Էներգիայի փոխակերպումը. Էներգիայի փոխակերպման գործընթացը հիդրոէներգիայում

Հիդրոէներգիան մարդկության ամենահին և ամենահուսալի վերականգնվող էներգիայի աղբյուրներից մեկն է։ Իր էությամբ այն հիմնարար ֆիզիկայի վարպետորեն կիրառում է, էներգիայի փոխակերպումների շարունակական շղթա, որն օգտագործում է մոլորակի ջրի շրջապտույտը՝ էլեկտրաէներգիա ստանալու համար։ Այս գործընթացը, որը սկզբունքորեն նրբագեղորեն պարզ է, բայց ինժեներական առումով բարդ, շարժման մեջ գտնվող ջրի բնածին էներգիան վերածում է էլեկտրական էներգիայի, որը սնուցում է մեր ժամանակակից աշխարհը։ Այս էներգիայի ճանապարհորդությունը՝ հեռավոր անձրևի կաթիլից մինչև շողացող լամպ, մի քանի տարբեր փուլերով փոխակերպման գրավիչ պատմություն է։
Փուլ 1. Պոտենցիալ էներգիա – Նախնադարյան ջրամբար
Ամբողջ գործընթացը սկսվում է արեգակնային էներգիայով։ Արեգակը տաքացնում է Երկրի մակերեսը, ինչի հետևանքով օվկիանոսներից, լճերից և գետերից ջուրը գոլորշիանում է։ Այս ջրային գոլորշին խտանում է ամպերի մեջ և ի վերջո վերադառնում երկիր՝ տեղումների՝ անձրևի կամ ձյան տեսքով։ Երբ այս տեղումները հավաքվում են ամբարտակի հետևում գտնվող ջրամբարում կամ լեռան բարձրության վրա, այն ունի զգալի քանակությամբ գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիա։ Այս էներգիան երկու կարևոր գործոնների ֆունկցիա է՝ ջրի զանգվածը և այն բարձրությունը, որտեղից այն կարող է ընկնել։ Որքան բարձր է ամբարտակը և որքան մեծ է ջրամբարի ծավալը, այնքան ավելի շատ պոտենցիալ էներգիա է կուտակվում։ Այս հսկայական, քնած էներգիան, որը խորհրդանշվում է հանգիստ լճով, հիդրոէլեկտրակայանների շղթայի էներգիայի առաջին և ամենակարևոր ձևն է։ Այն վառելիք է, որը սպասում է արտանետվելուն։

Փուլ 2. Կինետիկ էներգիա – Անսպասելի հեղեղ
Երբ ամբարտակի դարպասները բացվում են կամ ջուրը դուրս է գալիս ջրընդունիչից, կուտակված պոտենցիալ էներգիան արագորեն փոխակերպվում է։ Վերևում գտնվող ջրային սյան հսկայական ճնշման ազդեցությամբ ջուրը արագանում է մեծ խողովակով, որը հայտնի է որպես ջրատար խողովակ։ Երբ այն հոսում է ներքև, ձգողականության ուժը ազդում է դրա վրա, և դրա պոտենցիալ էներգիան վերածվում է կինետիկ էներգիայի՝ շարժման էներգիայի։ Ջրի արագությունը կտրուկ աճում է ջրատար խողովակով ի վար շարժվելիս։ Այս փոխակերպումը ուղղակի է և կարգավորվում է էներգիայի պահպանման օրենքներով. բարձրության (և, հետևաբար, պոտենցիալ էներգիայի) կորուստը հանգեցնում է արագության և կինետիկ էներգիայի համամասնական աճի։ Երբ ջուրը հասնում է ջրատար խողովակի հատակին, այն բարձր արագությամբ շիթ է՝ հզոր հեղեղ, որն ամբողջությամբ կենտրոնացած է տուրբինը շարժելու խնդրի վրա։
Փուլ 3. Մեխանիկական էներգիա – պտտվող սիրտ
Ջրի բարձր արագության շիթն այժմ ուղղվում է տուրբինի թևերի վրա, որը էլեկտրակայանի մեխանիկական սիրտն է։ Տուրբինը բարդ ռոտոր է, որը հագեցած է կոր թևերով, որոնք նախատեսված են ջրի իմպուլսը արդյունավետորեն որսալու համար։ Ջրի ազդեցությունը թևերի վրա ստիպում է տուրբինի շարժիչը արագ պտտվել։ Այս կարևոր փուլում շարժվող ջրի կինետիկ էներգիան փոխանցվում է տուրբինին և վերածվում պտտման մեխանիկական էներգիայի։
Տուրբինի դիզայնը օպտիմալացված է տեղանքի կոնկրետ պայմանների համար: Բարձր ճնշման տեղամասերի համար Պելտոնի անիվները օգտագործում են բաժակաձև դույլեր, որոնց ջրի շիթն ուղղակիորեն հարվածում է: Միջին ճնշման դեպքում տարածված են Ֆրենսիսի տուրբինները, որոնք արձագանքում են ջրի ճնշմանը և հոսքին: Ցածր ճնշման, բարձր հոսքի իրավիճակների համար հաճախ օգտագործվում են Կապլանի տուրբինները, որոնք նման են նավի պտուտակի: Յուրաքանչյուր դեպքում տուրբինի միակ նպատակը ջրից էներգիայի արդյունահանումը մեծացնելն է՝ դրա գծային կամ ճնշման հետևանքով առաջացած ուժը վերածելով հզոր, անընդհատ պտույտի:
Փուլ 4. Էլեկտրական էներգիա – Վերջնական փոխակերպում
Պտտվող տուրբինը միացված է անմիջապես լիսեռին, որն էլ իր հերթին պտտեցնում է էլեկտրակայանում գտնվող էլեկտրական գեներատորի ռոտորը։ Գեներատորի ներսում ռոտորը (հզոր էլեկտրամագնիս) շրջապատված է ստատորով (պղնձե փաթույթների անշարժ հավաքածու)։ Մայքլ Ֆարադեյի կողմից հայտնաբերված էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի սկզբունքի համաձայն, երբ մագնիսական դաշտը պտտվում է մետաղալարի կծիկի մեջ, այն էլեկտրական հոսանք է առաջացնում մետաղալարի մեջ։ Այսպիսով, տուրբինի լիսեռի պտտման մեխանիկական էներգիան գեներատորի ներսում անխափան կերպով վերածվում է էլեկտրական էներգիայի։
Այս նորաստեղծ էլեկտրական էներգիան փոփոխական հոսանքի (AC) տեսքով է։ Մինչև այն երկար հեռավորությունների վրա փոխանցվելը, դրա լարումը կտրուկ մեծացվում է տրանսֆորմատորների կողմից՝ փոխանցման ընթացքում էներգիայի կորուստը նվազեցնելու համար։ Այնտեղից էլեկտրաէներգիան մտնում է էլեկտրական ցանց՝ փոխանցման գծերի լայն ցանց, որը այն հասցնում է տներ, բիզնեսներ և արդյունաբերություններ, որտեղ այն, ի վերջո, կրկին վերածվում է լույսի, ջերմության և շարժման։
Արդյունավետություն և կորուստներ
Էներգիայի փոխակերպման ոչ մի գործընթաց 100% արդյունավետ չէ, և հիդրոէներգիան բացառություն չէ: Յուրաքանչյուր փուլում փոքր կորուստներ են առաջանում շփման (ջրատար խողովակաշարի և տուրբինի կրողներում), տուրբուլենտ հոսքի, գեներատորի փաթույթներում ջերմության առաջացման և էլեկտրական լարերի դիմադրության պատճառով: Այնուամենայնիվ, ժամանակակից հիդրոէլեկտրակայանները զարմանալիորեն արդյունավետ են՝ հաճախ ջրի մեջ առկա պոտենցիալ էներգիայի ավելի քան 90%-ը փոխակերպելով էլեկտրական էներգիայի, ինչը շատ ավելի բարձր է, քան էլեկտրաէներգիայի արտադրության մյուս մեթոդների մեծ մասը:
Ամփոփելով՝ հիդրոէներգիայի արտադրությունը ֆիզիկայի և ճարտարագիտության նրբագեղ սիմֆոնիա է։ Այն էներգիայի կասկադային փոխակերպում՝ լեռների բարձրադիր լուռ, կուտակված պոտենցիալից մինչև հոսող ջրի անկասելի կինետիկ ուժը, տուրբինի պտտվող մեխանիկական հզորությունը և, վերջապես, մեր քաղաքակրթությունը սնուցող բազմակողմանի էլեկտրական հոսանքը։ Այն մաքուր, վերականգնվող և հզոր վկայություն է բնական ցիկլերի հետ ներդաշնակ աշխատելու մեր ունակության մասին։