Ինչպես են աշխատում հիդրոէլեկտրակայանները

Աշխարհում հիդրոէլեկտրակայանները արտադրում են աշխարհի էլեկտրաէներգիայի մոտ 24 տոկոսը և էլեկտրաէներգիա են մատակարարում ավելի քան 1 միլիարդ մարդու: Ազգային վերականգնվող էներգիայի լաբորատորիայի տվյալներով՝ աշխարհի հիդրոէլեկտրակայանները համակցված արտադրում են 675,000 մեգավատտ հզորություն, որը համարժեք է 3.6 միլիարդ բարել նավթի: Միացյալ Նահանգներում գործում է ավելի քան 2000 հիդրոէլեկտրակայան, ինչը հիդրոէլեկտրակայանը դարձնում է երկրի ամենամեծ վերականգնվող էներգիայի աղբյուրը:
Այս հոդվածում մենք կանդրադառնանք, թե ինչպես է ջրի անկումը էներգիա ստեղծում և կծանոթանանք հիդրոլոգիական ցիկլին, որը ստեղծում է հիդրոէլեկտրաէներգիայի համար անհրաժեշտ ջրի հոսքը: Դուք նաև կծանոթանաք հիդրոէլեկտրաէներգիայի մեկ եզակի կիրառմանը, որը կարող է ազդել ձեր առօրյա կյանքի վրա:
Երբ դիտում եք գետի հոսանքը, դժվար է պատկերացնել, թե ինչ ուժ է այն կրում։ Եթե երբևէ զբաղվել եք սպիտակ ջրերի լաստանավարկությամբ, ապա զգացել եք գետի ուժի մի փոքր մասը։ Սպիտակ ջրերի արագընթաց հոսանքները առաջանում են գետի ժամանակ, որը մեծ քանակությամբ ջուր է տանում իջնելով, նեղ անցուղով խցանումներ առաջացնելով։ Երբ գետը ստիպողաբար անցնում է այս բացվածքով, նրա հոսքը արագանում է։ Ջրհեղեղները ևս մեկ օրինակ են այն բանի, թե որքան ուժ կարող է ունենալ ջրի հսկայական ծավալը։
Հիդրոէլեկտրակայանները օգտագործում են ջրի էներգիան և օգտագործում են պարզ մեխանիզմներ՝ այդ էներգիան էլեկտրաէներգիայի փոխակերպելու համար: Հիդրոէլեկտրակայանները իրականում հիմնված են բավականին պարզ գաղափարի վրա. ամբարտակի միջով հոսող ջուրը պտտեցնում է տուրբինը, որն էլ պտտեցնում է գեներատորը:

Ահա ավանդական հիդրոէլեկտրակայանի հիմնական բաղադրիչները.
Ամբարտակ – Հիդրոէլեկտրակայանների մեծ մասը հիմնված է ամբարտակի վրա, որը պահում է ջուրը՝ ստեղծելով մեծ ջրամբար: Հաճախ այս ջրամբարն օգտագործվում է որպես հանգստի լիճ, ինչպիսին է Ռուզվելտ լիճը Գրանդ Քուլի ամբարտակի մոտ Վաշինգտոն նահանգում:
Ջրընդունիչ – Ամբարտակի դարպասները բացվում են, և գրավիտացիան ջուրը քաշում է դեպի տուրբին տանող խողովակաշարով։ Ջուրը ճնշում է կուտակում այս խողովակով հոսելիս։
Տուրբին – Ջուրը հարվածում և պտտեցնում է տուրբինի մեծ շեղբերը, որը լիսեռի միջոցով միացված է իր վերևում գտնվող գեներատորին: Հիդրոէլեկտրակայանների համար ամենատարածված տուրբինի տեսակը Ֆրենսիսի տուրբինն է, որը նման է կոր շեղբերով մեծ սկավառակի: Տուրբինը կարող է կշռել մինչև 172 տոննա և պտտվել րոպեում 90 պտույտով (պտույտ/րոպե), ըստ Ջրային և էներգետիկ կրթության հիմնադրամի (FWEE):
Գեներատորներ – Երբ տուրբինի թևերը պտտվում են, գեներատորի ներսում մի շարք մագնիսներ են պտտվում։ Հսկա մագնիսները պտտվում են պղնձե կծիկների կողքով՝ էլեկտրոնները շարժելով առաջացնելով փոփոխական հոսանք (AC): (Գեներատորի աշխատանքի մասին ավելին կիմանաք ավելի ուշ):
Տրանսֆորմատոր – Էլեկտրակայանի ներսում գտնվող տրանսֆորմատորը վերցնում է փոփոխական հոսանքը և այն վերածում բարձր լարման հոսանքի:
Էլեկտրահաղորդման գծեր – Յուրաքանչյուր էլեկտրակայանից դուրս են գալիս չորս լարեր՝ միաժամանակ արտադրվող էլեկտրաէներգիայի երեք փուլերը գումարած երեքի համար ընդհանուր չեզոք գիծը կամ հողանցումը: (Կարդացեք, թե ինչպես են աշխատում էլեկտրաէներգիայի բաշխման ցանցերը՝ էլեկտրահաղորդման գծերի փոխանցման մասին ավելին իմանալու համար):
Արտահոսք – Օգտագործված ջուրը տեղափոխվում է խողովակաշարերով, որոնք կոչվում են թափոններ, և կրկին մտնում է գետը հոսանքն ի վար։
Ջրամբարի ջուրը համարվում է կուտակված էներգիա։ Երբ դարպասները բացվում են, ջրատարով հոսող ջուրը դառնում է կինետիկ էներգիա, քանի որ այն շարժման մեջ է։ Ստեղծված էլեկտրաէներգիայի քանակը որոշվում է մի քանի գործոններով։ Այդ գործոններից երկուսն են ջրի հոսքի ծավալը և հիդրավլիկ ճնշման քանակը։ Ճնշումը վերաբերում է ջրի մակերեսի և տուրբինների միջև եղած հեռավորությանը։ Ճնշման և հոսքի աճին զուգընթաց աճում է նաև արտադրված էլեկտրաէներգիան։ Ճնշումը սովորաբար կախված է ջրամբարի ջրի քանակից։

Կա հիդրոէլեկտրակայանի մեկ այլ տեսակ, որը կոչվում է պոմպային-կուտակիչ կայան։ Ավանդական հիդրոէլեկտրակայանում ջրամբարից ջուրը հոսում է կայանի միջով, դուրս է գալիս և տարվում հոսանքն ի վար։ Պոմպային-կուտակիչ կայանն ունի երկու ջրամբար՝
Վերին ջրամբար – Ինչպես ավանդական հիդրոէլեկտրակայանը, ամբարտակը ստեղծում է ջրամբար։ Այս ջրամբարի ջուրը հոսում է հիդրոէլեկտրակայանի միջով՝ էլեկտրաէներգիա ստեղծելու համար։
Ստորին ջրամբար – Հիդրոէլեկտրակայանից դուրս եկող ջուրը հոսում է ստորին ջրամբար, այլ ոչ թե վերադառնում գետ և հոսում ներքև։
Օգտագործելով շրջելի տուրբին, կայանը կարող է ջուրը հետ մղել վերին ջրամբար: Սա արվում է ոչ գագաթնակետային ժամերին: Ըստ էության, երկրորդ ջրամբարը լցնում է վերին ջրամբարը: Ջուրը վերին ջրամբար հետ մղելով՝ կայանը ավելի շատ ջուր ունի էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար գագաթնակետային սպառման ժամանակահատվածներում:

Գեներատորը
Հիդրոէլեկտրակայանի սիրտը գեներատորն է։ Հիդրոէլեկտրակայանների մեծ մասն ունի այս գեներատորներից մի քանիսը։
Գեներատորը, ինչպես գուցե կռահել եք, էլեկտրաէներգիա է արտադրում: Այս եղանակով էլեկտրաէներգիա արտադրելու հիմնական գործընթացը մետաղալարերի կծիկների ներսում մի շարք մագնիսներ պտտեցնելն է: Այս գործընթացը տեղաշարժում է էլեկտրոններ, որոնք առաջացնում են էլեկտրական հոսանք:
Հուվերի ամբարտակն ունի ընդհանուր առմամբ 17 գեներատոր, որոնցից յուրաքանչյուրը կարող է արտադրել մինչև 133 մեգավատ։ Հուվերի ամբարտակի հիդրոէլեկտրակայանի ընդհանուր հզորությունը 2074 մեգավատ է։ Յուրաքանչյուր գեներատոր բաղկացած է որոշակի հիմնական մասերից՝
Լիսեռ
Էքսիտոր
Ռոտոր
Ստատոր
Երբ տուրբինը պտտվում է, գրգռիչը էլեկտրական հոսանք է ուղարկում ռոտորին։ Ռոտորը մեծ էլեկտրամագնիսների շարք է, որը պտտվում է պղնձե մետաղալարից պատրաստված ամուր փաթաթված կծիկի մեջ, որը կոչվում է ստատոր։ Կծիկի և մագնիսների միջև մագնիսական դաշտը ստեղծում է էլեկտրական հոսանք։
Հուվերի ամբարտակում 16,500 ամպեր հոսանք է անցնում գեներատորից դեպի տրանսֆորմատոր, որտեղ հոսանքը բարձրանում է մինչև 230,000 ամպեր՝ նախքան փոխանցվելը։

Հիդրոէլեկտրակայանները օգտվում են բնական, անընդհատ գործընթացից՝ այն գործընթացից, որը առաջացնում է անձրևներ և գետերի բարձրացում: Ամեն օր մեր մոլորակը մթնոլորտի միջոցով կորցնում է փոքր քանակությամբ ջուր, քանի որ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթները քայքայում են ջրի մոլեկուլները: Բայց միևնույն ժամանակ, հրաբխային ակտիվության միջոցով Երկրի ներքին մասից արտանետվում է նոր ջուր: Ստեղծված և կորցրած ջրի քանակը մոտավորապես նույնն է:
Ցանկացած պահի աշխարհի ջրի ընդհանուր ծավալը տարբեր ձևերի մեջ է։ Այն կարող է լինել հեղուկ, ինչպես օվկիանոսներում, գետերում և անձրևաջրերում, պինդ, ինչպես սառցադաշտերում, կամ գազային, ինչպես օդում առկա անտեսանելի ջրային գոլորշին։ Ջուրը փոխում է իր վիճակը, երբ այն շարժվում է մոլորակի շուրջ քամու հոսանքներով։ Քամու հոսանքները առաջանում են արևի տաքացման ակտիվությունից։ Օդային հոսանքների ցիկլերը ստեղծվում են արևի կողմից հասարակածի վրա ավելի շատ փայլելու պատճառով, քան մոլորակի այլ մասերում։
Օդային հոսանքների ցիկլերը Երկրի ջրամատակարարումը կարգավորում են իր սեփական ցիկլով, որը կոչվում է հիդրոլոգիական ցիկլ։ Երբ արևը տաքացնում է հեղուկ ջուրը, ջուրը գոլորշիանում է և վերածվում գոլորշու օդում։ Արևը տաքացնում է օդը, ինչի հետևանքով օդը բարձրանում է մթնոլորտ։ Ավելի բարձր հատվածներում օդն ավելի ցուրտ է, ուստի երբ ջրային գոլորշին բարձրանում է, այն սառչում է՝ խտանալով կաթիլների։ Երբ մեկ տարածքում բավականաչափ կաթիլներ են կուտակվում, կաթիլները կարող են բավականաչափ ծանր դառնալ՝ տեղումների տեսքով Երկիր վերադառնալու համար։
Հիդրոլոգիական ցիկլը կարևոր է հիդրոէլեկտրակայանների համար, քանի որ դրանք կախված են ջրի հոսքից։ Եթե կայանի մոտակայքում անձրև չի գալիս, ջուրը չի հավաքվի վերևում։ Քանի որ վերևում ջուր չի հավաքվում, հիդրոէլեկտրակայանով ավելի քիչ ջուր է հոսում, և ավելի քիչ էլեկտրաէներգիա է արտադրվում։