Vatnsaflsvirkjanir framleiða um 24 prósent af rafmagni heimsins og sjá meira en 1 milljarði manna fyrir rafmagni. Samkvæmt bandarísku rannsóknarstofunni fyrir endurnýjanlega orku í Bandaríkjunum framleiða vatnsaflsvirkjanir í heiminum samtals 675.000 megavött, sem jafngildir 3,6 milljörðum tunna af olíu. Það eru meira en 2.000 vatnsaflsvirkjanir í rekstri í Bandaríkjunum, sem gerir vatnsafl að stærstu endurnýjanlegu orkulind landsins.
Í þessari grein skoðum við hvernig fallandi vatn býr til orku og fræðum um vatnsfræðilega hringrásina sem skapar vatnsflæðið sem er nauðsynlegt fyrir vatnsafl. Þú munt einnig fá innsýn í eina einstaka notkun vatnsafls sem gæti haft áhrif á daglegt líf þitt.
Þegar á horfir á fljóta renna hjá er erfitt að ímynda sér kraftinn sem hún ber með sér. Ef þú hefur einhvern tíma verið í hvítvatnsraftingi hefurðu fundið fyrir smáhluta af krafti árinnar. Hvítvatnsflúðar myndast þegar á ber mikið magn af vatni niður á við, flöskuhálsa í gegnum þröngan farveg. Þegar áin er þrýst í gegnum þessa opnun eykst rennsli hennar. Flóð eru annað dæmi um hversu mikinn kraft gríðarlegt vatnsmagn getur haft.
Vatnsaflsvirkjanir nýta orku vatns og nota einfalda aflfræði til að breyta þeirri orku í rafmagn. Vatnsaflsvirkjanir byggja í raun á frekar einfaldri hugmynd - vatn sem rennur um stíflu knýr túrbínu, sem knýr rafal.
Hér eru grunnþættir hefðbundinnar vatnsaflsvirkjunar:
Skaftið sem tengir saman túrbínu og rafal
Stífla – Flestar vatnsaflsvirkjanir reiða sig á stíflu sem heldur aftur af vatni og myndar stórt lón. Oft er þetta lón notað sem afþreyingarvatn, eins og Roosevelt-vatn við Grand Coulee-stífluna í Washington-fylki.
Inntak – Lokar stíflunnar opnast og þyngdarafl dregur vatnið í gegnum þrýstirörið, leiðslu sem liggur að túrbínunni. Þrýstingur myndast þegar vatnið rennur í gegnum þetta rör.
Túrbína – Vatnið slær á og snýr stóru blöðunum á túrbínu, sem er tengd rafal fyrir ofan hana með ás. Algengasta gerðin af túrbínu fyrir vatnsaflsvirkjanir er Francis-túrbína, sem lítur út eins og stór diskur með bogadregnum blöðum. Túrbína getur vegið allt að 172 tonn og snúist á hraða 90 snúninga á mínútu (rpm), samkvæmt Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Rafalar – Þegar túrbínublöðin snúast, snúast einnig röð segla inni í rafalnum. Risastórir seglar snúast framhjá koparspólum og framleiða riðstraum (AC) með því að færa rafeindir. (Þú munt læra meira um hvernig rafallinn virkar síðar.)
Spennubreytir – Spennubreytirinn inni í stöðvarhúsinu tekur riðstrauminn og breytir honum í hærri spennustraum.
Raflínur – Úr hverri virkjun koma fjórir vírar: þrír fasar raforkunnar sem eru framleiddir samtímis ásamt núllleiðara eða jarðtengingu sem er sameiginleg öllum þremur. (Lestu Hvernig dreifikerfi raforku virka til að læra meira um flutning raflína.)
Útrennsli – Notað vatn er leitt um leiðslur, kallaðar frárennslislagnir, og rennur aftur niður í ána neðar.
Vatnið í lóninu telst geymd orka. Þegar hliðin opnast verður vatnið sem rennur í gegnum þrýstirörið að hreyfiorku vegna þess að það er á hreyfingu. Magn rafmagns sem myndast ræðst af nokkrum þáttum. Tveir af þessum þáttum eru rúmmál vatnsrennslis og stærð vatnsþrýstings. Þrýstiþrýstingurinn vísar til fjarlægðarinnar milli vatnsyfirborðsins og túrbínnanna. Þegar þrýstiþrýstingurinn og rennslið eykst, eykst einnig rafmagnið sem myndast. Þrýstiþrýstingurinn er venjulega háður magni vatns í lóninu.
Það er til önnur gerð vatnsaflsvirkjunar, kölluð dælugeymsluvirkjun. Í hefðbundinni vatnsaflsvirkjun rennur vatnið úr lóninu í gegnum virkjunina, fer út og er leitt niður á við. Dælugeymsluvirkjun hefur tvö lón:
Efri lón – Líkt og hefðbundin vatnsaflsvirkjun myndar stífla lón. Vatnið í þessu lóni rennur í gegnum vatnsaflsvirkjunina til að framleiða rafmagn.
Neðri lón – Vatn sem kemur úr vatnsaflsvirkjunni rennur í neðri lón í stað þess að renna aftur út í ána og niður á við.
Með því að nota afturkræfa túrbínu getur virkjunin dælt vatni aftur í efri lónið. Þetta er gert utan háannatíma. Í raun fyllir annað lónið efri lónið. Með því að dæla vatni aftur í efri lónið hefur virkjunin meira vatn til að framleiða rafmagn á háannatímum.
Rafallinn
Hjarta vatnsaflsvirkjunarinnar er rafstöðin. Flestar vatnsaflsvirkjanir eru með nokkra slíka rafstöðvar.
Rafallinn, eins og þú gætir hafa giskað á, framleiðir rafmagnið. Grunnferlið við að framleiða rafmagn á þennan hátt er að snúa röð segla inni í vírspólum. Þetta ferli færir rafeindir, sem framleiðir rafstraum.
Hoover-stíflan hefur alls 17 rafstöðvar, sem hver um sig getur framleitt allt að 133 megavött. Heildarafköst vatnsaflsvirkjunar Hoover-stíflunnar eru 2.074 megavött. Hver rafstöð er gerð úr ákveðnum grunnhlutum:
Þegar túrbínan snýst sendir örvunarbúnaðurinn rafstraum til snúningshlutans. Snúningshlutinn er röð stórra rafsegla sem snúast inni í þéttvafinni spólu úr koparvír, sem kallast stator. Segulsviðið milli spólunnar og seglanna býr til rafstraum.
Í Hoover-stíflunni færist 16.500 ampera straumur frá rafalnum að spennubreytinum, þar sem straumurinn hækkar í 230.000 amper áður en hann er sendur.
Vatnsaflsvirkjanir nýta sér náttúrulegt, samfellt ferli — ferlið sem veldur því að regn fellur og ár rísa. Á hverjum degi tapar jörðin okkar litlu magni af vatni í gegnum andrúmsloftið þegar útfjólubláir geislar brjóta niður vatnssameindir. En á sama tíma losnar nýtt vatn úr innri hlutum jarðar vegna eldvirkni. Magn vatns sem myndast og magn vatns sem tapast er álíka.
Á hverjum tíma er heildarmagn vatns í heiminum í mörgum mismunandi myndum. Það getur verið fljótandi, eins og í höfum, ám og regni; fast, eins og í jöklum; eða gaskennt, eins og ósýnileg vatnsgufa í loftinu. Vatn breytir um ástand þegar það berst um jörðina með vindstraumum. Vindstraumar myndast við upphitun sólarinnar. Loftstraumahringrásir myndast þegar sólin skín meira á miðbaug en á öðrum svæðum jarðarinnar.
Loftstraumahringrásir knýja vatnsbirgðir jarðar í gegnum sinn eigin hringrás, sem kallast vatnsfræðilegur hringrás. Þegar sólin hitar fljótandi vatn gufar vatnið upp í gufu í loftinu. Sólin hitar loftið, sem veldur því að loftið stígur upp í andrúmsloftinu. Loftið er kaldara ofar uppi, svo þegar vatnsgufan stígur upp kólnar hún og þéttist í dropa. Þegar nægilega margir dropar safnast fyrir á einum stað geta droparnir orðið nógu þungir til að falla aftur til jarðar sem úrkoma.
Vatnshringrásin er mikilvæg fyrir vatnsaflsvirkjanir því þær eru háðar vatnsflæði. Ef lítið regn er nálægt virkjuninni safnast vatn ekki uppstreymis. Ef ekkert vatn safnast uppstreymis rennur minna vatn í gegnum vatnsaflsvirkjunina og minni rafmagn er framleitt.
Grunnhugmyndin á bak við vatnsafl er að nota kraft vökva á hreyfingu til að snúa túrbínublöðum. Venjulega þarf að byggja stóra stíflu í miðri á til að framkvæma þetta hlutverk. Ný uppfinning nýtir sér hugmyndina um vatnsafl í mun minni mæli til að útvega rafmagn fyrir flytjanleg raftæki.
Uppfinningamaðurinn Robert Komarechka frá Ontario í Kanada fékk þá hugmynd að koma litlum vatnsaflsrafstöðvum fyrir í iljum skóa. Hann telur að þessar örtúrbínur geti framleitt næga rafmagn til að knýja nánast hvaða græju sem er. Í maí 2001 fékk Komarechka einkaleyfi fyrir einstaka fótknúna tækið sitt.
Það er mjög grundvallarregla í göngu okkar: Fóturinn fellur hæl við tá í hverju skrefi. Þegar fóturinn lendir á jörðinni færist kraftur niður í gegnum hælinn. Þegar þú býrð þig undir næsta skref rúllarðu fætinum fram, þannig að krafturinn flyst yfir á ilhnappinn. Komarechka tók greinilega eftir þessari grundvallarreglu göngu og hefur þróað hugmynd til að beisla kraft þessarar daglegu athafnar.
Það eru fimm hlutar í „skófatnaði með vatnsaflsrafstöð“ Komarechka, eins og lýst er í einkaleyfi fyrirtækisins:
Vökvi – Kerfið mun nota rafleiðandi vökva.
Sekkir til að halda vökvanum – Einn sekkurinn er settur í hælinn og hinn í táhluta skósins.
Rásir – Rásir tengja hverja sekk við örrafall.
Túrbína – Þegar vatnið ferðast fram og til baka í iljunni, þá hreyfir það blöð lítillar túrbínu.
Örrafall – Rafallinn er staðsettur á milli tveggja vökvafylltra sekka og inniheldur blöðkusnúru sem knýr ás og snýr rafallinum.
Þegar maður gengur, þrýstir vökvaþjöppunin í pokanum sem er staðsettur í hælnum á skónum vökvanum í gegnum rörið og inn í vatnsaflsrafstöðvarinnar. Þegar notandinn heldur áfram að ganga lyftist hælinn og þrýstingur verður niður á við á pokann undir ilnum á fæti viðkomandi. Hreyfing vökvans snýr snúningsásnum og ásnum til að framleiða rafmagn.
Útitenging verður til staðar til að tengja víra við færanlegt tæki. Einnig má sjá fyrir aflstýringareiningu sem notandinn ber á belti. Rafeindatæki er síðan hægt að tengja við þessa aflstýringareiningu, sem mun veita stöðuga rafmagnsframboð.
„Með aukinni fjölda rafhlöðuknúinna, flytjanlegra tækja,“ segir í einkaleyfinu, „er vaxandi þörf á að bjóða upp á endingargóða, aðlögunarhæfa og skilvirka rafmagnsgjafa.“ Komarechka býst við að tæki hans verði notað til að knýja flytjanlegar tölvur, farsíma, geislaspilara, GPS-móttakara og tvíhliða talstöðvar.
Birtingartími: 21. júlí 2022
