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 hulló 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:
A tengely, amely összeköti a turbinát és a generátort
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:
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.
A vízenergia alapötlete egy mozgó folyadék erejének felhasználása egy turbinalapát forgatására. Jellemzően egy nagy gátat kell építeni a folyó közepére ennek a funkciónak az ellátásához. Egy új találmány a vízenergia ötletét használja ki sokkal kisebb léptékben, hogy áramot biztosítson hordozható elektronikus eszközökhöz.
A kanadai Ontario feltalálója, Robert Komarechka azzal az ötlettel állt elő, hogy kis vízerőműveket helyezzenek a cipőtalpba. Úgy véli, hogy ezek a mikroturbinák elegendő áramot termelnek majd szinte bármilyen kütyü működtetéséhez. 2001 májusában Komarechka szabadalmat kapott egyedi, lábbal hajtott eszközére.
Van egy nagyon alapvető elve a járásnak: A láb minden lépésnél sarokkal a lábujjakhoz ér. Amikor a láb a talajra érkezik, az erő a sarkon keresztül jut le. Amikor a következő lépésre készülsz, előre gurítod a lábad, így az erő a talppárnádra hárul. Komarechka nyilvánvalóan észrevette a járásnak ezt az alapelvét, és kidolgozott egy ötletet, hogyan lehetne kihasználni ennek a mindennapi tevékenységnek az erejét.
A Komarechka szabadalmában leírtak szerint öt részből áll a „vízi generátorral szerelt lábbeli”:
Folyadék – A rendszer elektromosan vezető folyadékot fog használni.
Zsákok a folyadék tárolására – Az egyik zsákot a cipő sarokjába, a másikat pedig a lábujj részébe helyezik.
Vezetők – Vezetők kötik össze az egyes zsákokat egy mikrogenerátorral.
Turbina – Ahogy a víz oda-vissza mozog a talpban, egy apró turbina lapátjait mozgatja.
Mikrogenerátor – A generátor a két folyadékkal töltött zsák között található, és egy lapátos rotort tartalmaz, amely egy tengelyt hajt és forgatja a generátort.
Ahogy a személy jár, a cipő sarkában található zsákban lévő folyadék összenyomódása a folyadékot a csövön keresztül a hidroelektromos generátor modulba kényszeríti. Ahogy a felhasználó továbbmegy, a sarok megemelkedik, és lefelé irányuló nyomás nehezedik a zsákra a személy talpa alatt. A folyadék mozgása forgatja a rotort és a tengelyt, ami elektromosságot termel.
Egy külső aljzat lesz biztosítva a vezetékek hordozható eszközhöz való csatlakoztatásához. Lehetséges, hogy egy teljesítményszabályozó kimeneti egységet is felszerelnek, amelyet a felhasználó az övén viselhet. Ehhez a teljesítményszabályozó kimeneti egységhez elektronikus eszközök csatlakoztathatók, amelyek folyamatos áramellátást biztosítanak.
„Az elemes, hordozható eszközök számának növekedésével” – áll a szabadalomban – „egyre nagyobb igény mutatkozik egy hosszú élettartamú, alkalmazkodóképes és hatékony áramforrásra.” Komarechka arra számít, hogy eszközét hordozható számítógépek, mobiltelefonok, CD-lejátszók, GPS-vevők és kétirányú rádiók áramellátására fogják használni.
Közzététel ideje: 2022. július 21.
