Di seluruh dunia, loji kuasa hidro menghasilkan kira-kira 24 peratus daripada elektrik dunia dan membekalkan lebih daripada 1 bilion orang dengan kuasa. Loji kuasa hidro dunia menghasilkan 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 yang beroperasi di Amerika Syarikat, menjadikan kuasa hidro sebagai sumber tenaga boleh diperbaharui terbesar di negara ini.
Dalam artikel ini, kita akan melihat bagaimana air terjun menghasilkan tenaga dan mempelajari tentang kitaran hidrologi yang menghasilkan aliran air yang penting untuk kuasa hidro. Anda juga akan melihat sekilas satu aplikasi unik kuasa hidro yang mungkin mempengaruhi kehidupan seharian anda.
Apabila melihat sungai mengalir deras, sukar untuk membayangkan daya yang dibawanya. Jika anda pernah berakit di air jernih, anda pasti pernah merasai sebahagian kecil daripada kuasa sungai itu. Jeram air jernih terhasil sebagai sungai yang membawa sejumlah besar air menuruni bukit, menyempit melalui laluan sempit. Apabila sungai dipaksa melalui bukaan ini, alirannya akan menjadi lebih laju. Banjir adalah satu lagi contoh betapa besarnya daya yang boleh dibawa oleh sejumlah besar air.
Loji kuasa hidro memanfaatkan tenaga air dan menggunakan mekanik mudah untuk menukar tenaga tersebut kepada elektrik. Loji kuasa hidro sebenarnya berdasarkan konsep yang agak mudah — air yang mengalir melalui empangan memutarkan turbin, yang kemudiannya memutarkan 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, lalu mewujudkan takungan yang besar. Selalunya, takungan ini digunakan sebagai tasik rekreasi, seperti Tasik Roosevelt di Empangan Grand Coulee di Negeri Washington.
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 menghentam 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 mencapai berat sehingga 172 tan dan berputar pada kadar 90 pusingan seminit (rpm), menurut Yayasan Pendidikan Air & Tenaga (FWEE).
Penjana – Apabila bilah turbin berputar, begitu juga satu 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 rumah kuasa mengambil AC dan menukarkannya kepada arus voltan yang lebih tinggi.
Talian kuasa – Daripada setiap loji kuasa terdapat empat wayar: tiga fasa kuasa dihasilkan secara serentak ditambah neutral atau pembumian yang sama untuk ketiga-tiganya. (Baca Cara Grid Pengagihan Kuasa Berfungsi untuk mengetahui lebih lanjut tentang penghantaran talian kuasa.)
Aliran Keluar – Air terpakai dibawa melalui saluran paip, yang dipanggil tailraces, dan memasuki semula ke hilir sungai.
Air di dalam takungan dianggap sebagai tenaga tersimpan. Apabila pintu terbuka, air yang mengalir melalui penstock menjadi tenaga kinetik kerana ia bergerak. Jumlah elektrik yang dijana ditentukan oleh beberapa faktor. Dua daripada faktor tersebut ialah isipadu aliran air dan jumlah turus hidraulik. Turut merujuk kepada jarak antara permukaan air dan turbin. Apabila turus dan aliran meningkat, begitu juga elektrik yang dijana. Turut biasanya bergantung pada 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 hilir. Loji simpanan-pam mempunyai dua takungan:
Takungan atas – Seperti loji kuasa hidro konvensional, empangan mewujudkan takungan. Air dalam takungan ini mengalir melalui loji kuasa hidro untuk menghasilkan elektrik.
Takungan bawah – Air yang keluar dari loji kuasa hidro mengalir ke takungan bawah dan bukannya memasuki semula sungai dan mengalir ke hilir.
Dengan menggunakan turbin boleh balik, loji ini 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 ini mempunyai lebih banyak air untuk menjana elektrik semasa tempoh penggunaan puncak.
Penjana
Jantung loji janakuasa hidroelektrik ialah penjana. Kebanyakan loji janakuasa hidro mempunyai beberapa penjana ini.
Penjana, seperti yang anda mungkin telah jangkakan, menjana elektrik. Proses asas menjana elektrik dengan cara ini adalah dengan memutarkan satu siri magnet di dalam gegelung dawai. 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:
Semasa turbin berputar, penguja menghantar arus elektrik ke rotor. Rotor ialah satu siri elektromagnet besar yang berputar di dalam gegelung dawai kuprum yang dililit ketat, yang dipanggil stator. Medan magnet antara gegelung dan magnet menghasilkan arus elektrik.
Di Empangan Hoover, arus 16,500 amp bergerak dari penjana ke transformer, di mana arus meningkat sehingga 230,000 amp sebelum dihantar.
Loji kuasa hidro memanfaatkan proses yang berlaku secara semula jadi dan berterusan — proses yang menyebabkan hujan turun dan sungai naik. Setiap hari, planet kita kehilangan sedikit air melalui atmosfera apabila sinar ultraungu memecahkan molekul air. Tetapi pada masa yang sama, air baharu dipancarkan dari bahagian dalam Bumi melalui aktiviti gunung berapi. Jumlah air yang terhasil dan jumlah air yang hilang adalah lebih kurang sama.
Pada bila-bila masa, jumlah isipadu air di dunia adalah dalam pelbagai bentuk. Ia boleh berbentuk cecair, seperti di lautan, sungai dan hujan; pepejal, seperti di glasier; atau gas, seperti dalam wap air yang tidak kelihatan di udara. Keadaan air berubah apabila ia digerakkan mengelilingi planet ini oleh arus angin. Arus angin dijana oleh aktiviti pemanasan matahari. Kitaran arus udara dicipta oleh matahari yang lebih banyak menyinari khatulistiwa berbanding kawasan lain di planet ini.
Kitaran arus udara memacu bekalan air Bumi melalui kitarannya sendiri, yang dipanggil kitaran hidrologi. Apabila matahari memanaskan air cecair, air akan tersejat menjadi wap di udara. Matahari memanaskan udara, menyebabkan udara naik ke atmosfera. Udara lebih sejuk di tempat yang lebih tinggi, jadi apabila wap air naik, ia akan menyejuk dan memeluwap menjadi titisan. Apabila titisan yang mencukupi terkumpul di satu kawasan, titisan mungkin menjadi cukup berat untuk jatuh kembali ke Bumi sebagai kerpasan.
Kitaran hidrologi adalah penting untuk loji kuasa hidro kerana ia bergantung kepada aliran air. Jika hujan tidak turun berhampiran loji, air tidak akan terkumpul di hulu sungai. Tanpa air yang terkumpul di hulu sungai, air yang mengalir melalui loji kuasa hidro akan berkurangan dan elektrik yang dijana akan berkurangan.
Idea asas kuasa hidro adalah dengan menggunakan kuasa cecair yang bergerak untuk memutarkan bilah turbin. Biasanya, empangan besar perlu dibina di tengah sungai untuk melaksanakan fungsi ini. Satu ciptaan baharu memanfaatkan idea kuasa hidro pada skala yang lebih kecil untuk menyediakan elektrik untuk peranti elektronik mudah alih.
Pencipta Robert Komarechka dari Ontario, Kanada, telah mengemukakan idea untuk meletakkan penjana kuasa hidro kecil ke dalam tapak kasut. Beliau percaya turbin mikro ini akan menjana elektrik yang mencukupi untuk menggerakkan hampir semua gajet. Pada Mei 2001, Komarechka menerima paten untuk peranti berkuasa kakinya yang unik.
Terdapat prinsip yang sangat asas tentang cara kita berjalan: Kaki jatuh dari tumit ke kaki semasa setiap langkah. Apabila kaki anda mendarat di tanah, daya akan dibawa ke bawah melalui tumit anda. Apabila anda bersedia untuk langkah seterusnya, anda akan menggulung kaki anda ke hadapan, jadi daya dipindahkan ke bola kaki anda. Komarechka nampaknya perasan prinsip asas berjalan ini dan telah membangunkan idea untuk memanfaatkan kuasa aktiviti harian ini.
Terdapat lima bahagian pada “kasut dengan pemasangan penjana hidroelektrik” Komarechka, seperti yang diterangkan dalam patennya:
Bendalir – Sistem ini akan menggunakan bendalir konduktif elektrik.
Kantung untuk menyimpan bendalir – Satu kantung diletakkan di tumit dan satu lagi di bahagian hujung kasut.
Saluran – Saluran menyambungkan setiap kantung kepada mikropenjana.
Turbin – Apabila air bergerak ke depan dan ke belakang di tapaknya, ia menggerakkan bilah turbin kecil.
Mikropenjana – Penjana terletak di antara dua kantung berisi bendalir dan termasuk pemutar bilah yang memacu aci dan memutarkan 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. Semasa pengguna terus berjalan, tumit akan terangkat dan tekanan ke bawah akan dikenakan pada kantung di bawah bebola kaki seseorang. Pergerakan bendalir akan memutarkan rotor dan aci untuk menghasilkan elektrik.
Soket luaran akan disediakan untuk menyambungkan wayar ke peranti mudah alih. Unit output kawalan kuasa juga boleh disediakan untuk dipakai pada tali pinggang pengguna. Peranti elektronik kemudiannya boleh dipasang pada unit output kawalan kuasa ini, yang akan menyediakan bekalan elektrik yang stabil.
“Dengan peningkatan bilangan peranti mudah alih berkuasa bateri,” paten itu menyatakan, “terdapat keperluan yang semakin meningkat untuk menyediakan sumber elektrik yang tahan lama, boleh disesuaikan dan cekap.” Komarechka menjangkakan perantinya akan digunakan untuk membekalkan kuasa kepada komputer mudah alih, telefon bimbit, pemain CD, penerima GPS dan radio dua hala.
Masa siaran: 21 Julai 2022
