelemei:
Gát – A legtöbb vízerőmű egy gátra támaszkodik, amely visszatartja a vizet, és így nagy víztározót hoz létre. Ezt a víztározót gyakran rekreációs tóként használják, mint például a Washington állambeli Grand Coulee-gátnál található Roosevelt-tó.
Beömlőnyílás – A gát zsilipjei kinyílnak, és a gravitáció a vizet a nyomócsőön, a turbinához vezető csővezetéken keresztül húzza. A csövön keresztül áramlás közben a víz nyomást gyakorol.
Turbina – A víz a turbina nagy lapátjait csapja be és forgatja azokat, amelyek egy tengely segítségével egy felette lévő generátorhoz vannak csatlakoztatva. A vízerőművekben a leggyakoribb turbinatípus a Francis-turbina, amely egy nagy, görbe lapátokkal ellátott korongra hasonlít. A Víz- és Energiaoktatási Alapítvány (FWEE) szerint egy turbina akár 172 tonnát is nyomhat, és percenként 90 fordulat/perc (rpm) sebességgel foroghat.
Generátorok – Ahogy a turbinalapátok forognak, úgy forog a generátor belsejében lévő mágnesek sorozata is. Óriásmágnesek forognak réztekercsek mellett, elektronok mozgatásával váltakozó áramot (AC) termelve. (Később többet is megtudhatsz a generátor működéséről.)
Transzformátor – Az erőműben található transzformátor a váltakozó áramot nagyobb feszültségű árammá alakítja.
Távvezetékek – Minden erőműből négy vezeték indul ki: a három fázis egyszerre termelődik, plusz egy mindhárom fázisban közös nullavezeték vagy földvezeték. (Olvassa el az Energiaelosztó Hálózatok működése című cikket, ha többet szeretne megtudni a távvezetékes átvitelről.)
Kifolyás – A használt víz csővezetékeken, úgynevezett alvízcsatornákon keresztül jut el a folyóba, és visszafolyik az alsó folyásirányban.
A tartályban lévő víz tárolt energiának tekinthető. Amikor a zsilipek kinyílnak, a nyomócsőn átáramló víz mozgási energiává válik. A termelt villamos energia mennyiségét több tényező határozza meg. Ezek közül kettő a vízhozam és a hidraulikus nyomás nagysága. A nyomás a vízfelszín és a turbinák közötti távolságra utal. Ahogy a nyomás és az áramlás növekszik, úgy nő a termelt villamos energia is. A nyomás általában a tartályban lévő víz mennyiségétől függ.
Létezik egy másik típusú vízerőmű is, az úgynevezett szivattyús-tározós erőmű. Egy hagyományos vízerőműben a víztározóból származó víz átfolyik az erőműön, kilép, és a folyásiránnyal ellentétes irányba halad. Egy szivattyús-tározós erőműnek két tározója van:
Felső víztározó – A hagyományos vízerőművekhez hasonlóan a gát is víztározót hoz létre. A víztározóban lévő víz átfolyik a vízerőműön, így termelve áramot.
Alsó víztározó – A vízerőműből kilépő víz egy alsó víztározóba folyik, ahelyett, hogy visszakerülne a folyóba és lefolyna a folyásirányban.
Egy megfordítható turbina segítségével az erőmű vissza tudja szivattyúzni a vizet a felső tározóba. Ez csúcsidőn kívül történik. Lényegében a második tározó újratölti a felső tározót. A víz felső tározóba való visszaszivattyúzásával az erőműnek több vize van áramtermelésre a csúcsfogyasztási időszakokban.
A generátor
A vízerőmű szíve a generátor. A legtöbb vízerőmű több ilyen generátorral rendelkezik.
A generátor, ahogy talán sejted, termeli az elektromosságot. Az ilyen módon történő áramtermelés alapvető folyamata az, hogy egy sor mágnest forgatnak huzaltekercsekben. Ez a folyamat elektronokat mozgat, ami elektromos áramot termel.
A Hoover-gát összesen 17 generátorral rendelkezik, amelyek mindegyike akár 133 megawattot is képes termelni. A Hoover-gát vízerőművének teljes kapacitása 2074 megawatt. Minden generátor bizonyos alapvető alkatrészekből áll:
Tengely
Gerjesztő
Forgórész
Állórész
Ahogy a turbina forog, a gerjesztő elektromos áramot küld a rotornak. A rotor egy sor nagy elektromágnes, amelyek egy szorosan feltekercselt rézhuzal tekercsben, az úgynevezett állórészben forognak. A tekercs és a mágnesek közötti mágneses mező elektromos áramot hoz létre.
A Hoover-gátnál 16 500 amperes áram halad a generátortól a transzformátorig, ahol az áram 230 000 amperre nő, mielőtt továbbadnák.
A vízerőművek egy természetesen előforduló, folyamatos folyamatot használnak ki – azt, amely esőt és folyók vízszintjének emelkedését okozza. Bolygónk minden nap kis mennyiségű vizet veszít a légkörön keresztül, mivel az ultraibolya sugarak szétbontják a vízmolekulákat. Ugyanakkor a Föld belsejéből vulkáni tevékenység révén új víz távozik. A keletkezett víz mennyisége és az elvesztett víz mennyisége nagyjából megegyezik.
A világ teljes vízkészlete bármikor számos különböző halmazállapotban létezik. Lehet folyékony, mint például az óceánokban, folyókban és az esőben; szilárd, mint a gleccserekben; vagy gáznemű, mint a levegőben lévő láthatatlan vízgőz. A víz halmazállapotot változtat, miközben a széláramlatok mozgatják a bolygón. A széláramlatok a Nap melegítő tevékenysége által keletkeznek. A légáramlási ciklusokat az hozza létre, hogy a Nap jobban süt az Egyenlítőre, mint a bolygó más területeire.
A légáramlási ciklusok a Föld vízellátását egy saját cikluson keresztül hajtják, amelyet hidrológiai ciklusnak neveznek. Ahogy a Nap felmelegíti a folyékony vizet, a víz gőzzé párolog a levegőben. A Nap felmelegíti a levegőt, aminek következtében a levegő felemelkedik a légkörben. A levegő feljebb hidegebb, így ahogy a vízgőz felemelkedik, lehűl, és cseppekké kondenzálódik. Amikor elegendő csepp gyűlik össze egy területen, a cseppek elég nehézzé válhatnak ahhoz, hogy csapadékként visszaesszenek a Földre.
A hidrológiai ciklus fontos a vízerőművek számára, mivel azok a víz áramlásától függenek. Ha az erőmű közelében nincs eső, a víz nem gyűlik össze a folyásiránnyal szemben. Ha nem gyűlik össze a víz a folyásiránnyal szemben, kevesebb víz áramlik át a vízerőműn, és kevesebb villamos energia termelődik.
Közzététel ideje: 2021. július 7.
