როგორ მუშაობს ჰიდროელექტროსადგურები და ჰიდროტურბინის გენერატორი

მსოფლიო მასშტაბით, ჰიდროელექტროსადგურები მსოფლიოში ელექტროენერგიის დაახლოებით 24 პროცენტს აწარმოებენ და 1 მილიარდზე მეტ ადამიანს ამარაგებენ ენერგიით. განახლებადი ენერგიის ეროვნული ლაბორატორიის მონაცემებით, მსოფლიოში ჰიდროელექტროსადგურები ჯამში 675 000 მეგავატს გამოიმუშავებენ, რაც 3.6 მილიარდი ბარელი ნავთობის ეკვივალენტია. შეერთებულ შტატებში 2000-ზე მეტი ჰიდროელექტროსადგური ფუნქციონირებს, რაც ჰიდროენერგიას ქვეყნის უდიდეს განახლებად ენერგიის წყაროდ აქცევს.
ამ სტატიაში განვიხილავთ, თუ როგორ წარმოქმნის წყალი ენერგიას და გავეცნობით ჰიდროლოგიურ ციკლს, რომელიც ქმნის წყლის ნაკადს, რაც აუცილებელია ჰიდროენერგიისთვის. ასევე გაეცნობით ჰიდროენერგიის ერთ უნიკალურ გამოყენებას, რომელმაც შეიძლება გავლენა მოახდინოს თქვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაზე.
როდესაც მდინარის დინებას უყურებ, ძნელი წარმოსადგენია, რა ძალას ატარებს ის. თუ ოდესმე გიცდიათ ჯომარდობა მდინარის ჭაობში, მაშინ გიგრძვნიათ მდინარის ძალის მცირე ნაწილი. მდინარის ჭაობები წარმოიქმნება მდინარის სახით, რომელიც დიდი რაოდენობით წყალს მიაქვს დაღმართზე, ვიწრო გასასვლელით. როდესაც მდინარე ამ ხვრელში გადის, მისი დინება აჩქარებულია. წყალდიდობები კიდევ ერთი მაგალითია იმისა, თუ რამდენად დიდი ძალა შეიძლება ჰქონდეს წყლის უზარმაზარ მოცულობას.

ჰიდროელექტროსადგურები წყლის ენერგიას იყენებენ და ამ ენერგიის ელექტროენერგიად გარდასაქმნელად მარტივ მექანიზმებს იყენებენ. ჰიდროელექტროსადგურები სინამდვილეში საკმაოდ მარტივ კონცეფციას ეფუძნება — კაშხალში გამავალი წყალი ტურბინას ატრიალებს, რომელიც გენერატორს ატრიალებს.
აქ მოცემულია ჩვეულებრივი ჰიდროელექტროსადგურის ძირითადი კომპონენტები:
ლილვი, რომელიც აკავშირებს ტურბინასა და გენერატორს
კაშხალი – ჰიდროელექტროსადგურების უმეტესობა ეყრდნობა კაშხალს, რომელიც წყალს აკავებს და დიდ წყალსაცავს ქმნის. ხშირად, ეს წყალსაცავი გამოიყენება როგორც რეკრეაციული ტბა, მაგალითად, რუზველტის ტბა გრანდ კულის კაშხალთან ვაშინგტონის შტატში.
წყალმიმღები – კაშხლის კარიბჭეები იხსნება და გრავიტაცია წყალს ტურბინამდე მიმავალი მილსადენის მეშვეობით, სადაწნეო მილსადენიდან, აწვდის წყალს. ამ მილში გადინებისას წყალი წნევას იძენს.
ტურბინა – წყალი ურტყამს და ატრიალებს ტურბინის დიდ ფრთებს, რომელიც ლილვის საშუალებით მიმაგრებულია მის ზემოთ მდებარე გენერატორზე. ჰიდროელექტროსადგურებისთვის ტურბინის ყველაზე გავრცელებული ტიპია ფრენსისის ტურბინა, რომელიც დიდ დისკს ჰგავს მოხრილი ფრთებით. წყლისა და ენერგეტიკის განათლების ფონდის (FWEE) მონაცემებით, ტურბინას შეუძლია 172 ტონამდე წონა და წუთში 90 ბრუნის სიჩქარით ბრუნვა.
გენერატორები – ტურბინის პირების ბრუნვისას, გენერატორის შიგნით მაგნიტების სერიაც ბრუნავს. გიგანტური მაგნიტები სპილენძის ხვეულების გვერდით ბრუნავენ და ელექტრონების გადაადგილებით ცვლად დენს (AC) წარმოქმნიან. (გენერატორის მუშაობის შესახებ მეტს მოგვიანებით შეიტყობთ.)
ტრანსფორმატორი - ელექტროსადგურის შიგნით არსებული ტრანსფორმატორი იღებს ცვლად დენს და გარდაქმნის მას უფრო მაღალი ძაბვის დენად.
ელექტროგადამცემი ხაზები – ყველა ელექტროსადგურიდან გამოდის ოთხი მავთული: ერთდროულად გამომუშავებული ენერგიის სამი ფაზა პლუს სამივესთვის საერთო ნეიტრალური ან დამიწების ხაზი. (ელექტროგადამცემი ხაზების გადაცემის შესახებ დამატებითი ინფორმაციისთვის იხილეთ „როგორ მუშაობს ელექტროენერგიის გამანაწილებელი ქსელები“).
გადინება - გამოყენებული წყალი მილსადენებით, რომლებსაც ქვედა დინება ეწოდება, გადაიტანება და მდინარის ქვედა ნაწილში ხელახლა ჩაედინება.
წყალსაცავში წყალი დაგროვილ ენერგიად ითვლება. როდესაც საკეტები იხსნება, წყალსადენი მილში გამავალი წყალი კინეტიკურ ენერგიად გარდაიქმნება, რადგან ის მოძრაობაშია. გენერირებული ელექტროენერგიის რაოდენობა რამდენიმე ფაქტორით განისაზღვრება. ამ ფაქტორებიდან ორია წყლის ნაკადის მოცულობა და ჰიდრავლიკური დაწნევის რაოდენობა. დაწნევა წყლის ზედაპირსა და ტურბინებს შორის მანძილს გულისხმობს. დაწნევისა და ნაკადის ზრდასთან ერთად, გენერირებული ელექტროენერგია იზრდება. დაწნევა, როგორც წესი, წყალსაცავში წყლის რაოდენობაზეა დამოკიდებული.
არსებობს ჰიდროელექტროსადგურის კიდევ ერთი ტიპი, რომელსაც ტუმბო-აკუმულატორი ეწოდება. ჩვეულებრივ ჰიდროელექტროსადგურში წყალსაცავიდან წყალი ელექტროსადგურში მიედინება, გამოდის და დინების მიმართულებით მიედინება. ტუმბო-აკუმულატორს ორი წყალსაცავი აქვს:

ზედა წყალსაცავი – ჩვეულებრივი ჰიდროელექტროსადგურის მსგავსად, კაშხალი ქმნის წყალსაცავს. ამ წყალსაცავში წყალი მიედინება ჰიდროელექტროსადგურში ელექტროენერგიის წარმოსაქმნელად.
ქვედა წყალსაცავი - ჰიდროელექტროსადგურიდან გამომავალი წყალი მდინარეში ხელახლა შესვლისა და დინების მიმართულებით ჩადინების ნაცვლად, ქვედა წყალსაცავში ჩაედინება.
შექცევადი ტურბინის გამოყენებით, ელექტროსადგურს შეუძლია წყლის ზედა რეზერვუარში დაბრუნება. ეს ხდება პიკის საათების გარდა. არსებითად, მეორე რეზერვუარი ავსებს ზედა რეზერვუარს. წყლის ზედა რეზერვუარში დაბრუნებისას, ელექტროსადგურს პიკური მოხმარების პერიოდებში ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად მეტი წყალი აქვს.

გენერატორი
ჰიდროელექტროსადგურის ცენტრალური ნაწილი გენერატორია. ჰიდროელექტროსადგურების უმეტესობას რამდენიმე ასეთი გენერატორი აქვს.
როგორც ალბათ მიხვდით, გენერატორი გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას. ამ გზით ელექტროენერგიის გენერირების ძირითადი პროცესი მავთულის ხვეულებში მაგნიტების სერიის ბრუნვაა. ეს პროცესი ელექტრონებს ამოძრავებს, რაც ელექტრულ დენს წარმოქმნის.
ჰუვერის კაშხალს სულ 17 გენერატორი აქვს, რომელთაგან თითოეულს 133 მეგავატამდე სიმძლავრის გენერირება შეუძლია. ჰუვერის კაშხლის ჰიდროელექტროსადგურის საერთო სიმძლავრე 2,074 მეგავატია. თითოეული გენერატორი გარკვეული ძირითადი ნაწილებისგან შედგება:

ტურბინის ბრუნვისას, ექსციტორი როტორს ელექტრულ დენს უგზავნის. როტორი დიდი ელექტრომაგნიტების სერიაა, რომელიც ბრუნავს სპილენძის მავთულის მჭიდროდ შემოხვეულ ხვეულში, რომელსაც სტატორი ეწოდება. ხვეულსა და მაგნიტებს შორის არსებული მაგნიტური ველი ელექტრულ დენს ქმნის.
ჰუვერის კაშხალში 16,500 ამპერის დენი გენერატორიდან ტრანსფორმატორში გადადის, სადაც გადაცემამდე დენი 230,000 ამპერამდე იზრდება.
ჰიდროელექტროსადგურები იყენებენ ბუნებრივ, უწყვეტ პროცესს — პროცესს, რომელიც იწვევს წვიმის მოსვლას და მდინარეების ადიდებას. ყოველდღიურად, ჩვენი პლანეტა კარგავს მცირე რაოდენობით წყალს ატმოსფეროში, რადგან ულტრაიისფერი სხივები წყლის მოლეკულებს შლის. თუმცა, ამავდროულად, ვულკანური აქტივობის შედეგად დედამიწის შიდა ნაწილიდან ახალი წყალი გამოიყოფა. წარმოქმნილი და დაკარგული წყლის რაოდენობა დაახლოებით იგივეა.
ნებისმიერ დროს, მსოფლიოში წყლის საერთო მოცულობა მრავალი განსხვავებული ფორმითაა წარმოდგენილი. ის შეიძლება იყოს თხევადი, მაგალითად, ოკეანეებში, მდინარეებსა და წვიმაში; მყარი, მაგალითად, მყინვარებში; ან აირადი, მაგალითად, ჰაერში არსებული უხილავი წყლის ორთქლი. წყალი იცვლის მდგომარეობას პლანეტაზე ქარის დინების მიერ გადაადგილებისას. ქარის დინება წარმოიქმნება მზის გამათბობელი აქტივობით. ჰაერის დინების ციკლები იქმნება მზის მიერ ეკვატორზე უფრო მეტად ანათებს, ვიდრე პლანეტის სხვა ნაწილებზე.

ჰაერის დინების ციკლები დედამიწის წყლის მარაგს საკუთარი ციკლით, ჰიდროლოგიური ციკლით მართავს. როდესაც მზე თხევად წყალს აცხელებს, წყალი ჰაერში ორთქლად აორთქლდება. მზე აცხელებს ჰაერს, რაც იწვევს ატმოსფეროში ჰაერის აწევას. უფრო მაღლა ჰაერი უფრო ცივია, ამიტომ წყლის ორთქლის აწევისას ის ცივდება და წვეთებად კონდენსირდება. როდესაც ერთ ადგილას საკმარისი წვეთები გროვდება, წვეთები შეიძლება საკმარისად მძიმე გახდეს, რომ ნალექის სახით დედამიწაზე დაბრუნდეს.
ჰიდროლოგიური ციკლი მნიშვნელოვანია ჰიდროელექტროსადგურებისთვის, რადგან ისინი წყლის ნაკადზე არიან დამოკიდებულნი. თუ ელექტროსადგურის მახლობლად წვიმა არ არის, წყალი ზემოთ არ შეგროვდება. რადგან ზემოთ წყალი არ შეგროვდება, ჰიდროელექტროსადგურში ნაკლები წყალი გაედინება და ნაკლები ელექტროენერგია გამოიმუშავება.
ჰიდროენერგიის ძირითადი იდეა ტურბინის ფრთის დასატრიალებლად მოძრავი სითხის ენერგიის გამოყენებაა. როგორც წესი, ამ ფუნქციის შესასრულებლად მდინარის შუაგულში დიდი კაშხალი უნდა აშენდეს. ახალი გამოგონება გაცილებით მცირე მასშტაბით ჰიდროენერგიის იდეას იყენებს პორტატული ელექტრონული მოწყობილობებისთვის ელექტროენერგიის მიწოდების მიზნით.

კანადის შტატის ქალაქ ონტარიოში მცხოვრებმა გამომგონებელმა რობერტ კომარეჩკამ ფეხსაცმლის ძირებში მცირე ჰიდროელექტროსადგურების განთავსების იდეა მოიფიქრა. იგი თვლის, რომ ეს მიკროტურბინები საკმარის ელექტროენერგიას გამოიმუშავებს თითქმის ნებისმიერი გაჯეტის ენერგიით მუშაობისთვის. 2001 წლის მაისში კომარეჩკამ მიიღო პატენტი თავისი უნიკალური ფეხით მომუშავე მოწყობილობისთვის.
ჩვენი სიარულის ერთი ძალიან ძირითადი პრინციპი არსებობს: თითოეული ნაბიჯის დროს ტერფი ქუსლიდან თითებამდე მოძრაობს. როდესაც ფეხი მიწაზე ეშვება, ძალა ქუსლზე გადადის. როდესაც შემდეგი ნაბიჯისთვის ემზადებით, ტერფს წინ ატრიალებთ, რათა ძალა ფეხის წინა ნაწილზე გადავიდეს. როგორც ჩანს, კომარეჩკამ შენიშნა სიარულის ეს ძირითადი პრინციპი და შეიმუშავა იდეა, თუ როგორ გამოიყენოს ამ ყოველდღიური აქტივობის ძალა.
კომარეჩკას „ფეხსაცმელს ჰიდროელექტროგენერატორის ასამბლეით“ ხუთი ნაწილი აქვს, როგორც ეს მის პატენტშია აღწერილი:

სითხე - სისტემა გამოიყენებს ელექტროგამტარ სითხეს.
სითხის შესანახი პარკები – ერთი პარკი თავსდება ფეხსაცმლის ქუსლში, ხოლო მეორე - თითის წვერში.
მილები – მილები თითოეულ ტომარას მიკროგენერატორთან აკავშირებს.
ტურბინა – როდესაც წყალი ძირში წინ და უკან მოძრაობს, ის პაწაწინა ტურბინის ფრთებს ამოძრავებს.
მიკროგენერატორი – გენერატორი მდებარეობს ორ სითხით სავსე პარკს შორის და მოიცავს ფრთისებრ როტორს, რომელიც ამოძრავებს ლილვს და ატრიალებს გენერატორს.
სიარულის დროს, ფეხსაცმლის ქუსლში მდებარე პარკში არსებული სითხის შეკუმშვა სითხეს მილში ჰიდროელექტრო გენერატორის მოდულში გადაიტანს. როდესაც მომხმარებელი სიარულს განაგრძობს, ქუსლი აწეული იქნება და ფეხის წვერის ქვეშ არსებულ პარკზე ქვევით მიმართული წნევა გავრცელდება. სითხის მოძრაობა როტორსა და ლილვს ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად ატრიალებს.

გარე სოკეტი იქნება პორტატულ მოწყობილობასთან სადენების შესაერთებლად. ასევე შესაძლებელია მომხმარებლის ქამარზე დასამაგრებელი დენის მართვის გამომავალი ბლოკის განთავსება. ელექტრონული მოწყობილობების ამ დენის მართვის გამომავალ ბლოკზე მიმაგრება შესაძლებელია, რაც ელექტროენერგიის მუდმივ მიწოდებას უზრუნველყოფს.
„ბატარეაზე მომუშავე, პორტატული მოწყობილობების რაოდენობის ზრდასთან ერთად, - ნათქვამია პატენტში, - იზრდება მოთხოვნილება, უზრუნველყოფილი იყოს ხანგრძლივი, ადაპტირებადი და ეფექტური ელექტროენერგიის წყარო“. კომარეჩკა ვარაუდობს, რომ მისი მოწყობილობა გამოყენებული იქნება პორტატული კომპიუტერების, მობილური ტელეფონების, CD ფლეერების, GPS მიმღებების და ორმხრივი რადიოების კვებისათვის.