Visā pasaulē hidroelektrostacijas saražo aptuveni 24 procentus no pasaules elektroenerģijas un apgādā ar enerģiju vairāk nekā 1 miljardu cilvēku. Saskaņā ar Nacionālās atjaunojamās enerģijas laboratorijas datiem, pasaules hidroelektrostacijas kopā saražo 675 000 megavatu, kas ir enerģijas ekvivalents 3,6 miljardiem barelu naftas. Amerikas Savienotajās Valstīs darbojas vairāk nekā 2000 hidroelektrostaciju, padarot hidroenerģiju par valsts lielāko atjaunojamās enerģijas avotu.
Šajā rakstā mēs aplūkosim, kā krītošs ūdens rada enerģiju, un uzzināsim par hidroloģisko ciklu, kas rada ūdens plūsmu, kura ir būtiska hidroenerģijas ražošanai. Jūs arī iegūsiet ieskatu vienā unikālā hidroenerģijas pielietojumā, kas var ietekmēt jūsu ikdienas dzīvi.
Vērojot upes šļācienu, ir grūti iedomāties tās spēku. Ja kādreiz esat braucis ar plostošanu pa krācēm, tad esat izjutis nelielu daļu no upes spēka. Krāces veidojas kā upe, kas nes lielu ūdens daudzumu lejup pa straumi, veidojot sašaurinājumus caur šauru eju. Upei plūstot cauri šai atverei, tās plūsma paātrinās. Plūdi ir vēl viens piemērs tam, cik lielu spēku var radīt milzīgs ūdens daudzums.
Hidroelektrostacijas izmanto ūdens enerģiju un, izmantojot vienkāršus mehānismus, pārveido šo enerģiju elektrībā. Hidroelektrostacijas patiesībā balstās uz diezgan vienkāršu koncepciju — caur aizsprostu plūstošs ūdens griež turbīnu, kas savukārt griež ģeneratoru.
Šeit ir tradicionālās hidroelektrostacijas pamatkomponenti:
Dambis — lielākā daļa hidroelektrostaciju izmanto dambi, kas aiztur ūdeni, izveidojot lielu rezervuāru. Bieži vien šis rezervuārs tiek izmantots kā atpūtas ezers, piemēram, Rūzvelta ezers pie Grand Coulee dambja Vašingtonas štatā.
Ieplūde — dambja vārti atveras, un gravitācija velk ūdeni caur spiedvadu, cauruļvadu, kas ved uz turbīnu. Ūdens, plūstot caur šo cauruli, palielina spiedienu.
Turbīna — ūdens triecas pret turbīnas lielajām lāpstiņām un griež tās, un turbīna, kas ar vārpstas palīdzību ir piestiprināta pie ģeneratora virs tās, ir visizplatītākais turbīnu veids hidroelektrostacijās ir Francis turbīna, kas izskatās kā liels disks ar izliektām lāpstiņām. Saskaņā ar Ūdens un enerģijas izglītības fonda (FWEE) datiem, turbīna var svērt līdz pat 172 tonnām un griezties ar ātrumu 90 apgriezieni minūtē (apgr./min).
Ģeneratori — griežoties turbīnu lāpstiņām, griežas arī virkne magnētu ģeneratora iekšpusē. Gar vara spolēm rotē milzu magnēti, pārvietojot elektronus un radot maiņstrāvu (AC). (Vēlāk uzzināsiet vairāk par ģeneratora darbību.)
Transformators – Transformators spēkstacijas iekšpusē uztver maiņstrāvu un pārveido to augstāka sprieguma strāvā.
Elektrolīnijas — no katras elektrostacijas iziet četri vadi: vienlaicīgi tiek ražotas trīs elektroenerģijas fāzes, kā arī visām trim fāzēm kopīgs neitrālais vads vai zemējums. (Lai uzzinātu vairāk par elektropārvades līnijām, lasiet rakstu Kā darbojas elektroenerģijas sadales tīkli.)
Izplūde – Izlietotais ūdens tiek transportēts pa cauruļvadiem, ko sauc par atplūdes kanāliem, un atgriežas upē lejpus straumes.
Ūdens rezervuārā tiek uzskatīts par uzkrāto enerģiju. Kad vārti atveras, caur spiediena vārstu plūstošais ūdens kļūst par kinētisko enerģiju, jo tas atrodas kustībā. Saražotās elektroenerģijas daudzumu nosaka vairāki faktori. Divi no šiem faktoriem ir ūdens plūsmas apjoms un hidrauliskā spiediena lielums. Spiediens attiecas uz attālumu starp ūdens virsmu un turbīnām. Palielinoties spiedienam un plūsmai, palielinās arī saražotā elektrība. Spiediens parasti ir atkarīgs no ūdens daudzuma rezervuārā.
Pastāv vēl viens hidroelektrostaciju veids, ko sauc par sūknēšanas akumulācijas staciju. Parastā hidroelektrostacijā ūdens no rezervuāra plūst caur elektrostaciju, izplūst un tiek aizvadīts lejup pa straumi. Sūknēšanas elektrostacijai ir divi rezervuāri:
Augšējais rezervuārs — tāpat kā parastā hidroelektrostacija, dambis rada rezervuāru. Ūdens šajā rezervuārā plūst cauri hidroelektrostacijai, lai ražotu elektrību.
Apakšējais rezervuārs – No hidroelektrostacijas izplūstošais ūdens ieplūst apakšējā rezervuārā, nevis atgriežas upē un plūst lejup pa straumi.
Izmantojot reversīvu turbīnu, elektrostacija var atsūknēt ūdeni atpakaļ uz augšējo rezervuāru. Tas tiek darīts ārpus pīķa stundām. Būtībā otrais rezervuārs uzpilda augšējo rezervuāru. Atsūknējot ūdeni atpakaļ uz augšējo rezervuāru, elektrostacijai ir vairāk ūdens elektroenerģijas ražošanai maksimālā patēriņa periodos.
Ģenerators
Hidroelektrostacijas sirds ir ģenerators. Lielākajai daļai hidroelektrostaciju ir vairāki šādi ģeneratori.
Kā jau droši vien nojaušat, ģenerators ģenerē elektrību. Šādā veidā elektrības ģenerēšanas pamatprocess ir magnētu sērijas rotēšana stieples spolēs. Šis process pārvieto elektronus, kas rada elektrisko strāvu.
Hūvera dambī kopumā ir 17 ģeneratori, no kuriem katrs var saražot līdz 133 megavatiem. Hūvera dambja hidroelektrostacijas kopējā jauda ir 2074 megavati. Katrs ģenerators ir izgatavots no noteiktām pamatdaļām:
Šahta
Ierosinātājs
Rotors
Stators
Turbīnai griežoties, ierosinātājs nosūta elektrisko strāvu uz rotoru. Rotors ir virkne lielu elektromagnētu, kas griežas cieši uztītā vara stieples spolē, ko sauc par statoru. Magnētiskais lauks starp spoli un magnētiem rada elektrisko strāvu.
Hūvera aizsprostā 16 500 ampēru strāva pārvietojas no ģeneratora uz transformatoru, kur strāva pirms pārraides palielinās līdz 230 000 ampēriem.
Hidroelektrostacijas izmanto dabiski notiekošu, nepārtrauktu procesu — procesu, kas izraisa lietu un upju līmeņa celšanos. Katru dienu mūsu planēta zaudē nelielu daudzumu ūdens caur atmosfēru, jo ultravioletie stari sadala ūdens molekulas. Taču tajā pašā laikā no Zemes iekšienes vulkāniskās aktivitātes rezultātā izdalās jauns ūdens. Radītā ūdens daudzums un zaudētā ūdens daudzums ir aptuveni vienāds.
Jebkurā laikā pasaules kopējais ūdens tilpums ir daudzās dažādās formās. Tas var būt šķidrs, kā okeānos, upēs un lietū; ciets, kā ledājos; vai gāzveida, kā neredzamie ūdens tvaiki gaisā. Ūdens maina agregātstāvokli, vēja straumēm to pārvietojot pa planētu. Vēja straumes rada Saules sildošā aktivitāte. Gaisa straumju ciklus rada Saule, kas spīd vairāk uz ekvatora nekā uz citām planētas daļām.
Gaisa straumju cikli ietekmē Zemes ūdensapgādi caur savu ciklu, ko sauc par hidroloģisko ciklu. Saulei sildot šķidru ūdeni, ūdens iztvaiko gaisā, veidojot tvaiku. Saule sasilda gaisu, izraisot gaisa pacelšanos atmosfērā. Augstāk gaiss ir aukstāks, tāpēc, ūdens tvaikiem ceļoties augšup, tie atdziest, kondensējoties pilienos. Kad vienā vietā uzkrājas pietiekami daudz pilienu, tie var kļūt pietiekami smagi, lai nokristu atpakaļ uz Zemes kā nokrišņi.
Hidroloģiskais cikls ir svarīgs hidroelektrostacijām, jo tās ir atkarīgas no ūdens plūsmas. Ja elektrostacijas tuvumā nav lietus, ūdens neuzkrāsies augšup pa straumi. Ja ūdens neuzkrājas augšup pa straumi, caur hidroelektrostaciju plūst mazāk ūdens un tiek saražots mazāk elektroenerģijas.
Publicēšanas laiks: 2021. gada 7. jūlijs
