Дүние жүзінде су электр станциялары дүние жүзіндегі электр энергиясының шамамен 24 пайызын өндіреді және 1 миллиардтан астам адамды электр қуатымен қамтамасыз етеді. Әлемдегі су электр станциялары жалпы алғанда 675 000 мегаватт өндіреді, бұл 3,6 миллиард баррель мұнайдың энергетикалық баламасы, деп хабарлайды Ұлттық жаңартылатын энергия көздері зертханасы. Америка Құрама Штаттарында 2000-нан астам су электр станциялары жұмыс істейді, бұл гидроэнергетиканы елдегі ең ірі жаңартылатын энергия көзі етеді.
Бұл мақалада біз құлаған судың энергияны қалай жасайтынын қарастырамыз және гидроэнергетика үшін маңызды су ағынын жасайтын гидрологиялық цикл туралы білеміз. Сіз сондай-ақ күнделікті өміріңізге әсер етуі мүмкін гидроэнергетиканың бірегей қолданбасын көре аласыз.
Өзеннің ағып жатқанын көргенде, оның күшін елестету қиын. Егер сіз бұрын ақ суда рафтингпен айналысқан болсаңыз, онда сіз өзеннің күшінің кішкене бөлігін сезіндіңіз. Ақ су ағындары өзен ретінде құрылады, судың көп мөлшерін төмен қарай ағызады, тар өткел арқылы бөгет жасайды. Өзен осы саңылау арқылы ығысқан сайын оның ағысы тездей түседі. Су тасқыны - орасан зор су көлемінің қаншалықты күшке ие болуының тағы бір мысалы.
Су электр станциялары судың энергиясын пайдаланады және сол энергияны электр энергиясына айналдыру үшін қарапайым механиканы пайдаланады. Су электр станциялары шын мәнінде өте қарапайым тұжырымдамаға негізделген - бөгет арқылы ағып жатқан су турбинаны айналдырады, ол генераторды айналдырады.
Кәдімгі су электр станциясының негізгі компоненттері:
Турбина мен генераторды қосатын білік
Бөгет – Су электр станцияларының көпшілігі суды ұстап тұратын бөгетке сүйеніп, үлкен су қоймасын жасайды. Көбінесе бұл су қоймасы Вашингтон штатындағы Гранд Кули бөгетіндегі Рузвельт көлі сияқты рекреациялық көл ретінде пайдаланылады.
Қабылдау – бөгеттегі қақпалар ашылып, гравитация суды турбинаға апаратын құбыр арқылы тартады. Бұл құбыр арқылы өтетін су қысымды арттырады.
Турбина – су оның үстіндегі генераторға білік арқылы бекітілген турбинаның үлкен қалақтарына соғылып, айналады. Су электр станциялары үшін ең көп таралған турбинаның түрі - Фрэнсис турбинасы, ол қисық қалақтары бар үлкен дискіге ұқсайды. Су және энергетикалық білім беру қоры (FWEE) мәліметтері бойынша турбинаның салмағы 172 тоннаға дейін жетеді және минутына 90 айналым (айн/мин) жылдамдықпен айнала алады.
Генераторлар – турбина қалақтары айналғанда, генератор ішіндегі магниттер қатары да айналады. Алып магниттер мыс катушкаларының жанынан айналады, электрондарды жылжыту арқылы айнымалы ток (AC) шығарады. (Генератор қалай жұмыс істейтіні туралы қосымша ақпаратты кейінірек білесіз.)
Трансформатор – электр станциясының ішіндегі трансформатор айнымалы токты қабылдайды және оны жоғары вольтты токқа түрлендіреді.
Электр желілері – Әрбір электр станциясынан төрт сым шығады: қуаттың үш фазасы бір уақытта өндіріледі және үшеуіне ортақ бейтарап немесе жер. (Электр желісін беру туралы көбірек білу үшін Қуат тарату торлары қалай жұмыс істейтінін оқыңыз.)
Ағын - Пайдаланылған су құбырлар арқылы тасымалданады, олар құйрықты жолдар деп аталады және өзеннің төменгі ағысына қайта түседі.
Су қоймасындағы су жинақталған энергия болып саналады. Қақпалар ашылғанда, шатыр арқылы ағып жатқан су қозғалыста болғандықтан кинетикалық энергияға айналады. Өндірілген электр энергиясының мөлшері бірнеше факторлармен анықталады. Бұл факторлардың екеуі - су ағынының көлемі және гидравликалық басының мөлшері. Басы су беті мен турбиналар арасындағы қашықтықты білдіреді. Басы мен ағыны ұлғайған сайын, өндірілетін электр энергиясы да артады. Бас әдетте резервуардағы судың мөлшеріне байланысты.
Су электр станциясының тағы бір түрі бар, ол сорғылық қондырғы деп аталады. Кәдімгі су электр станциясында резервуардағы су станса арқылы ағып, шығады және ағынмен төмендейді. Сорғылық қондырғыда екі резервуар бар:
Жоғарғы су қоймасы - кәдімгі су электр станциясы сияқты, бөгет су қоймасын жасайды. Бұл су қоймасындағы су су электр станциясы арқылы ағып, электр энергиясын жасайды.
Төменгі су қоймасы – Су электр станциясынан шығатын су өзенге қайта түсіп, төмен қарай ағып кетпей, төменгі су қоймасына құйылады.
Қайтымды турбинаның көмегімен зауыт суды жоғарғы резервуарға қайта айдай алады. Бұл жұмыс көп емес сағаттарда жасалады. Негізінде екінші резервуар жоғарғы су қоймасын толтырады. Суды жоғарғы су қоймасына қайта айдау арқылы зауытта тұтынудың ең жоғары кезеңінде электр энергиясын өндіру үшін көбірек су бар.
Генератор
Су электр станциясының жүрегі - генератор. Су электр станцияларының көпшілігінде осы генераторлардың бірнешеуі бар.
Генератор, сіз болжағандай, электр энергиясын шығарады. Осы жолмен электр энергиясын өндірудің негізгі процесі сым катушкаларының ішіндегі магниттер сериясын айналдыру болып табылады. Бұл процесс электр тогын тудыратын электрондарды жылжытады.
Гувер бөгетінде барлығы 17 генератор бар, олардың әрқайсысы 133 мегаваттқа дейін өндіре алады. Гувер бөгеті су электр станциясының жалпы қуаты 2074 мегаватт құрайды. Әрбір генератор белгілі бір негізгі бөліктерден тұрады:
Турбина айналу кезінде қоздырғыш роторға электр тогын жібереді. Ротор - статор деп аталатын мыс сымның тығыз оралған катушкасының ішінде айналатын үлкен электромагниттердің сериясы. Катушкалар мен магниттер арасындағы магнит өрісі электр тогын тудырады.
Гувер бөгетінде 16500 ампер ток генератордан трансформаторға ауысады, онда ток берілмес бұрын 230 000 амперге дейін артады.
Су электр станциялары табиғи, үздіксіз процесс — жаңбыр жауып, өзендердің көтерілуіне әкелетін процестің артықшылығын пайдаланады. Күн сайын біздің планета атмосфера арқылы судың аз мөлшерін жоғалтады, өйткені ультракүлгін сәулелер су молекулаларын ыдыратады. Бірақ сонымен бірге жанартау әрекеті арқылы Жердің ішкі бөлігінен жаңа су шығарылады. Жасалған су мөлшері мен жоғалған су мөлшері шамамен бірдей.
Кез келген уақытта дүние жүзіндегі судың жалпы көлемі әр түрлі формада болады. Ол мұхиттардағы, өзендердегі және жаңбырдағы сияқты сұйық болуы мүмкін; мұздықтардағы сияқты қатты; немесе ауадағы көзге көрінбейтін су буындағы сияқты газ тәрізді. Су жел ағындары арқылы планетаның айналасында қозғалғанда күйін өзгертеді. Жел ағындары күннің қыздыру белсенділігі нәтижесінде пайда болады. Ауа-ток циклдері планетаның басқа аймақтарына қарағанда экваторда күннің көбірек жарқырауы арқылы жасалады.
Ауа-ток циклдері Жердегі сумен жабдықтауды гидрологиялық цикл деп аталатын өзіндік цикл арқылы жүргізеді. Күн сұйық суды қыздырған кезде су ауада буға айналады. Күн ауаны қыздырып, атмосферада ауаның көтерілуіне әкеледі. Ауа жоғарырақ суық, сондықтан су буы көтерілген сайын ол салқындап, тамшыларға айналады. Бір аймақта жеткілікті мөлшерде тамшылар жиналған кезде, тамшылар жауын-шашын ретінде Жерге қайта түсу үшін жеткілікті ауыр болуы мүмкін.
Гидрологиялық цикл су электр станциялары үшін маңызды, өйткені олар су ағынына байланысты. Зауыттың жанында жаңбыр жетіспесе, су жоғары ағысқа жиналмайды. Ағысқа су жиналмаса, су электр станциясы арқылы азырақ ағып, аз электр энергиясы өндіріледі.
Гидроэнергетиканың негізгі идеясы турбинаның қалақшасын айналдыру үшін қозғалатын сұйықтықтың қуатын пайдалану болып табылады. Әдетте бұл функцияны орындау үшін өзеннің ортасына үлкен бөгет салу керек. Жаңа өнертабыс портативті электронды құрылғыларды электр қуатымен қамтамасыз ету үшін әлдеқайда кішірек ауқымда гидроэнергетика идеясын пайдаланады.
Онтариодағы (Канада) өнертапқыш Роберт Комаречка шағын гидроэнергетикалық генераторларды аяқ киімнің табанына қою идеясын ойлап тапты. Оның пайымдауынша, бұл микротурбиналар дерлік кез келген гаджетті қуаттандыруға жеткілікті электр қуатын өндіреді. 2001 жылдың мамыр айында Комаречка аяқпен жұмыс істейтін бірегей құрылғысына патент алды.
Біздің жүрудің өте негізгі принципі бар: әр қадамда аяқ өкшеден ұшына түседі. Аяғыңыз жерге түскенде, күш өкшеңізден түседі. Келесі қадамға дайындалған кезде, сіз аяғыңызды алға қарай айналдырасыз, осылайша күш аяғыңыздың допына беріледі. Комаречка жаяу жүрудің осы негізгі қағидасын байқаған сияқты және осы күнделікті әрекеттің күшін пайдалану идеясын ойлап тапты.
Комаречканың патентінде сипатталғандай, «гидроэлектрлік генератор жинағы бар аяқ киімнің» бес бөлігі бар:
Сұйықтық – жүйе электр өткізгіш сұйықтықты пайдаланады.
Сұйықтықты ұстайтын қапшықтар – Бір қапшық өкшеге, екіншісі аяқ киімнің саусақ бөлігіне салынады.
Өткізгіштер – құбырлар әрбір қапшықты микрогенераторға қосады.
Турбина – Су табанында алға-артқа жылжыған кезде ол кішкентай турбинаның қалақтарын жылжытады.
Микрогенератор – Генератор сұйықтық толтырылған екі қаптың арасында орналасқан және білікті басқаратын және генераторды айналдыратын қалақшалы роторды қамтиды.
Адам жүріп келе жатқанда, аяқ киімнің өкшесінде орналасқан қапшықтағы сұйықтықтың қысылуы сұйықтықты құбыр арқылы және гидроэлектр генераторының модуліне итермелейді. Пайдаланушы жүруін жалғастырған кезде өкшесі көтеріліп, адамның табанының астындағы қапшыққа төмен қарай қысым жасалады. Сұйықтықтың қозғалысы электр энергиясын өндіру үшін ротор мен білікті айналдырады.
Сымдарды портативті құрылғыға қосу үшін сыртқы розетка беріледі. Сондай-ақ пайдаланушы белдігінде кию үшін қуатты басқару шығыс бөлігі қамтамасыз етілуі мүмкін. Содан кейін электр қуатын тұрақты түрде қамтамасыз ететін осы қуатты басқару шығыс бөлігіне электронды құрылғыларды қосуға болады.
«Батареямен жұмыс істейтін, портативті құрылғылардың санының өсуімен», - делінген патентте, «ұзақ мерзімді, бейімделгіш, тиімді электр көзін қамтамасыз ету қажеттілігі артып келеді». Комаречка оның құрылғысы портативті компьютерлерді, ұялы телефондарды, CD ойнатқыштарды, GPS қабылдағыштарын және екі жақты радиостанцияларды қуаттандыру үшін пайдаланылады деп күтеді.
Жіберу уақыты: 21 шілде 2022 ж
