Di seluruh dunia, loji kuasa hidro menghasilkan kira-kira 24 peratus daripada tenaga elektrik dunia dan membekalkan lebih daripada 1 bilion orang dengan kuasa. Loji kuasa hidro dunia mengeluarkan jumlah gabungan 675,000 megawatt, bersamaan tenaga dengan 3.6 bilion tong minyak, menurut Makmal Tenaga Boleh Diperbaharui Kebangsaan. Terdapat lebih daripada 2,000 loji kuasa hidro beroperasi di Amerika Syarikat, menjadikan kuasa hidro sebagai sumber tenaga boleh diperbaharui terbesar di negara ini.
Dalam artikel ini, kita akan melihat bagaimana air yang jatuh menghasilkan tenaga dan mempelajari tentang kitaran hidrologi yang menghasilkan aliran air yang penting untuk kuasa hidro. Anda juga akan mendapat gambaran sekilas tentang satu aplikasi unik kuasa hidro yang mungkin menjejaskan kehidupan harian anda.
Apabila melihat sungai yang melintas, sukar untuk membayangkan kekuatan yang dibawanya. Jika anda pernah berakit air putih, maka anda telah merasai sebahagian kecil kuasa sungai. Jeram air putih dicipta sebagai sungai, membawa sejumlah besar air menuruni bukit, kesesakan melalui laluan sempit. Apabila sungai dipaksa melalui bukaan ini, alirannya semakin laju. Banjir adalah contoh lain tentang berapa banyak daya yang boleh dimiliki oleh isipadu air yang besar.
Loji kuasa hidro memanfaatkan tenaga air dan menggunakan mekanik mudah untuk menukar tenaga itu kepada elektrik. Loji kuasa hidro sebenarnya berasaskan konsep yang agak mudah — air yang mengalir melalui empangan mengubah turbin, yang menghidupkan penjana.
Berikut adalah komponen asas loji kuasa hidro konvensional:
Aci yang menghubungkan turbin dan penjana
Empangan – Kebanyakan loji kuasa hidro bergantung pada empangan yang menahan air, mewujudkan takungan yang besar. Selalunya, takungan ini digunakan sebagai tasik rekreasi, seperti Tasik Roosevelt di Empangan Grand Coulee di Washington State.
Pengambilan – Pintu di empangan terbuka dan graviti menarik air melalui penstock, saluran paip yang menuju ke turbin. Air membina tekanan semasa ia mengalir melalui paip ini.
Turbin – Air menyerang dan memutarkan bilah besar turbin, yang dipasang pada penjana di atasnya melalui aci. Jenis turbin yang paling biasa untuk loji kuasa hidro ialah Turbin Francis, yang kelihatan seperti cakera besar dengan bilah melengkung. Sebuah turbin boleh menimbang sebanyak 172 tan dan berputar pada kadar 90 putaran seminit (rpm), menurut Yayasan Pendidikan Air & Tenaga (FWEE).
Penjana – Apabila bilah turbin berputar, begitu juga dengan siri magnet di dalam penjana. Magnet gergasi berputar melepasi gegelung kuprum, menghasilkan arus ulang alik (AC) dengan menggerakkan elektron. (Anda akan mengetahui lebih lanjut tentang cara penjana berfungsi kemudian.)
Transformer – Transformer di dalam janakuasa mengambil AC dan menukarkannya kepada arus voltan lebih tinggi.
Talian kuasa – Daripada setiap loji kuasa datang empat wayar: tiga fasa kuasa dihasilkan serentak ditambah neutral atau pembumian yang biasa kepada ketiga-tiganya. (Baca Cara Grid Agihan Kuasa Berfungsi untuk mengetahui lebih lanjut tentang penghantaran talian kuasa.)
Aliran keluar – Air terpakai dibawa melalui saluran paip, dipanggil tailraces, dan memasuki semula sungai ke hilir.
Air dalam takungan dianggap tenaga tersimpan. Apabila pintu pagar terbuka, air yang mengalir melalui penstock menjadi tenaga kinetik kerana ia sedang bergerak. Jumlah tenaga elektrik yang dijana ditentukan oleh beberapa faktor. Dua daripada faktor tersebut ialah isipadu aliran air dan jumlah kepala hidraulik. Kepala merujuk kepada jarak antara permukaan air dan turbin. Apabila kepala dan aliran meningkat, begitu juga tenaga elektrik yang dihasilkan. Kepala biasanya bergantung kepada jumlah air di dalam takungan.
Terdapat satu lagi jenis loji kuasa hidro, yang dipanggil loji simpanan pam. Dalam loji kuasa hidro konvensional, air dari takungan mengalir melalui loji, keluar dan dibawa ke sungai. Sebuah loji simpanan pam mempunyai dua takungan:
Takungan atas - Seperti loji kuasa hidro konvensional, empangan mencipta takungan. Air dalam takungan ini mengalir melalui loji kuasa hidro untuk menghasilkan tenaga elektrik.
Takungan bawah - Air yang keluar dari loji kuasa hidro mengalir ke takungan yang lebih rendah daripada memasuki semula sungai dan mengalir ke hilir.
Menggunakan turbin boleh balik, loji boleh mengepam air kembali ke takungan atas. Ini dilakukan pada waktu luar puncak. Pada asasnya, takungan kedua mengisi semula takungan atas. Dengan mengepam air kembali ke takungan atas, loji mempunyai lebih banyak air untuk menjana elektrik semasa tempoh penggunaan puncak.
Penjana
Jantung loji kuasa hidroelektrik ialah penjana. Kebanyakan loji kuasa hidro mempunyai beberapa penjana ini.
Penjana, seperti yang anda mungkin sangka, menjana elektrik. Proses asas penjanaan elektrik dengan cara ini adalah untuk memutarkan satu siri magnet di dalam gegelung wayar. Proses ini menggerakkan elektron, yang menghasilkan arus elektrik.
Empangan Hoover mempunyai sejumlah 17 penjana, setiap satunya boleh menjana sehingga 133 megawatt. Jumlah kapasiti loji kuasa hidro Empangan Hoover ialah 2,074 megawatt. Setiap penjana diperbuat daripada bahagian asas tertentu:
Apabila turbin berputar, penguja menghantar arus elektrik ke pemutar. Rotor ialah satu siri elektromagnet besar yang berputar di dalam gegelung dawai kuprum yang luka rapat, dipanggil stator. Medan magnet antara gegelung dan magnet menghasilkan arus elektrik.
Di Empangan Hoover, arus sebanyak 16,500 amp bergerak dari penjana ke pengubah, di mana arus naik sehingga 230,000 amp sebelum dihantar.
Loji kuasa hidro mengambil kesempatan daripada proses berterusan yang berlaku secara semula jadi — proses yang menyebabkan hujan turun dan sungai meningkat. Setiap hari, planet kita kehilangan sedikit air melalui atmosfera apabila sinaran ultraungu memecahkan molekul air. Tetapi pada masa yang sama, air baru dipancarkan dari bahagian dalam Bumi melalui aktiviti gunung berapi. Jumlah air yang dicipta dan jumlah air yang hilang adalah lebih kurang sama.
Pada satu-satu masa, jumlah isipadu air dunia adalah dalam pelbagai bentuk. Ia boleh menjadi cecair, seperti di lautan, sungai dan hujan; pepejal, seperti dalam glasier; atau gas, seperti dalam wap air yang tidak kelihatan di udara. Air berubah keadaan apabila ia digerakkan mengelilingi planet oleh arus angin. Arus angin dihasilkan oleh aktiviti pemanasan matahari. Kitaran arus udara dicipta oleh matahari yang lebih bersinar di khatulistiwa berbanding di kawasan lain di planet ini.
Kitaran arus udara memacu bekalan air Bumi melalui kitaran sendiri, dipanggil kitaran hidrologi. Apabila matahari memanaskan air cecair, air itu menyejat menjadi wap di udara. Matahari memanaskan udara, menyebabkan udara naik di atmosfera. Udara lebih sejuk lebih tinggi, jadi apabila wap air naik, ia menyejuk, terpeluwap menjadi titisan. Apabila titisan yang mencukupi terkumpul di satu kawasan, titisan mungkin menjadi cukup berat untuk jatuh semula ke Bumi sebagai pemendakan.
Kitaran hidrologi adalah penting kepada loji kuasa hidro kerana ia bergantung kepada aliran air. Sekiranya terdapat kekurangan hujan berhampiran loji, air tidak akan mengumpul di hulu. Dengan tiada air mengumpul aliran, lebih sedikit air yang mengalir melalui loji kuasa hidro dan kurang tenaga elektrik dijana.
Idea asas kuasa hidro adalah menggunakan kuasa cecair yang bergerak untuk memutar bilah turbin. Lazimnya, sebuah empangan besar perlu dibina di tengah-tengah sungai untuk melaksanakan fungsi ini. Satu ciptaan baharu memanfaatkan idea kuasa hidro pada skala yang lebih kecil untuk membekalkan tenaga elektrik untuk peranti elektronik mudah alih.
Pencipta Robert Komarechka dari Ontario, Kanada, telah menghasilkan idea untuk meletakkan penjana kuasa hidro kecil ke dalam tapak kasut. Beliau percaya turbin mikro ini akan menjana tenaga elektrik yang mencukupi untuk menggerakkan hampir semua alat. Pada Mei 2001, Komarechka menerima paten untuk peranti berkuasa kakinya yang unik.
Terdapat prinsip asas untuk cara kita berjalan: Kaki jatuh dari tumit ke kaki semasa setiap langkah. Apabila kaki anda mendarat di atas tanah, daya diturunkan melalui tumit anda. Apabila anda bersedia untuk langkah seterusnya, anda menggulung kaki anda ke hadapan, jadi daya dipindahkan ke bola kaki anda. Komarechka nampaknya menyedari prinsip asas berjalan ini dan telah membangunkan idea untuk memanfaatkan kuasa aktiviti harian ini.
Terdapat lima bahagian untuk "kasut dengan pemasangan penjana hidroelektrik" Komarechka, seperti yang diterangkan dalam patennya:
Bendalir – Sistem akan menggunakan bendalir pengalir elektrik.
Kantung untuk menampung cecair – Satu kantung diletakkan di tumit dan satu lagi di bahagian kaki kasut.
Konduit – Konduit menyambungkan setiap kantung ke mikrogenerator.
Turbin – Apabila air bergerak ke sana ke mari dalam tapaknya, ia menggerakkan bilah turbin kecil.
Penjana mikro - Penjana terletak di antara dua kantung berisi bendalir, dan termasuk pemutar ram, yang memacu aci dan memutar penjana.
Semasa seseorang berjalan, mampatan bendalir dalam kantung yang terletak di tumit kasut akan memaksa bendalir melalui saluran dan masuk ke dalam modul penjana hidroelektrik. Apabila pengguna terus berjalan, tumit akan terangkat dan tekanan ke bawah akan dikenakan pada kantung di bawah bebola kaki orang itu. Pergerakan bendalir akan memutarkan rotor dan aci untuk menghasilkan tenaga elektrik.
Soket luar akan disediakan untuk menyambung wayar ke peranti mudah alih. Unit keluaran kawalan kuasa juga boleh disediakan untuk dipakai pada tali pinggang pengguna. Peranti elektronik kemudiannya boleh disambungkan pada unit keluaran kawalan kuasa ini, yang akan menyediakan bekalan elektrik yang stabil.
"Dengan peningkatan dalam bilangan peranti mudah alih berkuasa bateri," paten berbunyi, "terdapat peningkatan keperluan untuk menyediakan sumber elektrik yang tahan lama, boleh disesuaikan dan cekap." Komarechka menjangkakan bahawa perantinya akan digunakan untuk menghidupkan komputer mudah alih, telefon bimbit, pemain CD, penerima GPS dan radio dua hala.
Masa siaran: Jul-21-2022
