Visame pasaulyje hidroelektrinės pagamina apie 24 procentus pasaulinės elektros energijos ir aprūpina energija daugiau nei 1 milijardą žmonių. Pasaulio hidroelektrinės iš viso pagamina 675 000 megavatų, tai yra 3,6 milijardo barelių naftos energijos ekvivalentas, teigia Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija. Jungtinėse Valstijose veikia daugiau nei 2000 hidroelektrinių, todėl hidroenergija yra didžiausias atsinaujinančios energijos šaltinis šalyje.
Šiame straipsnyje apžvelgsime, kaip krintantis vanduo sukuria energiją, ir sužinosime apie hidrologinį ciklą, kuris sukuria vandens srautą, būtiną hidroenergijai. Taip pat apžvelgsite vieną unikalų hidroenergijos panaudojimo būdą, kuris gali paveikti jūsų kasdienį gyvenimą.
Stebint upės srovę, sunku įsivaizduoti jos jėgą. Jei kada nors plaukėte plaustais srauniomis upėmis, tuomet pajutote nedidelę upės galios dalį. Sraunios upės slenksčiai susidaro upei nešant didelį vandens kiekį žemyn, siaurame kanale susidarant kliūtims. Upei tekant per šią angą, jos tėkmė pagreitėja. Potvyniai yra dar vienas pavyzdys, kokią jėgą gali turėti milžiniškas vandens tūris.
Hidroelektrinės panaudoja vandens energiją ir, naudodamos paprastą mechaniką, paverčia šią energiją elektra. Hidroelektrinės iš tikrųjų yra pagrįstos gana paprasta koncepcija – per užtvanką tekantis vanduo suka turbiną, kuri suka generatorių.
Štai pagrindiniai įprastos hidroelektrinės komponentai:
Užtvanka – Dauguma hidroelektrinių veikia ant užtvankos, kuri sulaiko vandenį ir sukuria didelį rezervuarą. Šis rezervuaras dažnai naudojamas kaip rekreacinis ežeras, pavyzdžiui, Ruzvelto ežeras prie Grand Coulee užtvankos Vašingtono valstijoje.
Įsiurbimas – Užtvankos vartai atsidaro ir gravitacija traukia vandenį per vamzdyną, vedantį į turbiną. Vandeniui tekant šiuo vamzdžiu, didėja slėgis.
Turbina – Vanduo trenkiasi į didelius turbinos menčius ir suka juos. Turbinos mentės velenu pritvirtintos prie virš jos esančio generatoriaus. Dažniausias hidroelektrinėse naudojamas turbinos tipas yra Francis turbina, kuri atrodo kaip didelis diskas su išlenktomis mentėmis. Pasak Vandens ir energetikos švietimo fondo (FWEE), turbina gali sverti net 172 tonas ir suktis 90 apsisukimų per minutę (aps./min.) greičiu.
Generatoriai – Turbinos mentėms sukant sukimosi kryptį, generatoriaus viduje sukasi ir magnetų virtinė. Milžiniški magnetai sukasi aplink varines rites ir judina elektronus, gamindami kintamąją srovę (AC). (Daugiau apie tai, kaip veikia generatorius, sužinosite vėliau.)
Transformatorius – Jėgos bloke esantis transformatorius paima kintamąją srovę ir paverčia ją aukštesnės įtampos srove.
Elektros linijos – iš kiekvienos elektrinės išeina keturi laidai: trys fazės, gaminamos vienu metu, ir visoms trims fazėms bendras neutralus arba įžemintas laidas. (Norėdami sužinoti daugiau apie elektros energijos perdavimą linijomis, skaitykite „Kaip veikia elektros paskirstymo tinklai“.)
Ištekėjimas – Panaudotas vanduo teka vamzdynais, vadinamais nuotekų kanalais, ir vėl patenka į upę pasroviui.
Vanduo rezervuare laikomas sukaupta energija. Kai vartai atsidaro, per slėginį vamzdį tekantis vanduo tampa kinetine energija, nes juda. Generuojamos elektros energijos kiekį lemia keli veiksniai. Du iš šių veiksnių yra vandens srauto tūris ir hidraulinio slėgio dydis. Slėgis reiškia atstumą tarp vandens paviršiaus ir turbinų. Didėjant slėgiui ir srautui, didėja ir generuojamos elektros energijos kiekis. Slėgis paprastai priklauso nuo vandens kiekio rezervuare.
Yra dar vienas hidroelektrinės tipas, vadinamas hidroakumuliacine elektrine. Įprastoje hidroelektrinėje vanduo iš rezervuaro teka per elektrinę, išteka ir yra nunešamas pasroviui. Hidraulinė elektrinė turi du rezervuarus:
Viršutinis rezervuaras – Kaip ir įprasta hidroelektrinė, užtvanka sukuria rezervuarą. Vanduo šiame rezervuare teka per hidroelektrinę ir gamina elektrą.
Apatinis rezervuaras – Iš hidroelektrinės ištekantis vanduo teka į apatinį rezervuarą, o ne grįžta į upę ir tekėja pasroviui.
Naudodama grįžtamąją turbiną, elektrinė gali pumpuoti vandenį atgal į viršutinį rezervuarą. Tai daroma ne piko valandomis. Iš esmės antrasis rezervuaras papildo viršutinį rezervuarą. Pumpuodama vandenį atgal į viršutinį rezervuarą, elektrinė turi daugiau vandens elektros energijai gaminti piko vartojimo laikotarpiais.
Generatorius
Hidroelektrinės širdis yra generatorius. Daugumoje hidroelektrinių yra keli tokie generatoriai.
Kaip jau turbūt atspėjote, generatorius generuoja elektrą. Pagrindinis elektros generavimo procesas yra sukti magnetų seriją vielos ritėse. Šis procesas judina elektronus, kurie sukuria elektros srovę.
Huverio užtvankoje iš viso yra 17 generatorių, kurių kiekvienas gali generuoti iki 133 megavatų. Bendras Huverio užtvankos hidroelektrinės galingumas yra 2074 megavatai. Kiekvienas generatorius sudarytas iš tam tikrų pagrindinių dalių:
Velenas
Žadintuvas
Rotorius
Statorius
Turbinai sukant, žadintuvas siunčia elektros srovę į rotorių. Rotorius yra didelių elektromagnetų serija, besisukanti sandariai apvyniotos varinės vielos ritės, vadinamos statoriumi, viduje. Magnetinis laukas tarp ritės ir magnetų sukuria elektros srovę.
Huverio užtvankoje 16 500 amperų srovė teka iš generatoriaus į transformatorių, kur prieš perduodama srovė padidėja iki 230 000 amperų.
Hidroelektrinės naudoja natūraliai vykstantį, nuolatinį procesą – procesą, dėl kurio lyja ir kyla upių vandens lygis. Kiekvieną dieną mūsų planeta per atmosferą praranda nedidelį kiekį vandens, nes ultravioletiniai spinduliai skaido vandens molekules. Tačiau tuo pačiu metu iš vidinės Žemės dalies dėl vulkaninės veiklos išsiskiria naujas vanduo. Susidarančio ir prarandamo vandens kiekis yra maždaug vienodas.
Bet kuriuo metu bendras pasaulio vandens tūris yra įvairių formų. Jis gali būti skystas, kaip vandenynuose, upėse ir lietuje; kietas, kaip ledynuose; arba dujinis, kaip nematomi vandens garai ore. Vanduo keičia savo būseną, kai jį planetoje judina vėjo srovės. Vėjo sroves sukuria saulės šildantis aktyvumas. Oro srovių ciklus sukuria saulė, kuri labiau šviečia ties pusiauju nei kitose planetos vietose.
Oro srovių ciklai Žemės vandens tiekimą varo per savo ciklą, vadinamą hidrologiniu ciklu. Saulei šildant skystą vandenį, vanduo ore garuoja. Saulė šildo orą, todėl oras kyla atmosferoje. Aukščiau oras yra šaltesnis, todėl vandens garams kylant, jie vėsta ir kondensuojasi į lašelius. Kai vienoje vietoje susikaupia pakankamai lašelių, jie gali tapti pakankamai sunkūs, kad kristų atgal į Žemę kaip krituliai.
Hidrologinis ciklas yra svarbus hidroelektrinėms, nes jos priklauso nuo vandens srauto. Jei šalia elektrinės trūksta lietaus, vanduo nesikaups prieš srovę. Nesusikaupus vandeniui prieš srovę, per hidroelektrinę teka mažiau vandens ir pagaminama mažiau elektros energijos.
Įrašo laikas: 2021 m. liepos 7 d.
