כיצד פועלים תחנות כוח הידרואלקטריות וגנרטור טורבינות הידרואלקטריות

ברחבי העולם, תחנות כוח הידרואלקטריות מייצרות כ-24 אחוזים מהחשמל בעולם ומספקות חשמל ליותר ממיליארד בני אדם. תחנות הכוח ההידרואלקטריות בעולם מייצרות יחד 675,000 מגה-וואט, המקבילה לאנרגיה של 3.6 מיליארד חביות נפט, על פי המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת. ישנם יותר מ-2,000 תחנות כוח הידרואלקטריות הפועלות בארצות הברית, מה שהופך את האנרגיה ההידרואלקטרית למקור האנרגיה המתחדשת הגדול ביותר במדינה.
במאמר זה, נבחן כיצד מים נופלים יוצרים אנרגיה ונלמד על המחזור ההידרולוגי שיוצר את זרימת המים החיונית לאנרגיה הידרואלקטרית. תקבלו גם הצצה ליישום ייחודי אחד של אנרגיה הידרואלקטרית שעשוי להשפיע על חיי היומיום שלכם.
כשצופים בנהר שוצף על פניו, קשה לדמיין את הכוח שהוא נושא. אם אי פעם שיחקתם ברפטינג במים לבנים, הרגשתם חלק קטן מכוחו של הנהר. אשדות מים לבנים נוצרים כנהר, הנושא כמות גדולה של מים במורד, צווארי בקבוק דרך מעבר צר. כאשר הנהר נדחף דרך פתח זה, זרימתו מאיצה. שיטפונות הם דוגמה נוספת לכוח שיכול להיות לכמות עצומה של מים.

תחנות כוח הידרואלקטריות נצלות את אנרגיית המים ומשתמשות במכניקה פשוטה כדי להמיר אנרגיה זו לחשמל. תחנות כוח הידרואלקטריות מבוססות למעשה על רעיון פשוט למדי - מים הזורמים דרך סכר מסובבים טורבינה, שמפעילה גנרטור.
להלן הרכיבים הבסיסיים של תחנת כוח הידרואלקטרית קונבנציונלית:
הציר המחבר את הטורבינה והגנרטור
סכר – רוב תחנות הכוח ההידרואלקטריות מסתמכות על סכר אשר אוגר מים ויוצר מאגר גדול. לעתים קרובות, מאגר זה משמש כאגם לבילוי ופנאי, כמו אגם רוזוולט בסכר גרנד קולי במדינת וושינגטון.
יניקה – שערי הסכר נפתחים וכוח המשיכה מושך את המים דרך פתח ההשקיה, צינור המוביל לטורבינה. ​​המים צוברים לחץ כשהם זורמים דרך צינור זה.
טורבינה – המים פוגעים ומסובבים את להבי הטורבינה הגדולים, המחוברים לגנרטור שמעליה באמצעות ציר. הסוג הנפוץ ביותר של טורבינה עבור תחנות כוח הידרואלקטריות הוא טורבינת פרנסיס, שנראית כמו דיסק גדול עם להבים מעוקלים. טורבינה יכולה לשקול עד 172 טון ולסובב בקצב של 90 סיבובים לדקה (סל"ד), על פי קרן החינוך למים ואנרגיה (FWEE).
גנרטורים – כאשר להבי הטורבינה מסתובבים, כך גם סדרה של מגנטים בתוך הגנרטור. מגנטים ענקיים מסתובבים על פני סלילי נחושת, ומייצרים זרם חילופין (AC) על ידי הזזת אלקטרונים. (תלמדו עוד על אופן פעולת הגנרטור בהמשך.)
שנאי - השנאי בתוך תחנת הכוח לוקח את זרם החילופין וממיר אותו לזרם בעל מתח גבוה יותר.
קווי חשמל – מכל תחנת כוח יוצאים ארבעה חוטים: שלושת הפאזות של החשמל המופקות בו זמנית ועוד חוט ניטרלי או הארקה משותף לשלושתם. (קרא כיצד פועלות רשתות חלוקת חשמל כדי ללמוד עוד על העברת קווי חשמל.)
יציאה – מים משומשים מובלים דרך צינורות, הנקראים תעלות זנב, ונכנסים חזרה לנהר במורד הזרם.
המים במאגר נחשבים לאנרגיה אגורה. כאשר השערים נפתחים, המים הזורמים דרך צינור הניקוז הופכים לאנרגיה קינטית מכיוון שהם בתנועה. כמות החשמל המופקת נקבעת על ידי מספר גורמים. שניים מגורמים אלה הם נפח זרימת המים וכמות הגובה ההידראולי. הגובה מתייחס למרחק בין פני המים לטורבינות. ככל שהגובה והזרימה עולים, כך גם החשמל המופק. הגובה תלוי בדרך כלל בכמות המים במאגר.
ישנו סוג נוסף של תחנת כוח הידרואלקטרית, הנקראת תחנת אגירה שאובה. בתחנת כוח הידרואלקטרית קונבנציונלית, המים מהמאגר זורמים דרך התחנה, יוצאים ונסחפים במורד הזרם. תחנת אגירה שאובה כוללת שני מאגרים:

מאגר עליון – בדומה לתחנת כוח הידרואלקטרית קונבנציונלית, סכר יוצר מאגר. המים במאגר זה זורמים דרך תחנת הכוח ההידרואלקטרית כדי לייצר חשמל.
מאגר תחתון – מים היוצאים מתחנת הכוח ההידרואלקטרית זורמים למאגר תחתון במקום לחזור לנהר ולזרום במורד הזרם.
באמצעות טורבינה הפיכה, התחנה יכולה לשאוב מים בחזרה למאגר העליון. זה נעשה בשעות השפל. למעשה, המאגר השני ממלא מחדש את המאגר העליון. על ידי שאיבת מים בחזרה למאגר העליון, לתחנה יש יותר מים לייצור חשמל בתקופות של צריכת שיא.

הגנרטור
לב ליבה של תחנת כוח הידרואלקטרית הוא הגנרטור. ברוב תחנות הכוח ההידרואלקטריות יש כמה גנרטורים כאלה.
הגנרטור, כפי שכנראה ניחשתם, מייצר את החשמל. התהליך הבסיסי של יצירת חשמל בדרך זו הוא סיבוב סדרה של מגנטים בתוך סלילי חוט. תהליך זה מזיז אלקטרונים, מה שמייצר זרם חשמלי.
בסכר הובר ישנם 17 גנרטורים בסך הכל, שכל אחד מהם יכול לייצר עד 133 מגה-וואט. ההספק הכולל של תחנת הכוח ההידרואלקטרית בסכר הובר הוא 2,074 מגה-וואט. כל גנרטור מורכב מחלקים בסיסיים מסוימים:

כאשר הטורבינה מסתובבת, המעורר שולח זרם חשמלי לרוטור. הרוטור הוא סדרה של אלקטרומגנטים גדולים שמסתובבים בתוך סליל נחושת מלופף היטב, הנקרא סטטור. השדה המגנטי בין הסליל למגנטים יוצר זרם חשמלי.
בסכר הובר, זרם של 16,500 אמפר עובר מהגנרטור לשנאי, שם הזרם עולה ל-230,000 אמפר לפני שהוא מועבר.
תחנות כוח הידרואלקטריות מנצלות תהליך טבעי ומתמשך - התהליך שגורם לגשם לרדת ולנהרות לעלות. בכל יום, כדור הארץ שלנו מאבד כמות קטנה של מים דרך האטמוספירה כאשר קרניים אולטרה סגולות מפרקות מולקולות מים. אך במקביל, מים חדשים נפלטים מהחלק הפנימי של כדור הארץ באמצעות פעילות געשית. כמות המים שנוצרת וכמות המים שאובדת הן בערך זהות.
בכל רגע נתון, נפח המים הכולל של העולם הוא בצורות רבות ושונות. הוא יכול להיות נוזלי, כמו באוקיינוסים, נהרות וגשם; מוצק, כמו בקרחונים; או גז, כמו אדי המים הבלתי נראים באוויר. מים משנים מצבים כשהם נעים סביב כדור הארץ על ידי זרמי רוח. זרמי רוח נוצרים על ידי פעילות החימום של השמש. מחזורי זרמי אוויר נוצרים על ידי השמש הזורחת יותר על קו המשווה מאשר באזורים אחרים של כדור הארץ.

מחזורי זרמי אוויר מניעים את אספקת המים של כדור הארץ דרך מחזור משלו, הנקרא מחזור הידרולוגי. כאשר השמש מחממת מים נוזליים, המים מתאדים לאדים באוויר. השמש מחממת את האוויר, וגורמת לאוויר לעלות באטמוספירה. האוויר קר יותר גבוה יותר, כך שככל שאדי המים עולים, הם מתקררים ומתעבים לטיפות. כאשר מספיק טיפות מצטברות באזור אחד, הטיפות עשויות להפוך כבדות מספיק כדי ליפול חזרה לכדור הארץ כמשקעים.
המחזור ההידרולוגי חשוב לתחנות כוח הידרואלקטריות משום שהן תלויות בזרימת מים. אם אין גשם ליד התחנה, המים לא יצטברו במעלה הזרם. בהיעדר מים יצטברו במעלה הזרם, פחות מים זורמים דרך תחנת הכוח ההידרואלקטרית ופחות חשמל נוצר.
הרעיון הבסיסי של אנרגיית מים הוא להשתמש בכוח של נוזל נע כדי להפעיל להב טורבינה. ​​בדרך כלל, יש לבנות סכר גדול באמצע נהר כדי לבצע פונקציה זו. המצאה חדשה מנצלת את רעיון האנרגייה ההידרואלקטרית בקנה מידה קטן בהרבה כדי לספק חשמל למכשירים אלקטרוניים ניידים.

הממציא רוברט קומרצ'קה מאונטריו, קנדה, הגה את הרעיון של הצבת גנרטורים הידרואלקטריים קטנים בסוליות נעליים. הוא מאמין שטורבינות מיקרו אלו ייצרו מספיק חשמל כדי להפעיל כמעט כל גאדג'ט. במאי 2001, קומרצ'קה קיבל פטנט על המכשיר הייחודי שלו המופעל על ידי כף הרגל.
יש עיקרון בסיסי מאוד לאופן שבו אנו הולכים: כף הרגל נופלת עקב אל רגל בכל צעד. כאשר כף הרגל נוחתת על הקרקע, כוח מועבר דרך העקב. כשאתם מתכוננים לצעד הבא, אתם מגלגלים את כף הרגל קדימה, כך שהכוח מועבר לכרית כף הרגל. ככל הנראה, קומרצ'קה שמה לב לעיקרון הבסיסי הזה של הליכה ופיתחה רעיון לרתום את כוחה של פעילות יומיומית זו.
ישנם חמישה חלקים ל"נעליים עם מכלול גנרטור הידרואלקטרי" של קומרצ'קה, כמתואר בפטנט שלה:

נוזל - המערכת תשתמש בנוזל מוליך חשמלית.
שקיות לאגירת הנוזלים - שק אחד ממוקם בעקב ושק אחר בחלק האצבעות של הנעל.
תעלות – תעלות מחברות כל שק למיקרו-גנרטור.
טורבינה – כאשר המים נעים קדימה ואחורה בסוליה, הם מזיזים את להבי הטורבינה הזעירה.
מיקרו-גנרטור – הגנרטור ממוקם בין שני השקיות המלאות בנוזל, וכולל רוטור בעל שבבי תנועה, המניע ציר ומסובב את הגנרטור.
כאשר אדם הולך, דחיסת הנוזל בשק הנמצא בעקב הנעל תדחוף את הנוזל דרך הצינור ולתוך מודול הגנרטור ההידרואלקטרי. כאשר המשתמש ממשיך ללכת, העקב יורם ויופעל לחץ כלפי מטה על השק שמתחת לכרית כף הרגל של האדם. תנועת הנוזל תסובב את הרוטור והציר כדי לייצר חשמל.

יסופק שקע חיצוני לחיבור חוטים למכשיר נייד. ניתן גם לספק יחידת פלט לבקרת חשמל שניתן לענוד על חגורת המשתמש. לאחר מכן ניתן לחבר מכשירים אלקטרוניים ליחידת פלט בקרת חשמל זו, שתספק אספקה ​​קבועה של חשמל.
"עם העלייה במספר המכשירים הניידים המופעלים על ידי סוללות", נכתב בפטנט, "יש צורך גובר לספק מקור חשמל יעיל, עמיד לאורך זמן ומתאים לצרכים." קומרצ'קה מצפה שהמכשיר שלו ישמש להפעלת מחשבים ניידים, טלפונים סלולריים, נגני תקליטורים, מקלטי GPS ומכשירי רדיו דו-כיווניים.